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苏州热岛特征研究.doc

苏州热岛特征研究

東門涙
2019-03-26 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《苏州热岛特征研究doc》,可适用于领域

苏州热岛特征研究摘要:城市热岛效应是城市化带来的最主要的大气环境问题之一与人类的生存活动密切相关是关系到城市生活环境、城市发展规划、局地气候改变的重要问题。本研究应用年1月苏州市区和郊区同步大气边界层观测资料对苏州热岛特征进行讨论分析探讨苏州冬季热岛的时空分布特征。主要结论如下:()苏州冬季高温在时时热岛强度总体呈现夜间较强白天较弱的趋势。昼夜热岛由于影响因素不同而呈现不同特征。()苏州夜间气温由城市向外递减城市区域高郊区低。高温区域的分布与土地利用状况、人口密度有对应关系。()夜间城市边界层受城市热岛效应影响而发展成不稳定层结不同于郊区稳定大气层结不稳定层结易形成混合层年冬季苏州城市的混合层高度夜间为m白天为m。()城市低层风场受到城市建设群立体结构影响而存在扰动有冷平流白天由于强湍流作用城市上空风向波动大于郊区。夜间城市的不稳定层结易于湍流发展城市夜间低层风场波动较大。关键字:城市热岛城市边界层城市化城市下垫面苏州ObservationonDistributionCharacteristicsofSuzhouWinterUrbanHeatIslandAbstract:Urbanheatislandeffectisoneofansignificantproblemwhichcausedbytheurbandevelopment,whichisanimportantissuerelatedtosurvivalactivitiesofhumanItrsquosrelatedtourbanairquality,urbandevelopmentplanningandevenlocalclimatechangingBasedontheobservationofatmosphericboundarylayerinurbanandsuburbanofSuzhouintheperiodofJan,AanalysisismadeontemporalandspatialdistributionofwinterurbanheatislandinSuzhouanditscausesTheresultshowedthat:()TheperiodofhightemperatureoninSuzhouJan,,UHIwasstrongerandmorestableinnighttimethanitwasindaytimeTheurbanizationimpactedlocalatmosphericenvironmentgreatlyTheimpactofanthropogenicheatandthesituationofsolarradiationareimportanttoUHIintensity()UHIdistributionandintensitycorrespondingwelltosoilutilitystatusandthesituationofpopulationdensityatnight()Duringnighttime,unstablestratificationoftheurbanatmospherewasdifferentfromthestableoneofsuburban,whichwasinfluencedbyUHITheatmosphericboundarylayerofurbanwaseasytoformamixedlayerUrbanmixedlayerheightwasestimateasmatnightandmindaytimeinJan,inSuzhou()Theurbanlowlevelwindfieldwasaffectedbythethreedimensionalstructureofthecity,whichhasstrongdisturbanceUnstablestructureofatmosphericboundarylayerwaseasytoformturbulenceontheurbanItwouldcausemoreobviouschangetowinddirectionsKeywords:urbanheatislandurbanboundarylayerurbanizationurbanunderlyingsurfaceSuzhou引言研究目的及意义随着工业化和城市化进程的不断推进城市已经变成人类的主要栖息地高密度人群聚集在面积相对狭小的城市区域超过环境容量时必然导致各种环境问题发生。在JanetEKohlhase对世界城市化未来走向中指出面积仅占世界土地面的城市已承载了全球的人口预计到年这一比例将达到。人类大量生产活动造成地球局部表面原本的自然地理特征在短时间内发生巨大改变势必影响原来的能量平衡在一定程度上增强了城市热岛效应。高密度人口的生产活动导致了城市自然资源的紧缺地下水位降低以及污染物的集中排放。自十八世纪以来全球范围内已多次发生短时间内大量人员因环境问题而发病、死亡的事件已经给我们严重警告。城市大气环境与人类生活密切相关近年来愈发引起公众的关注。城市大气与城市环境密不可分城市大气包括了各种尺度的大气物理过程以及复杂的化学变化。城市表面高层建筑密集将空间分割成不规则的狭小区域且覆盖了大量沥青、混凝土导致城市局地气候特征发生改变对人类居住环境产生巨大影响威胁到人类的可持续发展。城市热岛效应即在大中型城市的市区气温明显高于郊区的现象是城市化高速发展带来的最主要的大气环境问题之一,英国气象学家LukeHoward早在十七世纪就提出郊区气温低于城市气温的现象。直至目前世界各大代表性城市都普遍印证了热岛效应的确存在城市热岛关系到城市规划、局地气候研究、人类居住环境乃至整个人类可持续发展的问题引起了气象部门和环境保护部门的广泛关注。在城市大气的各种尺度范围都存在热岛现象已有研究将热岛的定义延伸至城市冠层(UCL)和城市边界层(UBL)其中从地表向上延伸至建筑物屋顶的平均高度处被称为城市冠层其在城市高层建筑群林立的环境中造成大气环流的树冠动力效应从而改变了局地大气热力、动力特征。边界层是距地面ndash千米内的大气薄层与下垫面直接发生相互作用故边界层是受热岛效应影响最为显著的一层大气边界层也是地球大气上下层动量、能量、各种物质相互输送的通道。城市边界层由于下垫面粗糙度的不均一性使得城市边界层内形成温度高于市郊的独特的形式。大气边界层通常是指受地面直接影响、与人类活动关系最为密切的低层大气影响因素主要为下垫面类型、粗糙度热量输送、污染物排放以及地形扰动等。城市地区由于人口密集、交通繁忙、高楼林立、人为热排放较多等使得城市热力状况远比郊区复杂因而形成复杂的城市边界层气候特征形成了与人类活动密切相关的城市局地热岛特征。不同城市热岛效应特征不同观测显示百万或者百万以上人口的城市其气温相对比其郊区高温度差与城市总人口呈现正相关。苏州作为迅速发展中的新型大城市其城市规划以及人口分布情况不同于其它城市其大气环境、空气污染问题和城市热岛问题近年来备受关注苏州人口数量以及城市建设投资在改革开放以来成倍增长就人口而言苏州政府公布苏州市年末户籍总人口六百多万人比年增加七万多人增长率为permil。就机动车而言苏州市汽车量超过万。人口密度的增大、机动车量的增多对苏州气候变化有着显著影响。苏州作为近年来高速发展起来的城市其城市规划更具科学性临近太湖受太湖影响其热岛效应特征具有其特殊性杨健博等[]在晴天小风天气背景下分析苏州地区的风场受大尺度系统、湖陆风环流和城市热岛环流系统的共同影响指出由于太湖的存在使得苏州热岛强度的增加有所缓解。再者由于城市下垫面、大气物理过程和大气化学变化的复杂性和实验观察的局限性对苏州热岛和城市边界层的研究工作还未完全展开因此对苏州进行热岛研究很有必要。分析苏州冬季典型天气条件下特有的城市热岛特征探讨当前苏州冬季城市热岛的一般规律及形成机制为苏州的城市规划、宜居程度、气象预报、环境评估等提供参考依据。国内外研究进展近年来由于公众对城市环境的广泛关注而且城市环境与城市气象密切联系世界气象组织在对全球大气监测计划中单独重点设立了城市气象学和环境研究项目(GURME)并召开一系列国际会议着重讨论城市大气环境问题。城市热岛问题得到了社会各界的广泛关注各国学者在具有代表性的全球大中型规模城市进行了大量的观测试验以及数值模拟分析。观测试验研究试验观测是气象研究的基本方法依据第一手观测资料进行理论分析手段常是通过使用常规气象观测仪器进行流动、定点观测主要有地面自动站观测、气象铁塔梯度观测以及探空气球低空探测和手持PM仪的低空观测等。国内外本课题研究现状对城市热岛的研究王欣等运用北京城区和郊区同步大气边界层观测资料对大气边界层热力和动力参数进行了计算从多个角度进行分析指出了北京市具有较明显的城市热岛强度。张礼春等应用南京市区和郊区同步大气边界层观测资料对晴天大气边界层结构进行对比分析从下垫面性质以及温、压、湿、风随高度的垂直变化分布特征等方面分析了南京市热岛效应分布特征。刘罡等应用为期天的南京城、郊同步观测资料从大气环流、热力性质等方面对比冬、夏两季和城、郊两地差异指出南京市区存在市区气温明显高于郊区的现象城市热岛效应确实存在。蒋维楣等对城市中的人为热排放分层考虑指出人为热对城市热力环境及边界层结构的相对影响在夜间大季节变化上冬季较大。国际上欧洲和北美均是近十年才开始展开对城市边界层观测实验研究具有代表性的城市边界层观测实验有美国的URBAN。我国最早是在世纪年代对城市热岛进行观测研究气象领域以及环境领域的学者围绕城市热岛的日变化、昼夜变化、季节变化等以及热岛与大中尺度天气背景、城市规模、人口密度等影响因素的联系进行了充分研究。我国自改革开放以来城市化发展迅速众多学者经过研究北京、广州、上海、南京等城市热岛一般规律认为城市热岛普遍存在着明显日变化具体表现为夜间较强白天较弱。季节性变化则表现为秋、冬季较强春、夏较弱。近年大气污染严重尤其是长江三角洲地区雾霾天气频频发生重度污染天气出现频率增大引起了公众的广泛关注故中国国家自然科学基金委员会资助的各项关于城市热岛效应、城市空气质量的重点观测实验逐步开展起来。主要研究内容利用南京信息工程大学、苏州市气象局年冬季联合开展的气象观测试验数据采用观测数据分析的方法分析苏州冬季城市热岛的时空分布特征以及其形成的大气物理机制。主要研究内容有:利用同期气象观测资料和观测试验资料分析苏州冬季及城市热岛时空分布格局以及城市热岛对大气边界层的影响通过温、风、湿等的变化特征分析城、郊边界层结构。观测试验方法观测试验设计苏州位于长江三角洲地区地跨东经degprimedegprime、北纬degprimedegprime西边滨临太湖处于长江入海口经济、政治、交通发达。苏州地形情况为西部是典型的江南丘陵东部为平原地形趋势由西向东微倾。苏州属于长江流域太湖水系地表水系十分发达水汽条件十分充沛。苏州市气候特征具体表现为四季变化分明空气湿度大、降水量充沛日照充足多年平均气温约为℃全年约一半的降雨量都发生在月是典型的亚热带季风气候。为了研究苏州冬季热岛结构特征选择苏州冬季典型天气条件即年月日至月日观测试验数据进行分析。地面气象观测包括苏州市气象局专业观测网中的个自动站。同时选择市区和东山个站点进行每日六至八次的系留气艇探空从不同角度共同探讨苏州冬季热岛的时空特征、表现形式以及影响。选择郊区、市区代表实验站进行探空观测地面气象观测有苏州市气象局覆盖全市的个自动站观测常规气象要素。使用XLSⅡ系留气艇探空系统探测边界层高度内的温度、气压、相对湿度、风向和风速自年月日至月日共获得次有效探空记录。郊区观测站位于苏州东山东山是位于苏州西边太湖中一个三面环湖的半岛东山气象站是国家级气象观测站在空旷高地上海拔m处东山气象站视野开阔周围多是低矮建筑物鲜少有高层建筑北边分布着大量的农田地势较平坦植被覆盖率高是典型的郊区下垫面粗糙度较小环境影响小又毗邻城市与市区处于同一天气环流背景故选取东山站作为边界层结构对比具有实际意义。苏州市气象局所属各个自动气象站的各项观测均操作均严格遵循国家地面测报业务规定定时进行检查和仪器维护数据使用前均进行误差订正系留气艇所携带的各种传感器在试验前均通过实验室检定合格后方投入使用。观测资料处理()系留气艇每隔s获得一次观测数据第一步应该剔除采样时间段内由于仪器故障、人为影响等因素造成的缺测值以及超出正常范围的野点第二步选择探空气艇上升阶段的观测数据根据资料分析的需求将探空观测的气压、温度、湿度转化为位温、比湿其计算公式为:()热岛强度日变化城市热岛一般使用热岛强度进行考察分析根据Oke所提出热岛强度的定义为城市与郊区同时间、同高度的气温差值DeltaTur考虑到代表站点的选取对于热岛强度有局地影响为了消除不同代表站点的影响采用多点平均方式。()热岛等级概率统计热岛效应是多种因素共同作用的结果热岛昼夜受不同的影响因子作用而表现出不同的特征。根据周明煜等提出的单个城市热岛强度分级标准(UHIUHIleUHIleUHIleUHI)可将单个城市热岛划分为五个等级结合冬季日照时间细分出黎明(mdash时)、白天(mdash时)、黄昏(mdash时)、夜间(时mdash次日时)个时段统计分析各时段出现热岛等级的概率、各热岛等级出现时段的概率分布。()热岛平面分布热岛效应具有局地地理分布特征选用覆盖苏州市各区域的自动气象站气温资料通过GIS分析作出各个时刻气温分布。结论分析观测试验期间天气状况观测试验期间逐日天气状况见表。从表中可以看出除了月日、日夜间有小雨日白天有小雨晚上有雨夹雪出现降水其余观测期间均无复杂天气过程故在分析中多选用其他时间点进行分析。由于试验观测在冬季温度均较低最低温度为℃日平均最高温度为℃日平均气温为℃空气相对湿度为平均风速小于ms。表观测试验期间苏州逐日天气情况(苏州基准站)Tabledailyweatherconditionsduringtheobservation(benchmarkstationofSuzhou)观测日气温℃相对湿度%风速风向天气状况msdegree日均值最高温最低温日均值日均值日均值日夜月日阴小雨月日小雨阴月日阴多云月日多云多云月日多云多云月日多云多云月日多云晴月日晴多云月日多云阴月日多云多云月日阴晴月日多云多云月日多云多云月日阴小雨月日阴小雨月日小雨雨夹雪总计平均苏州冬季天气环流形式多变观测期间大气环流背景具体为月日地面长江三角洲受东北高压控制位于高压底后部受下沉气流影响白天苏州北边有高压中心对应hpa苏州上方有高压。月日苏州逐渐摆脱高压控制位于低压中心前方气流辐合上升对应hpa苏州位于高压后部受高压控制地面和hpa形成有利于对流的高低配置有利于降水发生。月日苏州上方有小槽过境重新归于高压控制且逐渐加强。月日地面环流图苏州处于中心在蒙古高原地面高压的东南部前沿与日本地区地面低压相邻hpa环流场上位于脊前槽后受高压控制气流辐散下沉。月日地面苏州受高压控制hpa环流场上苏州位于槽后脊前气流下沉。图观测期间大气环流背景(月日、月日、月日、月日)FigAtmosphericcirculationbackgroundduringtheobservation(Jan,Jan,Jan,Jan)注:图引用自区域大气与海洋短期实习预报系统(网站)地面热岛特征..热岛日变化利用苏州市区和郊区各个具有代表性的自动气象站站的m气温观测资料的平均值计算典型天气下热岛强度和热岛日变化见图。从图中可以看出地面经过一夜的冷却降温城郊气温均在凌晨时达到最低值日出后升温迅速最高气温出现在午后郊区高温维持时间较短热岛强度总体呈现夜间强白天弱。这是由于城市下垫面热力特性城市下垫面导热率大且不透水使得蒸发消耗的热量少。由于街谷效应高低错落的建筑物使得地面长波辐射被多次反射减少了向外的长波辐射使得地面有效辐射减小城市大气层的保温效应比郊区更强而到了夜间城市下垫面冷却率小于郊区且城市地表不断释放白天的储热使城、郊温差增大。月日城、郊最低气温均出现在凌晨时市区平均最低气温为℃郊区平均最低气温为℃日出后城、郊均升温迅速市区在时达到日平均最高气温℃郊区在时达到℃市区从早晨时到下午时均维持在℃以上共计小时而郊区在中午时到时维持在℃以上共计小时。体现出城市下垫面储热量多余郊区的特性。热岛强度在早晨时和下午时达到极大值与人为排放热量的高值时段对应。月日城、郊气温均在时达到最低日出后升温迅速在时以后城、郊气温差逐渐减小为在时至时郊区气温甚至高于市区热岛强度在早晨时和晚上时达到极大值与人为排放高值时段很好对应热岛强度在中午为负值。图苏州城、郊气温及热岛日变化(a月日b月日)FigDiurnalvariationoftemperatureandUHIinSuzhouurbanandruralonJan,Jan,苏州月日白天阴夜间有小雨。日出后太阳辐射增强使得城、郊下垫面迅速升温地面热力作用使得湍流混合增强故城、郊温差逐渐减小日落黄昏太阳短波辐射减弱最后为零典型郊区下垫面蒸发率大储热少且有小雨伴随有风天气蒸发产生的热量迅速被带走热量迅速释放使得气温骤减。苏州月日白天、夜间都是多云白天由于云层对太阳辐射的阻挡使得白天太阳辐射被削弱夜间由于云层的保温效应使得夜间大气逆辐射增强地面有效辐射减弱夜间大气保温效应强。白天叠加了人为排放的热量影响人为热具有周期性白天热岛强度有起伏波动夜间热岛强度是由于城、郊下垫面热力性质不同造成。昼夜热岛差异热岛效应的强度是由多种因素共同影响人为热的排放以及太阳辐射的变化具有周期性特征城市地表热力性质、天空可见度、建筑材料特性等则为相对稳定的影响因素热岛受不同因素影响而有不同的表现形式。根据单个城市热岛强度分级标准计算单日各整点时刻观测期间热岛强度根据冬季日照时段划分为黎明、白天、黄昏、夜间个时段根据城市热岛强度UHI大小可将城市热岛强度划分为五个等级依次是无热岛、弱热岛、中等热岛以及强热岛统计出不同热岛强度等级出现的概率(表表)。表苏州热岛等级的分时段概率分布TableprobabilitydistributionofUHIratingindifferenttimeperiodinSuzhouUHI(℃)黎明::白天::黄昏::夜间::无热岛()弱热岛,)中等热岛,)强热岛,)极强热岛()表苏州热岛等级的分时段概率分布TableprobabilitydistributionofUHIratingindifferenttimeperiodinSuzhouUHI(℃),),),)黎明(::)白天(::)黄昏(::)夜间(::)由表可以看出无热岛主要发生在白天和黄昏时段弱热岛主要发生在白天和夜间时段中等强度热岛主要发生在白天时段强热岛主要发生在白天和夜间时段极强热岛主要发生在白天。尤其在黎明时段几乎不发生强热岛、极强热岛。夜间和黄昏时段是发生强热岛和极强热岛的主要时段。夜间至日出时段是热岛效应的高发期的弱热岛以上等级发生在这一时段黎明时段经过夜间的降温冷却城、郊两地下垫面热量散失快但由于城市的下垫面建筑群密集不透水且粗糙度大而郊区土壤下垫面粗糙度小所以市区储热更多故日出黎明时段多有弱热岛发生。白天时段由于日出后太阳辐射增强地面迅速升温而且湍流强度增强使得混合层发展由于城市下垫面热力性质强热岛主要发生在这一时段。日落黄昏后太阳辐射逐渐减弱城市街渠、建筑以及NOX等污染气体的存在一定程度上减少了地面长波辐射的外逸使得城区的地面有效辐射比郊区少使得夜间城区气温明显高于郊区故强热岛多发生在这一时段。由此可见白天影响热岛的因素较多太阳辐射是主要热源。黎明时分是从夜间较强热岛向白天较弱热岛过渡的阶段午后城、郊均升温迅速而温度差减小。日落时由于太阳短波辐射的减少但人为排放增多使热岛强度有波动。在夜间热岛特征最为明显且维持和发展到凌晨时分。城市粗糙度大且日落后太阳辐射为地面净辐射为负夜间热岛特征直接体现了城市下垫面热力作用在热岛形成、发展中的重要作用表现出强度大且波动小的热岛特征。平面热岛分布特征苏州市作为新兴发展起来的大城市其城市功能区划分科学合理而且其坐落于太湖边水汽条件丰沛受太湖湖陆风影响其热岛特征不同于北京、南京等城市研究苏州热岛分布很有意义。故选取苏州市气象局专业观测网中的个自动站(其中个站位于苏州市内)进行分析。图苏州市各行政区划(图引自中国苏州网)苏州自动站分布白天城市热岛效应主要受太阳辐射和人为因素影响太阳辐射强度与天气情况、云量以及空气质量有关所以影响因素较多同时白天日出后城、郊两地迅速升温湍流混合增强温差减小热岛效应减弱。从图可以看出日时苏州城、郊两地温差小最大温度差仅为℃温度高值区集中在吴中区、工业园区这与人为热高值区对应太湖区是温度低值区。时地面温度达到最高湍流混合强烈温差小热岛效应不显著。图a苏州市月日时温度分布b苏州市月日时温度分布白天城市热岛难以归纳一般特征夜间城市热岛强度大人为因素影响小波动小故选用月日、月日、月日、月日时城、郊离地m气温差异来讨论苏州热岛效应平面分布特征。苏州月日、月日、月日时气温分布如图所示日夜间气温高值区位于吴中区且气温逐渐向外递减吴中区形成较明显的热岛分布这主要受城市下垫面粗糙度大储热量大影响。吴中区具有典型的城市下垫面特征天空可见度小街渠效应显著使得地面长波多次反射减小了地面有效辐射使得城市大气保温效应增强。日夜间气温高值区位于吴中区相城区工业园区。日温度高值区位于吴中区相城区南部和工业园区西部。图a苏州年月日时温度分布b苏州年月日时温度分布c苏州年月日时温度分布d苏州年月日时温度分布为了分析苏州市冬季热岛效应在夜间的特征选取日夜间时至时个时次进行分析苏州月日时、时、时、时的气温分布以及地形状况见图。日夜间天气状况良好天空多云较多的云层覆盖使得地面有效辐射减少不利于地面长波辐射溢出大气保温效应强夜间热岛效应明显。由图我们可以看到时市区有明显的温度高值区气温由市中心向外递减尤其值得注意的是温度梯度向北递减较快在张家港市有明显的温度低值分布。这与张家港市植被覆盖率高人口密度不高有较好对应关系。往西南方向温度梯度较小且在苏州南部吴江市出现温度高值分布这是由于日夜间盛行风向是西北风风将市区的热量向西南方向输送。苏州西部是太湖区由于太湖湖面广阔蓄水量大具有较大的热容量太湖具有较大的热惯性使得夜间陆地地表温度降温比湖面迅速故太湖区与苏州北部温差较大而市区由于城市街渠三维结构天空可见度、建筑物以及下垫面的表面热力性质增大了夜间释放的热量故市区与太湖区温度梯度较小。时气温在苏州市区的工业园区、吴中区出现温度高值区。由于太仓市、昆山市比邻上海也出现了温度相对较高的区域。时气温在吴中区、吴江市出现温度高值区温度向四周递减。时气温在市区的吴中区、工业园区出现高温分布其分布特征与时相差不大。图a苏州年月日时温度分布b苏州年月日时温度分布c苏州年月日时温度分布d苏州年月日时温度分布总的说来苏州热岛分布具有区域性特征苏州北部以及东北方向的张家港市、常熟市人口密度较小。苏州东部和东南方向的太仓市和昆山市由于其地理位置更靠近苏州市区和上海市人口密度更为密集住宅区建设速度较快城市发展迅速使得该区域温度相对于主城区略低较张家港市、常熟市略高。苏州西部如位于太湖湖畔的东山因受太湖湖陆风、以及湿度等影响温度较市区低。边界层边界层发展城市化进程使得局地下垫面自然地理特性在短时间发生了巨大改变下垫面热力性质的改变通过大气湍流、局地环流更进一步影响到大气边界层范围。热量的湍流输送导致了边界层内温度的日变化月日苏州市主城区与郊区东山的位温廓线见图从图中可以看出市区午夜不稳定边界层结构不同于郊区的贴地逆温层结构这是由于城市的储热释放使得夜间近地层大气趋向不稳定边界层中层受到残余层影响而发展出一定高度的浅对流混合层。城市热岛效应对边界层低层影响显著城市下垫面白天储存的热量在夜间不断释放热量向上输送在城市大气低层形成不稳定层结。从苏州市区的位温廓线分布可以看出时市区低层m以内层结不稳定位温随高度递减。边界层中层受到夜间残余层影响而发展成混合层位温垂直梯度近似为零混合层高度约为m。日出前时处于一天温度低值时段由于热量在夜间充分释放贴地层仍受城市热岛影响而形成不稳定层结夜间残余层影响渐弱混合层在时高度降低到m。时随后日出由于太阳辐射的加热地表迅速升温湍流混合增强夜间残余层被破坏城市上空浅对流边界层发展城市混合层抬升。时大气中湍流混合强地表持续增温对流不稳定边界层发展混合层发展至mm以上位温垂直梯度近似为。午后时混合层可以在热力、动力作用下充分发展至m以上与此同时在近地面层m高度出现超绝热减温率由于大气环境减温率大于干绝热减温率大气层级不稳定下午随着太阳辐射的减弱混合层高度逐渐降低。苏州郊区东山的位温层结曲线显示时位温递减率大于地表辐射冷却形成逆温层结逆温层结发展稳定厚度约为m稳定边界层上部存在明显波动这是由于边界层顶部卷夹作用使得边界层顶部与自由大气之间相互作用。由于郊区下垫面热力特征夜间热量散失迅速时混合层高度下降至m时和时位温廓线差异不显著。日出后地面开始升温逆温快速减弱。在时地面m高度出现超绝热减温大气层结不稳定。时太阳辐射强大气低层不稳定层结可以发展到m混合层发展至m。图年月日苏州城、郊位温廓线FigPotentialtemperatureprofileinSuzhouurbanandruralonJan,城市立体建筑群对近地层风场存在扰动使得湍流的机械动能增加使得城市湍流交换加强影响大气的不稳定性。对比图的城、郊位温廓线可以看出城市夜间在热力强制作用下形成的对流不稳定层结。郊区夜间以稳定逆温层结维持近地层稳定混合层高度白天郊区比城市低m且发展速度也低于市区。城市下垫面特性以及城市热岛的存在导致城市近地层始终存在不稳定层结。城市近地层气流辐合上升垂直运动促进了近地层水汽向高层的输送由图可以看出时和时郊区比湿大于市区。时边界层范围内郊区比湿都高于市区这是因为郊区地面为土壤下垫面且植被覆盖率高植被叶片的蒸腾作用增加了郊区水汽而且东山三面环湖日出后太湖蒸发作用使得东山地区水汽条件丰沛。时市、郊比湿递减率减小随着太阳辐射的增强近地面湍流混合加强。白天地表加热最强在时混合层发展稳定湍流混合强盛使得市、郊比湿变化区别不大。由位温、比湿廓线共同判断年苏州冬季白天混合层可以发展到m夜间可以达到m图年月日苏州市区和东山比湿廓线FigSpecifichumidityprofileinSuzhouurbanandruralonJan,城市热岛效应的存在使得城市夜间贴低层发展出不稳定层结混合强烈并在湍流扩散和局地环流过程中不同程度的影响了边界层范围的大气。年月日凌晨时天空多云由东山位温廓线可以看出此时处于稳定边界层发展初期湍流尺度小SBL以上仍然保留相当厚度的白天混合层中部的平均位温分布称为剩余层。相对比市区而言m以下位温随高度递减由于入夜后地面持续降温由于下垫面热力性质差异城市表面粗糙度大混合更为强烈混合层发展至m高度。城市热岛对贴低层的影响也反映在气温和风的垂直变化上边界层内风速、风向具有明显的垂直梯度。如图所示年月日凌晨时到午后时市区代表站和东山站的气温和风速、风向廓线。从图中看出城市气温高于郊区但温度垂直递减率比市区小热岛的确存在且白天时、时和时城、郊气温随高度迅速降低。凌晨时刻城市上空由于热岛效应对边界层下层的影响而发展出不稳定的热内边界层风向盛行西风风向略有波动风向随高度略逆时针旋转有冷平流这是因为夜间湍流的时间间歇性和空间不连续性且城市建筑物的三维立体结构对低层风场产生的扰动故m以下风向略微波动风速较小。风向在m之间略有波动由于大气处于弱不稳定层结状态且存在风剪切有利于湍流混合时与时风向廓线差异较大时m以下风向略有波动且m以上风向稳定时风向垂直梯度小由于城市上空大气处于不稳定层结时风向廓线垂直梯度近似为零时风向梯度在mm出现较大梯度低层有冷平流经过与环境大气水平混合降温形成上层相对暖下层相对冷故在时位温廓线上出现弱逆温。风向的较大波动是由于午后太阳辐射强烈地面加热近地面空气热力作用产生强烈湍流由于湍流作用出现较明显风切变。市郊东山风向廓线波动与市区在时、时以及时的情况相近时大气低层风向有波动有逆时针旋转趋势有冷平流。时在m高度风向随高度逆时针旋转有冷平流。时、时风向为稳定的西北风。时、时和时大气边界层是对流不稳定边界层有利于湍流混合。图年月日温度、风向廓线FigTemperatureandwindprofileinSuzhouurbanandruralonJan,结论本文利用试验观测资料选取有代表性的市、郊观测站点对苏州冬季热岛效应进行了探讨分析了苏州冬季边界层结构特征主要结论有:()城市下垫面储热量大苏州冬季高温在时时热岛形成主要受城市下垫面对短波辐射的改变和人为排放的变化影响热岛强度总体呈现夜间较强白天较弱。昼夜热岛由于影响因素不同而呈现不同特征夜间至日出时段是热岛效应的高发时段白天以弱热岛和无热岛为主。()苏州夜间气温由城市向外递减城市区域高郊区低。高温区域的分布与土地利用状况、人口密度有对应关系。()夜间城市边界层受城市热岛效应影响而发展成不稳定层结不同于郊区稳定大气层结不稳定层结易形成混合层年冬季苏州城市的混合层高度夜间为m白天为m。白天城市的大气混合层发展的高度和速度均大于郊区而且影响范围更高。夜间城市强热岛的形成是受城市下垫面特征影响。()城市低层风场受到城市建设群立体结构影响而存在扰动有冷平流白天由于强湍流作用城市上空风向波动大于郊区。夜间城市的不稳定层结易于湍流发展城市夜间低层风场波动较大。展望()本文仅分析了外场观测试验中的部分资料下一步的工作是结合试验中的其他资料继续探讨苏州冬季的边界层结构特征。()本文未使用模式分析进行论证分析研究不够深入希望在以后的学习中能使用模式分析方式进行分析研究。()由于外场观测资料的获取具有困难性和局限性本文仅利用年月较短时间内的观测资料分析苏州的热岛特征以及边界层中温度和风场特征这次观测试验中部分有效数据缺失日这天的探空资料由于探空气球吹落等原因时、时的资料缺失。因此分析中主要分析了时时的边界层结构。在今后的学习工作中通过研究苏州其它季节更长时间范围内城市热岛效应及边界层结构。参考文献JanetEkohlhaseThenewurbanworld:perspectivesprospectsandproblemsRegionalSciencePolicypractice,,Vol()宫克世界八大公害事件与绿色GDPJ沈阳大学学报,,:ManleyGOnthefrequencyofsnowfallinmetropolitanEnglandJQuartJRoyMeteorSoc,,::胡嘉骢,朱启疆城市热岛研究进展J北京师范大学学报(自然科学版),,:RolandBStull边界层气象学导论北京:气象出版社:杨健博,刘红年,费松,张宁,蒋维楣太湖湖陆风背景下的苏州城市化对城市热岛特征的影响J气象科学,,:王欣,卞林根,逯昌贵北京市秋季城区和郊区大气边界层参数观测分析J气候与环境研究,,:张礼春,朱彬,牛生杰,李子华南京市冬季市区和郊区晴天大气边界层结构对比分析J南京信息工程大学学报(自然科学版),,:刘罡,孙鉴泞,蒋维楣,刘红年,袁仁民,罗涛城市大气边界层的综合观测研究mdashmdash实验介绍与近地层微气象特征分析J中国科学技术大学学报,,:蒋维楣,陈燕人为热对城市边界层结构影响研究J大气科学,,:王郁,胡非近年来北京夏季城市热岛的变化及环境效应的分析研究J地球物理学报,,:林学椿,于淑秋,唐国利北京城市化进程与热岛强度关系的研究J自然科学进张鑫,蔡旭晖,柴发合北京市秋季大气边界层结构与特征分析J北京大学学报(自然科学版),,:邓玉娇,匡耀求,黄锋基于LandsatTM资料研究广州城市热岛现象J气象,,:江学顶,夏北成,郭泺,李楠数值模拟与遥感反演的广州城市热岛空间格局比较J中山大学学报(自然科学版),,:刘少瑜,吴小玲广州高层高密度居住区热岛效应分析A中国建筑学会建筑物理分会城市化进程中的建筑与城市物理环境:第十届全国建筑物理学术会议论文集C中国建筑学会建筑物理分会:,:王桂新,沈续雷上海城市化发展对城市热岛效应影响关系之考察J亚热带资源与环境学报,,:鲍文杰上海城市热岛的时空特征及其演化规律研究D复旦大学,刘寿东,姜润,王成刚,王咏薇南京夏季城市热岛时空分布特征的观测分析J大气科学报,,:OkeTR,EastCTheurbanboundarylayerinMontrealJBoundaryLayerMeteorology,,:周明煜,曲绍厚,李玉英,宋锡铭北京地区热岛和热岛环流特征J环境科学,,:PAGE

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