冯娴慧,魏清泉
1. 华南理工大学,广州 广东 5106412;2. 中山大学,广州 广东 510275
城市覆盖层内外风场状况差异很大,盛行风吹过城市的实际情况与风吹过森林类似,气流主要从林冠界面上边通过,少量气流进入林冠下面,界面上下是两个环境特征差别很大的系统。城市的屋顶界面类似于森林的林冠界面,大部分气流从城市屋顶界面上空吹过,对城市覆盖层以下的近地层影响不大。城市汽车尾气污染物的排放高度与人类呼吸带高度都在城近地层内,近地风场对局地气候的适宜性、污染物扩散均有影响,近地风场状况与城市建成区范围,城市布局、建筑高度与密度、绿地与旷地面积以及分布状况等因素有关,表现出复杂的特征[1]。
在近地风场的形成方面,Bornstein[2]证实在城市弱风条件下,城市下垫面的加热作用将产生近地环流,近地环流将由于外来风速增大而减弱。Arnfield[3]研究表明,当盛行风微弱,城市近地风速增大由于城市本身的热力扰动。桑建国[4]运用解析解方法,推导证明在静风条件下,城市局地热力作用产生的环流尤为明显,并与城市布局相关。徐祥德[5]研究证明城市近地存在的局地次生尺度环流幅合结构由城市区域尺度多个强弱程度不一的“次生”热岛效应产生。在近地风场的风速方面,刘德义[6]利用 50年的气象资料统计表明天津平均近地风速总体呈减小趋势,倾向率为0.35 m·s-1·(10a)-1。韩素芹[7]采用 MM5模拟研究表明,地面风速微弱,平均风速不足1 m·s-1。前人已经开展从站点数据、数值模拟等方面研究近地风场的形成以及风速等方面的特征变化。
近年来,伴随亚运等重大事件的开展以及广州城市的快速发展,对于广州近地气候环境的变化也应引起人们的重视,虽有利用站点气候统计资料和MM5数值模拟研究广州城市气候与大气污染分布的变化[8-9]。但对广州城市近地风场局地尺度的实地状况研究等方面仍有待进一步开展,本文利用广州市内 15个实测测点的风向、风速数据进行广州近地风场特性的分析,为城市布局规划和近地气候环境的改善提供参考依据。
广州地处南亚热带,属南亚热带典型的季风气候,盛行风风向为冬季偏北风,夏季偏南风。据广东省地面卫星观测站观测资料数据统计,从 1991年至2000年,广州市年平均风速最高为1.8 m·s-1,最低为 1.3 m·s-1,各月的平均风速在 1.5~1.8 m·s-1之间[引用广东省地面卫星观测站观测统计数据(五山地面站)]。据天河地面观测站2005年观测数据,日平均风速小于1.5 m·s-1状况大约占70.7%,即每月有21天为静风状况。
广州市区北依白云山,珠江穿市而过,城市空间沿珠江向东和向西扩展,中心城区可以分为3个主要区域:(1)老城区位于城市西部,包括原荔湾区、越秀区和东山区等;(2)新城区主要位于城市中部,包括天河区等;(3)新城发展区位于城市东部,包括天河区东部等。
根据广州城市建设情况,对城市西部、中部、东部区域进行15测点分布,测点布置如图1所示。测点 1、2、3、4位于城区东部,城市夏季上风方向;测点5、6、7、8、9、10、11位于城市中轴线两侧区域,为城区中部;测点 12、13、14、15位于城区西部,老城区内。
测试仪器选用热球风速仪,仪器精度为 0.1 m·s-1,采集频率为1 h(手动)。测点说明:
测点 1:科韵路,南北向干道,位于广州市新城区外围发展区,城市夏季风的上风地带。
测点 2:东方一路,小区道路,位于天河区东部,天河区政府附近,靠近天河公园,城市夏季风的上风地带。
测点3:中山大道(北侧),东西向主干道,位于城市东部。
测点4:中山大道(南侧),东西向主干道,位于城市东部。
测点5:环市路(北侧),老城区东西向主干道,测点位于城市中部。
测点6:环市路(南侧),老城区东西向主干道,测点位于城市中部。
测点7:广州大道北(东侧),南北向主干道,位于城市中心区域。测点位于城市北部,城市冬季风的上风地带。
测点8:广州大道北(西侧),南北向主干道,位于城市中心区域。测点位于城市北部,城市冬季风的上风地带。
测点9:广州大道五羊段(东侧),南北向主干道,位于城市中心区域。测点位于城市南部,靠近珠江。
测点 10:广州大道五羊段(西侧),南北向主干道,位于城市中心区域。测点位于城市南部,靠近珠江。
测点11:华利路,靠近珠江的小区道路,位于城市中部区域。
测点 12:环市西路(北侧),老城区东西向主干道,靠近越秀公园,测点位于城市西部。
测点 13:环市西路(南侧),老城区东西向主干道,靠近越秀公园,测点位于城市西部。
测点 14:起义路,靠近珠江的道路,位于老城区。
测点15:东风中路,老城区,城市西部的东西向主干道。
图1 测点布置图Fig.1 Measurement Point
实验的观测时间分别为2005年6月10—13日,11月15—17日,2006年4月15—17日,2008年10月17—19日,共12天,其中冬半年6天,夏半年6天。观测时段选取早(9点)、中(13点)、晚(18点),1.5 m观测高度。
2005年 6月 10—13日测试期间平均气温 30℃,最高气温37 ℃,最低气温25 ℃,高温阵雨天气。盛行风速分别为1.4、1.67、1.67 m·s-1,能见度分别为5.9、9.5、7.2 km。2008年10月17—19日测试期间平均温度为28.3 ℃,最高气温为33 ℃,最低气温为 23 ℃,天气情况以晴朗为主。盛行风速分别为1.9、1.4、0.83 m·s-1,能见度分别为8.8、8.7、9.3 km。2005年11月15—17日测试期间平均气温20.3 ℃,最高气温24 ℃,最低气温15 ℃,天气以晴朗为主。盛行风速分别为 4.17、3.9、2.78 m·s-1,能见度分别为11.2、13.1、11.8 km。2006年4月15—17日测试期间平均气温18 ℃,最高气温26 ℃,最低气温12 ℃,天气以晴朗为主。盛行风速分别为2.78、1.9、1.1 m·s-1,能见度分别为9.8、12.8、8.4 km。
测试期间广州盛行风风速夏半年明显小于冬半年,风速增大的同时,城市能见度增大。盛行风速最大值为4.17 m·s-1,最小值0.83 m·s-1,平均值2.37 m·s-1,夏半年平均风速1.48 m·s-1,冬半年平均风速 2.77 m·s-1。
利用实地观测数据进一步分析,得到图2所示测试区域的 15个测试点平均风速变化比较,表 1所示的测试区域内15个测试点的最大风向频率。
图2 测点平均风速变化曲线Fig.2 Wind speed of measurement point
据实地观测表明,广州近地风速微弱,通风不良,风速日变化不显著。近地平均风速比参考气象数据削减90%左右。近地最大风速小于1 m·s-1,平均风速约0.25 m·s-1。广州城市东西长、南北短,夏季盛行东、东南风时,城市顺风向规模大,城区东部、中部与西部区域的近地风场的风向与风速存在差异。据测点1至测点15的风速变化,可以看到夏半年期间,从城市东部区域到西部区域,风速有明显减弱过程,风速值的低谷在城市中部区域。城区西部观测点的风速反而有所增强。据风向频率分析,是由于受珠江江风的影响,使得该区域近地风速得以增大,这对于改善老城城区无风状态是有利的。观测点1科韵路位于城市上风向,日平均风速可达0.65 m·s-1,观测点14起义路因靠近珠江,其日平均风速约为0.45 m·s-1,而城区中部的环市路日平均风速仅为0.10 m·s-1,处于无风状态。珠江的江风对观测点 11、14的风速有显著影响,与其它测点相比,风速有所增强。城区中心区测点 5、6风速微弱,处于风速低谷,甚至处于完全无风状况,推测由于天河区中轴线一带高楼林立的挡风作用,使该区域风状况静止。测点7、8、9、10分别位于广州大道南北端的两侧,其风速与风向明显受到城市北部白云山山风与珠江江风的影响,风速有所增强。起义路观测点14靠近珠江,9:00、13:00、18:00风向频率为东南风,即江风的影响显著。
表1 测点最大频率风向Table 1 Wind direction of measurement point
据观测结果分析,市内公园绿地如天河公园、越秀公园对周边测点的风速、风向影响较为显著。观测点1、2、3、4在夏季9:00、13:00风向频率为南风、东南风,平均风速近0.3 m·s-1。在天河公园以东的观测点1,夏季9:00、13:00风向频率为东南风,天河公园以西的观测点 2、3、4在傍晚 18:00时段风向频率为西南、东南、南风等,表现出受天河公园局地热力环流的影响。冬季 9:00、13:00风向频率为北风、东北风,18:00时段风向频率为东北、东南或无风状态。越秀公园北侧的环市西路观测点 12、13位于白云山南麓,在观测期间内,风向多为东北、东、东南风,9:00、13:00风向频率多东北风,受白云山山风影响,13:00风向频率多东南风,受越秀公园热力环流影响。
徐祥德[5]提出近地风场的显著特征为不同尺度的辐合热力环流和微弱的盛行风综合作用。盛行风受制于城市的摩擦消减作用,风速极大辐度减小,静风频率增高。当盛行风微弱的时候,城市内部的热力环流表现出显著的影响力,而伴随盛行风的增强,城市内部的热力环流会逐渐消失,两者表现为互为生消的状态。
在广州的观测表明,近地风场的风速微弱甚至无风,城市有些地方空间开阔,风速增强,如广州大道北联白云山,南通珠江,道路开敞,风速相对大。有些地方则成为“风影区”,基本处于无风状态。在盛行风被极度削弱的同时,珠江江风促成了城区相关测点风速的增强。尤其西部老城区临近珠江测点表现出主要特征是“江风”。同时,白云山等北部山林的山风以及大型绿地对周围测点的风场均有影响,这些局地的热力环流促进了大气的流动,改善近地风速微弱甚至无风的状况。因此,城市的河流、山林以及大型绿地对城市近地风场的影响值得关注,可进一步研究如何利用其改善城市的通风。
当极端气候灾害于大规模流行病爆发时,如“非典”疫情和城市严重大气污染事件的发生,都将促使我们对当前城市空间发展与通风问题进行反思。风对于城市空气质量以及环境适宜度都有重要影响。随着城市的扩展,城市近地风速微弱,通风不良,风向变化复杂,据广州的实地观测结果,随着城市高层建筑的建造和建筑密度的增加,城市近地风速极度减弱,局部以至完全无风状态,这对于汽车日益增多,尾气污染激增的城市是极为不利的。因此,关注城市近地风场状况,并以此为基础,能进一步探讨城市布局与城市近地风场的相关性,对于实现城市的可持续发展具有重要的意义。
致谢:感谢佛山科技学院周荣教授和本科生参与并完成观测实验。
[1] 冯娴慧, 周荣. 国外城市气候特征的研究进展[J]. 佛山科学技术学院学报: 自然科学版, 2010, 28(1): 49-52.FENG Xianhui, ZHOU Rong. Research development of climate characteristics of foreign urban [J].Journal of Foshan University:Natural Science Edition, 2010, 28(1): 49-52.
[2] Bornstein R D. Observation of the urban heat island effect in New York City[J]. J Appl Meteor, 1968,7:575-582.
[3] ARNFIELD A J, MILLS G M. An analysis of the circulation characteristics and energy budget of a day, asymmetric, east-west urban canyon I: Circulation characteristics[J]. Inter J Climate, 1994, 14: 119-134.
[4] 桑建国, 张治坤, 张伯寅. 热岛环流的动力学分析[J]. 气象学报,2000, 58(3) :112-117.SANG Jianguo, ZHANG Zhikun, ZHANG Boyin. Dynamical analysis on heat island circulation[J]. Acta Meteor Sinica, 2000, 58(3):112-117.
[5] 徐祥德, 周秀骥, 施晓晖. 城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征[J]. 中国科学, 2005, 35(增刊): 1-19.XU Xiangde, ZHOU Xiuji, SHI Xiaohui. Spatial structure and scale feature of the atmospheric pollution source impact of city agglomeration[J].Science in China ser. D Earth Sciences, 2005, 35(suppl): 1-19.
[5] 刘德义, 黄鹤, 杨艳娟, 傅宁. 天津城市化对市区气候环境的影响[J]. 生态环境学报, 2010, 19(3): 610-614.LIU Deyi, HUANG He, YANG Yanjuan, FU Ning. The climate impact of urbanization in Tianjin city[J]. Ecology and Environmental Sciences.2010, 19(3): 610-614.
[7] 韩素芹, 孟冬梅,佟华,李向津,李英华. 天津城市热岛及其对污染物扩散影响的数值模拟[J]. 生态环境学报, 2009, 18(2): 403-407.Han Suqin, Meng Dongmei, Tong Hua, Li Xiangjin, Li Yinghua.Numerical simulation of the urban heat island and its influence on the diffusion of pollutants in Tianjin[J]. Ecology and Environmental Sciences. 2009, 18(2): 403-407.
[8] 汤惠君. 广州市大气污染分布规律[J]. 地理研究, 2004, 23(4):495-503.TANG Huijun. Study on distribution regularity of the air pollution in Guangzhou City[J]. Geographical Research, 2004, 23(4): 495-503.
[9] 陈焕盛,王自发,吴其重,等.亚运时段广州大气污染物来源数值模拟研究[J]. 环境科学学报,2010, 30( 11) : 2145-2153.CHEN Huangshen,WANG Zifa,WU Qizhong,et al.Source analysis of Guangzhou air pollutants by numerical simulation in the Asian Games Period[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(11):2145-2153.