大型城市河流對城市氣候影響的實測研究

齊靜靜，劉 京，宋曉程，郭 亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150001 哈爾濱，qijingjinghit@msn.com)

大型城市河流對城市氣候影響的實測研究

齊靜靜，劉 京，宋曉程，郭 亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150001 哈爾濱，qijingjinghit@msn.com)

為得到夏季城市河流對熱氣侯的具體影響，采用定點觀測方法，以松花江哈爾濱段為研究對象，在夏季最熱月份展開為期一個月的實測，得出夏季各下墊面及大氣溫度的變化規(guī)律及各輻射通量的變化關(guān)系.數(shù)據(jù)分析顯示:白天地表溫度明顯高于其他下墊面溫度及大氣溫度.晴朗天氣，地表溫度比江面上空大氣溫度約高14℃，固定測點處水溫低于河道上方的環(huán)境空氣溫度約2℃;且凈輻射量值較大，可達(dá)700 W/m2.此時顯熱通量和潛熱通量(尤其是顯熱通量)相對很小，占凈輻射量的比例分別約為0.2%和1.8%.陰雨天氣，水溫略高于河道上空的江北固定測點空氣溫度約3℃;凈輻射量較小，在100 W/m2左右波動.此時顯熱通量和潛熱通量占凈輻射量的比例分別約為9.5%和51.3%.晴朗天氣太陽凈輻射量絕大多數(shù)通過導(dǎo)熱或透射的形式進(jìn)入水體內(nèi)部;陰雨天氣，水面凈輻射量的大部分又以對流傳熱傳質(zhì)的形式返回大氣.

城市河流;城市熱氣候;實測;溫度變化;動態(tài)熱收支

城市河流在解決城市熱氣候方面具有極大的優(yōu)越性:1)水體自身的熱容量大，蓄熱能力強;2)河流一般具有較大的徑流量，與小型人工湖或水體景觀相比，可以更好地傳輸熱量;3)河流表面平展，有利于“風(fēng)道”的形成等.目前國內(nèi)外關(guān)于河流自然狀況方面的研究較多［1－3］，相對來講，由于城市和河流自身的復(fù)雜性，以及技術(shù)手段上的局限性，到目前為止關(guān)于城市河流對熱氣候影響的相關(guān)研究還比較少，特別是現(xiàn)場實測的研究成果非常缺乏［4－5］.國內(nèi)外的城市規(guī)劃專業(yè)雖然已經(jīng)意識到城市河流可能對熱氣候產(chǎn)生的積極作用，但由于沒有定量的理論分析基礎(chǔ)，使得在具體規(guī)劃實施中無法充分體現(xiàn)其價值［6－7］.本文以松花江哈爾濱段為研究對象，利用定點觀測法，對夏季城市河流及其周邊區(qū)域溫度變化和能量收支關(guān)系進(jìn)行一系列具體實測，進(jìn)而分析了大型城市河流對城市熱氣候的影響.

1 實測方案

1.1 實測河流概況

選取松花江哈爾濱段(45°25'～45°30'N，126°20'～ 126°25'E)［8］，該段屬于松花江干流，受兩側(cè)堤防限制，除江心島外，江道順直，水流通暢，坡度平緩，基本保持西南至東北方向流經(jīng)市區(qū).除小的支流外，松花江是哈爾濱市區(qū)內(nèi)唯一的主要河流，故可以不考慮水網(wǎng)密布情況下各河段之間可能存在的對熱氣候相互影響的問題.

松花江哈爾濱段全年水流變化巨大，實測選擇在夏季豐水期進(jìn)行.除松花江冬季封凍的因素外，主要因為此時期水位較高，江面開闊且流速較大，此時期的實測結(jié)果可以更好地體現(xiàn)城市河流在城市熱氣候中的作用.

1.2 實測方法

采用定點觀測法，即在河流內(nèi)部或周邊區(qū)域選定合適的測點，并通過固定實測儀器進(jìn)行測量，該方法便于較長期的動態(tài)計測.江邊固定測點利用松花江北一側(cè)的觀景臺.該觀景臺直接突出并坐落于江面5.6 m之上，四周開闊，沒有明顯的建筑物遮擋.除大雨等惡劣天氣外，固定測點從7月22日持續(xù)到8月22日，每天實測時間為早9:30到下午15:30，測量間隔為1 min.觀測內(nèi)容主要是利用熱平衡法測量河道內(nèi)熱量動態(tài)收支關(guān)系、把握江面上部空氣溫濕度變化、江面水溫變化及附近其他下墊面表面溫度變化等.具體方法是利用安置在觀景臺的自動氣象站(TRM－ZS2)中的太陽總輻射儀和太陽長波輻射儀測量太陽短波輻射量和長波輻射量;并利用此氣象站中的地溫傳感器(PTWD－2A)和風(fēng)速(風(fēng)向)傳感器(EC－9S(X))分別測量地表溫度和風(fēng)速、風(fēng)向;同樣利用安置在觀景臺的溫濕度傳感器采用總體輸送法測量河道表面感熱通量和潛熱通量.氣象站距平臺表面2.2 m.另外，水表面溫度用自記式水面測溫儀測量.水體的蓄熱部分則可根據(jù)水體表面熱收支關(guān)系計算而得.另外根據(jù)哈爾濱市水文局的資料，實測期間平均水位和流量分別為115.7 m和1 200 m3/s.由于進(jìn)入8月后，松花江流域總體上降水較少且持續(xù)高溫天氣，導(dǎo)致水位和流量低于正常年度水平.

1.3 河流表面熱量收支理論

河流表面的熱量收支關(guān)系是理解河流對城市氣候影響的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.假定流體處于熱平衡狀態(tài)，上游沒有大型水庫、熱電站排放等影響時，在計算流域內(nèi)流入流出水體的熱量可認(rèn)為相等，此時河流表面熱量收支可表示為［9］

式中:Rnet表示水面處所接收的凈太陽輻射量(W/m2);SR↓表示透過大氣到達(dá)水面的短波輻射量(W/m2);LR↓表示大氣下向的長波輻射量(W/m2);σ表示 Stefan－Boltzmann常數(shù)，等于5.67×10－8;σTs4表示從水面向上的長波輻射量(W/m2);Ts表示水面絕對溫度(K);α、ε分別表示表面短波反射系數(shù)及放射系數(shù)，與物體表面的狀態(tài)及太陽高度角有關(guān)，對于水表面分別取0.07和0.96;H表示水面處顯熱通量(W/m2);E表示水面處潛熱通量(W/m2);G表示水面向下部水體的導(dǎo)熱通量(W/m2).

上式中短波和大氣長波輻射量根據(jù)安置在江北固定測點的太陽總輻射和長波輻射儀測量，進(jìn)而得出凈輻射量.

顯熱通量、潛熱通量根據(jù)總體輸送法推算［10］

式中:CH，10表示測量高度10 m處的顯熱通量的總體輸送系數(shù);CE，10表示測量高度10 m處的潛熱通量的總體輸送系數(shù).

CH，10、CE，10一般可按下式(4)取值;U10、θ10、q10分別表示距水面10 m高度的風(fēng)速(m/s)、氣溫(℃)和比濕(g/kg);θsw為河流表面溫度(℃);qsw為河流飽和比濕［10］.

當(dāng)風(fēng)速和氣溫測量高度不是10 m時，需結(jié)合風(fēng)速、氣溫和比熱的垂直分布對上式進(jìn)行修正［10］.另外，由于水面－大氣之間的顯熱和潛熱交換由大氣湍動狀況決定，還需進(jìn)行大氣穩(wěn)定度的修正［10］.

大氣穩(wěn)定情況下，即θsw＜θ10，

大氣不穩(wěn)定情況下，即θsw＞θ10:

其中:

式中S、S0為表示大氣穩(wěn)定度的函數(shù).

2 實測結(jié)果和分析

2.1 典型日溫度變化

首先以8月6日及8月22日為例，給出由江北固定測點處的大氣溫度、水溫及觀景臺地表溫度數(shù)據(jù)繪制成的日溫度變化曲線，見圖1.在溫度偏高的晴朗天氣(8月6日)，隨著太陽輻射增強，由于混凝土地面蓄熱能力強，下墊面反照率高，且輻射冷卻時地表降溫遲緩，白天地表溫度明顯高于其他下墊面溫度及大氣溫度，保持在40℃之上，甚至達(dá)到50℃.與江面上空大氣溫度相比，約高14℃.由此可見城市不透水人工表面在城市高溫化進(jìn)程中的重要作用.另一方面，由于8月22日上午持續(xù)降雨和積水，致使地表溫度偏低，低于水溫約1℃.總體上，相對于其他下墊面和大氣溫度，地表溫度變動幅度更強烈，更易于受到太陽輻射的影響.

與地表溫度及大氣溫度相比，水溫全天變化曲線平緩.在晴朗天氣(8月6日)，江北固定測點處水溫低于河道上方的江北環(huán)境空氣溫度約3℃;而在溫度偏低的陰雨天氣(8月22日)，水溫則略高于河道上空的江北固定測點空氣溫度約2℃.這很好地說明了河流的蓄熱能力對周邊大氣的調(diào)節(jié)作用:即當(dāng)大氣溫度較高時作為城市冷源，起到降溫作用;而當(dāng)大氣溫度迅速降低時，又成為城市熱源，在一定程度上減緩降溫過程.

圖1 實測期間日溫度變化

2.2 河道內(nèi)水面動態(tài)日熱收支分析

以8月6日及8月22日為例，圖2為根據(jù)江北固定測點處的環(huán)境溫濕度及各個太陽輻射量等實測數(shù)據(jù)，根據(jù)前述熱平衡法原理測量得到的河道內(nèi)熱收支動態(tài)日變化.在晴朗天氣(8月6日)，凈輻射量值較大，可達(dá)700 W/m2.此時顯熱通量和潛熱通量(尤其是顯熱通量)相對較小，占凈輻射量的比例分別約為0.2%和1.8%.由前文給出的實測數(shù)據(jù)已知河流自身溫度在短時間內(nèi)變動很小，這說明太陽凈輻射量絕大多數(shù)通過導(dǎo)熱或透射的形式進(jìn)入到水體內(nèi)部，占到凈輻射量的98%.通過對流及輻射傳熱傳至河底，或在移流作用下，被河流帶至城市外部下游.

另一方面，在陰雨天氣(8月22日)，由于下向的短波輻射量值與云量密切相關(guān)，凈輻射量較小，大體在100 W/m2左右波動.此時顯熱通量和潛熱通量占凈輻射量的比例分別約為9.5%和51.3%.這是因為雖然陰雨天氣潛熱通量較晴朗天氣的潛熱通量有所減少，但凈輻射量減少得更大，所以顯熱通量和潛熱通量與凈輻射量的比值比晴朗天氣的比值大很多.這說明與晴朗天氣不同，在陰雨天氣，到達(dá)水面凈輻射量的大部分又以對流傳熱或傳質(zhì)的形式返回大氣.當(dāng)水面向上的顯熱通量和潛熱通量大于凈輻射量時，水體提供內(nèi)部熱量作為補償，此時導(dǎo)熱量出現(xiàn)負(fù)值.

圖2 實測期間日熱收支變化

圖3為整個實測階段除去陰雨等干擾顯熱量、潛熱量、導(dǎo)熱量及凈輻射量的最大值、最小值及平均值的分布圖.整個實測期間顯熱量和潛熱量占凈輻射量比例很小，凈輻射量和導(dǎo)熱量的平均值約為480 W/m2和400 W/m2，且實測期間多以晴好天氣為主，說明晴朗天氣中凈輻射量主要以導(dǎo)熱量為主，顯熱量和潛熱量的影響很小.

圖3 實測期間各熱量值變化

3 結(jié)論

1)地表溫度受太陽輻射影響最大.晴朗天氣，地表溫度明顯高于其他下墊面溫度及大氣溫度，且江北固定測點處水溫低于河道上方的江北環(huán)境空氣溫度約2℃.河流作為城市冷源，起到降溫作用.

2)陰雨天氣，水溫則略高于河道上空的江北固定測點空氣溫度約3℃.河流作為城市熱源，在一定程度上減緩降溫過程.

3)晴朗天氣，凈輻射量值較大，顯熱通量和潛熱通量占凈輻射量的比例很小，太陽凈輻射量絕大多數(shù)通過導(dǎo)熱或透射的形式進(jìn)入水體內(nèi)部.

4)陰雨天氣下凈輻射量較小，顯熱通量和潛熱通量占凈輻射量的比例明顯增大.水面凈輻射量的大部分以對流傳熱傳質(zhì)形式返回大氣.

致謝

感謝蔣志祥、冶永福、張春亮、王亞偉、何龍承同學(xué)在實測中的大力協(xié)助;感謝太陽島風(fēng)景區(qū)管理處的支持.

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Field measurement of the influence of large urban river on urban thermal climate

QI Jing-jing，LIU Jing，SONG Xiao-cheng，GUO Liang

(State Key Laboratory on Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，qijingjinghit@msn.com)

To obtain the specific influence of urban river on urban thermal climate in summer，fixed-point observation method is used to one-month field measurements in the section of Songhua River Basin in Harbin，and the data collection and analysis on temperature variations from several underlying surfaces and the atmosphere and dynamic thermal budgets have been finished.The results indicate that during the sunny days，ground surface temperature is mostly affected by solar radiation，and it is about 14℃ higher than atmosphere temperature above the river，while water temperature is about 3 ℃ lower than atmosphere temperature above the river.Meanwhile，net radiation rate reaches to 700 W/m2，while sensible heat flux and latent heat flux account for a small proportion of net radiation:only 0.2%and 1.8%respectively.The majority of net radiation could be considered to penetrate into the water through heat conduction and transmission while most of which is taken outside city as the river flows during sunny day.During the rainy days，the water temperature is about 2 ℃ higher than atmosphere temperature above the river，and the net radiation is about 100 W/m2，while the proportion of the sensible heat flux and latent heat flux in the whole net radiation is about 9.5%and 51.3%，respectively，which means that the main of net radiation from water surface returns to the atmosphere in the way of convective heat transfer and mass transfer.

urban river;urban thermal climate;field measurement;temperature variation;dynamic heat budge

P463.24

A

0367－6234(2011)10－0056－04

2010－04－14.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50879015);城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室自主課題(2008TS06).

齊靜靜(1985—)，女，碩士研究生;

劉 京(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)