（气象学专业论文）特大城市大气穹隆的边界层特征及其对大气环境的影响.pdf

兰州大学硕士论文摘要 摘要 城市大气穹隆的“大锅盖”效应是城市化影响下城市边界层的重要特征，本 文通过统计分析城市大气穹隆内平均温度场、平均风场的特征，分析了污染物的 分布、堆积情况，讨论了城市大气穹隆的热力、动力结构，研究了污染物的混合、 输送、堆积、分布特征。 本文利用天津边界层气象观测铁塔1 9 9 6 - 2 0 0 5 年十年温、风梯度观测资料， 天津地区大气污染物资料，天津市区酸雨资料及地面气象观测资料，研究特大城 市大气穹隆的边界层特征及其对大气环境的影响，得出以下结论； ( 1 ) 统计分析城市边界层内温风廓线得出，天津城市边界层内存在明显的大气穹 隆效应，冬季的上午1 0 时左右大气穹隆效应较强，下午较弱。 ( 2 ) 城市边界层温度日变化明显。随着天津城市化进程的加快，城市边界层温度 梯度随高度变化复杂，等温层增加，悬浮逆温增多，呈现出明显的多层逆温、 高层逆温特征。1 9 9 6 年主要逆温出现时间季节性明显，春夏季是早6 时前， 晚2 0 时后，秋冬季是早8 时前，晚1 8 时后；2 0 0 3 年主要逆温出现时间季节 性没有1 9 9 6 年明显，全年基本为早8 时前，晚2 0 时后。 ( 3 ) 城市边界层风速存在着明显日变化，但随高度不同而有一定差异，高度越低， 日变化振幅越小，低层白天风速大，夜间风速小，低层风速日变化为单峰形， 高层则相反，夜间风速大，白天风速小，高层风速日变化为单谷形，变化曲 线分界高度因季节有差异，年平均变化在8 0 m 附近。由于城市冠层的“树冠” 效应【l 】，2 0 世纪后冠层内风速呈现减小的趋势。 ( 4 ) 春夏季暖中心位置高的时间较短( 旱7 时前，晚1 9 时后) ，秋冬季暖中心位 置高的时间较长( 早9 时前，晚1 8 时后) ，存在时间以夜间为主，早7 时前 暖中心高度易超过2 5 0 m ，城市低层逆温秋冬季较多，春夏季较少，可见城 市大气穹隆效应存在冬季强度大夏季强度小的特点。 ( 5 ) 天津市p m l 0 、s c h 、n 0 2 的浓度年变化季节性明显，冬季1 2 - 2 月，s 0 2 为 首要污染物，其它季节p m l 0 为首要污染物。冬季污染物浓度高，p m l 0 、s 0 2 和n 0 2 的平均浓度达到o 1 3 4m g m 3 ，o 1 4 7m g m 3 和0 0 6 1m g m 3 ，夏季污染 物浓度低，p m l 0 、s 0 2 和n 0 2 的平均浓度分别为0 0 9 8m g m 3 ，o 0 2 8m g m 3 兰州大学硕士论文摘要 和o 0 3 6m g m 3 。 ( 6 ) 天津地区城市大气穹隆内长时间的逆温、小风天气造成大气稳定度较高，污 染物通过混合、堆积达到污染高浓度。 ( 7 ) 天津市灰霾日数维持在一个较高水平，年灰霾日数市区 蓟县( 山区) 塘沽( 海 滨) ，气象条件对灰霾天气的影响较大，高湿、弱气压场、小风有利于灰霾天 气的形成。灰霾日污染物浓度要普遍高于污染物浓度月均值，多伴随长时间 明显的贴地逆温层。灰霾日城市大气穹隆效应明显，上午1 l 时2 0 0 m 以上还 存在逆温强度为1 5 c 的悬浮逆温层，全天长时间存在多层逆温。 ( 8 ) 偏碱性的污染物气溶胶对降水酸度起到缓冲作用，影响了降水酸度，使降水 p h 值呈现增大的趋势。 关键词：城市大气穹隆边界层污染灰霾酸雨 兰州大学硕士论文 a b s t r a c t t h e b i gc a n o p y e f f e c to fu r b a na t m o s p h e r i cv a u l ti st h ei m p o r t a n tf e a t u r eo f a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rb yt h eu r b a n i z a t i o ne f f e c t b a s e do nt h es t a t i s t i c so ft h e t e m p e r a t u r ef i e l da n da v e r a g ew i n df i e l di nu r b a na t m o s p h e r i cv a u l tt h ed i s t r i b u t i o n a n da c c u m u l a t i o no fc o n t a m i n a n t ，t h et h e r m a la n dd y n a m i cs t r u c t u r eo fu r b a n a t m o s p h e r i cv a u l t ，a n dt h em i x ，t r a n s p 删i o n ，a c c u m u l a t i o n a n dd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f c o n t m n i n a n tw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h et e m p e r a t u r ea n dw i n dd a t ao b s e r v e do fo b s e r v a t i o nt o w e ri nt i a n j i nd u r i n g 1 9 9 6 - 2 0 0 5a n dt h ea t m o s p h e r ec o n t a m i n a t i o nd a t a ，a c i dr a i nd a t aa n dg r o u n dw e a t h e r o b s e r v a t i o nd a t ao ft i 锄j i nw e r eu t i l i z e dt o i n v e s t i g a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e ri nm e g a l o p o l i t a na t m o s p h e r i c v a u l ta n di t si n f l u e n c eo n a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ，d r a w ns o m ec o n c l u s i o no nb e l o w ： ( 1 ) t h et e m p e r a t u r ea n dw i n dp r o f i l eo fu r b a nl o w e rl a y e ra t m o s p h e r ea r e a n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h e r e a r eao b v i o u s “a t m o s p h e r i cv a u l t e f f e c t i i l a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e ro f t i a n j i n a n d “a t m o s p h e r i cv a u l t e f f e c ti na m s t r o n g e r t h a ni 1 1 p m ( 2 ) t h et e m p e r a t u r en e a rt h es u r f a c eh a so b v i o u sd a i l yv a r i a t i o n s a l o n gw i t ht h e f a s t e ru f b p 5 z a ：j oi n 耳a 皿j i n ，t e m p m t u r eg r a d i e n ti nl o w e rl a y e ro f u r b a nb o u n d a r y l a y e rc h a n g e dc o m p l e x l yw i t hv a r i o u sa l t i t u d e ，i s o t h e r m a ll a y e ri n c r e a s e d ，s u s p e n s i o n t e m p e r a t u r ei n v e r s i o ni n c r e a s e d ，a n dp r e s e n tp r o n o t m c e ds e v e r a li n v e r s i o nl a y e r sa n d h i g h e rt e m p e r a t u r ei n v e r s i o nf e a t u r e ( 3 ) t h e r ei so b v i o u sd a i l yv a r i a t i o no f w i n ds p e e di nu r b a nb o u n d a r yl a y e ra n di t v a r y e dw i t hd i f f e r e n th e i g h t t h eh e i g h ti sm o r el o w e ra n dt h ed a i l yv a r i a t i o ni sm o r e s m a l l e r t h ew i n ds p e e di ss t r o n gd u r i n gt h ed a ya n dt h ew i n ds p e e di ss m a l ld u r i n g t h en i g h ti nl o w e ru b l i ti so p p o s i t ei nh i g h e ru b l t h ew i n ds p e e di na nu r b a n c a n o p yl a y e rs h o wat e n d e n c yo fs l o w d o w nd u et ot h ee f f e c to fa nu r b a nc a n o p yl a y e r i n2 1c e n t u r y ( 4 ) t h ed u r a t i o nt h a tt h em a x i m a lo fv e r t i c a lt e m p e r a t u r ei sh i g hi ss h o r ti n 兰州大学硕士论文 s p r i n ga n ds u j l l m e r i ti sl o n gi na u t a n m a n dw i n t e r s ot e m p e r a t u r ei n v e r s i o no fl o w e r l r b li sm o r ei na u t u m na n dw i n t e ra n dl e s si ns p r i n ga n ds u m m e r ( 5 ) p m i oi st h ec h i e fp o l l u t a n ti n2 0 0 5i nt i a n j i na n dt h ec o n c e n t r a t i o ni sn o t o b v i o u ss e a s o n a ld i f f e r e n c e t h ec o n c e n t r a t i o no fs c ha n dn 0 2h a v e 姐o b v i o u s s e a s o n a ld i f f e r e n c ea n di sh i g h e ri nw i n t e r , l o w e ri ns u n l m e r ( 6 ) t h e r ea l el o n gt i m ei n v e r s i o nl a y e ra n ds m a l lw i n ds p e e di nu r b a n l a t m o s p h e r i ev a u l t w h i c hm a k ea l l n o s p h e r em o r es t a b l ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p o l l u t a n th i g h e rt h r o u g hm i x i n ga n da c c u m u l a t i n g ( 7 ) t h e r ea r eah i 曲l e v e lh a z ed a y si nt i a n j i n h a z ed a y si n ey e a ro fu r b a n a r e a t h o s ei nj i x i a n ( m o f f n t a i na r e a ) t a n g g u ( s e ab e a c h ) t h ew e a t h e rc o n d i t i o n s a f f e c th a z ew e a t h e r , h a z ew e a t h e rf o r me a s i l yw i t hh i g hh u m i d i t y , w e a ka i rp r e s s u r e a n ds m a l lw i n ds p e e d p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni s h i g h e ri nh a z ed a y st h a nm e a n m o n t h l yp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na n dh a z ed a y so f t e na c c o m p a n yl o n gt i m ei n v e r s i o n l a y e r ( 8 ) a l k a l e s c a n ta e r o s o lc a nw e a k e na n di n f l u e n tp r e c i p i t a t i o na c i d i t ya n di t m a k ep ho f p r e c i p i t a t i o ns h o wai n c t c s c e mt r e n d k e yw o r d s ：u r b a na t m o s p h e r i cv a u r ；a l m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r ；p o l l u t e ；h a z e ； a c i dm i n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中l , l l 佩他人已经发表或 末发表的成果、数据、舰点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已杓：文中以l 碉确力式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蚴 日期：2 翌! ! 多， 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州人学。本人完全了解州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向同家有关部i 、j 或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用仃何复制f 段保存和f 编小学位论文。木人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 甲位仍然为兰小i 大学。 保密论文在解密后廊遵守此规定。 论文作者签名：i 垒拖导师签名：曼筮趸毫日期：兰空至乡 兰州大学硕士论文引言 第一章引言 1 1 城市边界层、城市大气穹隆研究现状 随着城市化进程的加快，我国人口超百万的大型、超大型城市不断涌现。天 津作为直辖市，全市总面积1 1 万i o l l 2 , 2 0 0 5 年年末常住人口达到1 0 4 3 万人f 2 】， 天津是中国北方最大的沿海开放城市，是环渤海地区的经济中心，经过多年的建 设与改造，现已形成以港口为中心的海陆空为一体的高度发达的立体交通网络。 随着城市范围扩大，城市建筑群的规模也不断扩大。高层建筑越来越多的代 替了平房和低层建筑，增大了下垫面粗糙度。硬化路面取代了裸露的土地和绿地， 增加了地表径流，蒸发能力减弱，其反射率和热容量使入射辐射转化并储存为感 热的能力增强。城市结构发生改变，热力影响和动力影响也相应改变。其中，动 力影响主要是建筑物对气流的拖曳及摩擦作用，热力影响主要表现在街道中的建 筑物结构对城市表面能量收支的影响，及城市中人为活动在大气中的热量释放 等。研究【3 】表明，这两个因素会对城市边界层结构产生影响，并由此形成了城市 边界层结构中所特有的特征，如城市热岛、多层逆温结构，市区相对于农村和郊 区近地层较小的风速和较强的湍流动能等特征。 城市边界层的结构特征及城市局地环流等问题越来越引起国内外学者的关 注 4 ，”。随着计算机计算能力的不断加强，以及广泛应用气象卫星资料，城市下 垫面信息越来越精确，高分辨率的城市边界层模式的发展和应用成为可能。u n o 等【6 】，u r a n o 等刀和y a m a d a 8 1 在中尺度模式的框架内发展了不同的模式来模拟城 市边界层大气现象，如u r a n o 等将人为热的垂直结构和建筑物冠层的影响加入了 m m 5 模式来研究城市的熟环境。c o o p e r 等【9 荆用探空资料和雷达观测资料进行 对比，研究了暴两哥城的城市行星边界层大气特征，揭示了边界层动力作用对污 染物的输送不是连续和分层的。j a m e sl m c e l r o y 等【1 0 l 用一个稳定状态的剖面数 值模式来模拟美国俄亥俄州哥伦布的城市夜间大气边界层的热力结构，并将人为 热考虑为净辐射通量的1 5 - - 4 0 ( 3 月) 。 兰州大学硕士论文引言 在国内，很多学者对于城市边界层及其结构中特有特征做了大量研究，杨玉 华、徐祥德等【1 1 】对北京的热岛和热岛环流特征分别做了模拟和基础研究。卞林根 等1 1 2 】利用大气探测仪和声雷达遥感探测仪器组织的实验数据对冬季北京城区大 气边界层结构特征进行了研究，分析指出了北京冬季城、郊区风廓线受城市覆盖 层影响的变化特征。佟华等【1 3 】模拟了北京海淀区大气边界层的风、温场结构，结 果表明，边界层风场受到热岛热力作用以及地形动力作用的影响。钱滔滔、虞静 明等【l 卅使用一个非线性、非定常二维数值模式，考虑地表面和城市覆盖层顶，模 拟夜间城市边界层的发展、演变情况，结果表明，夜间城市覆盖层削弱大气层结 的稳定度，并在城市覆盖层高度内形成一个小冷岛。王魁山【1 5 1 分析了郑州城市下 垫面对边界层风的影响，揭示城市边界层风不同于非城市平原地区边界层风的特 征及其成因。 在城市近地层中，从地面到建筑物顶的这段距离被称为城市冠层【1 6 】，在该层 中，城市下垫面结构和人为活动直接影响城市大气的热力、动力过程。李晓莉等 【】刁结合m m 5 模式并改进和设计u c p 城市冠层参数化方案。胡非等【1 司统计分析 了北京城市冠层中湍流运动的各种统计特征量，并与平坦下垫面条件下边界层湍 流运动相比较得出：垂直方向湍流强度和湍流脉动风速标准差均小于水平方向 的，水平方向的总是接近相等。 徐祥德、卞林根等【哼】利用2 0 0 3 年北京地区较大的外场试验“b e c a p e x ” 数据，对北京城市边界层特别是城市冠层中能量平衡、辐射平衡、物质平衡、地 表空气动力学特征、湍流结构、参数化等方面进行了细致深入的研究，提出了城 市穹隆的结构模型，本文在其研究基础上，对特大城市天津地区大气穹隆特征、 及其对大气环境的影响进行了初步研究。在城市边界层逆温层类似“大锅盖”结构 内部，大气由于局地“热岛效应”可形成城市相对低压以及由郊区指向市区的辐 合流，形成城市边界层热岛垂直环流。随着城市发展，下垫面湍流、热力结构变 化以及城市近郊建筑群“闭合筒蹙”效应，有可能使城市边界层结构特征越来越 复杂，构成了城区大气穹隆动力结构综合物理图象：由于城市化下垫面陆面、水 体、植被结构改变及特殊的建筑群流体动力特征，尤其城市建筑群的总体“树冠” 2 兰州大学硕士论文引言 效应，显著改变了城市下垫面的粗糙度，城市热岛形成的特殊热力下垫面、粗糙 度及“树冠”效应特征，可导致城市局地多尺度环流和湍流结构的特殊性和局地 性，强对流泡及其热力、机械湍流过程及城市大气环境的多尺度与陆面过程特殊 性使城市边界层热力、动力结构极为复杂( 徐祥德，2 0 0 2 年) 【”。 1 2 边界层污染研究现状 城市建设不断增加，膨胀的城市人口更加集中，生产生活车辆剧增，工业排 放和生活排放也日益增加，污染源的增多加剧了污染，污染物排放进大气中，空 气质量下降。高浓度的城市气溶胶使空气浑浊，增加了对太阳辐射的反射和散射， 使大气透射率减小，改变了太阳辐射收支，削弱了到达地面的太阳直接辐射 2 0 l 。 城区工业热源和生活热源明显多于郊区，加上城市特征的下垫面和城市建筑群在 局地气象条件下，容易形成城区温度高于郊区的城市熟岛效应。这些现象使城市 边界层的热力和动力结构发生了很大改变，形成特殊的局地城市气候，对城市边 界层内污染物的输送、分布和累积会产生影响。 城市化环境问题已成为当前科学研究的重要组成部分。周明煜等【2 i 分析研究 了北京城市边界层低层的湍流垂直结构特征，及其与大气气溶胶浓度之间的关 系。毛恒青等【捌从城市热岛和城市逆温两个方面分析低空气温分布特征，并结合 城市污染讨论了城市污染气象特征。任阵海等1 分析边界层内引起大气重污染的 中尺度天气系统，近地层小尺度局地系统和稳定的大气边界层结构，发现大范围 均压场持续演变和移动常形成大气污染汇聚带，从而形成局地严重污染的重要大 气条件。国内还有不少有关学者对城市边界层内垂直污染结构进行了研究，如徐 祥德等【2 4 1 分析了冬季北京低层空中污染物变化特征及其区域性三维结构。王晓云 等1 2 习就城市主要污染物浓度的垂直分布情况与同时间边界层气象条件之间的关 系展开了研究。 1 3 边界层气象观测塔资料分析研究现状 国内现有两座超过2 0 0 m 的为边界层观测及科研提供资料的气象铁塔，一座 兰州大学硕士论文引言 位于北京市3 9 。5 8 7 n ，1 1 6 。5 2 e ，塔高3 2 5 m ，共分为十五层观测平台刚， 另一座位于天津市1 1 7 。1 2 e ，3 9 。0 4 n ，塔高2 5 5 m ，共分为十五层观测平 台【2 刀。其中围绕北京气象塔的观测研究有北京空气污染现场观测实验 ( b e c a p e x ) ，以及相应的研究文献【1 , 1 9 , 2 1 矧。刘小红等【2 8 】分析了关于北京气象 塔秋季大气0 3 , n o x 和c o 浓度变化的观钡4 实验，丁国安等例利用北京气象塔研 究了北京城市边界层大气污染，苏红兵等t 3 0 】n 用北京气象观测塔上超声风温仪的 观测资料研究北京城郊近地层湍流特征，罗树如等【3 1 】应用北京气象塔的梯度观测 资料研究北京夏季强热岛的边界层气象特征。 与北京气象观测塔相比，对于天津气象塔的利用和研究相对较少，赵鸣等【3 2 】 根据天津气象铁塔的风温资料研究了天津地区低层风切变特征，解以扬等【3 3 1 分析 了平均风温廓线的日变化规律及稳定层结的风温廓线特征，余文韬等【2 7 】统计分析 了天津市城市边界层气象塔的风温湿资料，得出天津地区城市边界层的平均风温 特征，并探讨了城市化发展对其影响。 1 4 本文研究工作 天津气象铁塔位于天津市区，从建成到现在所处环境有明显的城市化发展特 征，天津气象塔所在院内是一个综合观测平台，除有2 5 5 m 的气象塔梯度观测风 温湿、常规地面观测项目外，同时进行城市特种观测：酸雨观测、紫外线观测和 花粉观测，2 0 0 5 年底还增加了快速响应的超声风速仪，2 0 0 6 年塔上又增加了0 3 、 p m 2 5 的浓度监测。气象塔的综合观测环境非常适合城市边界层方面的观测和研 究，但目前这些研究还不多，天津气象塔及院内资料有待进一步开发利用。 本文利用1 9 9 6 2 0 0 5 年天津气象观测铁塔温风梯度观测资料，1 9 9 6 - 2 0 0 4 年天 津市城市气候监测站酸雨资料，n c e p 再分析资料及地面气象观测资料，通过统 计分析和典型日分析等方法，以徐祥德等【1 9 】的研究成果为基础，研究城市大气穹 隆的边界层特征及其对大气环境的影响，主要研究内容包括四个方面： ( 1 ) 统计分析天津地区城市低层大气穹隆的平均温度场、平均风场特征，通 过比较分析平均温度场、平均风场逐年变化情况； 4 兰州大学硕士论文引言 ( 2 ) 统计分析天津地区城市大气穹隆内p m l 0 、s 0 2 、n 0 2 三种污染物监测浓 度的年变化和日变化情况； ( 3 ) 研究天津地区灰霾的分布特征，灰霾与气象因子的关系和灰霾的城市边 界层特征； ( 4 ) 统计分析天津酸雨变化规律，初步研究城市大气穹隆对降水酸度影响的 问题。 本文共分五章： 第一章引言。主要回顾国内外科学家在城市边界层、边界层污染、边界层气 象观测塔资料分析研究等方面的研究进展，讨论大气穹隆及其影响研究的重要 性，简介本文的研究对象、主要研究内容、研究资料、研究方法等。 第二章城市大气穹隆的边界层结构特征分析。研究了城市低层大气穹隆季节 变化、城市低层大气穹隆温度和风廓线，讨论了城市大气穹隆对风廓线影响和城 市穹隆形成可能影响机制。 第三章城市穹隆对大气污染和灰霾大气形成的影响研究。分析了主要污染物 的变化特征及其影响因素，重点研究了灰霾的时空变化特征及其成因，对灰霾日 与非灰霾日大气边界层特征进行了比较分析。 第四章城市大气穹隆对降水酸度的影响。分析了天津酸雨的基本特征，讨论 了城市大气穹隆对降水酸度的影响 第五章结论和工作展望。对本文工作内容进行总结与讨论，分析本文研究的 成果和不足，介绍今后的研究打算。 兰州大学硕士论文 引言 参考文献 【1 】徐祥德城市化环境大气污染模型动力学问题应用气象学报，2 0 0 2 ，1 3 ( 特刊) ：1 1 2 【2 】天津市统计局2 0 0 5 年天津市国民经济和社会发展统计公报 h t t p ：2 1 0 7 2 4 6 2 6 2 0 0 5 9 b h u n ，2 0 0 6 ， 【3 】李晓莉，毕宝贵，李泽椿北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究气象学报， 2 0 0 5 6 3 ( 6 ) ：8 8 9 9 0 1 【4 】d u p o n te ，m e n u tl , c a r i s s m ol e ta 1 c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea l m o s p h e r i eb o u n d a r yl a y e ri n p a d sa n di t sr u r a ls u b m b s d u r i n ge c l a pe x p e r i m e n t a t m e n v i r o n m e n t , 1 9 9 9 , 3 3 ：9 7 9 - 9 9 4 【5 】l e edo t h ei n f l u e n c eo f a t m o s p h e r i cs t a b i l i t ya n dt h eu r b a nh e a ti s l a n do nu r b a n - r u r a lw i n d 叩dd i f f e r e n c e s a n n o se n v i r o n ，1 9 7 9 ，1 3 ( 1 1 ) ：1 1 7 5 1 1 8 0 【6 】u n o ，i hu e d a , a n ds w a k a m a t s u , n u m e r i c a lm o d e l i n go ft h en o c t u r n a lu r b a nb o u n d a r y l a y e r , b o u n d l a y e rm e t e o r ，1 9 8 9 ，4 9 ( 1 ) ：7 7 - 9 8 【7 】u r a n o , a ，t i c h i n o s e ，a n di ch a n a d i ，t h e r m a le n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nf o rt h r e ed i m e n s i o n a l r e p l a c e m e n to f u r b a na c t i v i t y , j w i n de n g h a d a e r o ，1 9 9 9 , 8 1 ( 2 ) ：1 9 7 - 2 1 0 【8 】y a m a d a , t ，b u i l d i n ga n dt e r r a i n e f f e c t si nam e s o s c a l em o d e l ll t h c o n f e r e n c ef i l lt h e a p p l i c a t i o n s o fa i r p o l l u t i o n m e t e o r o l o g y w i t h a & w m a ，9 1 4j a n u a r y , l o n g b e a c h ，c a , 2 0 0 0 ：2 1 5 - 2 2 0 【9 】c o o p e r ，d i ，a n d w e e i c h i n g e r ，s t r u e t u m o f a l m o s p h e r e i na n u r b a n p l a n e t a r y b o u n d a r y l a y e r f r o ml i d ma n dr a d i o s o n d eo b s e r v a t i o n s ，j o u r n a lo f g e o p h y s i c a lr e s e a r c h ，1 9 9 4 ，9 9 ：2 2 9 3 7 - 2 2 9 4 8 1 0 】j a m e sl m an u m e r i c a ls t u d yo f t h en o c t u r n a lh e a ti s l a n do v e ram e d i u m ，s i z e dm i d 1 a t i t u d e c i t y ( c o l u m b u s ，o h i o ) b o u n d l a y e rm e t e n r 1 9 7 3 ，2 7 ：4 4 2 - 4 5 3 【1 1 】杨玉华，徐祥德，翁永辉北京城市边界层热岛的日变化周期模拟应用气象学报，2 0 0 3 ， 1 4 ( 1 ) ：6 1 - 6 7 【1 2 】卞林根，程彦杰，王欣等北京大气边界层中风和温度廓线的观测研究应用气象学报， 2 0 0 2 ，1 3 ( 特刊) ：1 3 - 2 5 0 3 】佟华，桑建国北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究应用气象学报，2 0 0 2 ，1 3 ( 特 6 兰州大学硕士论文引言 刊) ：5 1 - 6 0 【1 4 】钱滔滔，虞静明，曲学实双重作用面下夜间城市边界层的数值研究气象科学，1 9 9 6 ， 1 6 ( 1 ) ：4 7 - 5 5 【1 5 】王魁山下垫面对郑州城市边界层风的影响，气象，2 4 ( 7 ) ：t o 一1 3 【1 6 】r o t h m r e v i e wo f a t m o s p h e r i c t u r b u l e n c e o v e rc i t i e s q u a r t r o y m e t e o r s o c , 2 0 0 0 ，1 2 6 ( 5 6 4 ) ：9 4 1 9 9 0 【1 7 】李晓莉，何金海，毕宝贵等m m 5 模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验气 象学报，2 0 0 3 ，6 1 ( 5 ) ：5 2 6 - 5 3 9 【1 8 】胡非，李昕，陈红岩等城市冠层中湍流运动的统计特征气候与环境研究，1 9 9 9 ， 4 0 ) ：2 5 2 - 2 5 8 【1 9 】徐祥德，卞林根，丁国安等城市大气环境观测工程技术与原理气象出版社，2 0 0 3 ：1 1 3 8 2 0 】t w o m e ysa p i 印g r a 鹤m w o l f etl a na s s e s s m e n to f t h ei m p a c to f p o l l u t i o no ng l o b a l c l o u da l b c d o t e l l u s ，s e tb 1 9 8 4 ，3 6 ：2 5 6 - 3 6 6 【2 1 】周明煜，姚文清，徐祥德等北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污 染物浓度关系的研究2 0 0 5 ，3 5 ( 增刊i ) ：2 0 - 3 0 2 2 1 毛恒青，朱蓉城市的低空气温分布特征及其对大气污染扩散的影响1 9 9 7 ，1 0 ( 2 ) ：3 1 - 3 5 2 3 】任阵海，苏福庆，高庆先等边界层内大气排放物形成重污染背景解析大气科学， 2 0 0 5 ，2 9 ( 1 ) ：5 7 - 6 3 d 4 1 徐样德，丁国安，周丽等北京城市冬季大气污染动力：化学过程区域性三维结构特征 科学通报，2 0 0 3 ，4 8 ( 5 ) ：4 9 6 5 0 1 【2 5 】乇晓云，潘莉卿，吕伟林等北京城区冬季空气污染物垂直分布与气象状况的观测分析 应用气象学报，2 0 0 1 ，1 2 0 ) ：2 7 9 - 2 8 6 口5 】洪钟祥北京气象塔的观测系统_ b 京：科学出版社，1 9 8 3 2 7 】余文韬渤海西岸城市边界层特征及城市化发展对其影响的研究兰州大学硕士论 文2 0 0 6 ，l - 5 0 【2 8 】刘小红，李家伦北京气象塔秋季大气0 3 , n o x 及c o 浓度变化的观测实验自然科学进 展，2 0 0 0 ，1 0 ( 4 ) ：3 3 8 - 3 4 2 兰州大学硕士论文引言 【2 9 】丁国安，孟昭阳，于海青等_ | e 京城区大气边界层空气污染特征观测研究应用气象学报， 2 0 0 2 ，1 3 ( 特刊) ：8 2 - 9 1 3 0 】苏红兵，洪钟祥北京城郊近地层湍流实验观测大气科学，1 9 9 4 ，1 8 ( 6 ) ：7 3 9 - 7 5 0 【3 l 】罗树如，刘熙明北京市夏季城市强热岛边界层气象特征科学技术与工程，2 0 0 5 ， 5 ( 1 0 ) ：6 4 4 - 6 5 1 【3 2 】赵鸣，唐有华，刘学军天津塔层风切变的研究气象，2 2 ( 1 ) ：7 1 2 3 3 】解以扬，刘学军天津气象塔风温梯度观测资料的统计特征气象，2 9 ( 1 ) ：1 2 1 6 8 兰州大学硕士论文 城市大气穹隆的边界层结构特征分析 第二章城市大气穹隆的边界层结构特征分析 近几十年来，环渤海地区经济迅速发展，城市规模不断扩大，城市边界层的 热力、动力结构都相应发生了改变，在特殊下垫面和人类活动的影响下形成城市 局地气候，城市边界层内多层逆温的特征越来越显著。城市大气穹隆像大锅盖覆 盖在城市上空，污染物在其内部混合、扩散、堆积、输送，研究天津地区大气穹 隆的风温场特征，为迸一步研究城市污染问题提供了依据。本章将利用天津气象 观测塔的温风梯度观测资料，研究城市低层大气穹隆的平均温度场、平均风场特 征，通过比较，分析平均温度场、平均风场逐年变化情况。 2 1 资料来源及处理 本章利用1 9 9 6 - 一2 0 0 5 年天津气象观测塔温风资料，通过统计分析，初步探讨 作为特大城市的天津大气穹隆特征。 天津气象观测塔位于天津市区河西区友谊路6 2 号院内，1 1 7 。1 2 7 e ，3 9 。 0 4 n 。塔北部6 0 m 处为3 0 m 左右高度的水利科学研究所，东面8 0 m 处为立交 桥，南面和西面是4 0 m 左右高度的居民楼。气象塔高2 5 5 m ，在距离地面5 m 、 1 0 m ，2 0 m ，3 0 m ，4 0 m ，6 0 m ，8 0 m ，1 0 0 m ，1 2 0 m ，1 4 0 m ，1 6 0 m ，1 $ 0 m ，2 0 0 m ， 2 2 0 m 和2 5 0 m 处1 5 个层次安装了慢速响应的风、温观测仪器，在l o m 、4 0 m 、 2 5 0 m 处安装了湿度观测仪器，连续观测不同高度的风、温、湿，时间间隔为2 0 s 。 2 0 0 5 年在4 0 m 、1 2 0 m 和2 5 0 m 三个层次安装了快速响应的超声风速仪。城市气 候监测站属于国家二级气象观测站，也位于铁塔院内，除二级站常规观测的温压 湿风等项目外，还兼有酸雨、紫外线和花粉观测。资料的多样性和连续性为研究 特大城市大气穹隆提供了基本依据。 首先要对铁塔资料进行质量控制，剔除僵值和野点，在可以确认为野点且连 续野点不超过两个连续高度时进行插值。 城市大气穹隆特征描绘所用铁塔资料采用的平均方法如下：用逐小时十分钟 9 兰州大学硕士论文城市大气穹隆的边界层结构特征分析 平均温度、风速资料计算小时平均，最后计算出各月2 4 小时平均风速、温度， 风向按照最高频率风向法进行平均，这是一种统计平均方法，把风向按照度数划 分为1 6 个方向，3 4 8 7 5 。一1 1 2 5 。( n ) 、11 2 5 。 。3 7 5 。( t o n e ) 、3 3 7 5 。5 6 2 5 。( n e ) 、5 6 2 5 。7 8 7 5 。t 芭1 q e ) 、7 8 ，7 5 。- 1 0 1 2 5 。但) 、1 0 1 2 5 。1 2 3 7 5 。( e s e ) 、 1 2 3 7 5 。- 1 4 6 2 5 。( s e ) 、1 4 6 2 5 。1 6 8 7 5 。( s s e ) 、1 6 8 7 5 。一1 9 1 2 5 。( s ) 、1 9 1 2 5 。- - 2 1 3 7 5 。( s s w ) 、2 1 3 7 5 。一2 3 6 2 5 。( s m 、2 3 6 2 5 。, - - 2 5 8 7 5 。( w s v o 、2 5 8 7 5 。- - 2 8 1 2 5 。( 、) 、2 8 1 2 5 。- - 3 0 3 7 5 。( w n w ) 、3 0 3 7 5 。- 3 2 6 2 5 。、3 2 6 2 5 。 3 4 8 7 5 。0 q n w ) ，然后以最高频率的平均风向为平均风向。 考虑到资料的质量状况，选择四季有代表性的月份的温度、风速变化曲线， 并用数据质量较好的间隔年份描述城市低层大气穹隆的季节变化，及逐年的变化 情况。用1 9 9 6 年4 月、1 9 9 9 年4 月和2 0 0 3 年4 月代表春季，1 9 9 6 年6 月、1 9 9 9 年6 月和2 0 0 3 年6 月代表夏季，1 9 9 6 年1 1 月、2 0 0 0 年1 1 月和2 0 0 5 年1 1 月代 表秋季，1 9 9 6 年1 月、1 9 9 9 年1 月和2 0 0 3 年1 月代表冬季。 2 2 城市低层大气穹隆季节变化 随着天津城市的不断发展，城市建筑群规模的日益扩大，城市边界层的热力、 动力结构都发生了改变，形成的城市大气穹隆效应对城市边界层各个季节的温、 风场产生了影响。城市逆温层像“大锅盖”覆盖在城市上方，城市大气穹隆内温 风廓线都具有明显的季节变化。下面我们将分析城市大气穹隆内温风场的季节特 征。 2 2 1 城市低层大气穹隆温度廓线 城市大气穹隆内部城市局地“热岛效应”、气溶胶辐射效应都会对城市大气 穹隆内平均温度场产生影响 1 , 2 l 。天津地区季节性明显，城市边界层温度廓线具 有季节变化。 l o 兰州大学硕士论文城市大气穹隆的边界层结构特征分析 2 2 1 1 春季温度廓线 图2 2 1 1 为1 9 9 6 、1 9 9 9 、2 0 0 3 年春季温度廓线，由图可知，1 9 9 6 年春季温 度廓线特征：2 “时几乎整层都为逆温层，逆温强度( 每l o o m 高度增加的温度) 各为0 2 9 c 、o 5 c 、0 2 8 c ，逆温强度呈减小趋势，8 时以后逆温层被破坏，温 度随高度递减，2 0 时逆温层又重新生成，逆温层顶在4 0 m 附近，4 0 m 以上温度 随高度递减，逆温层逐渐深厚，2 2 时接地逆温层顶在1 4 0 m 附近，2 4 时逆温层 渐深厚层顶升至1 8 0 m 附近。 1 9 9 9 年春季温度廓线特征：2 8 时2 0 m 以下存在接地逆温层，1 2 0 m 以上又 有一悬浮逆温层存在，逆温层顶高于2 5 5 m 的铁塔高度，悬浮逆温层逆温强度随 时间推移逐渐变小，随着太阳升起辐射增强1 0 时后逆温被破坏，1 8 时开始2 0 m 以下又