4.4 南京城市边界层观测试验研究

城市大气边界层观测研究是城市气象研究的重要手段，也是城市环境污染机理研究的重要基础，极大地推动并进一步促进了城市气象研究与应用的发展。九十年代末，随着全国城市化进程加剧，城市气象观测网络加速构建，城市和城市群区域现场观测试验研究的开展，为城市气象研究提供了更多观测资料并为进一步的基础理论和应用研究提供了有力的支撑。例如，我国首个超大城市气象综合观测试验：北京BECAPEX试验（2001—2003）（徐祥德等，2004，2010），北京BUBLEX试验（2004—2005）（李炬、舒文军，2008；李炬、窦军霞，2014），城市对降水和雾霾影响科学试验SURF（2015—2017）（Liang et al.，2018）等。

国际上一些关于城市边界层观测的研究项目取得了重要成果，揭示了城市边界层的一些重要特征，如英国Reading大学等单位联合实施的一个城市气象计划（2002）、美国能源部Transport ＆FATE项目（2000）等。

2004年国家自然科学基金重点项目“城市边界层三维结构研究”（40333027），由城市边界层观测与分析着手，开展城市边界层结构数值模拟与分析的基础研究，本节主要介绍该项目在南京进行的城市边界层观测试验及主要成果。

4.4.1 观测试验设计

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日—7月31日，2006年2月18日—3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测，总计37天。观测在城市和郊区同步进行。

市区观测点设在南京市党校教学楼6楼楼顶（32.04 °N，118.79 °E），南京市党校位于南京市白下区白下路，该楼南北朝向，楼高20 m，观测场地为20 m×10 m灰白色水泥楼板，以观测点为中心1 km范围内以居民区和商业区为主，街道纵横，建筑物密集、参差起伏，属典型城市下垫面。

郊区观测点设在南京大学浦口校区大气科学园气象观测场内，观测场地为40 m×30 m的草地（32.18 °N，118.67 °E）。周围无高大建筑物与障碍物，半径500 m以内只有零星的低矮建筑与庄稼地和绿地，代表了郊区下垫面的基本特征，市区与郊区观测场地的直线距离约为18 km。

观测内容包括城市和郊区两个观测点的铁塔多层风温廓线观测、热通量、动量通量和水汽通量、四分量辐射、激光雷达观测、风廓线雷达、低空探空以及地面气象观测等。一套四分量辐射观测仪（Model CNR1，Kipp ＆Zonen）安装于距楼顶1.22 m高度，用于测量向上和向下的长波和短波辐射通量，一台超声风速温度仪（CSAT3，Campbell Scientific Inc.）和二氧化碳/水汽脉动分析仪（LI 7500，Licor）测量气流的三维脉动速度、虚温和空气中的二氧化碳、水汽含量，其传感器安装于距楼顶2.2 m高度，这两套观测仪器的数据测量、采集、运算和存储均由数据采集器（CR5000，Campbell Scientific Inc.）完成，数据采样频率为10 Hz。

党校楼顶铁塔3 层风温观测高度分别为8，15.2 和26.2 m，观测仪器为：风杯，Model12002，R. M . Young；温、湿度：HMP45C，Campbell Scientific Inc.；数据采集器：CR10X，Campbell Scientific Inc.。在市区观测场地还有一台激光雷达（MSL，中国科学院安徽光学与精密机械研究所研制）测量大气边界层厚度。在南京大学鼓楼校区还安装了一台声雷达（XFAS，Biral Ltd.），用于探测边界层风、温廓线。另外，在鼓楼校区还进行了无线电低空探空测量（温度湿度低空探空仪由北京大学研制）。

郊区观测场地的观测项目与市区大体相同，也设置了辐射、超声风温和平均风温等观测项目。一台超声风速温度仪（CSAT3，Campbell Scientific Inc.）和水汽脉动分析仪（KH-20，Campbell Scientific Inc.），其传感器安装于距离草地地面2.2 m的高处，测量气流的三维脉动速度、虚温和空气中的水汽含量，数据采样频率为10 Hz。2006年冬季，在距离草地地面1.22 m的高处，安装了一套四分量辐射观测仪（Model CNR1，Kipp ＆Zonen），对向上和向下的长波和短波辐射进行测量。另外，2006 年冬季，一座专为本项综合观测实验建造的铁塔架设完成，铁塔的高度为50 m。一台超声风速温度仪（CSAT3，Campbell Scientific Inc.）和二氧化碳/水汽脉动分析仪（LI 7500，Licor）传感器安装于塔上距离地面40 m的高处。一台由中国科学院大气物理研究所研制的超声风速温度仪（UAT 1）测量气流的三维脉动速度和空气虚温，其传感器安装于塔上距离地面30 m的高处，数据采样频率为10 Hz。在铁塔上还安装了一套由长春气象仪器厂研制的平均风温观测系统（DYYZⅡRTF），每隔10 m安装一层探测仪器，分为10，20，30，40和50 m共5层，对平均风速、风向、气温、湿度和气压进行测量，另外在地面0 m处测量草地温度，数据采样频率为1/60 Hz。在郊区观测场地还设有一台激光雷达（MSL，中国科学院安徽光学与精密机械研究所研制）测量大气边界层厚度。此外，在郊区观测场地也进行了无线电低空探空测量（温度湿度低空探空仪由北京大学研制）。

同期在城市和郊区共6个固定观测点进行了城市热岛观测和热岛流动观测。城市热岛的6个固定测点分别为城北浦口校区、八卦洲、迈皋桥、鼓楼、雨花台、南京航空航天大学江宁校区，其中市区观测点迈皋桥、鼓楼、雨花台的观测地点都位于道路边的人行道上，八卦洲观测点位于菜地上，南京航空航天大学江宁校区观测点位于校园内草坪上，观测高度均为1.5 m。观测仪器为阿斯曼通风干湿表，所有观测点的阿斯曼通风干湿表和流动观测用的温湿度数据采集器在观测试验前同时在同一地点进行过比对试验，所有仪器之间的最大误差不超过0.5 ℃，后文中的观测数据都进行过误差订正。固定点的观测时间为每小时测量一次气温、湿度。

城市热岛流动观测路线为通过南京市中心新街口的“十字线”：从市区西边接近江边到东郊的马群，从市区南郊江宁开发区到北郊八卦洲，采用美国产SP2000型温湿度数据采集器测量温度和相对湿度，测温精度± 0.2 ℃，相对湿度精度2％，测量频率0.5 Hz。观测车采用GPS卫星定位。由于观测车一次观测约需两小时，因此观测所获得的温度分布在时间上并不同步，不能用来进行热岛特征分析，必须对观测数据进行处理，去除观测期间的气温日变化趋势，才能得到同一时刻的气温空间分布。本节采用的方法是根据观测期间内离观测车最近的固定观测点观测的气温变化率和湿度变化率，将观测车观测的温度和湿度订正到同一时刻。

在2005年夏季观测期间，南京市上空主要受副热带高压控制，盛行下沉气流，除间或出现雷阵雨等强对流天气外，整个观测期间天气以晴到多云为主，高温高湿为天气的主要特征。2006年冬季，天气则以阴到多云为主，晴天较少，并间或出现小雨或小雪，2月28日还出现了小到中雪，3月1日以后才开始转晴。在两次观测期间，除了不利于实验观测的天气情况以外，还由于停电或仪器设备出现故障、工作不正常等因素影响了实际观测，造成了数据的缺失或错误等，在分析时已做了相应的处理。

4.4.2 城市热岛特征

晴天的城市热岛特征比阴天明显，阴天时城市与郊区的辐射、温度等气象条件比较接近，为此，我们对观测期间晴天的温度观测做热岛强度分析。

图4.4.1是夏季观测期间所有晴天的日平均气温，由图可见南京存在明显的热岛特征，各测点以鼓楼气温最高，江宁开发区、迈皋桥和雨花台温度比较接近，其次是八卦洲，南京大学浦口校区气温最低。除江宁开发区外，气温由市区中心的最高值向郊区逐步递减，江宁开发区虽然离市区较远，但由于开发区规模较大，已经发展为一个小城镇，不能代表郊区的地表特征，其温度与市区边缘地带（雨花台、迈皋桥）温度比较接近。

热岛强度通常定义为市区气温与郊区气温之差，本节中的平均热岛强度为市区平均温度（鼓楼、迈皋桥和雨花台的平均值）和郊区平均温度（浦口、八卦洲的平均值）之差，观测期间夏季晴天南京市平均热岛强度为1.8 ℃。

图4.4.2是冬季观测期间所有晴天各点的日平均气温，迈皋桥、鼓楼和雨花台温度接近，明显比八卦洲和江宁温度高，按上文定义的热岛强度计算得冬季晴天热岛强度为1.67 ℃，比夏季晴天热岛强度略低。

两次观测期间的冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2 ℃和0.83 ℃（图4.4.3），明显比同期的晴天热岛强度低，冬季平均热岛高于夏季，冬夏季节阴天的热岛强度分别为0.87 ℃和0.59 ℃。城市热岛的成因主要有两方面，即城市道路建筑等地表特征对地面能量平衡过程的影响和各种工业、交通、生活等过程中能源消耗（人为热源）的增加。在观测期间的晴天和阴天情况下人为热源的变化很小，造成热岛强度变化的原因是阴天时净辐射通量减小，气温下降，导致城市地表储热减少，热岛强度下降。可以认为，阴天时的城市热岛主要是人为热源的贡献形成的，而晴天是两者共同起作用，观测期间阴天与晴天的热岛强度之比为42.5％，可见人为热对南京市城市热岛有相当大的贡献。

图4.4.4是冬季和夏季观测期间晴天的平均热岛强度日变化，冬夏季节夜间热岛强度普遍高于白天，冬夏季节热岛强度差异在14～24时差异较大，夏季热岛普遍高于冬季，夏季热岛强度最大值达3.6 ℃，出现在晚间20时，冬季最大值为2.4 ℃，出现在24时。冬夏季节热岛强度最小值分别为0.09 ℃和0.43 ℃。

图4.4.5是流动观测测量的2005年7月27日10时的热岛分布。由图可见南京市气温空间分布的基本规律，市区温度明显高于郊区，市区高温中心有两个，一是鼓楼地区，最高温度36.4 ℃，一是城南夫子庙地区，最高气温37.2 ℃，城西和城东地区气温低于城北和城南。由图还可见紫金山对周围地区气温的影响。紫金山地区是南京著名风景区，森林茂密，在紫金山南侧中山门大街的气温约34 ℃，比市中心新街口温度低1.6 ℃左右。市区东南方向的绕城公路地处城郊结合部，气温比市中心约低1.2 ℃，八卦洲地区温度最低，约31 ℃，比鼓楼气温低5.4 ℃。

图4.4.6是2006年2月18—3月10日观测期间平均温度廓线，其中浦口100 m高度以上的气温由风廓线雷达测量，50 m高度以下的温度由铁塔温度传感器测量，鼓楼100 m以上气温由低空探空测量，50 m以下气温由党校铁塔上温度传感器测量。由于风廓线雷达在低空有测量盲区，因此在50 ～100 m高度之间没有资料。由图可见，在约400 m高度，城区与郊区温度比较接近，400 m高度以下，城区温度明显高于郊区，400，300，200和100 m高度的热岛强度分别为0.1，0.4，0.8和0.6 ℃。在200 ～300 m范围，郊区气温在观测期间存在一等温层。在100～400 m高度范围内，城区低探观测的平均气温递减率和郊区声雷达观测的平均气温递减率分别为0.5 ℃/100 m和0.33 ℃/100 m。在低层，城区和郊区铁塔观测的气温递减率明显大于高层。

4.4.3 城市干岛特征

“城市干岛”也是城市气象的重要特征之一，图4.4.7 是各测点两次观测期间的平均相对湿度，由图可见，城区湿度普遍低于郊区，越接近中心市区，湿度越低。夏季相对湿度大于冬季，这是中国典型季风气候的特征。类似“热岛强度”的定义，本节定义郊区平均相对湿度（八卦洲和浦口）与城区平均相对湿度（迈皋桥、鼓楼、雨花台）之差为“城市干岛强度”，则夏冬季节的干岛强度分别为10.6％和7.3％，夏季大于冬季。“城市干岛”的形成主要有两个原因，一方面是因为城市道路、建筑等表面水分蒸发量很小，另外城市热岛效应对“城市干岛”的形成也有影响，主要是热岛效应使城市气温上升，在水汽含量不变的条件下将使饱和水汽压增加，从而使城区相对湿度减少。以观测期间郊区冬季平均气温5.5 ℃，相对湿度80.9％为例，如比湿、气压不变，仅仅是气温增加1.2 ℃（平均热岛强度），则相对湿度下降6.1％，与平均干岛强度10.6％相比可知，城市相对湿度下降，热岛效应起了重要作用。

图4.4.8是流动观测测量的2005 年7 月27 日10 时的相对湿度分布。新街口湿度最低，为46.9％，八卦洲相对湿度为65.5％，两地相差达18.6％，基本上离市区中心越远，相对湿度越大，绕城公路上的相对湿度明显比市区湿度高，但比八卦洲地区低。紫金山南侧的中山门大街上相对湿度比相邻的中山东路（新街口至中山门）和绕城公路都要高，这可能和紫金山森林地区相对湿度比较高有关，中山门大街离紫金山尚有几百米距离，但观测结果显示亦受紫金山地区的高湿度和低温度特征影响。

4.4.4 城市风场特征

图4.4.9是2006 年2 月18 日—3月10日观测期间城区鼓楼与郊区浦口声雷达观测的平均风廓线，在400 m高度以上，城区和郊区的风速相差不大，在100 m至400 m高度范围内，鼓楼与浦口的平均风速分别为3.6 m·s ^-1 和4.6 m·s ^-1 ，城区风速比浦口风速低约22％，并且随高度降低，城区的风速衰减越大，这是因为城区高楼林立，地表粗糙度大，城市建筑对气流有比较强的拖曳作用，值得注意的是声雷达的有效观测高度都高于城市建筑平均高度，因此图4.4.9显示城市建筑对气流的拖曳阻尼作用不仅存在于建筑高度以下范围，在平均建筑高度以上，城市建筑的拖曳作用逐渐减小，城市和郊区的风速差也逐渐减小。

从地面算起，党校铁塔三层风温测量高度与浦口铁塔的第2，3，4层高度基本相同。在2005年7月和2006年2月观测期间，城区党校观测点铁塔三层平均风速分别为3.45 m·s ^-1 和2.2 m·s ^-1 ，同期浦口铁塔第2，3，4层的平均风速值分别为4.73 m·s ^-1 和3.5 m·s ^-1 ，城区风速比郊区风速低35.7％和37.1％，平均低36.4％。与郊区相比，城市建筑高度上方的风速衰减是由于城市“粗糙”的地表形成的，根据市区党校铁塔上三层风温观测资料，应用相似理论的风温廓线公式计算得到南京市区的平均零平面位移为19.9 m，平均粗糙度1.1 m，其中西北风（风向270～360）时粗糙度0.64 m、西南风（风向180～270）时粗糙度0.60 m、东南风（风向90～180）时粗糙度1.50 m、东北风（风向0～90）时粗糙度1.59 m。

4.4.5 城市地表能量平衡和湍流特征

图4.4.10为2005年夏季城/郊两观测点的感热和潜热通量变化图，其中城区点输出的是10 min平均结果，而郊区点输出的是30 min平均结果，图中数据为小时平均结果。由图上可以看出，城/郊两处的感热通量在白天基本相当，而在夜晚差异明显，城区点上的感热通量在夜间仍然为正值，而郊区夜间感热通量为负值。城/郊两地的潜热通量差异也十分显著，郊区潜热通量日变化明显，白天与感热通量相当，夜间接近于零；而城区潜热通量日变化很小，量值也很小，尤其在白天，城区的潜热通量远小于感热通量。由图可见，夏季城/郊两地白天感热通量最大可达到150 ～200 W·m ^-2 ，郊区白天潜热通量最大也可达到150～200 W·m ^-2 ，而城区最大潜热通量还不到50 W·m ^-2 。计算结果表明：城区感热通量白天平均为59.51 W·m ^-2 ，夜间平均为15.95 W·m ^-2 ；郊区感热通量白天平均为37.36 W·m ^-2 ，夜间平均为－23.88 W·m ^-2 。城区潜热通量白天平均为5.63 W·m ^-2 ，夜间平均为1.48 W·m ^-2 ；郊区潜热通量白天平均为65.48 W·m ^-2 ，夜间平均为19.93 W·m ^-2 ，上述结果反映了城市下垫面在热力学特性上与自然下垫面的显著差异。在白天，城市下垫面接受太阳辐射后增温效应明显，在以感热通量加热大气的同时，下垫面储存了大量热量（即储热项），并由于城市下垫面绝大部分由建筑路面等人造下垫面构成，而植被、树木等所占份额很小，因此蒸发潜热总量很小，所以城区的波恩比（感热通量/潜热通量）远大于郊区（自然下垫面）。在夜间，由于城市下垫面白天储存了大量热量，温度很高，到了夜间除辐射降温之外，它还以热交换方式加热大气，所以夜间城区下垫面的感热通量依然为正，这一特征可能是夏季夜间城市热岛维持较大强度的一个原因。如前所述，尽管城区观测结果具有较强的局地性，但由于城市建筑物密集，其结果在很大程度上体现了城市下垫面的热力学特征。冬季观测结果与夏季类似，较为明显的不同是城区夜间感热通量接近于零。

图4.4.11是2005年夏季和2006年冬季城/郊两观测点的摩擦速度时间变化图，其中市区观测点仪器输出的是10 min平均数据，郊区观测点仪器输出的是30 min平均数据，图中数据为小时平均结果。由图上可以看出：不论夏季还是冬季，城区地表摩擦速度都大于郊区，这一特征在夏季表现得更为明显。计算结果表明：在夏季观测期间，市区观测点的摩擦速度平均值为0.55 m·s ^-1 ，郊区观测点为0.41 m·s ^-1 ；冬季观测期间，市区观测点的摩擦速度平均值为0.43 m·s ^-1 ，郊区观测点为0.35 m·s ^-1 ，夏季的值比冬季大，反映出夏季的湍流活动较强。而市区的值比郊区大，则反映出城市下垫面对动力场的影响。城市建筑物扰动平均气流场而产生机械湍流，加强了湍流运动，使得城市近地层中的动量通量增大，因而使得摩擦速度增加。上述结果反映出城市与郊区下垫面动力学特性的差异，并与城/郊平均风速的观测结果（郊区大于市区）相对应。

与郊区相比，城区的摩擦速度较大，机械湍流较强，表明在城市区域机械湍流对边界层的发展起着更为显著的作用，这有助于我们在研究边界层高度的预报，特别是研究城市边界层高度的预报时，将机械湍流作为一个更为重要的因子来引入和研究，以期待能对城市边界层高度的预报做出一定程度的改进。

图4.4.12为2005年夏季城区和2006年冬季城/郊两地的归一化摩擦速度。由图中可以看出，无论是在冬季还是夏季，市区观测点的归一化摩擦速度平均值为0.20，而标准差较小（冬季为± 0.03，夏季为± 0.02）则表明数据的稳定性非常好，偏离平均值的起伏程度并不大，说明冬季和夏季归一化摩擦速度具有很好的一致性，始终为一个常数，并不随季节和时间变化。郊区观测点的归一化摩擦速度平均值为0.11，其偏离平均值的起伏也不大（标准差为± 0.03），表明规律性也非常好。值得注意的是，2月21日和25日两天的归一化摩擦速度出现了较大起伏，原因是这两天出现了降雨，影响了观测结果。

归一化摩擦速度在同一地点保持为一个不随时间变化的常数，说明气流从平均场到湍流场的转化以及动量自上而下的输送有着极好的相似性和规律性，在任何地点，摩擦速度的大小总是正比于10 m处平均风速的大小，而这一比值常数只与地点有关。事实上，这一常数是与湍流活动的强弱和气流受障碍物或粗糙元拖曳、阻尼与摩擦的程度密切相关的。在城市区域，由于建筑物的拖曳、阻尼和摩擦较强，因而平均风速较低，而由于建筑物对平均气流场的扰动造成的机械湍流的加强，使得摩擦速度增大，因此使得市区的归一化摩擦速度值和拖曳系数较大。相反，在郊区，平均气流受到的拖曳、阻尼和摩擦较小，平均风速较大，而机械湍流较弱，摩擦速度较小，则使得归一化摩擦速度值和拖曳系数较小。

本节采用常规的时间序列分析方法对湍流时间序列进行处理。市区和郊区的湍流时间序列采样频率均为10 Hz，计算平均时间取为30 min，在进行去野点、去趋势等前处理后，计算出湍流时间序列在平均时段内的平均值，再用瞬时值减去该时段的平均值，便得到该时段湍流时间序列的脉动值以及方差值。

湍流速度时间序列的方差值实质上表征了湍流能量的大小。本节通过比较水平湍流方差 与垂直湍流方差 的方法，代替通用的u，v，w三分量湍流方差比较法，来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配比例。水平湍流方差 求取的方法为：首先按常规方法对风速u和v的时间序列分别求取方差，获得 和 ，然后将两者相加，得到 ，即 。垂直湍流方差 的求取与 和 相同，通过上述方法直接对垂直速度w的时间序列进行计算处理获得。

图4.4.13为2006年冬季城/郊两地大气湍流能量在水平与垂直方向上的分配比例图。计算结果表明，市区的 平均值为0.16，郊区为0.14，市区的值大于郊区。这说明在市区，湍流能量中垂直分量所占的比重更大。这是由于市区建筑物对气流的扰动，使得湍流活动加强，这种扰动不仅体现在水平方向，也体现在垂直方向。从观测结果看，城区垂直方向上的湍能在总湍能中所占比例高于郊区，这体现了城市下垫面的动力学特征。

利用党校的湍流通量资料分析了城市屋顶的储热特性。由于观测方法与测量技术的限制，ΔQ _s 很难直接测得，通常由“余差法”计算：

为了更好的了解ΔQ _s 日变化特征及ΔQ _s 与R _n 之间的关系，利用观测资料对上式中的各项进行了比较。图4.4.14夏冬两季观测期间能量平衡方程中各项平均值日变化分布。观测事实表明，潜热对地表能量的释放作用通常可以忽略不计。城市屋顶能量平衡主要体现为R _n ，H和ΔQ _s 三者之间的关系，其中，储热项特征主要表现为以下两点：

①白天ΔQ _s 要明显大于H，与R _n 相近，表明在白天R _n 的大部分能量被水泥楼板吸收，只有少部分能量通过感热方式释放在大气中。特别是日出后的几个小时内（6 点～9 点）有近80％的R _n 被吸收，主要是由于水泥楼板的导热系数很大（1.69 W·m ^-1 ·K ^-1 ），是空气导热系数的65 倍；再有，清晨楼板与空气间的温差较小，湍流发展较弱，热量很难向上层大气传递，R _n 加热屋顶的热量迅速地通过热传导方式向深层传递，使水泥楼板储存的能量不断上升。午后R _n 开始减少，但此时楼板温度很高，与空气的温差加大，造成楼板与空气之间的热量交换仍维持在一个较高水平，即楼板把上午吸收储存的热量以感热的方式传递给大气，ΔQ _s 开始快速减少。

②在夜间，屋顶储存的能量主要通过长波辐射向外释放。如图4.4.14 所示，在夜间ΔQ _s 与R _n 很接近。在夏季，ΔQ _s 绝对值要略大于R _n 绝对值（负号表明能量向上传递），表明在夏季水泥楼板存储的能量大部分被长波辐射释放，但仍有一部分能量通过感热方式加热地表大气。而在冬季，由于地表散热较快，会出现气温大于地温的情形，形成贴地逆温，热量则由大气传向地面，H多为负值，ΔQ _s 全部用于长波辐射释放能量。

ΔQ _s 与R _n 之间的关系还表现为两者之间的“滞回”现象，即ΔQ _s 的峰值通常早于R _n 峰值出现的时间，而且ΔQ _s 转为负值的时刻也要比R _n 提前，表明在日落前R _n 仍为正值时，ΔQ _s 已经转变为负值，成为加热地表大气的能量供给项。图4.4.15为夏冬两季ΔQ _s 随R _n 的分布关系。由图可见ΔQ _s 与R _n 间的“滞回”方向都呈顺时针方向旋转，表征ΔQ _s 的相位提前于R _n 。

4.4.6 小结

2004年国家自然科学基金重点项目“城市边界层三维结构研究”（40333027），由城市边界层观测与分析着手，开展城市边界层结构数值模拟与分析的基础研究，本节主要介绍该项目在南京进行的城市边界层观测试验及主要成果。

南京大学大气科学学院分别于2005年7月17日—7月31日，2006年2月18日—3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测，总计37天。观测在城市和郊区同步进行。观测内容包括城市和郊区两个观测点的铁塔多层风温廓线观测、热通量、动量通量和水汽通量、四分量辐射、激光雷达观测、风廓线雷达、低空探空以及地面气象观测等。

通过对南京城市边界层观测资料的分析，本节主要得到以下结论：

①南京市存在明显的热岛特征，气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少，南京市夏季和冬季晴天的平均热岛强度分别为1.8 ℃和1.67 ℃，晴天条件下夏天热岛强度比冬季略高，夜间热岛强度普遍高于白天，夏季和冬季的热岛强度最大值分别为3.6 ℃和2.4 ℃，都出现在夜间。热岛强度基本随高度增加而减小，在约400 m高度，城市和郊区温差较小。

②城区湿度普遍低于郊区，越接近中心市区，湿度越低，郊区与城区的相对湿度之差在夏、冬季节分别为10.6％和7.3％。

③城区风速明显低于郊区，高度越低，城区与郊区风速相差越大，在100 m至400 m高度范围内，城区风速比郊区风速低约22％，在28～46 m高度范围内，城区风速比郊区风速低约36.4％。

④南京市区的平均零平面位移约为19.9 m，平均粗糙度1.1 m，不同的风向，粗糙度有较大的差异。

⑤市区白天的感热通量与郊区相当，但潜热通量远小于郊区，市区的波恩比远大于郊区。市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额，成为城市热岛效应的主要成因。夏季，市区的感热通量全天为正，而郊区则为白天正、夜晚负，昼夜交替；冬季，市区的感热通量在夜间常为负值，但量值比郊区小，接近于零，这些特征对热岛效应的形成有一定影响。

⑥夏季观测期间，市区摩擦速度均值为0.55 m·s ^-1 ，郊区为0.41 m·s ^-1 ，市区比郊区高34％；冬季观测期间，市区摩擦速度均值为0.43 m·s ^-1 ，郊区为0.35 m·s ^-1 ，市区比郊区高23％。这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明：由于冬/夏热力性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异。

⑦冬、夏两季和城、郊两地的归一化摩擦速度（摩擦速度除以10 m高度处的平均风速）具有很好的相似性和一致性，表现为一个不随季节和时间变化的常数，常数的值只与地点有关，对其均值的偏离程度很小，具有良好的规律性。市区的归一化摩擦速度值为0.20，郊区为0.11，表明在市区有更大的动量输送、更强的气流拖曳、更多的平均动能转化为湍流动能。

⑧市区湍流能量在垂直方向所占比重高于郊区。

⑨无论是冬季还是夏季，水泥下垫面的储热项在地表能量收支过程中所占份额都明显大于感热与潜热之和；而自然下垫面通常是H＋LE大于ΔQ _s ，这是城市下垫面与自然下垫面热力性质最主要的差异。

⑩在夏季，储热项在夜间仍有一部分热量用于加热地表大气，这对夜间城市近地层大气的垂直结构和热岛形成都有一定影响。ΔQ _s 与R _n 的变化趋势有很好的一致性，但两者存在相位差。 IRyZ3znda76px/YDqYLuiBOwFWbLZQKots/8YXhfwzNHRtMYolj0YT9cqYJM7f47