武汉市局地次级湖风环流特征模拟及其降温效应分析*

吴昌广 谢 婧 成雅田 程维金 刘火胜

0 引言

城市化进程的加快使地表热力性质改变、人口不断聚集及人为热大量产生，城市热岛效应逐渐加剧[1]。如何基于自然解决方案缓解热岛效应、提高室外热舒适性已成为城市高质量发展阶段营造美好人居环境的热点[2-3]。湖泊水体是城市蓝绿空间系统的重要组成部分，具有热容量大、蒸发潜热大及反射率小等特殊物理性质[4]。湖泊水体与建成区不透水面间热力差异所激发的局地环流是调控周边风热环境的重要生态过程[5-6]。科学解析湖泊局地环流特征，对于明晰城湖间热量交换机制及湖泊对周边建成区域的热岛缓解作用具有重要意义。

大量学者探究了这种局部热力环流在湖泊降温过程中的关键作用，如金姆（Kim）等研究表明，风从水体上方携带较冷的空气，并将低温延伸到下风向区域[7]。斯鲁威（Theeuwes）等利用WRF对水体降温进行了敏感性实验，结果表明水体所产生冷空气可被风流输送到城区产生降温，且城市粗糙度的改变通过影响风流而影响水体的降温效应[8]。因此，明晰湖泊降温结果中的非线性热交换过程将更加有助于湖泊对城市降温的认识深化。近年来，一些学者利用数值模拟探究了区域大型湖泊湖陆风与城市热岛的相互作用关系[9-11]。如李维亮探究了太湖湖风环流与城市热岛对区域气候的影响，得出城市热岛显著影响湖风环流时空分布的结论[12]。基勒（Keeler）等的研究也表明，夜间强热岛会使湖风吹向城市的水平风速降低[13]。这些研究表明，湖泊周围的城市的存在影响湖风环流的结构特征及发展规律；而反过来，湖风环流也会影响其周边城市区域的气候条件。莎玛（Sharma）研究指出，城市周围大型湖泊湖风环流的湖风锋会与城区热岛环流产生对抗作用[10]。上述研究证实了城市热岛与其周围区域大型湖泊湖风环流之间存在着气流相互作用，并控制彼此的时空分布特征，但当前探究湖泊所驱动热力环流对城市热环境影响的研究主要集中在区域大型湖泊的中尺度局地环流，少有针对城市内部大范围分布且数量众多的中小型湖泊上方环流和热力结构的研究[14-15]。

中小型湖泊作为城市中常见的湖泊类型，拥有比区域大型湖泊更小的热容，湖陆风时空特征亦与大型深水湖泊有显著差异，值得进一步探究[16]。前人研究指出，在城市复杂的下垫面环境中，不同下垫面上热力条件的空间水平不均匀性会生成局地次级环流[17]。而城市中广泛分布的中小型湖泊使得城市下垫面环境复杂化，内陆城市热岛环流和湖风环流在局地热力差异驱动下形成风场系统，在气象条件约束下两者作用区域重叠，从而形成更复杂的局地次级湖风环流耦合流场[18]。有必要进一步研究城市复杂下垫面条件下中小型湖泊局地次级湖风环流特征，明晰城市湖泊与周边大气环境的热交换机制。

本文将选取百湖之市武汉作为研究区域，其境内分布有166个湖泊，湖泊水域面积达779 km2，约占市域面积的10.2%[19]。近年来，武汉快速的城市化进程使市区内部热环境进一步恶化，不透水下垫面扩张形成了复杂而多元的城湖关系，为探索城市中小型湖泊与建成空间的热交换过程提供了良好的试验场[20]。本研究利用中尺度数值模式WRF，对夏季典型高温天气条件下的武汉市城市近地层风热环境进行高精度模拟，分析不同规模、不同位置湖泊局地次级湖风环流的生成与发展特征，同时从整体和局部两个层面分析湖风对城市近地层热岛与气温的影响。

1 资料方法

1.1 研究区域

本次研究以城湖关系较为密切的武汉市都市发展区作为研究区域，具体见图1。研究区域内广泛分布着大小、形状不一的各类湖泊，大部分湖泊面积小于50 km2。大型湖泊多分布于东南部，西北部湖泊较少，湖泊空间整体分布不均。其中，梁子湖面积271 km2，是武汉市最大的湖泊，位于都市发展区东南部城郊。最大的城中湖为汤逊湖（47.6 km2），其次是东湖（33.9 km2）。这两个湖泊均位于城市东南部，其周边分布着沙湖、南湖等小型城中湖。后官湖为西北部面积最大的城郊湖（37.3 km2），湖泊形状狭长，其周围分布着城市西北部仅有的两个小型城中湖，即墨水湖与南太子湖。

图1 武汉都市发展区内湖泊水体分布特征Fig.1 the distribution of lakes in Wuhan metropolitan development area

1.2 模式与数据

1.2.1 数值模拟方案

本研究采用中尺度数值模拟模式WRF(3.9.1版)与单层冠层模型UCM对区域边界层内风热环境进行模拟，最内层中心点坐标30.2 °N,113.9 °E（图2a）。为了利用中尺度气象数据实现对研究区域的降尺度高分辨率模拟[21]，研究采用4层嵌套的方式，第1层格点数87*87，网格格距9 km×9 km；第2层格点数151*151，网格格距3 km×3 km；第3层格点数151*151，网格格距1 km×1 km；第4层格点数220*220，网格格距1/3 km×1/3 km。第4层网格覆盖武汉市都市发展区，网格间距选用城市尺度WRF模拟的高精度分辨率（1/3 km）[22]，能较好地在WRF中针对湖泊的气候效应进行模拟。模拟采用的物理方案设置见表1。

表1 WRF的物理方案设置Tab.1 WRF physics schemes

2018年7 月平均高温34℃，最高温度达38℃，为典型的武汉高温夏季天气背景。参照典型气象日的标准，选取2018年7月14日00:00时—7月17日4:00时(北京时间，下同)进行模拟，前52 h为spin-up时间，以确保模拟的稳定与精确。5:00为16日日出时间，选取2018年7月16日05:00时—7月17日04:00时作为模拟时间，能够完整模拟出太阳辐射下湖泊湖风环流及周边城市热环境的发生发展过程。在模拟时间内，武汉天气晴朗，微风，风向为武汉市夏季盛行风向东南风，且模拟时间前后3天市域内均无降雨，有利于局地环流的形成。

1.2.2 下垫面数据

中尺度数值模式自带下垫面数据为1993年USGS土地利用数据，共有24种土地利用类型，其最高空间分辨率为30 ″（约为1 000 m），无法准确反映研究区城市下垫面现状。基于此，采用清华大学地球系统科学系地球系统建模教育部重点实验室利用sentinel-2遥感影像数据全球样本训练形成的10 m高精度土地利用数据[23]（图2b）。在单层城市冠层模型中，我们将城市土地利用类型细分为三类：低密度居住区，不透水地表占据总地表面积的20%~49%；高密度居住区，不透水地表占据总地表面积的50%~79%；工商业区，不透水地表占据总地表面积的80%~100%[24]。

1.2.3 气象数据

本文以欧洲中期天气预报中心ECMWF提供的每6 h气象监测数据作为数值模拟输入背景气象条件，以武汉市公共气象服务中心提供的武汉市国家气象监测站点1（114.84 °N，30.84 °E）、武汉市自动监测站2（114.36 °N，30.48 °E）、武汉市自动监测站3（114.39 °N，30.51 °E）、国家气象监测站点4（114.05°N，30.60°E）逐小时观测数据作为模式验证数据，具体位置见图2b。

图2 WRF模拟区域（a）网格嵌套配置及（b）最内层网格内土地利用类型及气象观测站点位置Fig.2 (a) the four nested domains used for the numerical simulation; (b) land use in the innermost domain and the location of meteorological observation stations

1.3 分析方法

1.3.1 湖风识别

湖风通常在白天产生[16,25]，本文选取模拟时段05:00—19:00时的风场，参考覃海润对湖风的判断标准进行湖风生成及消失的识别[16]。

湖风生成：当湖体各岸中任意岸湖风在某一时刻风向明显偏转，风向与背景风不一致且相对于湖区向外，与湖岸略微垂直，则判断该方向岸边有湖风发生。

湖风消失：当湖体各岸中任意岸湖风在某一时刻风向明显偏转，随后整个湖区风向基本保持一致或各岸风向转向背景风方向时，则判断该方向岸边湖风结束。

据此标准统计不同规模、不同位置城市湖泊湖风生成及消失的时间，分析武汉市都市发展区内大范围分布的不同湖泊湖风的时空分布规律。

1.3.2 湖风热岛缓解能力分析

采用密度分割法对2 m温度数据进行归一化处理[26]，判断不同时刻不同湖泊湖风对近地层热环境的贡献，各网格热岛强度指数的计算公式如下：

式中，Li是热岛强度指数，Ti和Tj是网格温度值，n是网格数，σ是所有网格温度值的标准差。通过对地表温度均值和标准差的倍数组合对地表温度进行分级, 实现对城市热环境的界定。根据热岛强度指数值，将区域热岛强度从高到低分为9个级别得到不同时刻下的热岛强度分布图[28]，如表2所示

表2 热岛强度指数等级Tab.2 grade division of urban heat island intensity index

对比不同时刻下的热岛强度分布图，并将湖泊湖风所带来的无热岛区域定义为湖风的降温范围，如图3所示。判定标准如下：若随着湖风的产生，湖泊湖风水平延展方向内的热岛区域转变为无热岛区域，且该无热岛区域范围随湖风强度及延展方向变化而发生变化，则判定该无热岛区域为湖风的降温范围。

图3 湖风降温范围演变Fig.3 the development of cooling ranges for lake breezes

1.3.3 湖风环流降温能力分析

以周边建成环境最为复杂的东湖为例，进一步探究湖泊局地次级湖风环流的降温机制。首先，以湖风最为强盛时刻作为典型时刻，取东湖湖风辐散的不同方向作剖切线，获取不同方向上湖风风场剖面分布图。其次，在明确不同湖风辐散方向上的城市建设及湖泊分布情况的基础上，识别风场剖面上的主要局地次级湖风环流。最后，通过对比不同局地次级湖风环流分布下的湖泊区域低温范围、城湖温差等气温分布情况，比较湖泊局地次级湖风环流在不同方向上的降温差异。

2 模拟结果检验

为了验证模拟结果的可靠性，本文对WRF模拟结果的逐时2 m气温、10 m风速和风向进行了验证，相关结果见表3。四个站点的气温模拟相关系数均在0.9（P＜0.01）以上，说明模拟值与观测值之间相关性较强。气温均偏误差平均值为1.55℃，均方根误差在2℃以下，说明模式气温模拟偏差较小。在风场模拟上，站点1风速相关性趋势拟合存在一定差异，其余站点风速风向观测值与拟合值相关系数较高，且均能在0.05水平以上相关性显著，整体风场趋势拟合较好。四个站点风速风向均方根误差值与均偏误差均较低，WRF模拟结果与气象站实测数据吻合。

表3 2018年7月16日05:00时至17日04:00时气温、风速和风向的模型性能评估Tab.3 model performance assessment of air temperature, wind speed and wind direction from 05:00 LST on 16th July 2018 to 04:00 LST on 17th July 2018

观测值与模拟值的变化趋势拟合图（图4）显示出模拟时间内2 m气温、10 m风速、风向逐时观测值与模拟值拟合较好，变化趋势基本一致。站点1风速在夜间21:00模拟值偏高，考虑为输入气象背景风速略高的原因，且模式仍较好地模拟出了风向的转变。整体而言，2 m气温与10 m处风速、风向的模拟值与实测值精度与趋势拟合度都较高，可以反映出城市气温与风环境的基本特征，有助于揭示局地次级湖风环流的结构和演变过程。

图4 2018年7月16日05:00时至17日04:00时气象站点1（a，b，c）、站点2（d，e，f）、站点3（g，h，i）、站点4（j，k，l）观测值（OBS）与模拟值（SIM）2 m 温度、10 m 风向、10 m 风速逐时拟合图Fig.4 hourly comparison between observed values (OBS) and simulated results (SIM) of 2-m air temperature, 10-m wind direction and wind speed in the meteorological observation station 1 (a, b, c), station 2 (d, e, f), station 3 (g, h, i), station 4 (j, k, l) from 05:00 LST on 16th July 2018 to 04:00 LST on 17th July 2018

3 结果分析

3.1 湖风发展特征

3.1.1 时间特征

图5为2018年8月16日05:00至19:00模拟区域10 m风速矢量分布及湖风时间分析图。05:00—07:00时，都市发展区以东南风为主导风向，无湖风的生成。08:00时，区域开始有湖泊生成湖风。10:00—12:00时为区域存在湖风的湖泊最多（11个）的时刻，部分小型湖泊如青菱湖、沙湖等未观察到湖风生成。其中，汤逊湖、东湖、梁子湖等大面积湖泊湖风生成时间最早（08:00时），持续时长最长（08:00—16:00时）。后官湖面积较大，水域形状破碎度较高，湖风持续时间（10:00—12:00时）比较之面积更小的豹澥湖（10:00—14:00时）更短。小型湖泊中，童家湖与汉江相连，水域面积相对其余小型湖泊更大，湖风持续时间（10:00—14:00时）也更长。16:00时后，区域无湖风存在。

总的来看，大型湖泊湖风生成较早，消失较晚，持续时间长于小型湖泊。为验证湖风时间与湖泊面积相关性，进一步对二者进行相关性检验。湖风的生成与持续时间均与湖泊面积呈指数相关，其生成时间随湖泊面积增大而提前，持续时间随湖泊面积增大而升高（图6）。其中湖泊面积对城中湖的湖风持续时间影响最为显著，但对城郊湖的湖风生成时间影响最为显著。

图6 湖泊面积与湖风生成、消失及持续时间的相关性统计Fig.6 correlation between lake areas and the formation and disappearance time of lake breezes

3.1.2 空间特征

在空间上，不同位置湖泊湖风生成与消失时间存在差异。除面积显著大于其他湖泊的梁子湖，大型城中湖最先生成湖风，随后大型城郊湖、小型城中湖陆续生成湖风（图5）。随湖风增强，区域风场复杂化，长江北部河道产生向西气流，并产生向两侧辐散的江风，汤逊湖至东湖间湖风衔接形成连续风流。在湖风最强盛的12:00时，汤逊湖湖风向北与南湖、东湖衔接，向西与黄家湖、长江衔接，形成环流链。

图5 2018年8月16日05:00时至19:00时模拟区域的逐时风速矢量分布及各湖泊湖风时间分析Fig.5 hourly wind speed distributions (vectors) and the analysis of lakes breezes from 05:00 to 19:00 LST on 16th July 2018

位于主导风两侧的城郊湖及小型湖泊湖风最先消失，随后下风向的大型城郊湖、大型城中湖陆续消失。后官湖、武湖、严西湖等位于东北测与西南侧的城郊湖及黄家湖、南湖等小型湖泊湖风在13:00时最先消失，其中后官湖在14:00时再次产生湖风，南湖在15:00时再次产生湖风。15:00时之后，除梁子湖与豹澥湖，其余城郊湖湖风陆续消失。

3.2 湖风环流降温效应

3.2.1 整体层面湖风对城市热岛的影响

图7为都市发展区每2 h热岛强度及10 m风速矢量分布图。从整体上来看各湖泊的城市热岛缓解作用，区域内极强热岛与强热岛在湖风强盛时刻基本消失（10:00—14:00时）。梁子湖、豹懈湖等大型城郊湖冷岛强于其他湖泊，且其下风向区域持存在大片无热岛区，是为城市提供冷空气的重要冷源。大型城中湖如汤逊湖与东湖为其湖风辐散方向提供了无热岛区域。沙湖等小型湖泊降温不显著，但对比汤逊湖、黄家湖、青菱湖湖泊群与东湖周围热岛分布情况，小型湖泊可使湖泊间形成连续的风流，实现更大片区域的热岛缓解。然而现状都市发展区内大部分湖泊相距较远，中间缺乏小型湖泊联通，各湖泊湖风独立分散；如武湖与后官湖作为都市发展区西北部的重要冷源，二者之间通风受到高密度建筑区域的阻碍，风流较为紊乱，风速也随之降低，两处湖泊的降温效应因此受到限制。整体而言，湖泊分布不均，且在不同时刻湖泊冷岛强度与湖泊间通风存在差异；如后官湖只有在08:00—12:00时可为都市发展区西北部提供冷空气，而都市发展区中心高密度建筑阻挡了其余冷源冷空气向都市发展区西北部运输，使得上风向湖泊产生的冷空气在城市尺度上的热岛缓解范围十分有限，区域西北部在大部分时间热岛较强。

图7 2018年8月16日08:00时至17:00时模拟区域的逐时热岛强度及10m风速矢量分布Fig.7 hourly urban heat island intensity and wind speed distribution (vectors) from 08:00 to 17:00 LST on 16th July 2018

以东湖为例具体分析湖风对其周边热岛缓解作用，可知东湖降温方向及范围随湖风方向与强度变化而变化。08:00时湖风强度较弱，湖风向西北部辐散，并在东湖西北部产生1 km的无热岛区域及2 km弱热岛区域。09:00时，随湖风强度的增大，东湖湖风开始向东北部辐散，其西北部降温范围减少至1 km，东北部产生大片弱热岛区域，南部联合汤逊湖、南湖湖风形成冷链。10:00—11:00时，湖风持续增强，湖泊冷岛效应增强，东湖湖风辐散方向的变化使其对北部及南部降温增强。东湖北部产生约0.8 km的无热岛区域且其湖风辐散方向强热岛与较强热岛基本消失，汤逊湖—南湖—东湖冷链范围增大。至12:00时东湖湖风最为强盛时可为其湖风辐散的北部、西北部、西部约1.5 km提供无热岛环境，且在其东北部产生大片无热岛区域。13:00—14:00时，东湖西北部湖风增强，东北部湖风基本消失，周围无热岛范围减少，东北部较强热岛范围扩大。15:00—17:00时，东湖湖风强度逐渐减弱，且冷岛强度减弱，其周边极强热岛与强热岛重新出现。

3.2.2 局部湖风环流对周边地区的降温作用

图8为2018年8月16日12:00时东湖湖风辐散方向风温剖面图，其中A-A’剖切线顺应主导风下的东湖湖风，B-B’与C-C’基本垂直于主导风向，为湖风增强后的东湖湖风辐散方向。用红色突出主要局地次级湖风环流，分析东湖不同方向局地次级湖风环流的降温作用。

图8a剖面线经过严西湖、东湖、沙湖、长江及高密度工商业区，主导风方向由严西湖向长江，可观察到上风向湖泊湖风汇入其下风向区域湖泊的下沉气流中，耦合成环流链，湖泊间主要为34 ℃以上的高温工商业区。此剖面上东湖宽度较大，约为7 km，其局地次级湖风环流能为其下风向区域约1 km提供3℃左右降温。图8b剖切线经过东湖、长江及低密度建设居住区，不顺应当日主导风向，更易形成闭合的局地次级湖风环流，如东湖西南侧、长江两侧均形成闭合局地次级湖风环流。东湖与长江间低密度建设区气温在32 ℃左右，东湖在此剖切线上宽度约为4.8 km，其局地次级湖风环流主要对其东北侧约1.5 km内产生2 ℃降温。图8c与8a类似，各湖泊局地次级湖风环流耦合成链，南湖与汤逊湖间低密度居住区形成2.5 m/s平稳风流。区域大部分温度在33 ℃以下，仅汤逊湖西南侧及南湖与东湖间高密度工商业区存在33 ℃~34 ℃的高温区域。东湖下沉气流进一步吹向东北岸低密度建设居住区，为其东北部2.5 km处带来2 ℃降温，局地次级湖风环流的降温范围最广。

图8 2018年8月16日12:00时（a）剖面A-A’风温剖面图，（b）B-B’风温剖面图，（c）C-C’风温剖面图Fig.8 the vertical distribution of temperature and wind speed (vectors) of (a) section line A-A, (b) section line B-B and (c) section line C-C

总的来说，东湖局地次级湖风环流主要对其辐散方向1~2.5 km处产生2 ℃~3 ℃降温，降温强度取决于其周边湖泊分布及建设强度。小型湖泊可促进湖泊间局地次级湖风环流的耦合，连续的风流构成链状的降温区域。而建设强度更低时，东湖降温强度更低，但局地次级湖风环流延伸范围更广，从而使其降温范围更大。

4 讨论

4.1 湖风生消特征影响因子

根据本文中对于湖风时空特征的分析，相同位置湖泊湖风的生成与消失时间主要受湖泊面积的影响。前人大量研究也验证了这一观点，其结果表明，地表面积越大、越深的湖泊越易产生湖风[27-28]。而不同位置湖泊中，大型城中湖最先产生湖风，随后是大型城郊湖、小型城中湖。这是因为不透水面升温较快，而大型湖泊蓄热能力更强，因此大型城中湖泊湖风生成时间最早，持续时间也更长。

研究时段内影响湖风的环境因素变化主要为背景气象条件，包括区域背景风速的变化与太阳辐射所导致的升温，故对2018年8月16日05:00—19:00时模拟区域平均温度及背景风速变化进行了统计（图9），以上风向区域国家气象站点1（30.34 °N，114.33 °E）风速作背景风速。可观察到在区域存在湖风的时段，平均温度持续增高，升温速率降低，背景风速降低。前人研究指出，太阳辐射的增强使水陆温差增大，从而产生湖风，同时背景风场也会对湖泊湖风形态产生影响[29]。本研究中，区域平均温度受太阳辐射增温至31.3 ℃时（08:00时）开始产生湖风。水体因其低比热容受辐射增温较慢，因此在升温期与周边陆地温差逐渐增大，湖风也随之强盛。

图9 2018年8月16日05:00—19:00时国家气象站点1逐时风速变化及模拟区域平均温度Fig.9 hourly wind speed of meteorological station 1 and the average air temperature from 05:00 to 19:00 LST on 16th July 2018

结合图6湖风的统计结果，12:00时湖风最为强盛时，平均温度上升至36 ℃，背景风速持续降低至升温期最低风速2 m/s。13:00时，背景风速骤升至3.25 m/s，图7中有湖风产生的11个湖泊中，位于西南侧、东北侧的3个大型湖泊后官湖、武湖、严西湖与2个小型城中湖黄家湖、南湖均在13:00时湖风消失，后官湖与南湖在14:00时背景风速降低后再次产生湖风。前人研究也指出背景风速的增大不利于湖风的产生[8,30]，但在本研究中背景风速的增大对主导风来向两侧的湖泊及小型湖泊影响更为显著。这一方面是因为小型湖泊湖风强度较弱，更易在高风速下消失，另一方面是由于城市中湖泊在城市粗糙下垫面的遮蔽下，湖风受背景风速转变的影响比位于建成区两侧湖泊所受影响更小。

4.2 与湖风环流协同的城市降温规划策略

在都市发展区内可识别到大型城中湖对其湖风辐散方向有较为显著的热岛缓解作用，但其降温范围与降温强度在不同时刻存在差异，前人研究也印证了水体并非在所有时刻都有良好降温效果[8]。因此，仅凭大型城中湖提供降温难以实现有效的城市热环境优化。杨博涵等指出，可通过对城市水体的数量和空间格局进行合理配置，使其降温效果达到最大化[31]。前文对整体层面湖风降温效应的分析表明，除大型城中湖可对其湖风辐散方向1~2.5 km处带来2 ℃~3 ℃降温外，大型城郊湖始终作为强冷源供应冷空气，大型湖泊间的小型湖泊可促进局地次级湖风环流的耦合。因此，利用各类湖泊局地次级湖风环流协同为城区输送冷空气是实现湖泊降温效益最大化的重要策略。基于不同类型湖泊局地次级湖风环流的热调节机理，将城市湖泊划分为大型城郊湖（补偿源）、大型城中湖（作用库）及二者之间的小型湖泊（分流点）（表4）。通过各湖泊的合理布局使局地次级湖风环流相互衔接，由补偿源输出冷空气，分流点输送冷空气，作用库进一步将冷空气渗透入城区中，实现良好的降温冷链（图10）。

表4 湖泊降温功能定位Tab.4 the cooling functional orientation for lakes

图10 局地次级湖风环流的链状通风降温格局构建Fig.10 the establishment of spatial pattern for ventilation and cooling using the cold chain between local secondary lake breeze circulations

同时针对不同湖泊热调节功能特征，进一步从补偿源—分流点—作用库三个层面分别提出管控策略，将传统大面积“单中心”的“冷岛效应”策略转化为“多中心”的“冷链效应”。以区域东南部为例，图11为区域湖泊空间管控示意图。以多湖泊协同的局地次级湖风环流冷链构建为导向，形成湖泊分类管控格局：第一，保护补偿源。重点保护上风向梁子湖、豹澥湖等城郊大型湖泊，严格限制其下风向区域开发建设，在其与城区间通过控制建设强度等方式预留冷空气输送通道，且其走向应与城市盛行风向平行。第二，引导分流点。利用小型湖泊对局地次级湖风环流冷链的衔接作用，引导城郊大型湖泊、小型湖泊及目标降温区域构成“三点一线”的格局，并保证湖泊间的低建设强度。如梁子湖—汤逊湖—黄家湖—青菱湖—长江间的低建设强度促进了冷链的形成，而汤逊湖—南湖—东湖与东湖—沙湖—长江间则需进一步控制建设区域空间形态，以优化局地次级湖风环流冷链。第三，扩大作用库。通过对湖体引流、整合水体资源等方式，保证在大型城中湖高建设强度侧1~1.5 km，低建设强度侧1.5~2.5 km内有小型水体等开放空间。同时在其湖风辐散方向预留通风道，使湖风降温作用进一步渗透至下风向城区，平衡区域温度，消除高温聚集区。

图11 武汉市东南部湖泊空间管控示意图Fig.11 the management and control strategies for lakes in the southeast of Wuhan city

5 结论与展望

利用WRF/ UCM模式对夏季典型气象日武汉城市边界层特征进行高分辨率模拟，揭示了都市区局地次级湖风环流时空分布特征及其降温效应。主要结论如下：第一，湖风持续时间受湖泊面积、区位、背景风速影响，湖泊面积越大湖风持续时间越长，同等规模的城中湖湖风持续时间长于城郊湖，背景风速增大时小型城郊湖的湖风率先消失。第一，都市区内极强热岛与强热岛区域面积随着湖风增强而逐渐减小，且湖风对湖泊下风向区域的降温强度、范围均大于上风向地区。第三，分布紧密湖泊产生的湖风环流在边界层高度上连接可形成降温冷链，从而促进近地面湖风降温范围的延展。根据研究结果，从“保护补偿源引导分流点扩大作用库”提出了与局地次级湖风环流协同的城市降温规划策略。

本研究仅选取了夏季典型气象日进行分析，所提出的策略旨在优化夏季高温天气下湖泊的风热环境调节作用，其研究结论不能代表其他季节湖风对城市热环境的影响。水体在不同季节对城市气候的影响存在差异，尤其夏热冬冷城市冬季防风与夏季通风降温之间仍需要研究来进一步权衡。基于此，制定不同季节城市风热环境评估指标体系，建立普适性的气候适应性城市水体规划框架，是未来营造舒适型城市气候亟待解决的内容。

图片来源:

图1-12：作者绘制

表1、3-4：作者绘制

表2：WENG Q H.Fractal Analysis of Satellite-Detected Urban Heat Island Effect[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2003,69(5): 555-566.