郑州与洛阳市区风环境特征比较研究

王琦, 周迪, 张若兰, 李钰茜, 杨航, 李华威，3, 何瑞珍

(1.河南农业大学风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002,2.河南农业大学资源与环境学院， 河南 郑州 450002,3.匈牙利圣伊斯特万大学景观与城市规划学院，佩斯 哥多洛 2100)

快速的城市化进程导致下垫面性质及地表粗糙度发生变化，土地集约式利用使得城市中心建筑高度和密度不断增加，并进一步影响城市风场及水文过程，从而引发热岛、雨岛、浑浊岛等众多环境问题。城市风场关乎城市空气质量，与市民的呼吸密切相关。河南省辖市中心城区主要分布在平原及盆地，平原城市郑州是中部地区重要的中心城市、国家重要的综合交通枢纽，在当下人口资源环境结构失衡的背景下，营造可持续、高质量的城市通风环境，是解决特大城市诸多环境问题的关键。同属温带大陆性季风气候的盆地城市洛阳，作为中原城市群副中心城市，适时开展城市风环境研究能够为同类型城市提供发展示范及经验借鉴。

城市风场特征是城市风环境研究的热门方向之一，研究对象根据地形地貌分为平原城市[1]、丘陵城市[2]、盆地城市[3]、山地城市[4]等，研究内容主要为城市内外部风速特征[5]、高低层建筑区风速特征[6]、风速季节性特征[7]、风环境指标变化特征[8]等。周玉奇[6]、WEERASURIYA等[9]、TETSU等[10]、冯章献等[11]研究发现，城市低建筑密度处的风速和高建筑密度处的风速有显著区别，建筑高度、密度越大，其近地面的平均风速越低；蔡菊珍等[12]、申鑫杰等[13]、庄智等[14]在研究中指出，城市中心区平均风速10 a间呈明显下降趋势；陈士凌[5]、孙武等[15]研究结果表明，不同高度上主城区风速均由周边向城市中心降低。前人研究结果表明，城市化建设导致城市中心整体风速不断降低，城市中心风速要低于外部风速。而气象站定点监测数据显示，郑州市郑东新区7月份平均风速为0.39 m·s-1,而金水区7月份平均风速为0.92 m·s-1,城市中心风速高于外部区域。实测数据表明，风从郊区进入城市建筑连绵区后，由于市内风场互相影响，风速呈现出复杂多变的趋势。城市风场单一变化趋势的定性研究存在局限性，不能准确完整地展示城市内部风场特征。目前区域风场在数据实测[16-20]、风洞试验[21-25]和数值模拟[26-31]等方面研究成果显著，但风场模拟空间分辨率通常较低。同时，鲜有学者能够准确描述整个城市的风场状况，不同地形条件下城市风场对比研究出现空白。世界气候网站提供的高分辨率风场数据将风场模拟的精度提高到30 s(近1 km)，这为观察研究城市的风场奠定了基础。基于此，本研究利用ArcGIS软件对高分辨率风场数据进行量测分析，总结并对比分析郑州与洛阳市区尺度风环境特征，通过相关性分析揭示风速与高程的关系，为平原及盆地城市建设中风环境营造提供理论依据。

1 研究区概况

河南省下辖17个省辖市，50个市辖区、21个县级市、88个县。河南地形复杂，地势西高东低，北部为暖温带，南部为亚热带。市区尺度选择地处相同纬度、同属温带大陆性季风气候的平原城市郑州和盆地城市洛阳。郑州市为河南省省会，现辖6区5县级市1县及郑州航空港经济综合实验区、郑东新区、郑州经济技术开发区、郑州高新技术产业开发区，中心城区建成区面积651.35 km2，市区人口765.5万人。洛阳位于河南西部、黄河中游，因地处洛河之阳而得名，是中部地区重要的工业城市。现辖7区7县及2个国家级开发区、2个省级开发区、18个省级产业集聚区。中心城区建成区面积240.51 km2(不含偃师区、孟津区)，市区人口230.95万人。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

WorldClim是一个高空间分辨率的全球天气和气候数据库，共有30 s(约1 km2)～10 min(约340 km2)4种空间分辨率。数据集包含最低、平均和最高温度、降水量、太阳辐射、风速、水汽压和总降水量的气候数据以及19个“生物气候”变量，可用于制图和空间建模。研究数据下载于2020年1月发布的WorldClim 2.1版1970—2000年的气候数据，共有12个包含GeoTiff(.tif)文件的“zip”文件，分别为一年中的12个月(1月为第1个，12月为第12个)。

2.2 研究方法

运用ArcGIS软件对下载的GeoTiff(.tif)文件进行处理和分析。为验证世界气候网站数据的可信度与精确性，选取郑州市气象站数据为实测数据，将气象站风速值与风场风速值进行对比分析(表1)，运用均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)进行误差分析，公式如下：

由于风速测量高度不同，部分月份气象站和风场数据存在一定差异，但是风速变化整体趋势相同。计算得到的RMSE数值为0.289 m·s-1，MAPE数值为26.14%，上述结果均表明，风场风速值与实测值误差较小，具有代表性和参考价值。

表1 气象站与风场风速值对比分析Table 1 Comparative analysis of wind speed between weather stations and wind fields m·s-1

3 结果与分析

3.1 郑州、洛阳市区平面风场分析

本研究采用相同的取样范围裁剪了郑州市和洛阳市全年不同月份的风场图，并对比展示了郑州市区和洛阳市区风场平面状况(图1)。

图1 郑州市区、洛阳市区一年中各月的1 km风场平面图Fig.1 The plane map of wind field of each month in one year in Zhengzhou and Luoyang urban areas

从郑州市全年平均风速情况可以看出，4月份平均风速达到一年中最大值，7月份市区内风速变化最小，市区外围1月份平均风速为2.0 m·s-1。郑州市区风速呈现出圈层式结构，从外到内分为4层，风速从2.1和2.2 m·s-1，升至2.4 m·s-1，而后降至2.2 m·s-1。市中心部分区域的风速为2.1 m·s-1。从外向内3个圈层的宽度为1个像元，最后第4圈层占了市中心的大部分。城市规模不同，形成不同圈层个数的风速影响区，郑州为4层，洛阳为2层。平原区城市最高平均风速多为2.4 m·s-1，如许昌、新郑、商丘、漯河等，而盆地城市最高平均风速2.2 m·s-1，如南阳、洛阳等。2月份，主导风向从正东向东北方向移动，郑州市不同风速的圈层式结构更加明显，且风速最大值的位置由原来的第2圈层演变为第1圈层和第4圈层，风速最大值也升高到2.6 m·s-1。

3月份风速的圈层效应进一步减弱，市内风速减小区域的范围进一步扩大；4月份圈层效应已不存在，市区内风速与周围风速一致；5月份，市区内出现了低风速区，但与周围风速相差不大，圈层效应并不明显；6月份，圈层效应依然不明显，出现了高低错落的风速区；7月份，整个市区表现出和山体一样的高风速区，但市内风速变化不大；8月份，风速圈层效应再次出现，表现为单圈层，市区内出现了多个不同风速变化区；9月和10月，风速表现出和7月份一样的趋势，但高风速区的范围远远小于7月，且9月份的风速变化范围比10月要大；11月份，风速出现3个圈层，表现出弱的多圈层效应；12月份，风速圈层效应比11月份明显增强，表现为圈层间距离增大，风速变化增强。11月份，圈层间风速差为0.07 m·s-1，而12月为0.15 m·s-1。

3.2 郑州、洛阳市区断面风场分析

为了探讨市区断面与风场的关系，研究选用了郑州市、洛阳市较为盛行的西北方向为样线，样线布设如图2所示。利用ArcGIS中3D Analyst Tools 菜单的interpolateline功能，从郑州市、洛阳市月平均风速图上提取郑州市、洛阳市每月的风速断面，用4个季节表示。风速断面图如图3所示。

图2 郑州、洛阳市样线布设位置图Fig.2 Layout position of spline in Zhengzhou and Luoyang

从郑州市2月份风速断面图(图3)可以看出，郑州市区风速存在4个峰值，进入城市时形成第一个峰值，距离市区边界为2 km，风速为2.6 m·s-1；在市中心形成了2个峰值和1个谷值。其中，第1个峰值距离市区边界为3 km，风速为2.5 m·s-1，中间低谷区距离市区边界为5 km，风速为2.42 m·s-1，第2个峰值离市区西北边界为7 km，距离风速最小值区为2 km，风速为2.5 m·s-1；出市区后形成第4个峰值，距离市区西北边界为13 km，风速为2.6 m·s-1。

纵观全年市区内风速的变化，9月和10月出现单峰值，7月市区内风速变化不大，其余月份出现3～4个峰值。单峰值多偏离城市中心，偶数峰值多以市中心为中心，且呈现对称分布状态。

作为盆地城市的洛阳市区中风速峰值在不同月份也出现了单峰、双峰和无影响3种状态，但这3种状态出现的时间与郑州市不同。5月为单峰值，4月、6月和9月无影响，其余月份为双峰值。从双峰影像可以看出，在市区周围出现2 km的风速升高区，风速为2.1 m·s-1，市中心出现2.0 m·s-1风速降低区。

3.3 郑州、洛阳市区风速与地形的关系

从郑州市和洛阳市的风场图可以看出，城市形态与城市风场密切相关。随着城市规模的增大，城市风场表现出多圈层结构。洛阳市高风速带仅出现1次，而郑州市出现4次。为进一步探讨城市形态对城市风场的影响，本研究利用Pearson相关系数，对郑州市和洛阳市西北东南方向一年12个月的风速和该断面高程数据进行相关性分析，结果如表2所示。

图3 郑州、洛阳市区风速断面图(西北向)Fig.3 Wind speed profile in Zhengzhou and Luoyang (northwest direction)

从表2可以看出，郑州、洛阳市区在4月、7月、9月、11月风速与高程相关系数均高于0.59，风速与高程呈显著正相关关系。同时，平原城市郑州全年的风速和高程均呈正相关关系，盆地城市洛阳在2月、6月和12月的风速和高程存在负相关关系，其余月份风速和高程呈正相关关系。风速与高程的关系随月份、季节的变化而改变，盆地城市风速与高程的关系比平原城市更为复杂。

表2 风速与高程的相关性分析Table 2 Correlation analysis of wind speed and elevation

4 结论与讨论

本研究基于世界气候网站提供的全球高分辨率风场图，利用ArcGIS软件对郑州市和洛阳市风场进行量测分析，总结并对比分析了平原城市郑州与盆地城市洛阳市区尺度风环境特征及影响因素。

1)郑州市区最高平均风速多为2.4 m·s-1，洛阳市区多为2.1 m·s-1。平原城市与盆地城市均出现风场圈层式结构，其中郑州为4层，洛阳为2层，圈层个数随城市规模的扩大而增加。圈层式结构在冬、春季(11月至次年4月)比夏、秋季(5月至10月)表现更为明显。

2)郑州市区风速变化多出现3～4个峰值，而洛阳市区风速变化多为双峰型，单峰值多偏离城市中心，偶数峰值多以市中心为中心，且呈对称分布状态。平原城市与盆地城市风速峰值出现的时间并不相同。

3)郑州、洛阳市区风场整体呈增加―降低―最低―增加―降低的趋势，郑州市区风速变化频率高于洛阳市区。平原城市风速多呈外围升高中间降低的趋势，中间风速最低的位置和降低幅度随时间改变，但也表现出圈层式结构；盆地城市同样呈现出上述趋势，但由于受外围地形影响，其风速升高幅度小于平原城市。

4)郑州市全年风速与高程均呈正相关关系，洛阳市风速与高程在2月、6月、12月呈负相关关系，其余月份呈正相关关系。盆地城市风速与高程的关系表现出季节性，风场圈层式结构与地形密切相关；城区规模和建筑高度是影响平原城市风场圈层式结构的主要因素。

通过观察同纬度的开封、商丘、三门峡等城市风场图发现，以1月份为例，城市中心风速均高于外部。中心城区建成区面积略低于洛阳(240.51 km2)的平原城市商丘(156.22 km2)、开封(155.9 km2)的风速圈层个数均为2层，但是风速明显高于洛阳市区，这进一步说明，相同城区规模的城市风场圈层结构相同，但其风速与地形与到海岸线距离有关。三门峡中心城区四面环山，建成区面积为67.61 km2，1月份风速圈层仅为1层。

基于以上研究结论，建议河南省平原城市建成区面积、建筑高度需要控制在合理范围内，以便增大人为干扰风环境的范围和力度，从而有效降低极端风环境对居民生活生产造成的负面影响。同时，需要加强贯穿城区中心的风道建设，加速污染物的扩散，让更多的新鲜空气流入市中心。相对于平原区城市，盆地城市风环境特征及影响因素更为复杂。盆地城市需要考虑城市高层、高密度建筑区的体量控制和区位规划，利用地形特征有意识地引导风的交换。市区风速圈层结构具有明显的季节性，中原地区防风灾等城市精细化管理需要在冬季和春季加以重视。

随着城市气候环境问题研究的深入，增加城市监测站点、弥补实测数据在量与质上的不足变得越来越重要。高时空精度的实测数据也能强有力地提高城市规划的科学性，为城市精细化建设和管理提供理论依据和技术支持，本研究仅探讨了平原、盆地城市风场的圈层式结构及高程对风速的影响，未来可扩大研究对象的范围及数量，从地形种类、城市形态等角度深入对比研究不同城市风场圈层式结构的形成机制。