供暖期城郊不同位置温湿环境日变化特征——以太原市为例

钞锦龙，王雅谱，马义娟，吴林栋，郝小梅，胡 磊

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619，2.山西省气象信息中,山西 晋中 030619)

0 引言

城市作为人口和经济集中分布的空间地域,随着城市化进程加快,城市人口规模及空间规模日趋增长.《2012年社会蓝皮书》指出,在2011年中国历史上第一次城市人口超过乡村人口,城市化水平超过了50%.城市化一方面促使人口和产业在一定的空间范围内不断地集聚,同时快速城市化过程会导致城市下垫面性质发生较大改变.下垫面作为近地面空气的直接热源及重要的水汽来源,直接影响区域温湿环境的变化特征.城市作为一个特殊的人工生态系统,有着与非城市地区截然不同的环境.城市中高楼林立,建筑物高度集中,其地表性质、粗糙度等条件的变化会引起城市内部水热环境发生相应改变,直接影响着城市局部小气候[1].同时,交通、商业和住宅区等人为热源的加剧也导致热岛中心区域近地面气温、气压、相对湿度及大气污染物与周围地区形成显著差异[2,3].这些环境与气候的变化直接影响到人们的正常生活.城市空间热环境的日益恶化已成为全球现代化城市气候变化最为显著的特征之一,其对城市空气质量改善、雾霾治理和植物健康生长带来了极大的负面影响[3-5].因此,研究城市不同下垫面条件下环境的温度和相对湿度的日变化对进一步明确城市热岛效应及提高人居环境质量具有十分重要的意义.

研究城市地表温湿环境时空变化的目的在于分析城市温湿环境在不同时间范围内二维或三维空间上的分布状况、强度变化过程及其演变规律,但目前国内外研究主要集中在城市年际或季节时间尺度上温湿环境的二维空间格局变化[4],基于实测分析温湿环境日变化特征相关研究还较少[5-12].此外,现有研究多利用国家或地方气象站点气象要素进行分析[13-17],由于气象站点所处下垫面随城市扩张发生较大变化,在站点选取时并不能有效区分城市中心、近郊及郊区不同位置差异.再者,随着卫星遥感及数值模拟等技术的快速发展,研究者们将卫星遥感资料及数值模拟、仿真等技术方法融入城市热岛及环境演变相关研究中[16-21],虽然其空间研究精度上有较大突破,但其反演精度受不同高度像元及气溶胶粒子影响,尤其是冬季取暖期反演精度较低.

综上所述，开展针对城市不同位置近地面温湿环境的实测研究可更直观有效地分析城市热岛效应对周边区域的影响.然而基于城市不同位置近地面空气温湿环境的实测研究较少，尤其是针对北方城市冬季供暖期近地表温湿环境研究则更为少见[22-25].基于此，本研究以山西省省会城市太原为例，选取位于太原市城市中心、近郊及郊区三个不同观测点进行实地观测，观测时段为冬季供暖期，通过不同观测点空气温度、相对湿度在供暖期不同天气过程条件下的日变化特征分析城市不同位置温湿环境差异.本研究的开展不仅对定量分析城市热岛效应有直接的借鉴意义，同时对分析北方城市冬季供暖期城市温湿环境及人居环境特征具有参照作用.

1 研究区概况及观测点设置

1.1 研究区概况

太原市位于太原盆地的北端,三面环山,平均海拔约800 m,属暖温带大陆性季风气候,昼夜温差较大,日照充足,年平均气温9.5 ℃,一月份最冷,七月份最热.夏季受东南季风推动的湿热气团控制,湿热多雨.冬季受到蒙古冷高压推动的冷干气团控制,较为干燥.春秋两季较短,且温度变化迅速.作为典型的北方城市,太原市每年11月份进入供暖期,并且一直延续至次年的3月底.由于地处黄土高原,冬季受西伯利亚冷空气影响较多,冷空气过境时常出现大风、降温过程.此外,太原市能源消耗以燃煤为主,同时受地形影响,供暖期雾霾出现频次较高,据国家生态环境部2018年11月份全国城市空气质量报告统计,太原市城市环境质量在全国169个城市中排名第166位,在全国空气质量相对较差的20位城市中排名第四,在全国属于污染严重的城市.大风降温及雾霾成为太原市供暖期出现频率较高的两种天气过程.

1.2 观测点设置

为了探究距离市中心不同距离位置温湿环境差异,本文选取了处于太原市市中心、近郊及郊区不同位置,且下垫面性质相近的观测点,三个观测点呈南北纵向分布,如图1所示,海拔高度相近,见表1.

表1 三个研究区域经纬度及海拔高度

图1 太原市三个观测点地理位置

2 数据获取及处理

2.1 观测时间

观测时间段选择时,充分考虑太原市供暖期发生频率较高的两种天气过程,即大风降温过程及雾霾过程,因此在观测时段选择时依据中国天气网公布太原市天气预报,使所观测时段尽可能包含有以上两种天气过程,从而对比分析经历典型天气过程时不同位置温湿环境的变化特征.据此,本研究选择2018年11月23日—2018年11月27日及2019年1月12日—2019年1月16日为观测时间,前一时段太原市经历一次较严重雾霾,空气质量指数为200达到中度污染级别,后一时段太原市经历一次寒潮过境,降温幅度较大，日均气温下降了7 ℃.

2.2 观测内容

在上述三个观测点安置具有数据自计功能的HOBOware空气温度、相对湿度设备,温度、相对湿度探头设置高度为距地面1.5 m高,为了减少太阳辐射影响,仪器设备被固定安放于小型百叶箱中.为了提高数据的精度,数据采集间隔设置为10 s采集一次,数据记录间隔设置为每10 min记录一个数据值.

根据以上设置,基于实际观测数据,运用相关统计分析法对比不同观测点空气温度、相对湿度记录值,分析出供暖期处于城市不同位置近地表温湿环境日变化特征,同时,对比分析不同位置点在经历典型天气过程时温湿环境变化差异.

3 结果与分析

3.1 不同位置气温日变化特征

基于2018年11月和2019年1月两次观测数据,分析太原市供暖期城市不同位置空气温度日变化特征.其中观测时段有雾霾天气过程见图2(a),有大风降温天气过程见图2(b).

图2 供暖期不同城市位置1.5 m高度气温日变化图

如图2所示,所处城市不同位置的三个观测点其温度日变化趋势在未经历雾霾及大风降温天气过程时呈现出较为一致的规律:越靠近城市中心,平均气温越高,这与城市热岛效应有直接的关系,即是指由于城市化过程中人为改变自然地表引起或加强的城市区域地表及大气温度高于周边非城市区的现象.此外,城市中心位置观测点气温日变幅较小,为12.69 ℃,近郊测点次之,为13.21 ℃,郊区测点变幅最大,为22.35℃,即气温日较差郊区>近郊区域>市中心,且前后两个不同观测时间段均表现出这一规律.在两个观测时段未受天气过程影响前,大气层结较为稳定,近地表气温起伏主要受下垫面热量状况决定,下垫面长波辐射成为空气的主要热源.前后两个观测时段均表现为:日出气温迅速回升,14时左右气温达到最高值,之后空气温度开始下降,降温速率较增温速率小.这与大气中气溶胶粒子的逆辐射有较大关系,因为午后与清晨相比,空气中由于蒸发、热湍流作用及人为活动扰动,进入大气中的总悬浮物午后较多,其保温作用较强,因此空气降温速率较缓慢.从图中还可以看出,未受两种天气过程影响的时段除11月25日之外,其余日最高气温值均出现在城郊结合部.这与城郊结合部特殊的地表性质以及较优的辐射状况有关.城郊结合部,其下垫面状况及城市热管铺设与城市差异较小,但城市建筑密度较城市中心较小,城郊结合部大多为新建设建筑,在规划建设过程中充分考虑建筑物的采光,与城市中心高密度的建筑及较多的遮阴区域相比,其单位面积可吸收太阳辐射量较大,因此表现出日最高气温较高.

如图2(a)所示,在26日15时开始,太原市出现明显的雾霾现象,空气质量指数由观测时段内23日的111逐渐上升至26日的200,27日开始降至181而后开始逐渐下降,能见度显著降低.从图可以看出:雾霾天气过程出现,可使不同观测点气温平均提升2.43 ℃,其中郊区观测点增幅最明显,由原来-0.51 ℃增加至2.75 ℃.近郊次之,市中心郊最小.且在24日—25日已出现轻度雾霾.这与雾霾保温作用有关,雾霾加重时,原先可通过地面长波散失的热量会因大气中气溶胶粒子散射辐射返回地面,从而使地面温度降幅变小.此外,由于对太阳直接辐射的削弱,雾霾还可减缓白天气温的增长幅度.

如图2(b)所示,1月14日下午16时左右,太原市经历了一次大风降温天气过程,冷空气侵入导致一天内降温达到11.70 ℃,最低温度-15.71 ℃,降温幅度已经达到寒潮标准.大幅度的大风降温天气使3个测点温度差异减弱,尤其在14日晚上20时到次日凌晨一时左右这一时段温度基本接近,即使在15日白天,三个观测点温差不大于3 ℃.从图中可以看出,大风降温后,由于温度回升慢,城市中心与城郊结合部两测点由于建筑物阻挡,风速减小,加之受热岛效应的作用,气温开始回升,然而郊区由于地域开阔,风速较大,气温降幅明显,在1月16日7时,最低气温降低至-15.71 ℃.

除了供热管网的直接影响,这也可能是由于燃煤供暖法产生了大量的污染物,这些污染颗粒进入大气,使大气中的气溶胶微粒增加,导致空气散射增强,同时这些大气污染物减少了地表有效长波辐射所造成的热量损耗,热量不易散失,而雾霾对郊区的影响相对较小,所以市中心的平均温度要高于郊区.

3.2 不同位置相对湿度日变化特征

相对湿度是指空气中水汽压与同温度下饱和水汽压之比,用于表征空气距离饱和程度.常被用于人居气象环境的重要指标.本研究基于两次观测数据,分析太原市供暖期城市不同位置空气相对湿度日变化特征,同时结合两次天气过程进行详细分析.雾霾天气过程见图3(a),大风降温天气过程见图3(b).

图3 供暖期不同城市位置1.5 m高度空气相对湿度日变化图

如图3所示,在无天气过程影响时,相对湿度总体均表现为规律性的昼夜高低起伏变化,午后15时-16时,相对湿度达到最低值,凌晨5时-8时达到峰值.且在波动过程中郊区测点平均相对湿度最大,为71.11%,近郊测点次之,达到47.16%,市中心测点最小,为36.92%.这与三个测点空气温度有直接相关性.空气相对湿度与空气温度的关系为,随着温度的升高,相对湿度呈指数下降.日出后,随着气温的回升,城市中心、城郊结合部及郊区相对湿度均迅速下降,而凌晨时段,由于气温较低,该温度下的饱和水汽压低,加之空气下沉,水汽凝结于近地表,因此三个观测点相对湿度在该时段均较高.

如图3(a)所示,雾霾天气条件下,不同位置测点相对湿度均较无雾霾时有明显下降,市中心降幅最为显著,由34.09%下降到20.76%.这不仅与雾霾天气的保温作用使城市气温较高有关,同时城市区域雾霾组成成分中由于受人类活动的影响固体颗粒物成分较多,当大气中水汽含量增加时,水分子易被固体颗粒物吸附沉降,从而使得城市测点空气相对湿度降低[26-27].另外在大风降温天气过程的影响下,相对湿度也出现了明显下降的趋势,平均相对湿度接近21.51%,且在冷空气活动较为强劲时城市中心、近郊区域及郊区三个测点相对湿度差异非常小,极差值仅为2.49,随着冷空气的过境,三个观测点间相对湿度差异又开始突显.

通过上述分析发现,太原市作为我国北方以燃煤为主要供暖来源的城市,其供暖期近地表温湿环境会受所处城市不同位置而有较大差异.通过对两种天气过程(雾霾、大风降温)1.5 m高空气温度与相对湿度的观测,明晰了北方城市冬季典型天气过程对近地表温湿环境的影响.城市化进程中由于城市范围的扩张会对不同区域所处温湿环境产生直接影响.

4 结论与讨论

1)供暖期太原市处于不同城市位置的观测点其1.5 m高度温湿环境存在较大差异,当大气层结稳定,无明显天气过程时,各测点气温表现为:城市中心>近郊区域>郊区.据本研究两次实测结果显示:城市中心平均气温1.72 ℃ ,城郊结合部为0.77 ℃,郊区为-2.71 ℃.同时,三个测点气温最高值出现在13时-15时,最低值出现在6时-8时；相对湿度在无明显天气过程中总体表现为:郊区>近郊区域>城市中心.

2)当雾霾天气出现时,三个不同观测点1.5 m高度温湿度与之前相比出现了极大的变化.雾霾天气使三个观测点平均温度提升了2.43 ℃,相对湿度平均下降了约14.50,变化幅度表现为:市中心>近郊区域>郊区.

3)大风天气1.5 m高度三个研究区域温湿度发生了明显的变化.大幅度的大风降温天气不仅使三个测点温度与湿度显著下降,同时也减弱了三个区域之间的差异.大风降温天气使三个观测区域温差减至3 ℃以内,相对湿度的极值差仅有2.49,而且无论是温度还是相对湿度变化最显著的都是市中心的观测区.

近年来,随着城市化进程的不断加快,城市的人口越来越密集,城市下垫面性质经历较大的改变,这均会对城市及周边地区的温湿环境产生较大的影响.开展城市温湿环境等细化城市热岛效应相关研究对提升区域人居环境及优化城市规划等方面具有重要的实际意义.