应用气象学报  2008, 19 (1): 53-60   PDF    
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李明华, 范绍佳, 王宝民, 吴兑, 祝薇, 刘吉, 余冠明, 鲍若峪, 樊琦. 珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线观测研究[J]. 应用气象学报, 2008, 19(1): 53-60.
Li Minghua, Fan Shaojia, Wang Baomin, Wu Dui, Zhu Wei, Liu Ji, Yu Guanming, Bao Ruoyu, Fan Qi. Observation Study on the Temperature and Wind Profiles over the Pearl River Delta in Autumn[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2008, 19(1): 53-60  
珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线观测研究
李明华1,2, 范绍佳1, 王宝民1, 吴兑1,3, 祝薇1, 刘吉1, 余冠明4, 鲍若峪1, 樊琦1     
1. 中山大学大气科学系/环境气象研究所, 广州 510275;
2. 惠州市气象局, 惠州 516001;
3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州 510080;
4. 中山大学环境科学系, 广州 510275
2007-01-18 收到, 2007-10-15 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40645026) 和国家973项目 (2002CB410801) 共同资助    
摘要: 根据2004年10月珠江三角洲3个代表性观测点大气边界层观测资料, 分析了珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线特征。结果表明:珠江三角洲秋季气温递减率较低, 逆温出现频率较高, 强度较弱, 海风使珠江口贴地逆温的出现时间推迟、低空逆温的出现频率增加。珠江三角洲秋季受多种局地环流影响, 边界层内风廓线比较复杂, 晚上城市群与非城市群地区风向有明显差别; 城市群和珠江口多次分别观测到城市热岛环流和海风环流。
关键词: 温度廓线    风廓线    珠江三角洲    秋季    
Observation Study on the Temperature and Wind Profiles over the Pearl River Delta in Autumn
Li Minghua1,2, Fan Shaojia1, Wang Baomin1, Wu Dui1,3, Zhu Wei1, Liu Ji1, Yu Guanming4, Bao Ruoyu1, Fan Qi1     
1. Department of Atmospheric Sciences/Institute of Environmental Meteorology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275;
2. Huizhou Meteorological Bureau, Huizhou 516001;
3. Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510080;
4. Department of Environmental Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275
Abstract: For the purpose of study on the characteristics of the boundary layer and its effects on air pollution in the Pearl River Delta, the comparison observation based on balloon sounding is conducted by Sun Yat-Sen University in Qingyuan, Panyu and Xinken of the Pearl River Delta in October, 2004. The temperature and wind profiles of the boundary layer over the Pearl River Delta in autumn are studied on the observation data. It is found that the temperature lapse rate is small while the occurrence frequency of the temperature inversion is high and the intensity is low over the Pearl River Delta in October, 2004. The surface temperature inversion occurs earlier over the city cluster than over the Pearl River estuary and the average intensity over the city cluster doubles that over the Pearl River estuary while the low-lever temperature inversion frequency over the city cluster is lower than that over the Pearl River estuary. The relatively low temperature and the high-speed sea breeze postpone the occurrence time of the surface temperature inversion and increase the occurrence frequency of the low-lever temperature inversion over the Pearl River estuary. It is also found that the Pearl River Delta is influenced by several kinds of local circulations and the wind profiles of the boundary layer are complex in October, 2004. The prevailing wind direction is northeast, and in the daytime the wind directions of the three sites are consistently in the northeast while in the nighttime there are obvious differences in wind direction between the city cluster and the non-city cluster, which is that the wind direction of the non-city cluster (Qinyuan and Xinken) is in the northeast and that of the city cluster is in the northwest. The city cluster is markedly characterized by local circulations and heat island circulation is frequently observed at night; the Pearl River estuary is markedly characterized by gradient wind and sea breeze circulation is frequently observed at night, and the occurrence frequency of 20-hour sea breeze is 51.8%; the local circulations of both the city cluster and the Pearl River estuary are observed under the same meteorological background of low-speed system wind and basically on the same dates.
Key words: temperature profiles     wind profiles     the Pearl River Delta     autumn    
引言

改革开放以来, 珠江三角洲城市群经济快速发展, 在带来物质财富的同时, 也引起了一系列大气环境问题, 如能见度恶化、霾天气越来越多、高空气污染事件时有发生、空气污染由局地污染演变成区域性空气污染[1-3]。这些问题在秋冬季节尤其严重, 已影响到珠江三角洲城市群的形象。

气象条件, 尤其是边界层气象条件, 是控制空气污染物扩散和输送的主要因子。珠江三角洲地处低纬, 三面环山、一面临海, 受山谷风、城市热岛环流和海陆风等多种局地环流影响, 大气边界层结构比较复杂[4-7]。城市化引起的城市热岛和热岛环流会造成城市近地面层污染物质的堆积, 加剧空气污染[8-11]; 海陆风造成的大气低层中尺度环流与空气污染有密切关系, 对污染物的扩散和输送都有极大影响[12-15]。为研究珠江三角洲秋季大气边界层特征及其对空气污染的影响, 2004年10月中山大学在珠江三角洲清远、番禺和新垦三地进行了对比观测, 获得了一批有代表性的资料, 本文利用对比观测资料分析珠江三角洲秋季大气边界层温度和风廓线特征。

1 观测概况

观测时间为2004年10月5—17日、23—29日。观测地点为地处珠江三角洲边缘的清远气象局 (简称清远)、地处城市群的广州市番禺气象局 (简称番禺)、地处珠江口西岸的南沙区新垦镇 (简称新垦); 清远代表城市群上风向, 番禺代表城市群, 新垦代表珠江口, 观测点见图 1。

图 1. 2004年10月珠江三角洲大气边界层观测布点示意图 Fig 1. Stations for atmospheric boundary layer observation in the Pearl River Delta in October, 2004

清远观测点在每天08:00(北京时, 下同) 和20:00常规探空基础上, 增加14:00雷达探空, 数据采集间隔为100 m。番禺观测点在地面, 新垦观测点在距地面高度约15 m的楼顶。番禺白天为双经纬仪小球测风, 晚上为单经纬仪小球测风, 新垦全天为双经纬仪小球测风, 经纬仪在观测前后都经过了标定; 探空仪为北京大学地球物理系工厂生产的温度单要素探空仪, 探空仪在出厂前都经过了严格的标定。在番禺和新垦同步进行每日7次 (06:00, 08:00, 10:00, 14:00, 18:00, 20:00和23:00) 观测, 6, 7, 16日和17日加密观测, 增加02:00, 07:00, 17:00和19:00 4个时次。小球测风探空气球升速控制在约为100 m/min, 测风读数间隔为30 s, 用矢量法计算气球高度和风速、风向; 温度探空数据采集间隔为5 s。为分析方便, 将小球探空的温度资料平均处理到10 m的分辨率, 风资料平均处理到50 m的分辨率。

2004年10月广东持续受地面高压脊和高空偏北气流控制, 长时间以晴好天气为主, 月降雨量不足10 mm, 出现50年以来罕见的干旱; 广州霾天气较多, 约有12~13 d出现霾现象, 比往年同期严重得多, 10—17日连续出现霾天气。10月有3次冷空气影响广东, 但冷空气的入侵, 却没有常年秋季冷空气影响时的阴雨天气。图 2给出10月冷空气影响时间, 清远、番禺和新垦三地地面日平均风速和广州市空气污染指数 (API) 的月变化。

图 2. 2004年10月天气概况, 清远、番禺和新垦地面日平均风速 (a) 和广州API (b) 的月变化 Fig 2. General weather situation and monthly variation of average surface wind speed in Qing yuan, Panyu and Xinken (a) and API of Guangzhou (b) in October, 2004

2 温度垂直结构特征

图 3为珠江三角洲2004年10月考察期间 (以下简称考察期间) 平均温度廓线。由图 3可知, 位于珠江三角洲的番禺和新垦气温递减率都较低; 番禺各时刻温度比新垦高2~6℃; 番禺温度日变化较大, 新垦温度日变化较小; 番禺和新垦10:00, 14:00在近地层存在浅薄的超绝热层, 夜间 (06:00, 18:00, 20:00和23:00) 存在贴地逆温。

图 3. 珠江三角洲2004年10月平均温度廓线 Fig 3. Average temperature profile in the Pearl River Delta in October, 2004

逆温是加剧空气污染的主要气象条件, 这里定义逆温层底接地或离地面不足50 m的逆温为贴地逆温, 一般主要是辐射逆温; 逆温层底在50~1000 m间为低空逆温, 它的形成比较复杂, 可以由贴地逆温抬升而成, 也可与地形及天气系统有关, 而沿海地区的低空逆温较多地与海风锋面有关[15-16]。

表 1给出考察期间番禺和新垦实测的贴地逆温特征。由表 1可知, 番禺和新垦两地贴地逆温特征有明显差异。番禺18:00出现频率为80%, 大大高于新垦的42%, 但20:00两地相差不大, 说明番禺贴地逆温的出现时间比新垦早; 番禺在多个时刻观测到180 m左右厚度的逆温, 而新垦仅在23:00观测到; 番禺逆温平均强度是新垦的两倍左右, 番禺夜晚观测到强度大于4℃/100 m的较强逆温, 新垦最大逆温强度是3.0℃/100 m。

表 1 番禺和新垦2004年10月贴地逆温特征 Table 1 Characteristics of surface inversion in Panyu and Xinken in October, 2004

表 2为番禺和新垦考察期间实测的低空逆温特征。由表 2可知, 两地在日出前后低空逆温出现频率均较高, 底高也均较高; 厚度和强度相差不大, 强度都比较弱。除10:00外, 新垦各时刻低空逆温的出现频率都比番禺高; 23:00出现频率新垦为63%, 番禺为33%, 新垦约是番禺的两倍。

表 2 番禺和新垦2004年10月低空逆温特征 Table 2 Characteristics of low-level inversion in Panyu and Xinken in October, 2004

由上面的分析可知, 珠江三角洲考察期间气温递减率较低, 逆温出现频率较高, 强度较弱, 其特征与文献[5]观测结果基本一致。珠江口与城市群相比, 温度日变化较小; 贴地逆温出现的时间较晚, 强度较弱; 低空逆温出现频率则高得多。两地出现差异的可能原因是珠江口靠近海洋, 海洋对其有较大影响, 水面上空的增温和降温比内陆迟且缓, 使珠江口温度日变化较小; 日落时当珠江口低层为海风时, 从海洋吹来的气流速度较大且温度较低, 珠江口在日落后短时间内不能形成贴地逆温, 使珠江口贴地逆温出现时间比城市群晚; 珠江口低层海风冷气流的入侵与上层来自城市群较暖的气流在风向切变区域产生温度逆转的跃变, 形成类似大尺度的冷锋界面的结构, 使珠江口低空逆温的出现频率比城市群高。图 4给出了海风影响下珠江口贴地逆温和低空逆温的发生发展[12], 由图 4可知16日珠江口17:00—23:00低层为偏南风 (即海风), 在此期间珠江口300 m以下温度较低, 温差较小; 贴地逆温直到20:00才出现, 出现时间较晚且强度较弱; 17:00—23:00都有低空逆温出现, 低空逆温所处高度与风向切变高度基本一致, 逆温层底高随着风切变高度的抬升也逐步增加。

图 4. 海风影响下2004年10月16日17:00—23:00珠江口典型温度 (a) 和风廓线 (b) Fig 4. Typical temperature (a) and wind profiles (b) of the Pearl River estuary effected by sea breeze at 17:00—23:00 on October 16, 2004

3 风垂直结构特征

图 5为珠江三角洲考察期间平均风速廓线。由图 5可知, 08:00, 14:00和20:00清远300 m以上风速都比其他两地大; 三地14:00风速较小, 08:00风速较大; 位于城市群的番禺平均风速比位于珠江口的新垦小。新垦除14:00以外风速基本上都在4 m/s以上, 夜晚受海风影响, 18:00在500 m, 20:00在600 m, 23:00在700 m高度处出现风速较小区域。

图 5. 珠江三角洲2004年10月平均风速廓线 Fig 5. Average wind speed profile of the Pearl River Delta in October, 2004

图 6为番禺和新垦考察期间不同高度和50~300 m (底层) 不同时刻风玫瑰图。由图 6可知, 番禺和新垦考察期间两地风向有较大的差别:番禺考察期间局地风特征明显, 风向比较紊乱, 底层06:00主要是偏西风, 08:00和14:00主要是东北风, 18:00偏北风频率仍较高, 20:00则主要是偏西风和偏东风, 风向在06:00与08:00, 18:00与20:00之间发生明显转换。新垦考察期间梯度风特征明显, 以东北风为主, 在600 m以下都能观测到偏南风, 底层06:00, 08:00和14:00主要是偏北风, 18:00和20:00有偏南风出现, 20:00偏南风出现频率高达51.8%。

图 6. 番禺和新垦2004年10月不同高度 (a) 和不同时刻 (b) 风向玫瑰图 (图例为10%) Fig 6. Wind rose of different heights (a) and different moments (b) in Panyu and Xinken in October 2004 (cut line:10%)

图 7和图 8给出了考察期间系统风较小时 (15日) 和较大时 (26日) 珠江三角洲大气边界层典型风速、风向廓线。由图 7和图 8可知, 系统风较大时没有局地环流出现, 系统风较小时番禺和新垦出现局地环流; 08:00和14:00三地都为东北风, 20:00三地风向有明显差异, 清远20:00一直是东北风, 番禺和新垦15日20:00上下层风向有明显的风向切变, 番禺下层为东北风而上层为西北风, 新垦下层为偏南风而上层与清远风向一致为东北风; 26日20:00番禺为西北风, 新垦与清远风向一致为东北风。

图 7. 2004年10月15日系统风较小时边界层典型风廓线 (a) 风速廓线, (b) 风向廓线 Fig 7. Typical boundary layer wind profile of low-speed background wind (a) wind speed profile on October 15, 2004, (b) wind direction profile on October 15, 2004

图 8. 2004年10月26日系统风较大时边界层典型风廓线 (a) 风速廓线, (b) 风向廓线 Fig 8. Typical boundary layer wind profile of high-speed background wind (a) wind speed profile on October 26, 2004, (b) wind direction profile on October 26, 2004

由上面的分析可知, 珠江三角洲考察期间受多种局地环流影响, 大气边界层风廓线比较复杂, 城市群局地风特征明显, 珠江口梯度风特征明显。考察期间盛行风向为东北风, 白天三地风向与盛行风向一致, 晚上三地风向有明显差异; 当系统风较大时, 城市群和珠江口晚上没有局地环流出现, 非城市群 (清远和新垦) 晚上为东北风, 城市群晚上为西北风; 当系统风较小时, 城市群和珠江口晚上观测到局地环流, 城市群上层为偏西风而下层为偏东风, 珠江口上层为偏北风而下层为偏南风。城市群和珠江口局地环流的出现日期基本一致, 都是在系统风较小的天气背景下观测到; 城市群局地环流出现时间为系统风较小时的20:00和23:00, 分析认为该局地环流是城市热岛环流; 珠江口出现的局地环流经分析认为是海风环流; 由于盛行风向为偏北风, 抑制并掩盖了海风环流 (偏南风) 的发生发展, 使海风出现时间较晚, 一般在14:00—18:00之间出现, 但也多次到20:00才出现, 结束时间也较晚, 23:00—次日02:00之间结束, 出现频率较高, 20:00出现频率为51.8%, 海风风速较大且环流高度随时间逐步抬升, 23:00达到最高700 m左右, 风向切变处风速较小, 海风特征与文献[13]的数值模拟结果基本一致。

4 结语

通过对珠江三角洲清远、番禺和新垦三地2004年10月大气边界层对比观测资料的分析, 得到以下几点初步结果:

1) 珠江三角洲2004年10月气温递减率较低, 逆温出现频率较高, 强度较弱; 城市群贴地逆温出现时间比珠江口早, 平均强度是珠江口的两倍; 珠江口低空逆温出现频率比城市群高, 温度较低且风速较大的海风使珠江口贴地逆温的出现时间推迟、低空逆温出现频率增加。

2) 珠江三角洲受多种局地环流影响, 2004年10月大气边界层风廓线比较复杂, 盛行风向为东北风, 白天三地风向基本一致都为东北风, 晚上非城市群与城市群风向有明显差别, 非城市群 (清远和新垦) 为东北风, 城市群为西北风; 城市群局地风特征明显, 晚上多次观测到城市热岛环流; 珠江口梯度风特征明显, 晚上多次观测到海风环流, 20:00海风出现频率为51.8%;两地局地环流都是在系统风较小的天气背景下观测到, 出现日期基本一致。

值得提出的是, 2004年10月珠江口观测到海陆风出现时间与熟知的海风常出现在中午前后, 陆风出现在夜晚有较大差异, 海风出现时间较晚, 这可能是由于盛行风向为偏北风与海风方向相反, 抑制并掩盖了海风的发生发展, 使海风开始时间较晚; 海风结束时间较晚, 这可能与珠江三角洲地区城市群城市化程度较高, 城市群热岛效应使夜晚陆地温还高于海洋温度, 海陆热力差异使海风能持续到深夜。上述结果的普遍性还有待将来做更长时间、更全面的观测或数值模拟研究来证实。

致谢 参加本项目外场试验观测的还有中山大学大气科学系的刘伟民、赵博、郭璐璐、董娟、范天一、陈慧华、王蓉、廖国莲等同志, 在此一并致谢。
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