徐一平 苗世光 趙德龍 丁德平

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 1000812 北京城市氣象研究院，北京 1000893 北京市人工影響天氣辦公室，北京 1000894 云降水物理研究和云水資源開發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1000895 中國(guó)氣象局華北云降水野外科學(xué)試驗(yàn)基地，北京 101200

1 引言

城市化是人類社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)，它使得土地利用和土地覆蓋都發(fā)生了很大的變化，人為熱排放、城市氣溶膠和人為溫室氣體排放也大大增加，對(duì)天氣、氣候和環(huán)境均產(chǎn)生了不同程度的影響，天氣、氣候和環(huán)境反過(guò)來(lái)也會(huì)對(duì)城市的運(yùn)行和居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，城市化程度體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度，是工業(yè)化水平高低的重要指標(biāo)（苗世光等, 2014b）。截至2019 年底，我國(guó)城市化率已達(dá)到60.6%，城鎮(zhèn)人口突破8.4×109（中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局, 2020）。

目前國(guó)內(nèi)大部分的研究主要集中在城市熱島、城市大氣環(huán)境上（汪光燾等, 2005; 壽亦萱和張大林, 2012; Deosthali, 2000），而對(duì)于城市人為水汽研究的相對(duì)較少的。國(guó)外在這方面已經(jīng)開展了一些相關(guān)研究。Moriwaki et al.（2008）使用地理信息系統(tǒng)和能源消耗數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，估算了東京人為水汽排放量和人為熱的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)夏季東京市中心的人為水汽最大值超過(guò)500 W/m-2。冬季東京居民區(qū)的人為熱排放量大于夏季商業(yè)區(qū)的人為熱排放量，并且人為熱和水汽，使氣溫升高了約0.5°C，水汽混合比增加0.1 g/kg（Senoo et al., 2004）。在美國(guó)進(jìn)行的飛機(jī)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，在城市下風(fēng)方向觀察到較高的水汽摩爾分?jǐn)?shù)，水汽的排放量的估計(jì)值在1.6×104和1.7×105kg/s之間，占城市研究點(diǎn)大氣邊界層總的水汽平流的8.4%（Salmon et al., 2017）。

人為水汽的排放也會(huì)對(duì)城市的天氣、氣候和環(huán)境等帶來(lái)多方面的影響。天然氣燃燒產(chǎn)生的水汽會(huì)使空氣飽和，在低溫的共同作用下，產(chǎn)生了埃德蒙頓的低溫霧（Rage, 1972）。城市的過(guò)量水汽與城市熱島之間也存在著正相關(guān)，但是城市過(guò)量水汽對(duì)城市熱島的增強(qiáng)作用較弱，并且存在相當(dāng)大的負(fù)反饋（Holmer and Eliasson, 1999）。通常城市熱島最強(qiáng)時(shí)，經(jīng)常觀察到城市過(guò)量水汽（Kuttler et al.,2007）。另一方面，來(lái)自城市的過(guò)量水汽也會(huì)導(dǎo)致城區(qū)下風(fēng)向的降水增加（M?lders and Olson, 2004）。由此可以看出，城市水汽的排放對(duì)于城市的天氣、環(huán)境等也有不可低估的影響。

作為我國(guó)的首都和政治文化中心，北京市人口規(guī)模大，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)達(dá)，屬于特大城市，近幾十年來(lái)，北京的城市建設(shè)十分迅速，經(jīng)歷了高速發(fā)展期，城市結(jié)構(gòu)和建筑高度等都發(fā)生巨變（徐陽(yáng)陽(yáng)等,2009）。隨著城市規(guī)模迅速擴(kuò)大和城市化步伐的加快，北京的氣象條件發(fā)生了一系列的變化。因城市效應(yīng)，北京冬季表現(xiàn)為弱濕島，城區(qū)與郊區(qū)比濕日變化有明顯差異（竇晶晶等, 2014）。北京城區(qū)冬季寒冷干燥，波恩比較大，白天儲(chǔ)熱在凈輻射中所占比例最大，人為熱中潛熱和感熱表現(xiàn)為同等重要，多云時(shí)，冬季夜間的感熱略大于潛熱（苗世光等,2012）。在城市區(qū)域，人為潛熱排放與人類活動(dòng)的規(guī)律基本吻合，比如空調(diào)系統(tǒng)、居民生活排放和汽車尾氣排放等均會(huì)導(dǎo)致人為潛熱的大量排放（苗世光等, 2014a）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，城市對(duì)于北京地區(qū)的濕度影響顯著（Liu et al, 2009）?？傮w上來(lái)說(shuō)，城市在白天會(huì)比周圍地區(qū)更加干燥（Arnfield, 2003）。

根據(jù)北京市統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2019年北京市常住人口2153.6×104，常住人口密度達(dá)到1312 km-2（北京市統(tǒng)計(jì)局, 2020）。人口密度大，人類活動(dòng)強(qiáng)烈，人為水汽排放量巨大，十分具有研究意義。本文利用飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)量化了北京整個(gè)城市內(nèi)水汽摩爾分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)情況，并討論了可能的來(lái)源，將為數(shù)值模式中人為潛熱的設(shè)置提供參考。

2 研究方法

本研究采用篩選出的2016年12月16日、17日、18日、19日符合質(zhì)量平衡飛行的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了城市過(guò)量水汽通量、城市過(guò)量水汽排放率和城市水汽總排放率。

2.1 航線位置

北京市氣象局人工影響天氣辦公室的飛行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，每次均從北京北部郊區(qū)出發(fā)，環(huán)繞北京中心城區(qū)飛行觀測(cè)，并飛行多圈，最后返回北部郊區(qū)，完成一次飛行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，每次飛行的航線基本類似。

2.2 機(jī)載平臺(tái)和機(jī)載儀器

2.2.1 機(jī)載平臺(tái)和機(jī)載儀器的具體型號(hào)

本文觀測(cè)儀器的機(jī)載平臺(tái)為北京市人工影響天氣辦公室空中國(guó)王3587飛機(jī)。本文使用的數(shù)據(jù)來(lái)自機(jī)載氣象探測(cè)系統(tǒng)AIMMS-20（Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System-20）。該系統(tǒng)可用于飛行時(shí)的溫度、濕度、風(fēng)的三維空間狀況。該儀器包括空氣數(shù)據(jù)探頭，通過(guò)壓差和逆流溫度/濕度測(cè)量室測(cè)量氣流和空氣溫度濕度；慣性測(cè)量單元測(cè)量整個(gè)航跡中飛機(jī)高度數(shù)據(jù)；GPS測(cè)量飛機(jī)高度和機(jī)身傾斜角度。

2.2.2 機(jī)載儀器的指標(biāo)

風(fēng)速精度水平分量為0.50 m/s，垂直分量為0.75 m/s；溫度精度為0.3°C，分辨率為0.01°C；相對(duì)濕度精度為2%，分辨率為0.1%；工作溫度為-20～50°C。

2.3 數(shù)據(jù)

本文使用數(shù)據(jù)是北京市氣象局人工影響天氣辦公室3830飛機(jī)觀測(cè)資料，篩選出溫度、相對(duì)濕度、氣壓、位置（經(jīng)緯度）、飛行高度、東西向和南北向飛行速度等數(shù)據(jù)。因組織一次專門飛機(jī)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的成本較高，本文研究所選用的數(shù)據(jù)是從北京市氣象局人工影響天氣辦公室的日常作業(yè)觀測(cè)的3830飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)中篩選出來(lái)的，因此存在數(shù)據(jù)針對(duì)性不強(qiáng)，很多數(shù)據(jù)不滿足計(jì)算條件而無(wú)法使用的情況，但是通過(guò)一定的篩選條件，依然能夠從廣泛的數(shù)據(jù)中可以找到可使用的部分，為本次研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4 質(zhì)量平衡飛行

篩選出的飛機(jī)航線所用時(shí)間均為數(shù)分鐘，以盡量減少飛行期間大氣邊界層的增長(zhǎng)。飛機(jī)在北京市的上風(fēng)和下風(fēng)向飛行，城市過(guò)量水汽排放率根據(jù)中心城區(qū)相對(duì)于背景的摩爾分?jǐn)?shù)的增加、相對(duì)于飛行軌跡的風(fēng)速垂直分量和當(dāng)時(shí)的邊界層高度計(jì)算。圖1、圖2 以2016年12月16日的一次飛行為例，顯示了飛機(jī)觀測(cè)航線和飛行高度變化的大致情況，所有日期飛行觀測(cè)的航線大致類似，并且在該次飛行中觀測(cè)到了過(guò)量水汽排放信號(hào)，即人為水汽排放。

圖1 2016年12月16日的飛機(jī)觀測(cè)航線其中一圈。灰色區(qū)域表示城市區(qū)域，紅色曲線表示航線，黑色環(huán)線為北京二至五環(huán)路環(huán)線Fig. 1 One circle of the aircraft observation route on 16 December 2016; the gray area represents the urban area, the red curve represents the route,and the Beijing Second to Fifth Ring Road are drawn

圖2 2016年12月16日的一次觀測(cè)飛行中飛行高度隨飛行時(shí)間變化Fig. 2 Change of flight altitude with flight time in a flight on 16 December 2016

2.5 背景濃度的確定

該研究的目的是確定城市過(guò)量水汽排放率。背景濃度可作為確定中心城區(qū)水汽摩爾分?jǐn)?shù)增量的參考。本次研究中采用中心城區(qū)周邊區(qū)域作為背景，周邊區(qū)域人口聚集度較小，相對(duì)中心城區(qū)，人為潛熱排放量也較小。具體計(jì)算的過(guò)程中，即根據(jù)位于城區(qū)下風(fēng)向航線兩側(cè)邊緣的數(shù)據(jù)確定背景水汽摩爾分?jǐn)?shù)，背景濃度與水平方向飛行距離線性相關(guān)。

2.6 天氣形勢(shì)

根據(jù)篩選出的航線的飛行時(shí)間，從北京市氣象臺(tái)獲取了2016年12月16～19日每天08:00（北京時(shí)間，下同）海平面、850 hPa、700 hPa、500 hPa的天氣圖。從海平面氣壓場(chǎng)等壓線分布圖可見，12月16日北京地區(qū)處于弱高壓前部的均壓場(chǎng)中，弱高壓的中心位于北京的西部；12月17日高壓系統(tǒng)東移入海，北京處于兩個(gè)高壓之間的低壓輻合區(qū)控制；12月18日北京持續(xù)處于兩個(gè)高壓之間；12月19日北京上游高壓逐漸東移南下，北京處于高壓前部的弱氣壓場(chǎng)中。大氣層結(jié)垂直方向上，16～19日，500、700、850 hPa高度上，北京均位于槽后，為下沉氣流?？傮w看來(lái)，2016年12月16～19日，北京受高壓控制，無(wú)降水，水平方向風(fēng)速較小，無(wú)明顯暖濕氣流，天氣穩(wěn)定為主。

2.7 城市過(guò)量水汽通量、城市過(guò)量水汽排放率、城市水汽總排放率的定義和計(jì)算方法

城市過(guò)量水汽通量是指單位時(shí)間內(nèi)，水平方向上流經(jīng)單位面積城市比周圍鄉(xiāng)村多的水汽量，單位用mol m-2s-1表示；城市過(guò)量水汽排放率指的是單位時(shí)間內(nèi)，城市比周圍鄉(xiāng)村多排放的水汽質(zhì)量，單位用kg/s表示；城市水汽總排放率指的是單位時(shí)間內(nèi)，整個(gè)城市排放的水汽質(zhì)量，單位用kg/s表示。對(duì)于城市過(guò)量水汽通量FUrban,i，計(jì)算公式如下：

其中，i表示每一個(gè)下風(fēng)向數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，U⊥,i表示垂直于航線的水平風(fēng)分量，cdw,i為下風(fēng)向水汽摩爾分?jǐn)?shù)，cbg,i為背景水汽摩爾分?jǐn)?shù)，使用理想氣體定律，可將水汽摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成水汽摩爾密度。相同氣壓和溫度下，下風(fēng)向水汽摩爾密度減去相應(yīng)的背景水汽摩爾密度，是城市過(guò)量水汽摩爾密度，城市過(guò)量水汽摩爾密度乘以風(fēng)速相對(duì)于航線的垂直分量就可以得到城市過(guò)量水汽通量FUrban,i，同理，城市水汽通量FTotal,i計(jì)算公式如下：

為了計(jì)算城市范圍內(nèi)的水汽排放率，需要知道城市過(guò)量水汽通量矩陣，并做積分

其中，H為大氣邊界層高度，x為水平飛行距離的一半，M是指城市過(guò)量水汽通量矩陣或者城市水汽總通量矩陣，進(jìn)一步比較可以確定城市過(guò)量水汽排放率（EUrban） 與城市水汽總排放率（ETotal）的比值。

3 計(jì)算過(guò)程

3.1 飽和水汽壓計(jì)算

飛機(jī)觀測(cè)的氣壓范圍大致在640～1020 hPa，仍以0°C作為水的凝固點(diǎn)，飽和水汽壓es的計(jì)算，溫度在0°C以上使用水面飽和水汽壓公式：

溫度在0°C以下使用冰面飽和水汽壓公式：其中，t為攝氏溫度，T為熱力學(xué)溫度。

3.2 水汽摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算

其中，χV為水汽摩爾分?jǐn)?shù)，e為水汽壓，p為氣壓，UW為 相對(duì)濕度；es(T)為飽和水汽壓，由公式（4）、公式（5）可得；χVS為飽和水汽摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)公式（6）和公式（7）則

3.3 將水汽摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾密度

利用水汽的理想氣體狀態(tài)方程：

其中，n表示水汽的物質(zhì)的量，V表示氣體體積，可得水汽摩爾密度，R=8.314 J mol-1K-1。

3.4 數(shù)據(jù)的篩選

北京供暖時(shí)間為11月15日左右，飛機(jī)飛行日期為2016年12月16日、17日、18日、19日，北京地區(qū)已完全進(jìn)入冬季，之所以選擇冬季的數(shù)據(jù)，是因?yàn)槎镜恼舭l(fā)速率和飽和水汽壓低于夏季，并且冬季人為水汽排放量大、背景水汽排放量小，易于估算城市人為水汽排放通量和排放率。

根據(jù)公式（1）～（3）判斷，飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的篩選條件主要包括以下6點(diǎn)：（1）飛機(jī)觀測(cè)過(guò)程中，風(fēng)向需指向城市外側(cè)，即使得城市位于下風(fēng)向； （2）飛機(jī)觀測(cè)飛行高度需要在探測(cè)時(shí)大氣邊界層高度以下；（3）飛行路徑需要圍繞北京市區(qū)，郊區(qū)的飛行路徑屬于無(wú)效路徑；（4）飛行路徑的側(cè)邊界盡量遠(yuǎn)離城區(qū)；（5）飛機(jī)飛行路徑可根據(jù)經(jīng)緯度信息進(jìn)行判斷，當(dāng)飛行軌跡不為大致南北、東西向時(shí)，需要考慮飛行軌跡與正北向的夾角；（6）數(shù)據(jù)需無(wú)缺測(cè)。利用以上的這些篩選條件，本研究對(duì)2016年12月16日、12月17日、12月18日、12月19日的飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，最后得到了可用數(shù)據(jù)。

3.5 大氣邊界層高度的計(jì)算

在本研究中邊界層高度的確定采用位溫梯度法，位溫梯度法計(jì)算邊界層高度的依據(jù)是：近地層以上 （不穩(wěn)定邊界層時(shí)為混合層以上），位溫梯度最大的高度定義為邊界層高度。由于沒有連續(xù)的位溫資料，此處采用中央差分：

其中，n=2,3,4,···,θn+1表示n+1點(diǎn)處的位溫，θn-1表示n-1處的位溫， Δz表示n+1點(diǎn)與n-1點(diǎn)之間的距離，根據(jù)飛機(jī)探空曲線可算出邊界層高度。之所以采用1次觀測(cè)代表大氣邊界層高度，是因?yàn)樵跊]有大尺度天氣系統(tǒng)影響下，混合層蓋頂逆溫位置變化相對(duì)比較緩慢，1天中1次觀測(cè)的蓋頂逆溫底高度可以代表這1天的情況，混合層頂覆蓋逆溫的位置就是大氣邊界層高度（袁仁民等, 2003）。

4 結(jié)果分析

2016年12月16日位溫廓線和可用航線選擇的結(jié)果如圖3所示，利用上升階段飛機(jī)觀測(cè)到的氣壓、溫度、高度數(shù)據(jù)，可繪制位溫廓線，通過(guò)位溫梯度法，920 m處位溫梯度最大，為0.022 K/m，確定的大氣邊界層高度為920 m，并通過(guò)6點(diǎn)篩選條件確定了07:30:57至07:33:30自東向西、07:40:15至07:42:45自南向北的可用航線。

圖3 （a）2016年12月16日北京的位溫廓線；（b）本文選取的2016年12月16日07:30:57至07:33:30（紅色）、07:40:15至07:42:45 （綠色）可用飛行路徑Fig. 3 (a) Potential temperature profile on 16 December 2016 in Beijing; (b) the red and green are the selected available flight path maps during 0730:57–0733:30 BT (Beijing time) (red) and 0740:15–0742:45 BT (green) on 16 December 2016, respectively

12月17日位溫廓線和可用航線選擇的結(jié)果如圖4所示，同樣利用上升階段飛機(jī)觀測(cè)到的氣壓、溫度、高度數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可繪制位溫廓線，通過(guò)位溫梯度法，888 m處位溫梯度最大，為0.053 K/m，確定的大氣邊界層高度為888 m，并確定了06:39:33至06:43:00有一定傾角的自北向南、07:03:38至07:06:16和07:06:58至07:10:26兩條自西向東的可用航線。

圖4 （a）2016年12月17日北京的位溫廓線；（b）本文選取的2016年12月17日06:39:33至06:43:00（紅色）、07:03:38至07:06:16（ 綠色）、07:06:58至07:10:26（黃色）可用飛行路徑Fig. 4 (a) Potential temperature profile on 17 December 2016 in Beijing; (b) the red, green, and yellow are selected during 0639:33–0643:00 BT,0703:38–0706:16 BT, and 0706:58–0710:26 BT on 17 December 2016, respectively

12月18日位溫廓線和可用航線選擇的結(jié)果如圖5所示，類似的，利用上升階段飛機(jī)觀測(cè)到的氣壓、溫度、高度數(shù)據(jù)，繪制位溫廓線，570 m處位溫梯度最大，為0.031 K/m，確定的大氣邊界層高度為570 m，并確定了05:33:56至05:36:05較小傾角自北向南、05:37:04至05:39:57自西向東、05:40:32至05:43:24自南向北的可用航線。

圖5 （a）2016年12月18日北京的位溫廓線；（b）本文選取的2016年12月18日05:33:56至05:36:05（紅色）、05:37:04至05:39:57 （綠色）、05:40:32至05:43:24（橙色）可用飛行路徑Fig. 5 (a) Potential temperature profile on 18 December 2016 in Beijing; (b) the red, green, and orange are selected available flight path diagrams during 0533:56–0536:05 BT, 0537:04–0539:57 BT, and 0540:32–0543:24 BT on 18 December 2016, respectively

12月19日位溫廓線和可用航線選擇的結(jié)果如圖6所示，通過(guò)位溫廓線，617 m處位溫梯度最大，為0.023 K/m，確定的大氣邊界層高度為617 m，并確定了06:02:49至06:05:38和06:16:42至06:19:28自西向東，06:03:31至06:09:17自南向北的可用航線。

圖6 （a）2016年12月19日北京的位溫廓線；（b）本文選取的2016年12月19日06:02:49至06:05:38（黃色）、06:03:31至06:09:17 （綠色）、06:16:42至06:19:28（紅色）可用飛行路徑Fig. 6 (a) Potential temperature profile on 19 December 2016 in Beijing; (b) the yellow, green, and red are the selected available flight path diagrams during 0602:49–0605:38 BT, 0603:31–0609:17 BT, and 0616:42–0619:28 BT on 19 December 2016, respectively

在確定了可以使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)之后，利用公式 （1）～（3），計(jì)算可得城市過(guò)量水汽通量（FUrban）、城市過(guò)量水汽排放率（EUrban）和城市水汽總排放率（ETotal）、城市過(guò)量水汽排放率（EUrban）占城市水汽總排放率（ETotal）的比例，如表1所示。

表1 飛行時(shí)間、城市過(guò)量水汽通量（FUrban）、城市過(guò)量水汽排放率（EUrban）和城市水汽總排放率（ETotal）及其比例Table 1 Flight time, urban anthropogenic water vapor flux (FUrban), urban anthropogenic water vapor emission rate (EUrban),and total urban water vapor emission rate (ETotal) and their proportions

在北京附近連續(xù)4天的飛機(jī)探測(cè)中選取的11次可用的飛行路徑中，有5次（2016年12月16日07:30:57至07:33:30、2016年12月18日05:33:56至05:36:05、2016年12月18日05:40:32至05:43:24、2016年12月19日06:06:31至06:09:17、2016年12月19日06:16:42至06:19:28）觀察到中心城區(qū)的城市水汽信號(hào)升高，可認(rèn)為這些時(shí)間內(nèi)中心城區(qū)相對(duì)于周邊區(qū)域存在水汽的過(guò)量排放。在篩選出的中心城區(qū)水汽過(guò)量排放的實(shí)例中，表現(xiàn)為中心城區(qū)的水汽摩爾分?jǐn)?shù)超過(guò)周邊地區(qū)，過(guò)量水汽排放的占比在0.64%～13.12%。過(guò)量水汽排放的信號(hào)大小每時(shí)每刻都是在變化的，在有的飛行探測(cè)試驗(yàn)中，邊界層的垂直混合程度也會(huì)產(chǎn)生影響。

從表格中可以看到在過(guò)量水汽排放的計(jì)算中，也會(huì)出現(xiàn)出一些負(fù)值，說(shuō)明隨著北京周邊城市的快速發(fā)展，被作為背景濃度考慮的四環(huán)到五環(huán)之間的水汽排放也逐漸增多，甚至在某些時(shí)候已經(jīng)超過(guò)中心城區(qū)的水汽排放量?？赡茉蚴请S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北京四環(huán)與五環(huán)之間成為新的經(jīng)濟(jì)中心，城市建設(shè)的快速發(fā)展與人口的大量集聚，導(dǎo)致人為潛熱的排放大量增加。對(duì)于2016年12月16日07:40:15至07:42:45飛行中計(jì)算出的城市過(guò)量水汽通量和城市過(guò)量水汽排放率的負(fù)值，主要原因是其作為背景濃度的一個(gè)取值點(diǎn)位于北京的望京區(qū)域，該區(qū)域商業(yè)和寫作樓密集，存在較大的人為水汽排放；另一個(gè)點(diǎn)位于北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)附近，產(chǎn)業(yè)密集，人口眾多，同樣存在較大的人為水汽排放，因此使得計(jì)算過(guò)程中確定的背景濃度相對(duì)較高，導(dǎo)致了城市過(guò)量水汽通量和排放率負(fù)值的出現(xiàn)。對(duì)于2016年12月17日06:39:33至06:43:00飛行中計(jì)算出的城市過(guò)量水汽通量和城市過(guò)量水汽排放率的負(fù)值，主要原因是作為背景濃度的一個(gè)取值點(diǎn)位于中關(guān)村科技園附近，經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)達(dá)，人員和商業(yè)密集，人為水汽排放量巨大；另一個(gè)背景濃度取值點(diǎn)位于永定河附近，有眾多旅游景點(diǎn)、企業(yè)和居民區(qū)，同樣有較大的人為水汽排放量，同16日的飛行類似，計(jì)算中確定的背景濃度相對(duì)較大，導(dǎo)致了負(fù)值的出現(xiàn)。其他負(fù)值的分析類似。

本文根據(jù)城區(qū)下風(fēng)向航線兩個(gè)側(cè)邊緣的數(shù)據(jù)確定背景水汽摩爾分?jǐn)?shù)，若航線側(cè)邊緣處城市化水平較高，人為水汽排放量大于中心城區(qū)，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)值的出現(xiàn)。

如果有專門的飛行試驗(yàn)，使得飛機(jī)航線的兩個(gè)側(cè)邊緣遠(yuǎn)離城區(qū)和大型水體，更好地代表鄉(xiāng)村，則不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

將所有觀測(cè)到水汽過(guò)量信號(hào)的航線及所對(duì)應(yīng)的城市過(guò)量水汽排放率占城市水汽總排放率的比例繪制在一張圖上，如圖7所示，在觀測(cè)到水汽過(guò)量信號(hào)的航線中，北京城市北部地區(qū)的城市過(guò)量水汽排放率占城市水汽總排放率的比例顯著大于北京城市南部地區(qū)，而東西兩側(cè)差異較小，在城市水汽總排放率相差不大的前提下，表明北京城市北部地區(qū)的人為潛熱排放顯著大于北京城市南部地區(qū)。

圖7 2016年12月16日07:30:57至07:33:30（紅色）、18日05:33:56至05:36:05（黃色）、18日05:40:32至05:43:24（綠色）、19日06:06:31至06:09:17（藍(lán)色）、19日06:16:42至06:19:28（橙色）測(cè)得城市過(guò)量水汽信號(hào)的航線及由此計(jì)算出的城市過(guò)量水汽排放率占城市水汽總排放率的比例（EUrban/ETotal）Fig. 7 Route of the measured urban water vapor excess signal during 0730:57-0733:30 BT (red) on 16 December 2016, 0533:56-0536:05 BT(yellow), 0540:32-0543:24 BT (green) on 18 December 2016, 0606:31-0609:17 BT (blue), 0616:42-0619:28 BT (orange) on 19 December 2016 and the ratio of the calculated urban water vapor excess emission rate to the total urban water vapor emission rate (EUrban/ETotal)

對(duì)于北京城市北部地區(qū)人為潛熱大于南部的現(xiàn)象，主要從天氣背景和城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面分析。天氣背景方面，如果飛行當(dāng)日北京相對(duì)濕度較大，人為水汽占比小，計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，這可能跟北京城市北部城市化程度高、人口密度較大有關(guān)。

5 結(jié)論與討論

本文利用飛機(jī)觀測(cè)資料對(duì)北京冬季人為水汽排放進(jìn)行了定量估算，主要計(jì)算了城市過(guò)量水汽通量、城市過(guò)量水汽排放率、城市水汽總排放率以及城市過(guò)量水汽排放率占城市水汽總排放率的比例，得到如下的主要結(jié)論：

（1）在北京城區(qū)下風(fēng)方向進(jìn)行的飛機(jī)觀測(cè)中多次觀測(cè)到較高的水汽摩爾分?jǐn)?shù)，當(dāng)觀測(cè)到城市水汽過(guò)量信號(hào)時(shí)，水汽排放率的估計(jì)值在57.64到9538.87 kg/s之間，占城市大氣邊界層水汽總平流 （背景+城市過(guò)量）的0.64%到13.12%。

（2）城市下風(fēng)向觀察到的水汽摩爾分?jǐn)?shù)過(guò)量的原因，可能有以下3個(gè)方面，第一是人為的水汽來(lái)源，如燃燒和蒸發(fā)冷卻，近年來(lái)北京市推行的煤改氣政策可能起到了增加中心城區(qū)人為水汽排放的作用；第二是局地水體的貢獻(xiàn)，如玉淵潭等城區(qū)水體；第三是中心城區(qū)和周邊地區(qū)融雪率和蒸發(fā)率的差異，在本研究中，這個(gè)差異較小。

本研究觀測(cè)到的城市過(guò)量水汽排放發(fā)生在一年中蒸發(fā)速率比較低的冬季，而且，由于較低的氣溫，冬季的飽和水汽壓低于夏季，相對(duì)于噪聲和自然變率，城市水汽過(guò)量信號(hào)更加明顯。使用機(jī)載平臺(tái)在北京城市下風(fēng)方向?qū)^(guò)量的水汽摩爾分?jǐn)?shù)的研究，顯示的是全市范圍內(nèi)的水汽濃度，而不是局部的或者相對(duì)來(lái)說(shuō)較小尺度的觀測(cè)結(jié)果。

由于飛行航線不是專門為本研究設(shè)計(jì)，因此存在可用數(shù)據(jù)量少、篩選困難等情況。如果要進(jìn)一步對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，可設(shè)計(jì)專門的飛行試驗(yàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大航線范圍，使得背景濃度更能代表受城市影響較小的區(qū)域；在計(jì)算水汽排放率時(shí)也可以增加垂直方向上高度的變化等。另一方面，本文使用的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)是從北京市氣象局人工影響天氣辦公室日常飛機(jī)探測(cè)的數(shù)據(jù)中篩選出來(lái)的，沒有設(shè)計(jì)和進(jìn)行專門的飛行觀測(cè)試驗(yàn)，成本較低，可操作性強(qiáng)，為在國(guó)內(nèi)不同城市開展城市尺度人為潛熱的計(jì)算提供了新的思路和方法，最終的計(jì)算結(jié)果也為城市氣象環(huán)境數(shù)值模擬中人為潛熱的設(shè)置提供了一個(gè)參考。