云貴高原楚雄市屋頂綠化的氣象條件分析*

李矜霄，何 萍，薛強(qiáng)強(qiáng)

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044;2.楚雄師范學(xué)院地理科學(xué)與旅游管理系，云南 楚雄 675000;3.北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100084)

1 前言

城市氣候是在區(qū)域氣候的背景下，經(jīng)過(guò)城市化后，在人類(lèi)活動(dòng)影響下，而形成的一種局地氣候［1］。隨著城市的快速發(fā)展，大量的工廠、交通工具以及越來(lái)越多的城市人口向大氣中排放的二氧化碳等溫室氣體急劇增加，原有的草地、森林植被等被鋼筋混凝土所代替，從而導(dǎo)致了城市氣候的惡化，“城市熱島”、“城市干島”［1］等現(xiàn)象趨向嚴(yán)重。對(duì)城市建筑進(jìn)行屋頂綠化，可以減少溫室氣體排放，增加空氣濕度，有效緩解“城市熱島”“城市干島”現(xiàn)象;同時(shí)，又可增加城市綠地面積、美化城市、凈化空氣、改善生態(tài)環(huán)境［2］。據(jù)何萍等人研究，楚雄市的熱島效應(yīng)、干島效應(yīng)比較顯著［3］，所以楚雄市有必要發(fā)展屋頂綠化，要發(fā)展屋頂綠化，就要對(duì)其屋頂綠化的氣象條件及其對(duì)城市氣候的影響進(jìn)行分析。

本文利用楚雄市近30年 (1980—2009)的氣象資料和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，訂正得出楚雄市屋頂?shù)臍庀髷?shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析楚雄市屋頂各氣象因子的變化特征，為楚雄市發(fā)展屋頂綠化工作提供氣象數(shù)據(jù)參考。

2 楚雄市屋頂氣象要素分析

由于缺少楚雄市屋頂?shù)臍庀髷?shù)據(jù)，根據(jù)搜集統(tǒng)計(jì)的楚雄市1980年到2009年30年的氣象資料，并結(jié)合對(duì)楚雄師范學(xué)院地面與樓頂?shù)膶?shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)氣溫、相對(duì)濕度隨高度的垂直變化規(guī)律對(duì)氣溫和相對(duì)濕度進(jìn)行訂正，得出了楚雄市屋頂?shù)臍鉁?、相?duì)濕度的數(shù)據(jù)。其中，由于楚雄市氣象局的觀測(cè)場(chǎng)變遷過(guò)，所以1980—2002年的訂正高度為60米，即楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓樓頂?shù)暮０胃叨?(1832米)與楚雄市氣象局舊觀測(cè)場(chǎng)的海拔高度 (1772米)之差。2002年之后，由于楚雄市氣象局觀測(cè)場(chǎng)的搬遷，2003—2009年的訂正高度為8米，即楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓樓頂?shù)暮０胃叨?(1832米)與楚雄市氣象局新觀測(cè)場(chǎng)的海拔高度 (1824米)之差。經(jīng)實(shí)地查看與調(diào)查，楚雄市樓房高度偏低，這一高度 (1832米)超過(guò)了楚雄市主城區(qū)絕大多數(shù)樓頂?shù)暮０胃叨龋瑑H比楚雄市建成的以及在建的為數(shù)不多的幾幢高層建筑略低一些，因此比較具有代表性。日照、降水量、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)由于樓頂與地面沒(méi)有太大區(qū)別，所以，可以直接使用。城市屋頂?shù)娘L(fēng)速是多變的，影響其變化的因素也是復(fù)雜多樣的，就所查閱的文獻(xiàn)，目前沒(méi)有一種比較合理的訂正方法，所以，風(fēng)速的數(shù)據(jù)采用搜集到的原始數(shù)據(jù)，即高于地面10.3米的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

用EXCEL把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出各氣象因子近十年的月平均值，并繪制成趨勢(shì)圖，用來(lái)反應(yīng)各氣象因子的年變化、季度變化和日變化情況。其中，本文所采用的季節(jié)劃分是按照氣象學(xué)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，12月、1月、2月為冬季，3月、4月、5月為春季，6月、7月、8月為夏季，9月、10月、11月為秋季。

2.1 氣溫的特征分析

通過(guò)對(duì)楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓樓頂與地面2011年3月的實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用地面氣溫減樓頂氣溫得出地面與樓頂不同時(shí)刻以及全天的平均氣溫差如表1。總的來(lái)看，樓頂氣溫比地面低，不同的時(shí)刻呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，08時(shí)和14時(shí)樓頂比地面氣溫低，08時(shí)的溫差最大，達(dá)到0.83℃，20時(shí)樓頂氣溫比地面略高，全天的平均氣溫比地面低0.14℃。結(jié)合樓高 (15m)可以換算出楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓這一觀測(cè)點(diǎn)3月份的氣溫垂直遞減率為－0.9℃/100m(3月份是楚雄市的干季)，因此本文采用氣溫垂直遞減率干季為－0.9℃/100m，雨季為－0.6℃/100m來(lái)對(duì)楚雄市1980—2009近30年的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行訂正，從而得出楚雄市屋頂?shù)臍鉁財(cái)?shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其變化特征進(jìn)行分析。

表1 楚雄師范學(xué)院教學(xué)樓地面與樓頂3月溫差統(tǒng)計(jì)表 ℃Tab.1 The temperature difference between the floors and roof of Chuxiong normal college in march

由圖1可知，一年中楚雄市屋頂?shù)脑缕骄鶜鉁爻氏壬吆蠼档偷内厔?shì)，1月到6月氣溫逐漸升高，6月到12月又逐漸降低。1月的平均氣溫最低，只有9.1℃，6月份的平均氣溫最高，為21.2℃，兩者相差12.1℃。按四季的情況來(lái)看，冬季的氣溫較低，夏季氣溫較高。

圖1 楚雄市屋頂月平均氣溫分布圖Fig.1 The monthly average temperature variation of roof in Chuxiong City

通過(guò)對(duì)訂正過(guò)的楚雄市2009年1月 (冬季的代表)和7月 (夏季的代表)02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的平均氣溫統(tǒng)計(jì)分析，得出楚雄市屋頂氣溫的日變化特征 (表2)。一天當(dāng)中，14時(shí)的氣溫最高，冬季是14.0℃，夏季是24.4℃，兩者相差10.4℃。最低氣溫出現(xiàn)在08時(shí)，冬季與夏季相差13.2℃。另外，楚雄市屋頂?shù)臅円箿夭钕募韭孕∮诙?，冬季?.0℃，夏季僅為4.2℃。

表2 2009年楚雄市屋頂氣溫日變化特征 ℃Tab.2 The daily variation of roof temperature in Chuxiong City in 2009

由于訂正高度不大，只有60m，楚雄市屋頂與地面最大的氣溫差也只有0.54℃，所以其年變化、季節(jié)變化、日變化與地面并無(wú)太大變化，變化趨勢(shì)也一致。就氣溫方面，屋頂?shù)臍鉁貤l件也同樣適合植物生長(zhǎng)對(duì)氣溫的需求。

2.2 相對(duì)濕度的特征分析

通過(guò)對(duì)楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓樓頂與地面2011年3月的實(shí)測(cè)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用樓頂相對(duì)濕度減地面相對(duì)濕度，得出樓頂與地面不同時(shí)刻以及全天的平均相對(duì)濕度差如表3所示?？偟膩?lái)看，樓頂相對(duì)濕度比地面偏高，不同的時(shí)刻呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，08時(shí)樓頂與地面的相對(duì)濕度差最大，樓頂比地面高了2.52%，14時(shí)和20時(shí)樓頂比地面相對(duì)濕度偏低，樓頂全天的相對(duì)濕度比地面高0.47%。結(jié)合樓高 (15m)可以換算出楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓這一觀測(cè)點(diǎn)3月份的相對(duì)濕度的垂直遞減率為3.1%/100m(3月份是楚雄市的干季)，這一相對(duì)濕度的垂直遞減率與溪洛渡壩區(qū)旱季的氣溫垂直遞減率 (3%/100m)［4］極為接近，再加上兩地氣溫垂直遞減率的相似，因此本文采用溪洛渡壩區(qū)的相對(duì)濕度垂直變化規(guī)律 (氣溫垂直遞減率干季為3%/100m，雨季為1%/100m)［4］來(lái)對(duì)楚雄市相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，從而得出楚雄市屋頂?shù)南鄬?duì)濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其變化特征進(jìn)行分析。

表3 楚雄師范學(xué)院主教學(xué)樓地面與樓頂3月相對(duì)濕度差統(tǒng)計(jì)表(%)Tab.3 The relative humidity difference between the floors and roof of Chuxiong Normal University in march

從圖2可以看出，一年中，月平均相對(duì)濕度呈先減小，后增大，再緩慢減小的趨勢(shì)。2月到4月，月平均相對(duì)濕度較低，這主要是因?yàn)?，此段時(shí)間，楚雄市處于干季，降雨較少導(dǎo)致。5月到10月保持較高的月平均相對(duì)濕度，主要是因?yàn)?月到10月楚雄市處于雨季，月平均相對(duì)濕度最低的是3月，僅有53%，最高的是8月和9月，為82%，兩者相差29%。但總的看來(lái)，楚雄市屋頂?shù)南鄬?duì)濕度較高。按四季的情況來(lái)看，冬末春初，氣候干旱，降雨較少，蒸發(fā)旺盛，因此相對(duì)濕度最低，春季和秋季降雨較多，相對(duì)濕度較高。

通過(guò)對(duì)訂正過(guò)的楚雄市2009年1月 (冬季的代表)和7月 (夏季的代表)02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的平均相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)分析，得出楚雄市屋頂相對(duì)濕度的日變化特征 (表4)。一天當(dāng)中，08時(shí)的相對(duì)濕度最大，冬季是89.2%，夏季是87.1%，兩者相差2.1%℃。14時(shí)的相對(duì)濕度最小冬季是57.2%，夏季是65.1%，另外，楚雄市屋頂?shù)臅円瓜鄬?duì)濕度差夏季略小于冬季，冬季為25%，夏季僅為20%。

圖2 楚雄市各月相對(duì)濕度變化圖Fig.2 The average relative humidity on roof in Chuxiong City

表4 2009年楚雄市屋頂相對(duì)濕度日變化特征 %Tab.4 The daily variation of roof relative humidity in Chuxiong City in 2009

同氣溫一樣，由于訂正高度僅為60m，楚雄市屋頂與地面最大的相對(duì)濕度差也才有1.8%，所以其年變化、季節(jié)變化、日變化與地面無(wú)太大差異，變化趨勢(shì)也一致。所以，屋頂?shù)南鄬?duì)濕度條件同樣適合生長(zhǎng)在地面的植物，但晝夜變化大也應(yīng)考慮。

2.3 降水量的特征分析

由圖3可知，一年中月平均降水量先增多，到最高值時(shí)，又急劇減少，很明顯的分成干濕兩季，11月到次年的4月是降水較少月份，為干季，5月到10月是降水較多月份，為雨季。12月份和2月份的月平均降水量最少，僅為9.83mm，7月份的月平均降水量最多，為191.75 mm，二者相差181.92 mm。按四季的情況來(lái)看，楚雄市的降水四季差異很大，冬季降水最少，平均只有32.31mm，僅占全年降水的3%，降水量主要集中在夏季，平均達(dá)到545.19mm，占了全年降水的59%，春季和秋季的降水量分別占了全年的18%和20%。

圖3 楚雄市屋頂月降水量分布圖Fig.3 The average precipitation on roof in Chuxiong City

總的來(lái)看，楚雄市屋頂?shù)慕邓磕曜兓黠@，分為明顯的干濕兩季，降水主要集中在5到10月份，季節(jié)變化突出，夏季降雨較多。這種變化特征對(duì)于屋頂綠化來(lái)說(shuō)，具有很大的不利影響。首先，降水集中的月份雖然能給植物生長(zhǎng)提供大量的水分，但由于連續(xù)降雨或降水過(guò)多不利于綠化工程的實(shí)施。其次降水較少的月份雖然有利于綠化工程的實(shí)施，但卻不能給植物生長(zhǎng)提供足夠的水分，尤其是在植物生長(zhǎng)初期。所以，這樣的降雨量變化特征，需要在屋頂綠化工作中采取一些人為的調(diào)控措施，如降水多時(shí)排水，干旱時(shí)適當(dāng)澆灌等。

2.4 日照的特征分析

通過(guò)對(duì)近30年各月日照時(shí)數(shù)進(jìn)行平均，由圖4可見(jiàn)，一年中月平均日照總時(shí)數(shù)先略有上升，然后急劇下降，到最低值后，又開(kāi)始回升?？偟膩?lái)看，11月到次年的4月為干季，降水較少，月平均日照時(shí)數(shù)較多，5月到10月為雨季，降水較多，月平均日照時(shí)數(shù)較少。其中，8月份的日照時(shí)數(shù)最少，僅有91.76小時(shí)，3月份的日照時(shí)數(shù)最多，達(dá)到了223.53小時(shí)，兩者相差131.77小時(shí)。按四季的情況來(lái)看，夏季和秋季由于處于雨季，陰雨天多，所以日照時(shí)數(shù)較少，冬春兩季多處于干季，降水少，晴天多，所以日照時(shí)數(shù)較多?？偟膩?lái)看，楚雄市由于位于云貴高原上，所以屋頂光照充足，適合喜陽(yáng)植物的生長(zhǎng)。

圖4 楚雄市屋頂月日照時(shí)數(shù)分布圖Fig.4 The average sunshine on roof in Chuxiong City

2.5 風(fēng)速的特征分析

由圖5可知，一年中月平均風(fēng)速呈先增強(qiáng)，后急劇下降，然后又緩慢增強(qiáng)的趨勢(shì)，3月份到8月份呈減弱趨勢(shì)，8月份到次年的3月份呈增強(qiáng)趨勢(shì)。3月份的月平均風(fēng)速最大為2.3m/s，8月份的月平均風(fēng)速最小為1m/s，兩者相差1.3m/s。從四季平均風(fēng)速的分布情況來(lái)看，楚雄市夏秋兩季風(fēng)速較小，冬季和春季風(fēng)速較大。

從楚雄市地面的風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)看，楚雄市的風(fēng)速不大，即使在春季風(fēng)速比較大的月份，最大風(fēng)速也只有2.3 m/s。楚雄市屬于中小城市，高大建筑比較少，多為5到7層的樓房。所以楚雄市屋頂?shù)娘L(fēng)速較小，既有利于屋頂綠化工程的實(shí)施，也有利于植物的生長(zhǎng)。

圖5 楚雄市各月平均風(fēng)速分布圖Fig.5 The average wind speed sunshine in Chuxiong City

2.6 風(fēng)向的特征分析

從楚雄市1月 (圖6)和7月 (圖7)的風(fēng)向玫瑰圖可以得出，楚雄市冬季多偏西風(fēng)，夏季多西南風(fēng)和東南風(fēng)。因此，在屋頂實(shí)施綠化時(shí)，較高大植物不宜種植在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，即東北方向和西北方向，以免出現(xiàn)植物墜落砸傷行人或砸壞物體的危險(xiǎn)。

圖6 楚雄市1月風(fēng)向玫瑰圖Fig.6 The wind rose of Chuxiong in January

圖7 楚雄市7月風(fēng)向玫瑰圖Fig.7 The wind rose of Chuxiong in July

2.7 屋頂氣象條件評(píng)價(jià)

就目前主流的屋頂綠化植物品種，如佛甲草、矮生紫薇、菊花等生長(zhǎng)習(xí)性來(lái)看，楚雄市屋頂?shù)臍庀髼l件是比較優(yōu)越的，適合它們的生長(zhǎng)。光照充足，氣溫年變化不大，并且全年沒(méi)有0℃以下氣溫，比較溫和。相對(duì)濕度較大，雨量充足，但各月分布不均，分為明顯的干濕兩季，需要采取人工的排水、澆灌來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)速較小，不會(huì)影響到這些低矮植物、藤本植物的生長(zhǎng)，另外也有利于屋頂綠化工程的實(shí)施。因此，總體來(lái)看，楚雄市屋頂?shù)臍庀髼l件是適合發(fā)展屋頂綠化的。

3 結(jié)論與討論

(1)楚雄市屋頂?shù)臍鉁乇容^溫和，年際變化、四季變化不太明顯，與楚雄市四季如春的氣候特點(diǎn)相符。但由于位于云貴高原上，晝夜溫差較大，在屋頂綠化選擇植物及工程材料時(shí)應(yīng)考慮。

(2)全年相對(duì)濕度比較高，空氣濕潤(rùn)。只有冬末春初的2月到4月由于蒸發(fā)旺盛，降水又少，所以相對(duì)干燥一點(diǎn)。但同樣，由于相對(duì)濕度與氣溫的關(guān)系密切，所以氣溫的晝夜變化大，相對(duì)濕度的晝夜變化也較大，在屋頂綠化時(shí)要考慮。

(3)全年降水總量比較多，但分為明顯的干濕兩季，5月到10月是雨季，降水量多，11月到次年4月是干季，降水量少。日照的年際變化、四季變化趨勢(shì)與降水量剛好相反，雨季，陰雨天多，日照時(shí)數(shù)就偏少，干季，晴天多，日照時(shí)數(shù)就偏多。

(4)各月的月平均風(fēng)速都較小，四季變化不大;月平均最大風(fēng)速出現(xiàn)在3月份，月平均最小風(fēng)速出現(xiàn)在8月份;冬季多偏西風(fēng)，夏季多西南風(fēng)和東南風(fēng)。

(5)就目前屋頂綠化植物主要品種如佛甲草、菊花、紫薇等的生長(zhǎng)習(xí)性來(lái)看，楚雄市屋頂?shù)臍庀髼l件適合這些植物的生長(zhǎng)，適合發(fā)展屋頂綠化。對(duì)楚雄市屋頂氣象條件的分析為實(shí)施綠化過(guò)程中選擇具體的綠化植物以及對(duì)綠化植物的栽培管理提供了氣象參考。

(6)楚雄市發(fā)展屋頂綠化，將會(huì)對(duì)城市氣候有緩解城市熱島效應(yīng)、削弱城市干島效應(yīng)、減緩溫室效應(yīng)等諸多方面的影響。

［1］周淑貞，張超.城市氣候?qū)W導(dǎo)輪 ［M］.上海:華東師范大學(xué)出版社，1985:85—136.

［2］張海平 .淺析屋頂綠化對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響 ［J］.學(xué)術(shù)探討，2010，(07):299.

［3］何萍.楚雄市城市發(fā)展對(duì)氣候的影響分析 ［J］.楚雄師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，20(03):64—68.