基于GIS的武汉市夏季风环境研究

章莉 詹庆明 欧阳婉璐

基于GIS的武汉市夏季风环境研究

章莉 詹庆明 欧阳婉璐

武汉是典型夏热冬冷城市，2012年起武汉市开展城市风道规划以缓解城市夏季高温。本文基于武汉市都市发展区27个气象站点实时监测数据，借助ARCGIS10.0和Origin8.0对武汉市多年夏季一天风速风向进行分析。研究发现受城市中心区地表粗糙度的影响，中心区风速远小于近郊区风速,随着中心区高强度开发，全天中心区与近郊区风速差呈现增大趋势；离长江、湖泊较近的站点的风向会受到内陆湖风的影响，与当日盛行风不一致。研究还发现因城市中心区下垫面复杂，影响风速因素较多，仅从城市建筑形态分析与各站点风速相关性略显不足。

风景园林；通风；GIS；风道规划；夏季；风环境

Fund Items: the National Natural Science Foundation of China, Program： GIS/RS based natural ventilation analysis to support urban wind path planning (No. 51378399) ; the Fundamental Research Funds for the Central Universities, Program： Study on urban green planning for urban natural ventilation(No. 2014209020201)

1 引言

新世纪，越来越多的城市出现夏季持续高温、冬季雾霾的问题，城市面临前所未有的环境危机。改善城市通风，增加城市自然通风廊道是近些年研究者提出的改进措施之一，一时间，城市风环境成为近些年人们的研究热点[1-2]。早在20世纪80年代，周淑贞教授基于上海百年实测的风速资料，分析城市发展对风速的影响，研究发现城市建筑高度、密度增大导致城市风速减小，研究中也阐述了上海市热岛效应与风速的影响关系[3]，让人们清楚地了解上海城市发展对近地表风环境带来的影响。正如周淑贞教授在《城市气候学》一书中所说：“城市化引起的局部大气边层的改变，将对底层气流和湍流特征产生显著影响。[4]”

章莉/1980年生/女/江苏人/武汉大学城市设计学院在读博士研究生/华中农业大学风景园林系讲师/研究方向为绿地系统规划、数字景观和城市气候(武汉430072)

ZHANG Li was born in Jiangsu Province in 1980. She is a Ph.D. student majored in Landscape Architecture in College of Urban Design, Wuhan University and also is a Lecturer in Huazhong Agriculture University. Her research focuses on green planning, digital landscape and urban climate(Wuhan 430072).

武汉近20年，城市化发展迅速，大量人口涌入城市，城市内建筑高度、建筑密度与日俱增，城市地表粗糙度明显增大；随着中心区下垫面的快速改变，武汉城市热岛问题突出[5]，这些变化都影响着武汉市近地表气流流动。

武汉市国土资源和规划局2012年通过公开征集的方式，邀请武汉大学、香港中文大学和武汉市国土资源和规划信息中心组成的联合团队研究城市风道的构建[6]，了解武汉城市风环境也成为必要。本文以武汉都市区27个气象站站点数据为基础，分析武汉市多年风速风向数据，研究风速、风向与城市之间的关系，为改善城市环境、营建良好风环境的城市规划提供基础。

2 研究区域概述

武汉市位处江汉平原东部，东经113°41'～115°05'，北纬29°58'～31°22'之间，属于典型的亚热带季风气候，夏热冬冷，四季分明。冬季多北风、东北风，夏季多南风、西南风。此次研究范围武汉市都市发展区以外环高速公路附近的乡镇行政边界为基本界线，总面积3 261km2，包含武汉市中心城区和近郊区，而武汉市中心城区即主城区是以三环路以内地区为主，包括局部外延的沌口、庙山和武钢地区，总面积为678km2，是人口集中、建筑密集地区。

此次研究是针对夏热地区改善热环境的通风研究，着重考察武汉市夏季风环境特征，武汉市夏季时间是7—9月份，选取这3个月中无降雨、少云的晴朗天气进行分析。

3 数据来源与处理

城市地表粗糙度影响空气流动，城市中心和郊区存在差异较大的地表形态，本次研究选取武汉市都市区内27个气象站点，2009年9月6日、2010年9月17日、2011年9月4日、2013年8月8日每小时气象数据。中心城区(主城区)15个站点，均为自主气象站，都市区范围内近郊区12个站点，其中武汉、江夏是国家气象站，其余为自主气象站。武昌、东湖气象台这两个站点在2012年时分别更名为江夏及林业站。在ARCGIS10.0软件中，依据站点经纬度绘制站点分布图(图1)，从图中可见中心城区的站点主要分布于武昌和汉口，汉阳的气象站点较少。

辅助分析资料还包括2013年武汉市建筑普查数据、武汉市城市用地图、2013年8月8日ETM遥感影像，借助Origin8.0、ARCGIS10.0等软件平台对数据进行分析处理。

1 气象站点分布图Meteorological station map

4 研究分析

4.1 气象站用地分析

城市用地类型在一定程度上反映空间类型、建筑密度、建筑高度等信息，且城市空气流动受地表类型影响较大。依据《武汉市总体规划(2010—2020)》中武汉市用地现状图，以国家2012年1月1日启用的新《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB50137—2011)对这27个站点所在用地进行统计分析(表1)：与中心城区内的气象站相比，近郊区的气象站所在用地主要属于城乡用地中的农林用地和居民点建设用地；而中心城区气象站所在用地主要是公共管理与公共服务用地中的行政办公用地、文化设施用地及教育科研用地。

詹庆明/1964年生/男/福建人/武汉大学城市设计学院教授、博士生导师、数字城市研究中心主任/研究方向为地理信息系统与遥感技术在城市规划与管理中应用(武汉430072)

ZHAN Qing-ming was born in Fujian Province in 1964. He is a Professor and doctoral supervisor in the College of Urban Design, Wuhan University. As the director of Digital City Research Center, his research focuses on the application of geographic information system and remote sensing technology in urban planning and management (Wuhan 430072).

4.2 风向分析

4.2.1 都市发展区盛行风向分析

借助origin8.0平台分别对2009—2013年夏季一天的10分钟平均风速、10分钟风向进行统计分析，绘制全天风玫瑰图，如图2～5，从图中可见2009年9月6日、2010年9月17日、

表1 气象站点用地类型Tab. 1 Land use of meteorological station

2 20090906全天风玫瑰图(基于都市区气象站数据绘制)Wind rose on September 6, 2009(Based on the meteorological data of metropolitan area)

3 20100917全天风玫瑰图(基于都市区气象站数据绘制)Wind rose on September 17, 2010(Based on the meteorological data of metropolitan area)

4 20110904全天风玫瑰图(基于都市区气象站数据绘制)Wind rose on September 4, 2011(Based on the meteorological data of metropolitan area)

欧阳婉璐/1992年生/女/湖南人/武汉大学城市设计学院在读硕士研究生(武汉430072)

OUYANG Wan-Lu, who was born in Hunan Province in 1992, is a graduate student majored in Urban Planning in College of Urban Design, Wuhan University. Her research focuses on urban planning(Wuhan 430072). 2012年5月12日主导风向均为东南风，2013 年8月8日主导风向是西南风，这与武汉夏季盛行风向是一致的。但2011年9月4日却是以北风为主，主要是受区域大气环境冷空气影响，导致风向异常。

为进一步分析各站点风向情况，对研究范围内各站点全天主小时风向分布进行统计，如图6～9。从图中可以看出，2009年9月6日，从0：00到23：00，大多数站点风向集中在90°～135°间，盛行风向是ENE、E、ESE；左岭站与农大站点风向集中于225°～270°，湖大和洪山青菱站全天风向则是集中于270°～315°。2010年9月17日，多数站点的风向集中于90°～135°间，盛行风向是ESE、SE；湖大和洪山青菱站全天风向则是集中于270°～315°，第一聋校站主要盛行风向则是180°～225°，左岭站站点风向是0°。2011年9月4日，各站点主要风向集中于0°～45°、315°～360°，盛行风向是N、NNE、NE，湖大和洪山青菱站全天风向则是集中于270°～315°。2013年，多数气象站站点风速集中在135°～270°间，盛行风向是SSW、SW、WSW，左岭站、洪山青菱站点风向主要是0°～45°，林业站风向则是315°～360°，第一聋校站点风向则是45°～135°。2013年8月8日，气象站点风向主要集中在135°～225°间。由于影响城市风向的因素较为复杂，周淑贞在20世纪90年代就曾指出：“城市风向的变化实际上是气压梯度力、摩擦力和科氏力在平衡状态下的扰动”[4]，这表明城市中，地表覆盖变化、温度差异、粗糙度各异、热岛环流等因素都会对风向产生影响。从这4天各站点风向来看，湖大、洪山青菱、第一聋校、左岭站站点的风向与其他气象站点风向差异较大，并且这些站点都位于湖泊附近，这也说明武汉市内陆河湖气流变化对城市中气流的运动影响较大。

5 20130808全天风玫瑰图(基于都市区气象站数据绘制)Wind rose on August 8, 2013(Based on themeteorological data of metropolitan area)

6 都市区20090906各站点每小时风向Hourly wind direction in metropolitan area on September 6, 2009

7 都市区20100917各站点每小时风向Hourly wind direction in metropolitan area on September 17, 2010

8 都市区20110904各站点每小时风向Hourly wind direction in metropolitan area on September 4, 2011

9 都市区20130808各站点每小时风向Hourly wind direction in metropolitan area on August 8, 2013

10 20130808中心城区各站点风玫瑰图Wind rose of central areas on August 8, 2013

4.2.2 主城区全天风向分析

现利用Origin8.0以及Arcgis10.0平台对2013年8月8日中心城区各站点全天主小时风向变化从城市空间上进行分析。如图10所示，铁中(1072)、省移动公司(1073)、沌口(1082)、挽月中学(1017)站点全天风向变化较大，说明影响气流运动的因素较多，这些站点大多都位于中心城区的边缘地带，建筑密度相对比较低，周边绿地率较高，环境较为开阔，周边水域、农田面积较大，影响气流运动方向变化的因素较多，风向变化较频繁。相比较，城市建筑密度较高的地方如湖大(1054)、化工(1010)、财校(1015)、第六中学(1014)站点全天主导风向稳定。

依据中国气象数据共享服务网提供气象资料显示2013年8月8日当天盛行风向为南风，湖大(1054)、十四中学(1012)、第六中学(1014)受到内陆河流、长江江风影响，风向发生偏移。农大(1053)、财校(1015)受周边湖泊气流影响，风向发生变化。这也进一步表示武汉市独特的地理条件，河流和湖泊在分割城市空间的同时，对城市中气流运动有很大影响力。

4.3 风速分析

城市下垫面存在着复杂的物质、能量交换，随着城市化进程的快速发展，城市不断蔓延，建筑群持续扩张、增高、加密，导致下垫面粗糙度增大，进而减弱了空气水平运动的能力。现将武汉市城郊气象站点风速以及城中心区风速分别进行对比分析。

4.3.1 城郊风速差异

将不同年份4天风速按照站点所在位置分为近郊区和中心城区两类，分别统计两种不同城市空间中的站点平均风速值，从表2中可见，近郊区平均风速均大于中心城区，这表明武汉市中心城区下垫面粗糙度大导致风速减弱，中心区与近郊区城市下垫面存在较大差异。相比较而言，近郊区的自主观测站大多属于农林用地，地表开阔，阻碍物较少，空气能顺利流通，而其他站点虽然属于建设用地，但所在地建筑密度、建筑高度、容积率都远远低于城市中心区站点所在区域，大气流通阻碍率低，风速较大。此外，随着武汉市城市化的快速发展，城市中心区高强度开发，导致城郊风速差异呈上升趋势。

深入分析城郊主小时风速的变化情况，对近郊区与中心城区各站点绘制主小时平均风速图，如图11所示，中心城区与近郊区全天平均风速发展趋势相同，近郊风速大于中心城区风速，白天与夜间城、郊风速差基本一致，没有很明显差异；但2011年9月4日，凌晨2：00、5：00时中心城区风速与近郊区风速很接近，同样2013年8月8日，6:00～21:00时中心城区风速与近郊区风速差较大，而夜间风速差相对比较小。

将这5天中心城区与近郊区白天与夜晚平均风速进行对比分析如表3，从表中可见2009年9月6日、2010年9月17日这两天白天与夜晚城郊风速差值基本一致，中心区风速比近郊区风速低约46%。但是2011年9月4日与2013年8月8日这2天白天中心区比近郊区风速分别减少约41%和54%，夜晚中心区风速比近郊区风速减少约24%和35%，与白天相比，夜晚中心区与近郊区风速差明显缩小。这4天白天中心区风速比近郊区风速减少约40%以上，2013年8月8日白天中心区、近郊区风速差稍微较之前增大；夜间，2011年9月4日与2013年8月8日中心城区比近郊区风速差呈现缩小趋势。D.O.LEE在对伦敦10年城郊风速对比分析中发现城区风速在白天比郊区减少约30%，夜晚则是20%左右[7]，与武汉城郊风速差异呈现相似现象。

表2 中心区与近郊区全天平均风速差分析Tab. 2 Mean wind speed difference between central and suburban areas

表3 中心区域近郊区昼夜平均风速分析Tab. 3 Diurnal average wind speed difference between central and suburban areas

11 中心区与近郊区全天平均风速对比分析Mean wind speed of central areas comparing with the suburban areas

12 20100917主城区地表热效应分布图Land surface temperature intensity of central area on September 17, 2010

13 20130808主城区地表热效应分布图Land surface temperature intensity of central area on August 8, 2013

这是由于夜间近郊区大气流动相对稳定，常常伴有逆温层现象，而中心城区因存在热岛效应，随着高度上升，空气温度逐步降低，这使得城市中心区因热力交换形成局部气流流动增多；再者，城市中地表粗糙度大于郊区，气流在地表受到阻力远大于郊区，上层空气流动速度较大，下层空气流动速度较小，进而在城市中心区上层气流通过湍流交换向下层输送，湍流交换导致风速变化，因此在夜间中心城区空气流动较大，夜间城市中风速与郊区风速差缩小。但白天，尤其是午后，中心城区和郊区空气温度相差不大，若郊区盛行风速较大，城市中心区因复杂的地表形态阻碍了空气的流通，城市地表阻力是气流速度减小的主要因素，导致白天中心区风速比近郊区小得多。武汉市不同年份夏季一天昼夜风速差的变化在一定程度上表示2011年9月4日、2013年8月8日这两天夜晚城市中心区热岛效应比2009年9月6日及2010年9 月17日夜间热岛效应明显，城市中心热岛效应带来的湍流交换比较多，从而导致夜间武汉中心区与近郊区风速差值的减小。

武汉大学团队利用武汉市ETM遥感影像研究城市热环境，分析2010年9月17日武汉市主城区热岛强度分布[8-10](图12)，沿用相同方法对2013年8月8日ETM影像进行反演，获得当日主城区热岛强度分布(图13)，对比这两张地表热效应分布图，可以很清楚地看到2013年8月8日武汉市主城区热岛强度有显著加剧，这也进一步证实城市热岛效应对城市近地表气流活动存在较大影响。

4.3.2 主城区各站点风速分析

将主城区16个自主站不同年份4天的风速数据进行统计分析，如图14。

如图14所示，中心城区内各气象站点风速比较小，大多数站点所测风速在2m/s以下。其中第六中学(1014)、挽月中学(1017)站点所在地区风速较小，而财校(1015)、沌口(1082)、十四中学(1012)所在站点相对风速大一些。

14 中心区各站点风速分析Comparing wind speed of meteorological stations in central areas

15 武汉市西南风方向粗糙度长度分布图Surface roughness of southwest wind direction in Wuhan

16 2013年8月8日日间风速与粗糙度长度相关性分析Correlation analysis between wind speed and surface roughness on August 8, 2013

城市中心区地表要素复杂，Grimmond和Oke在1999年分析影响城市地表粗糙度因素时，指出粗糙度长度是反映下垫面空气流通特征的重要指标之一，并对粗糙度长度等指标计算的多种方法进行分析与验证[11]。武汉大学和香港中文大学团队2012年在研究武汉市风道规划时，用迎风面积密度(λF)描述城市地表粗糙度，进而量化分析整个城市的通风潜力，规划不同等级通风廊道[5]。本次研究借用Lettau于1968年提出的基于城市形态方法的粗糙度长度计算公式[12]:

其中h是建筑平均高度，λF是迎风面积密度。

基于2013年建筑普查数据，依据武汉大学和香港中文大学团队提出的迎风面积密度计算方法[13-15]，分析得出武汉市粗糙度长度，如图15所示，汉口老城区、武昌武珞路沿线地表粗糙度长度较大，是武汉市建筑密度较大、建筑高度较高的地区。

提取主城区气象站点周边500m范围粗糙度长度均值与当日各站点白天(6:00～18:00)风速作相关性分析，风速选取日间(6:00～18:00)数据，主要是由4.3.1分析可知，2013年8月8日夜间风速受热岛效应影响较大，不能很好地反映风速与城市形态之间的关系。风速与粗糙度长度相关性分析结果表明随着粗糙度长度增大，风速呈现减弱趋势，但是两者之间相关系数比较小(图16)，这个结果与Grimmond和Oke在1999年对多种计算地表粗糙度方法进行实测验证结果一致[8]，实测风速与计算所得粗糙度长度之间相关性都比较弱，这也进一步说明城市空间中地表要素复杂，建筑、构筑物、植被、地形以及主城区中大面积湖面都会对气流的运动产生影响，中心区风速受诸多因素影响，仅考虑建筑对风的阻碍作用略显不足。

5 结论与讨论

本文尝试从气象数据入手，重点对比分析城市中心区与近郊区的风环境，从侧面反映城市化对城市气候的影响。研究表明城市快速发展对近地面空气流通影响较大，武汉市中心区风速低于近郊区风速，城市中心区高强度开发导致中心区与近郊区风速差有增大趋势。随着武汉城市发展，中心区热岛效应的增强，中心区夜间湍流增多，导致中心区与近郊区夜间风速差呈现缩小态势。城市近郊区水域、农田较多、建筑密度较低，风向变化频繁，城市中心区建筑密度较高，干扰气体运动因素较少，风向相对稳定；以“百湖”著称的武汉，城市中的气流运动方向受到长江以及城中大型湖泊的影响，内陆湖风对周边环境气流运动影响明显。因城市中心区下垫面复杂，建筑、植被、水体、地形及城市热岛效应等因素都会对空气流动产生影响，进而从建筑分析获得的地表粗糙度长度与实际风速表现较弱的相关性。

受保密和费用限制，所获得的气象站数据有限，本文仅仅是对多年夏季一天风速风向数据进行分析，其数据代表性、一般性、普遍性存在不足。但快速城市化对城市风环境的影响毋庸置疑，编制营建良好城市风环境的城市规划显得尤为重要。

注释：

①图12引自参考文献[9]，其余图表均为作者自绘。

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Ye Zhongnan. A study on the situation and prospect of China's urban wind environment research[J]. Planners,2015(S1)：236-241.

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Liang Haoyan, Li Xiaohui, Xiao Rongbo. Research on the planning and control method of urban ventilation corridors—A case study of regulatory planning of baiyun new Town,GuangZhou[J].Landscape Architecture,2014,(5)： 92-96.

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Zhou Shuzhen, Yu Bixia. Effects of urban development on wind speed in Shanghai[J].Journal of East China Normal University (Nautral Science),1988,(3)： 67-76.

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Chen Zhenghong, Wang Haijun, Ren Guoyu. Asymmetrical Change of Urban Heat Island Intensity in Wuhan,China[J]. Advances in Climate Chinese Research,2007,3(5)：282-286.

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Wang Tao,Q.Zhan,Yin Jie, et al. Study on summer wind path planning based on urban thermal environment—An example of Fuzhou Strait Olympic Green Ecological City[C]//Annual National Planning Conference 2014,Proceedings of the ecological environment.Fuzhou,2014：181-192.

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Zhan Qingming, Ouyang Wanlu, Jin Zhicheng. et al. RS And GIS Based Ventilation Potential Study And Planning[J]. Planners,2015,(11)：95-99.

(编辑/张希)

GIS Based Summer Wind Environment Analysis in Wuhan

ZHANG Li, ZHAN Qing-ming, OUYANG Wan-lu

Wuhan is a city with hot summer and cold winter. Air path planning has been done to mitigate hot summer in Wuhan since 2012. Based on the data of 27 meteorological stations in the urban development area of Wuhan, this paper analyzed the wind speed and direction of Wuhan city for many years using the software ARCGIS10.0 and Origin8.0. The study found that the wind speed was much smaller in the central area for the bigger surface roughness. The wind speed differences between the central and suburban areas is widening with the intensive development in the central area. Wind direction is not consistent with the prevailing direction because of the effect of the nearby lake and Yangtze River. The study also showed that the impact of wind speed is very complicated for the complexity of the underlying surface of the city central area. It was inadequate to only analysis the relation between wind speed and urban uniform.

landscape architecture; ventilation; GIS; wind path planning; summer; wind environment

国家自然科学基金《基于GIS 和RS 通风潜力分析的城市风道规划支持方法研究》(编号：51378399)；中央高校基本科研业务费专项资金《基于城市自然通风的绿地规划研究》(编号：2014209020201)

TU986

A

1673-1530(2017)03-0089-09

10.14085/j.fjyl.2017.03.0089.09

2016-12-16

修回日期：2017-01-31