城市化进程改变了原有的下垫面 (土地覆盖) 特征，同时，由于人类活动增加了数量可观的人为热和污染物排放，也改变了近地层大气结构，形成了以城市效应为主的局地气候。针对城市气象和环境问题，国际上组织了一些综合观测试验和计划^[1]。随着城市的快速发展，城市内除气温以外，其他气象要素的分布特征也受到了学者们的广泛关注，城市效应对湿度影响显著且复杂。Hage^[2]利用城郊机场地面观测资料对芝加哥大气湿度的研究表明，芝加哥冬季市区相对湿度和绝对湿度均高于乡村；其他季节，城市相对湿度不论白天还是夜间均低于乡村，城市白天 (夜间) 绝对湿度低于 (高于) 乡村。近地面风向和风速因受到城市的影响而发生变化，城市高楼林立，粗糙度增大，摩擦和拖曳作用使得风速减小^[3]。但Chandler^[4]研究发现，伦敦城市以及附近地区近地面风速的分布取决于上风向乡村地区的风速。当城市热岛效应较强时，伦敦城市风速大于周围郊区风速。另外，由于城市下垫面以及热岛环流的作用，风向也发生一定变化。Fujibe^[5]发现，东京暖季白天变暖使关东平原中部的空气出现辐合。

北京是世界上最大的城市之一，城市效应十分显著。学者们对北京城市热岛效应强度、结构和特征进行了深入细致的研究^[6-7]。除温度外，北京城市湿度、近地面流场的分布特征也受到了广泛关注。Liu等^[8]研究表明，城市效应使城区的相对湿度和水汽压减小。苗世光等^[9-10]利用WRF模式模拟发现，城市大的粗糙度使得风速有所降低，且城市作用也使部分站点风向发生偏转。前人对于比湿和近地面风场的研究往往利用较少的站点数据探讨大范围的分布特征，不能很好地反映北京城市内部比湿、风向和风速精细的结构特征以及城市的影响。本文利用高时空分辨率自动气象站逐时观测数据，重点关注北京城区及近郊近地面比湿、风向和风速的精细化时空分布特征，初步探究了城市下垫面对气象要素的影响机制。

北京市总面积超过16800 km²，位于华北平原北部，地形复杂；西邻太行山山脉，北接燕山山脉，平原约占北京市总面积的38%。为了突出城市内部精细化的气象要素分布特征及城市的影响，本文的研究范围主要集中在六环路以内 (北京地形及研究区域范围见图 1a)，研究区域面积约为2800 km²。所用资料为北京市2008—2012年平原地区城区及附近83个自动气象站逐时数据 (图 1b)。在人们对自动气象站数据质量评估^[11-13]基础上，本文对所用数据进行了质量控制，按照文献[14]的方法进行检验，剔除超出历史极限值的数据。对于不同的气象要素，本文分别剔除了缺测率高于5%的站点。剔除后，比湿、10 m风数据分别来自44个站和53个站。

图 1

图 1. 研究区域情况 (a) 北京地区地形分布 (黑色圆框内为本研究范围，黑色圆点为本文选取的郊区代表站), (b) 研究区域遥感图像和自动气象站 (黑色圆点) 分布 (白色三角为城区代表站；红色环路分别代表二环路、四环路和六环路) Fig 1. Study area (a) Beijing area with topographic-heights and study area (black square), rural stations (black dots), (b) remote sensing images of study area with AWS sites (black dots) (white triangles denote urban sites; red circles denote the Second, Forth, Sixth Ring Roads)

为了研究北京城区对近地面比湿和风速的影响，本文选取9个城区代表站和6个郊区代表站。北京城区下垫面主要在四环路以内及附近 (图 1b), 但公园内站点周围植被较多或邻近水体，不能很好反映城市下垫面对气象要素的影响，因此本文选取四环路以内且处于公园外的站点作为城区代表站 (图 1b)，9个城区代表站海拔相近为35~52 m，平均海拔为45.7 m，分布于39.90°N, 116.41°E附近。郊区代表站的选择参考Yang等^[7]的方法。由于其中两站缺测率高于5%，本文选取其余的6个站作为郊区代表站 (图 1a)，与北京城市中心 (天安门广场) 平均距离约为41 km，平均海拔为39.2 m，分布于39.89°N，116.58°E附近，与城区代表站平均海拔相差很小 (仅为6.5 m)。另外，城郊代表站平均经纬度差异也很小，从而排除海拔和地理位置差异带来的影响。定义城区代表站平均比湿及风速与郊区代表站平均比湿及风速的差值为城郊比湿差及风速差：

(1)

(2)

其中，Δq和ΔV分别为城郊比湿差和风速差，q_u和V_u分别为9个城区代表站的平均比湿和风速，q_r和V_r分别为6个郊区代表站的平均比湿和风速。

北京处于暖温带半湿润半干旱季风气候带，冬季干燥，夏季潮湿。研究范围内, 春季平均比湿为4.56 g·kg^-1，夏季为13.92 g·kg^-1，秋季为6.11 g·kg^-1，冬季为1.18 g·kg^-1。夏季城区比湿低于周围地区 (图 2)，为城市干岛。一方面，城市下垫面大多是不透水层，地面含水率低，降水后雨水很快流失，地面快速变干；另一方面，城区植被覆盖率低，植物蒸散量少于郊区。另外，较高的城市边界层加剧了水汽的垂直混合，降低了近地面比湿。北京夏季降水较为充沛，植被茂盛，下垫面不透水率是影响近地面比湿分布的重要因素。城区比湿分布不均匀，存在3个比湿低值中心，分别位于东、西四环附近以及二环路内的老城区。这反映出城市内部不同功能区对近地面比湿的影响不同：不透水率高的区域 (工商业区) 比湿偏低，而透水率高的地区 (公园等) 比湿较高。

图 2

图 2. 2008—2012年平均2 m比湿水平分布 (单位：g·kg-1；方框分别为北京二环路和四环路；阴影为地形高度) Fig 2. Seasonal averaged 2-m specific humidity during 2008-2012 in Beijing urban area (unit:g·kg-1; circles denote the Second and Fourth Ring Roads, the shaded denotes terrain height)

北京冬季城区比湿空间分布 (图 2) 与夏季差异很大，城市地区比湿高于周围郊区，为城市湿岛。二环路和四环路之间存在一条近似环状的比湿高值带。二环路以内老城区比湿略低，但仍高于同纬度、同海拔的郊区。北京冬季气温低，植被和降水稀少，人类活动释放可能成为近地面大气水汽的重要来源。城区内 (特别是二环路和四环路之间的高密度城市区) 比湿高于郊区。二环路内为老城区，虽然下垫面不透水率较高，但建筑物平均高度小，人口密度略低，人为排放水汽较少。因此，老城区内比湿较低，而高密度城市区比湿相对较高。春季和秋季为过渡季节，比湿分布特征介于夏季和冬季之间。

城市和郊区平均比湿日变化趋势显著不同 (图 3)。夏季郊区水汽日变化呈波动状，存在两个极大值 (08:00和20:00, 北京时，下同)、两个极小值 (05:00和15:00)。可能原因是08:00开始，随着太阳辐射增强，气温升高，强的垂直混合将近地面水汽输送到高层，近地面比湿持续减小，于15:00达到极小值 (13.94 g·kg^-1)。随着太阳辐射减弱，近地面比湿增大，于20:00达到极大值 (14.74 g·kg^-1)。夜间郊区温度不断降低，下垫面蒸发量减小，另外，由于凌晨温度低，近地面水汽发生凝结，近地面比湿迅速减小，在05:00达到极小值 (13.99 g·kg^-1)；之后随着太阳辐射增强，温度回升，比湿迅速增大。由此可见，垂直混合和蒸发凝结是影响郊区比湿日间、夜间变化的主要因素。城区白天 (08:00—18:00) 比湿变化与郊区相一致，主要受到垂直混合强度变化影响。夜间，城区比湿无显著下降趋势，原因是城市影响，城区夜间温度降低较慢，且高于郊区，地面水汽蒸发依然较强。03:00—06:00城市内凝结较少甚至没有出现水汽凝结现象，城区比湿高于郊区，而其他时段城区比湿低于郊区。

图 3

图 3. 夏季和冬季城区、郊区比湿日变化 Fig 3. Diurnal variation of q of urban and rural areas in summer and winter

冬季北京近地面比湿很小。郊区上午 (08:00—11:00) 比湿迅速增大，16：00开始，郊区近地面比湿缓慢降低。整体而言，北京郊区冬季近地面比湿白天高于夜间。冬季城区比湿变化趋势与郊区不同，白天 (08:00—19:00)，近地面比湿持续缓慢增大，夜间 (20:00—次日07:00) 比湿缓慢减小。造成这种现象的可能原因是冬季人类活动释放水汽。城市人口聚集，人为排放水汽使城市比湿高于郊区。白天人类活动频繁，不断向空气中释放水汽，使得比湿缓慢增大。夜间，人类活动较少，比湿缓慢降低。春季和秋季为过渡季节，比湿日变化 (图略) 介于夏季和冬季之间。

夏季03:00—06:00 (图 4)，Δq为正，城区平均比湿高于郊区，表现为城市湿岛，05:00湿岛最强 (0.14 g·kg^-1)；其他时刻由于城郊下垫面差异城区比湿低于郊区，表现为城市干岛，19:00干岛最强 (-0.38 g·kg^-1)。Δq日变化受到城郊温度、下垫面差异的影响。白天温度较高，下垫面蒸发量大。城区下垫面不透水率高，植被、水体少于郊区，即下垫面释放水汽量低于郊区，Δq绝对值随着时间增大。冬季北京城区主要表现为湿岛，湿岛白天较弱，夜间较强，是因为郊区白天比湿较高 (图 3)，城郊比湿差小。春、秋季为过渡季节，Δq日变化趋势与夏季相似。夏季湿岛持续时间最短 (03:00—06:00)，干岛日持续时间最长，强度最强 (Δq平均值为-0.44 g·kg^-1)；冬季虽然湿岛持续时间最长，但最强湿岛发生于秋季 (04:00 Δq达到0.25 g·kg^-1)，可能原因是夏季平均温度较高，近地面凝结发生的时间短，并且凝结量较小；冬季城区与郊区夜间平均温度均低于0 ℃^[9]，城郊温差对近地面空气中水汽凝结影响较小；秋季夜间出现凝结时间较长，且凝结量较大。

图 4

图 4. 4个季节和年平均Δq日变化趋势 Fig 4. Diurnal variation of Δq in different seasons

Δq季节变化 (图 5) 十分显著。第17候 (3月下旬) 到第59候 (10月下旬)，Δq为负值，城区比湿低于郊区。春季和夏季，Δq值随时间减小，干岛不断增强，尤其是7月，Δq迅速减小。8月干岛达到最强。Δq最小值为-0.65 g·kg^-1 (日平均值)，位于第47候。秋季 (9月) 开始，Δq值增大，干岛减弱。第60候 (10月底) 开始，Δq转为正值，北京城区由干岛转变为湿岛，于第67候达到最大值0.18 g·kg^-1 (候平均值)。Δq候变化受到降水量的影响。Δq与北京市观象台 (图 1a) 候平均降水量有很好的滞后反相关关系 (图略)，Δq与北京市观象台候平均降水量滞后两候的相关系数为-0.72，达到了0.001显著性水平。

图 5

图 5. 2008—2012年不同时段候平均Δq变化 Fig 5. Variations of pentad-mean Δq for five durations

除02:00—07:00时段外，其他时段6 h平均Δq变化和日平均变化一致。凌晨 (02:00—07:00) 北京城区比湿多高于郊区。由图 5可以看出，春、夏以及初秋季节，Δq值波动较大，即干岛强度波动较大，而深秋和冬季Δq值分布集中，波动较小，即湿岛强度波动很小。且最大干岛强度显著大于最大湿岛强度 (-0.44~0.18 g·kg^-1)。各时段曲线均存在小的波动，这反映了天气系统的影响。

北京山地和平原过渡急剧、界限分明，香山最高峰海拔500 m，距北京城市中心仅25 km，低层流场受地形影响很大。为了探索研究范围内风的分布特征，本文将某一时段内某站频率最大风向 (八方位计算方法) 定义为该时段该站的盛行风向。为了划分各季节山谷风时段，本文定义研究区域内50%以上观测为偏南 (北) 风的时段为谷 (山) 风时段。各季节山、谷风时段见表 1。划分结果与之前的研究大致相同^[15]。

表 1

表 1 各季节山风、谷风开始和结束时间 Table 1 The beginning and ending time of valley and mountain breeze in four seasons 季节 山风 谷风 起始时刻 结束时刻 起始时刻 结束时刻 春季 02:00 10:00 11:00 01:00 夏季 05:00 10:00 11:00 04:00 秋季 22:00 12:00 13:00 21:00 冬季 20:00 14:00 15:00 19:00

表 1 各季节山风、谷风开始和结束时间 Table 1 The beginning and ending time of valley and mountain breeze in four seasons

不同季节山、谷风时段分布略有不同 (表 1)，夏季山风时段最短，谷风时段最长，而冬季山风时段最长，谷风时段最短。这是北京夏季盛行偏南风、冬季盛行偏北风造成的。不同季节、不同时段的地面风场分布特征明显不同 (图 6)。夏季谷风时段，空气由平原吹向山区，研究范围内大部分站点盛行偏南风。由于城市高楼林立、下垫面粗糙，风遇到城市时发生绕流。山风时段，多数站点盛行偏北风，风由山区吹向平原。在城区东部有偏东风，南部有偏南风盛行，可能是由于城市地区温度高，近地面空气向城市辐合引起的。因此，在地形和城市共同作用下，城区附近的空气向城市中心辐合。冬季山风时段在西部地区，风由山区吹向城区，东部有绕流现象。谷风时段，在季节盛行风 (偏北风)，地形以及城市共同影响下，城区存在一条西北—东南走向的辐合线。辐合线以东以北部地区吹西北风，且风速较大，辐合线以西以南地区吹西南风，且风速较小。春季和秋季山谷风流场相似，均有绕流现象。

图 6

图 6. 不同季节山风、谷风风向 (矢量) 分布 (阴影为地形高度) Fig 6. Wind direction (vectors) of mountain-breeze and valley-breeze in four seasons (the shaded denotes terrain heights)

夏季热岛不是最强，但只有在夏季出现向城市中心辐合的盛行流场，可能原因是夏季平均风速最小，风向易受到热岛环流的影响。城市中心存在一些站点风向日变化不明显，因为这些站点风向主要受城市局地环境的影响。

4个季节地面风速分布型 (图 7) 一致，平均风速大小不同。城区风速等值线密集，风速水平梯度大。三环路外围风速较大，二环路以内存在一风速次大区域，而在二环路和三环路之间存在一条“n”形的风速小值带。这和北京城市环状结构有关，北京二环路到三环路之间主要为高密度城市地区 (图 1b)，下垫面粗糙度大；二环路内主要为老城区，平均建筑物高度较低，下垫面粗糙度略小。因此，当风吹向城市时，高密度城市区域大的粗糙度使得近地面风速减小，进入老城区时由于粗糙度减小而风速略有增大。高密度城市区域为主要的工商业区，人口密度大，人类活动向空气中排放的污染物较多。由于城市下垫面的影响，该区域风速较小，对污染物的扩散十分不利。

图 7

图 7. 2008—2012年四季平均10 m风速分布 (单位：m·s-1; 方框分别代表为北京二环路和四环路，阴影为地形高度) Fig 7. Seasonal averaged 10-m wind speed during 2008-2012 (unit: m·s-1; circles denote the Second and Fourth Ring Roads, the shaded denotes terrain heights)

北京春季风速最大，区域平均风速为1.74 m·s^-1，冬季次之 (1.60 m·s^-1)，夏季和秋季风速最小 (1.10 m·s^-1)。就年平均风速而言，区域平均风速日变化十分显著 (图 8)。从05:00到15:00，平均风速增大近1倍 (由0.98 m·s^-1增大到1.96 m·s^-1)，15:00开始，风速随时间减小。夜间 (20:00—次日06:00) 风速变化稳定，低于白天。日出后，太阳辐射增强，湍流发展使上下层空气交换频繁，有利于上层动量下传，使近地面风速增大。午后，湍流发展最旺盛，风速最大。夜间，边界层稳定，湍流较弱风速较小，且由于外部条件稳定风速变化较小。年平均日最大风速出现在15:00(1.96 m·s^-1)，最小风速出现在05:00(0.98 m·s^-1)。4个季节风速日变化一致，极值出现时间略有不同。春季日风速差值达到2 m·s^-1以上，秋季日差最小。

图 8

图 8. 研究范围内平均10 m风速日变化分布 Fig 8. Diurnal variation of regional averaged 10-m wind speed in different seasons

由图 9可知，城郊风速差ΔV小于0，城区内平均风速小于郊区平均风速。ΔV的年平均日变化表明，城郊风速差异 (|ΔV|) 夜间 (20:00—次日06:00) 较小，且变化平稳, 而该差异白天较大，且变化幅度大。07:00开始，城郊风速差异逐时增大，13:00达到最大值，为0.9 m·s^-1。13:00—19:00，城郊风速差异逐时减小，19:00为全天的最小值，为0.4 m·s^-1。城郊风速差异夜间小于白天，一方面, 由于夜间风速比白天小，另一方面, 因为夜间郊区大气层稳定，城区由于热岛效应，大气层结稳定度低于郊区，热力湍流和机械湍流比郊区大，有利于上层较大动量下传，减小了城郊风速差异。4个季节的城郊风速差异日变化趋势均与年变化大致相同，午后达到最大值，傍晚达到最小值。其中，春季平均城郊风速差异最大，为0.79 m·s^-1；夏季最小，平均值为0.5 m·s^-1；冬季和秋季平均值分别为0.63 m·s^-1和0.57 m·s^-1。平均风速越大，城郊风速差异越大。另外，城郊风速差异也受到植被的季节变化影响。北京冬、春季节，郊区植被稀少，面积剧减，下垫面粗糙度减小，而城区下垫面粗糙度基本不变，城郊风速差异大；春、秋季节郊区植被生长茂盛，覆盖面大，地面粗糙度增加，城郊风速差异减小。

图 9

图 9. 研究范围内平均城郊风速差日变化分布 Fig 9. Diurnal variation of ΔV in different seasons

北京城市不同环路代表不同的城市发展程度及人口密度，为了进一步研究城市化对风速的影响，本文计算了不同环路内区域与郊区平均风速差 (图 10)，各环路区域与郊区风速差日变化趋势一致，但强度差异较大。与郊区相比，二、三环路之间平均风速最小 (平均值为-0.71 m·s^-1)，二环路内次之 (平均值为-0.61 m·s^-1)。造成这种现象的原因是二、三环路为高密度城市区 (图 1b)，下垫面粗糙度很大，二环路内为老城区，粗糙度低于高密度城市区域。五、六环路间与郊区平均风速差异最小 (平均值为-0.04 m·s^-1)。由上述分析可知，区域城市化水平越低，与郊区风速差异越小。不同环路与郊区平均风速差明显分为两类，二环路和二、三环路间与郊区平均风速差较为接近，而三、四环路间至五、六环路间与郊区风速差差异较小。这是因为从四环路到六环路区域为高密度城区和郊区的过渡区，该区域粗糙度小于高密度城市区域，亦受到城市热岛环流的复杂影响。

图 10

图 10. 不同环路区域内平均风速与郊区平均风速差日变化 Fig 10. Diurnal variation of averaged speed difference between different loop areas and rural sites

本文利用2008—2012年高密度自动气象站逐时观测数据，研究了北京城区及近郊地区近地面比湿、风向和风速的精细化时空分布特征。主要结论如下：

1) 北京近地面比湿受到城市下垫面的显著影响，夏季城区比湿低于郊区，为“城市干岛”；冬季由于人类活动释放水汽城区比湿高于郊区。由于人类活动的影响，城区与郊区比湿日变化明显不同。

2) 10 m风向受季节盛行风、地形和城市作用共同影响。夏季谷风时段，受城市建筑物的影响，偏南风发生绕流；山风时段，在山谷风环流、季节盛行风以及城市热岛共同作用下，气流向城市中心辐合。冬季山风时段，风由西部山区吹向城区，东部有绕流现象；谷风时段在城区形成一条西北—东南走向的辐合线。春、秋季为过渡季节，均有绕流现象。

3) 受到城市下垫面大粗糙度的影响，城市范围风速减小。北京二环路和三环路之间存在一条“n”状的风速小值带，是北京二环路以内老城区粗糙度较小、二环路以外高密度城市区域粗糙度大造成。白天风速大，变化幅度大，夜间风速小，变化平稳。城郊风速差异随平均风速增大而增大。不同环路内风速与郊区风速差异不同，二环路与三环路之间与郊区风速差异最大，五环路与六环路之间风速差异最小。

综上所述，除已开展较多的城市热岛效应研究外，北京城市下垫面对近地面湿度和风场亦有显著影响。对城区及近郊5年平均的近地面比湿、风场高分辨率精细化空间分布特征的研究，揭示其日变化及季节变化规律，不仅能够为城市的精细化预报提供参考，而且可以为大气环境治理及城市规划提供依据。城市下垫面不仅仅影响低层温度、湿度和风场，对降水也有一定的影响。本文仅讨论了城市及近郊近地面湿度和风场的特征，北京城市化进程对降水的影响仍需进一步研究。