夏季北京市區與郊區能量平衡特徵對比研究

2020-12-07 騰訊網

城市下墊面獨特的動力學和熱力學特性改變了地-氣交換過程，這是城市氣候特徵形成的重要原因，因此加強對城市邊界層湍流交換過程的認識尤為重要。

通過北京市區和城郊區能量平衡特徵的對比分析，證實了：

（1）在植被覆蓋率低於或接近其它城市的情況下，受輸入水源（路面灑水、綠化帶澆水、農田灌溉）的影響，夏季北京市區的波恩比值（Bowen）更小；

（2）建築物覆蓋率相似的情況下，較小的「街谷比」導致北京市區的感熱通量日間最大值偏低；

（3）受頻繁輸入水源的幹擾，建立北京城市雨後Bowen值隨時間（小時、天）變化的經驗公式存在一定困難。

研究結果可直接用於城市冠層模式的改進，並可為城市生態、城市熱環境以及城市水文等研究領域提供有益參考。

論文作者竇軍霞博士

關鍵詞：渦動相關技術，輻射平衡，湍流通量，波恩比，北京

（論文作者：竇軍霞，Sue Grimmond，程志剛，苗世光，馮冬英，廖明水）

（完成單位：北京城市氣象研究院，英國雷丁大學，北京市密雲區氣象局）

（第101篇：2608字）

城市化是人類活動改變土地利用與覆蓋的一個典型例子。在城市區域，自然下墊面被人為的立體下墊面所取代，道路縱橫交錯，建築物參差不齊，這使得城市地區上空的邊界層特性迥異於周圍鄉村地區，並產生了熱島、幹島、雨島和混合島等獨特的氣候效應，而歸根結底城市氣候的形成源於城市下墊面獨特的動力學和熱力學特性改變了地-氣交換過程。因此，對城市邊界層湍流交換過程的認識顯得尤為重要。

北京城市無論是地面覆蓋物種類及其所佔比例、建築風格、建築物的高度和布局，還是能源消耗量和排放方式都與歐美城市有明顯差異，我們需要針對北京城市自身氣候條件和下墊面特點開展通量研究。

研究了北京市區（中國科學院大氣物理研究所 325 m 氣象塔，以下簡稱「大氣所」）和城郊區（密雲區氣象局 36 m 氣象塔，以下簡稱「密雲」）2015 年夏季輻射平衡和能量交換特徵，獲得北京市區和城郊區能量平衡特徵對比分析結果。

大氣所（IAP）和密雲（MY）夏季白天波恩比值（灰色圓點）、每天波恩比值的中位值（彩色鑽石）與降雨量（灰色柱）的時間變化。（圖例顏色表示上一場降雨後至今無降雨的天數，0為當天有降雨)

大氣所（IAP）和密雲（MY）的波恩值（β）均隨降雨的出現而迅速降低。但是在長期無雨的日子，大氣所和密雲的β值相對穩定且較小，說明除降雨外，兩個地點均有其它額外水源的輸入影響可利用能量的分配。

利用渦動相關技術觀測得到的夏季白天城市市區（紅色）與郊區（藍色）感熱通量（QH）和潛熱通量（QE）最大值隨植被覆蓋率（λv）的變化。

與世界上其它城市相比較，北京市區（IAP）和城郊區（MY）夏季白天感熱通量最大值（QHmax）偏低，市區潛熱通量最大值（QEmax）偏高。

∷1∷輻射平衡對比分析

由於北京市區PM2.5較城郊區更高，氣溶膠對太陽輻射的消光作用更明顯，因而相同天氣狀況下，密雲的向下短波輻射（K）日均值總是略高於大氣所。由於市區的建築物、道路和人行道等不透水下墊面所佔比例較大，太陽輻射到達地面時，被吸收的比例相對更高，其反射輻射值（K）較城郊區小。大氣所夏季白天的反射率均值為0.10，密云為0.13，這兩個觀測地點的反射率與世界上其他城市的已有觀測結果相似。大氣所和密雲的向下長波輻射（L）日均值差異很小，近於相等。白天，密雲有更高的向上長波輻射（L）值，這可能是因為一方面市區的向上長波輻射更容易被建築物多次反射和吸收，即遭遇「輻射陷阱」；另一方面，存在市區和城郊區下墊面性質的差異，導致地面長波發射率不同，最終使得白天大氣所的L值略小；夜間建築物較多的地方釋放熱量更多，這使得夜間大氣所的L值更高，最終大氣所和密雲L日均值相近，差異不大。

淨輻射（）是K、K、L和L的差值，密雲在長、短波輻射的收入與支出均略高於大氣所，使得兩個觀測地點有相似的日均值，差異不明顯。

∷2∷湍流通量特徵分析

夏季大氣所和密雲的潛熱通量都高於感熱通量。兩個觀測地點相比較，密雲白天的感熱和潛熱通量值更高，夜間密雲的潛熱通量與大氣所差異不大，但感熱通量卻低於大氣所較多。其原因部分在於市區夜間有更多的人為熱排放（例如汽車的排放），此外市區建築物白天可以吸收儲存更多的熱量用於夜間釋放。

大氣所（IAP）和密雲（MY）夏季感熱和潛熱通量日

與世界上其它城市相比較，在植被覆蓋率相似或低於其它城市的情況下，北京市區和城郊區夏季存在白天感熱通量最大值（QHmax）偏低，市區潛熱通量最大值（QEmax）偏高的情況。分析其原因在於：

(1) 市區路面灑水、綠化帶澆水和空調的使用支持了蒸發（北京特色）；

(2) 北京市區的 "街谷比"（H/W）偏低且建築物平均高度較大，這使得建築物白天能夠快速吸收和儲存更多的熱量，減少了用於加熱空氣的熱量。

∷3∷能量分配特徵及影響因素分析

在長期無雨的日子，大氣所和密雲的β值相對穩定且較小，說明除降雨外，兩個地點均有其它額外水源的輸入影響可利用能量的分配。市區白天6:00-18:00之間都有較小β值的出現，即使是在典型晴天的正午前後（>500），依舊有小於1的β出現，說明北京市區夏季因為有道路灑水、空調使用、植被澆灌等行為導致額外水源的輸入，從而使得QE值較高。而在密雲，灌溉是最主要的額外水的來源。農作物生長期間經常灌溉，額外水源的補充使得潛熱值更高。

大氣所（IAP）夏季白天波恩比值（β）的時間變化。

（圖例彩色鑽石表示上一場降雨後至今無降雨的時長，例如[2.5，3]表示為降雨發生2.5小時到降雨後3小時內；彩色空心圓表示不同時長的無雨期間當>500時的波恩比值（β））

無論是大氣所還是密雲，其波恩值（β），潛熱與淨輻射比值（QE/）均高於與本研究觀測地點有相近或者更高地表植被覆蓋率（λv）的其它城市的比值，而感熱與淨輻射比值（QH/）情況正好相反，低於其它城市；說明夏季北京市區和城郊區的潛熱在能量分配中更佔優勢。這一特點為相關參數化方案或者模式的改進提供了參考依據。

夏季白天大氣所（紅色*，圖例代碼：Bj15u）和密雲（綠色*，圖例代碼：Bj15s）以及世界上其它城市的波恩值（β）、感熱與淨輻射比值（QH/）、潛熱與淨輻射比值（QE/）與植被覆蓋率（λv）的關係。

參考文獻：

Dou J, Grimmond S, Cheng Z, Miao S, Feng D, Liao M, 2019: Summertime surface energybalance fluxes at two Beijing sites,International Journal of Climatology,39, 2793–2810.

（編輯：楚豔麗 ；編審：權建農，陳明軒）

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