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武漢城市區(qū)域水陸風環(huán)流的形成與轉(zhuǎn)化特征研究

2018-05-30 10:48:04胡輝陳佳欣余玲劉立邢攀梁勝文
南京信息工程大學學報 2018年5期
關鍵詞:濕度特征溫度

胡輝 陳佳欣 余玲 劉立 邢攀 梁勝文

摘要大氣細顆粒物PM25污染引起的霧霾天氣既與本地污染物排放密切有關,也受局地特殊的風場影響.本文以武漢城市區(qū)域為研究對象,分別研究了長江沿岸的江陸風環(huán)流、東湖沿岸湖陸風環(huán)流的形成與轉(zhuǎn)化特征,發(fā)現(xiàn)江風、湖風開始時間均為07:00—08:00,一年中最大風速均能達到2m/s左右,而春夏季江風的持續(xù)時間高于秋冬季,夏季湖風的持續(xù)時間高于春季.同時發(fā)現(xiàn)區(qū)域附近溫度和相對濕度之間有明顯的相關性,濕度變化趨勢大體上跟溫度變化趨勢相反,且溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性,延遲時間大約為1h.關鍵詞江陸風;湖陸風;濕度;溫度;特征

中圖分類號P425

文獻標志碼A

0引言

目前,國內(nèi)外對水陸風環(huán)流特征的研究主要集中在海陸風環(huán)流.Prtenjak等[1]研究發(fā)現(xiàn)克羅地亞海岸的海陸風發(fā)生頻率在37%~60%之間,海風一般出現(xiàn)在早晨08:00,并持續(xù)約10h,下午14:00—15:00時海風風速達到最大值.荀愛萍等[2]研究發(fā)現(xiàn),廈門地區(qū)海邊站點海陸風日的天數(shù)較少,內(nèi)陸站點的天數(shù)較多,這種區(qū)別在夏季更加明顯.邱曉暖等[3]研究發(fā)現(xiàn),華南、長三角、環(huán)渤海地區(qū)的海陸風特征具有明顯的差異性,海風出現(xiàn)時間不同,低緯度較晚.同時,研究還發(fā)現(xiàn),大氣污染物的擴散和累積與海陸風環(huán)流特征有直接關系.Bouchlaghem等[4]發(fā)現(xiàn)海風進入陸地后促使污染物向下游輸送,造成下游地區(qū)污染物濃度上升.王堅等[5]發(fā)現(xiàn)1989—2014年廈門鼓浪嶼環(huán)境空氣質(zhì)量受工業(yè)污染影響程度的加大,與海陸風環(huán)流特征的變化密切相關.趙文龍[6]基于WRFCMAQSMOKE模式系統(tǒng),驗證了典型時段的海陸風對O3及其前體物的影響.吳蒙等[7]利用局地環(huán)流指數(shù)方法,發(fā)現(xiàn)珠三角地區(qū)在海陸風影響下低層風場的有效輸送能力較弱,不利于污染物的輸送擴散.劉樹華[8]研究發(fā)現(xiàn),京津冀地區(qū)重污染天氣的形成與海陸風環(huán)流影響有關.

武漢是我國特大城市之一,市內(nèi)陸地與包括長江、漢江及東湖在內(nèi)的眾多水域縱橫交錯,使得四季濕度偏大.由于每個相對獨立的水域具有自己的濕度場、溫度場和風場,形成局地風場環(huán)流.然而,目前有關江陸風或湖陸風環(huán)流特征的報道很少,而高濕度是形成嚴重霧霾的必要條件之一.因此,研究武漢城市區(qū)域水陸風場的轉(zhuǎn)化特征,對武漢霧霾形成的早期診斷及預警具有重要意義.

1實驗儀器及研究方法

為研究武漢長江段和東湖水域的水陸風場環(huán)流特征,在位于漢口江灘大氣污染物國控監(jiān)測站點布設自動氣象觀測設備(錦州陽光氣象科技有限公司,型號為PC4),記為A點(114°30′E,30°95′N);在位于湖北省體育局水上運動管理中心對面的東湖岸邊約20m處,布設同樣的自動氣象觀測設備,記為B點(114°37′E,30°54′N).觀測點位周邊環(huán)境及設置滿足《地面氣象觀測規(guī)范(2004)》對監(jiān)測點位周圍環(huán)境條件要求.觀測時間為1a.

2武漢城市區(qū)域水陸風環(huán)流特征分析

定義A點的NE—S風向范圍內(nèi)的風為江風,則SSW—NNE風向范圍內(nèi)的風為陸風.當陸風轉(zhuǎn)為江風時開始計時,直到其轉(zhuǎn)為陸風為止,期間持續(xù)的時間為江風持續(xù)時間.通過對A點觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,得到了A點區(qū)域四季江陸風的開始時間和持續(xù)時間等特征.圖1是從四季中各選擇具有典型特征的江陸風氣象日,繪制的江陸風場變化曲線.

由圖1可知,A點漢口江灘區(qū)域一年四季的江陸風場具有明顯的不同,四季都受江陸風的影響,這表明江陸風已經(jīng)成為長江沿岸地區(qū)一種常見的天氣現(xiàn)象.對比圖1中四季風速可知,江風的風速明顯高于陸風風速,四季的最大風速都是江風,分別為15、17、2和1m/s,夏秋季高于冬春季節(jié),陸風的風速雖小,但多在21:00—22:00左右或02:00—04:00,出現(xiàn)陸風的峰值.

表1給出了A點江風和陸風春夏秋冬四季的基本特征.從表1可知,江風開始時間在07:00—08:00,其中冬季江風開始時間相對春夏秋季節(jié)偏遲;同時,春夏秋冬四季江風持續(xù)時間存在差異,其中春夏季江風的持續(xù)時間高于秋冬季節(jié).陸風開始時間為17:00—19:00,其中春夏季陸風開始時間相對秋冬季節(jié)偏遲;同時,冬季陸風的持續(xù)時間最長.對比江風和陸風的持續(xù)時間可知,除夏季外,陸風的持續(xù)時間比江風的持續(xù)時間要長.

同理,定義NNW—SE風向范圍內(nèi)的風為湖風,S—W風向范圍內(nèi)的風為陸風,當陸風轉(zhuǎn)為湖風時開始計時,直到其再轉(zhuǎn)為陸風為止,期間持續(xù)的時間為湖風持續(xù)時間.通過對B點觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,得到了B點區(qū)域有代表性的春夏季湖陸風的開始時間和持續(xù)時間等特征.圖2是從春夏季中各選擇具有典型特征的湖陸風氣象日,繪制的湖陸風場變化曲線.

由圖2可知,B點東湖湖岸區(qū)域春夏季的湖陸風場具有明顯的不同.對比圖2中的a和b可知,湖風風速都高于陸風風速,夏季風速最大,在2m/s左右.陸風的風速峰值小,春夏季在06~08m/s,出現(xiàn)在20:00左右或00:00左右.

表2是B點湖風和陸風春夏秋冬四季的基本特征.從表2可知,湖風開始于早晨07:00左右,其中冬季湖風開始時間相對春夏秋季節(jié)的偏遲,約在08:00—09:00左右;夏季湖風持續(xù)時間大于春秋季,故而夏季陸風開始時間較遲,開始于20:00,春季陸風開始于17:00.夏季湖風的持續(xù)時間高于陸風持續(xù)時間,春季陸風的持續(xù)時間則高于湖風持續(xù)時間.

3武漢城市區(qū)域溫度濕度特征分析

每個相對獨立的水域具有自己的濕度場、溫度場和風場,形成局地風場環(huán)流.因此,由于水陸風場的不同,導致武漢長江水域和東湖水域溫度與相對濕度之間存在明顯的相關性.利用A點和B點氣象觀測數(shù)據(jù)進行溫度和相對濕度的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)溫度對于相對濕度有著明顯的影響.結(jié)果分別如圖3和圖4所示.

由圖3可知,武漢城市區(qū)域長江江岸A點四季的溫度濕度變化趨勢一致,其中,溫度變化曲線和相對濕度變化曲線幾乎相對于x軸對稱,且濕度變化趨勢大體上跟溫度變化趨勢相反.從圖3曲線變化還發(fā)現(xiàn),溫度開始升高或降低后1h左右,相對濕度才開始減小或增大,故而溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性,延遲時間大約為1h.

由于相對濕度是空氣中實際的水汽壓與當時氣溫下的飽和水汽壓之比,因此,當溫度升高時,飽和水汽壓升高,則相對濕度必然下降,反之亦然.相對濕度的大小跟地面蒸發(fā)作用有著直接的關系,而蒸發(fā)作用與溫度和太陽輻射有關,溫度越高蒸發(fā)作用必然越強,向外擴散水汽,使得相對濕度減小,溫度降低蒸發(fā)作用必然也減弱,相對濕度就會回升.

由圖4可知,東湖湖岸B點春夏季節(jié)的溫度與相對濕度變化趨勢一致,溫度相對于相對濕度而言存在一定的滯后性,延遲時間大約為1h.這種變化關系,與長江江岸A點四季的溫度濕度變化趨勢相似,只是溫度與相對濕度的峰值位置不同而已.

結(jié)合圖3和圖4可知,溫度高低影響水陸風的發(fā)生發(fā)展.受江風和湖風影響帶來的大量水汽,使得A、B點的相對濕度都偏高.因此,相對濕度的大小必然隨著溫度的升降而呈近相反趨勢變化.

為了說明相對濕度與江陸風和湖陸風之間的關系,結(jié)合A點和B點氣象觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計了A點和B點水陸風相對應的風速和相對濕度,結(jié)果分別如表3和表4所示.

由表3和表4可知,當吹江風和湖風時,環(huán)境空氣的相對濕度低于吹陸風時的相對濕度,平均風速

高出陸風時2倍以上;四季江風的最大風速在1~2m/s之間,湖風的最大風速在1~22m/s之間.除夏季外,江風和陸風的相對濕度差為10%~15%,夏季時的相對濕度差大約為5%.而湖陸風在季節(jié)變換時,湖風和陸風時的相對濕度差較小.

4結(jié)束語

通過在長江江岸A點和東湖湖岸B點的氣象觀測研究發(fā)現(xiàn),武漢城市區(qū)域的水陸風場具有以下特征:

1)江(湖)風開始時間在07:00—08:00,冬季開始時間相對偏遲在08:00—09:00,江(湖)風四季持續(xù)時間不同,春、夏季節(jié)江風的持續(xù)時間高于秋、冬季節(jié),夏、秋季節(jié)湖風的持續(xù)時間高于冬、春季節(jié),陸風開始于傍晚17:00—19:00,在春季、秋季、冬季,陸風的持續(xù)時間大于江(湖)風持續(xù)時間,在夏季江(湖)風持續(xù)時間大于或等于陸風持續(xù)時間.

2)相對濕度的大小受溫度影響,并隨著溫度的升降而呈近相反趨勢變化,溫度對相對濕度的影響存在一定的滯后性,時間大約為1h.當吹江風和湖風時,相對濕度低于吹陸風時的相對濕度,平均風速高出陸風時2倍以上,四季江風的最大風速在1~2m/s之間,湖風的最大風速在1~22m/s之間.除夏季外,江風和陸風的相對濕度差為10%~15%,夏季時的相對濕度差大約為5%.而湖陸風在季節(jié)變換時,湖風和陸風時的相對濕度差較小.

參考文獻

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