基于城市環(huán)境氣候圖的寧波大氣環(huán)境分析與調(diào)控對(duì)策

劉樂(lè)樂(lè),趙小鋒,趙顏創(chuàng),鄧君俊

1 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021 2 中國(guó)科學(xué)院寧波城市環(huán)境觀測(cè)研究站, 寧波 315800 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

基于城市環(huán)境氣候圖的寧波大氣環(huán)境分析與調(diào)控對(duì)策

劉樂(lè)樂(lè)1,2,3,趙小鋒1,2,*,趙顏創(chuàng)1,2,鄧君俊1,2

1 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021 2 中國(guó)科學(xué)院寧波城市環(huán)境觀測(cè)研究站, 寧波 315800 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

城市化的蓬勃發(fā)展改變了城市氣候和環(huán)境,產(chǎn)生了諸多氣候環(huán)境問(wèn)題,需要有效的城市氣候環(huán)境信息與調(diào)控對(duì)策來(lái)應(yīng)對(duì)和緩解,城市環(huán)境氣候圖在城市氣候環(huán)境的規(guī)劃與調(diào)控方面提供了重要指導(dǎo)。在傳統(tǒng)城市氣候圖的基礎(chǔ)上,提出了多季節(jié)、多環(huán)境要素相結(jié)合的城市環(huán)境氣候圖構(gòu)建方法。在此基礎(chǔ)上,以具有復(fù)雜下墊面和明顯季節(jié)性氣候特征的寧波市區(qū)為案例,綜合運(yùn)用遙感反演、GIS空間分析、中尺度數(shù)值模擬等技術(shù)手段,對(duì)城市熱負(fù)荷、大氣污染、通風(fēng)潛力和風(fēng)場(chǎng)及整體的城市氣候環(huán)境進(jìn)行多季節(jié)分析與評(píng)估。結(jié)果表明：在形成城市氣候環(huán)境的主要要素方面,城市熱負(fù)荷、大氣污染物分布都具有顯著的季節(jié)性和空間性差異,寧波市春、夏季同時(shí)受熱負(fù)荷和大氣污染影響,冬季僅受大氣污染影響,秋季受二者影響均較??；通風(fēng)潛力的空間格局各季節(jié)之間具有高度的相似性；風(fēng)環(huán)境復(fù)雜多變,呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性和空間性差異。對(duì)城市氣候環(huán)境的整體分析發(fā)現(xiàn),城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)和中價(jià)值區(qū)主要分布于山林、農(nóng)田和水體,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于北侖、鎮(zhèn)海和杭州灣南岸的沿海重化工業(yè)帶,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布于江北區(qū)東部、鄞州城區(qū)東西兩翼、慈溪城區(qū)和奉化城區(qū)東北部等工廠廠房密集的區(qū)域。進(jìn)一步在前述分析的基礎(chǔ)上,提出了城市風(fēng)道規(guī)劃方案和氣候環(huán)境調(diào)控對(duì)策,包括2條一級(jí)風(fēng)道、5條二級(jí)風(fēng)道、3條受海陸風(fēng)影響的三級(jí)雙向風(fēng)道、12條受海陸風(fēng)影響的三級(jí)單向風(fēng)道、13條受山谷風(fēng)影響的三級(jí)單向風(fēng)道和七類城市氣候環(huán)境調(diào)控對(duì)策。提出的多季節(jié)、多環(huán)境要素相結(jié)合的城市環(huán)境氣候圖構(gòu)建方法適用于季風(fēng)氣候地區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境的分析與評(píng)估研究,能夠提高城市氣候環(huán)境分析的綜合性和準(zhǔn)確性,并能夠通過(guò)風(fēng)道規(guī)劃及相關(guān)調(diào)控對(duì)策的制定和實(shí)施改善城市熱負(fù)荷和大氣環(huán)境質(zhì)量,緩解各季節(jié)的城市氣候環(huán)境問(wèn)題,為城市環(huán)保、氣象、規(guī)劃等部門提供重要的決策支持,從而促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)城市建設(shè)。

城市氣候；熱負(fù)荷；風(fēng)環(huán)境；城市規(guī)劃；風(fēng)道；調(diào)控對(duì)策；寧波市

近30多年來(lái)我國(guó)城市化發(fā)展迅猛,伴隨著高速的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程,城市環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重,尤其是城市熱島[1-2]和灰霾[3-4],引起了各大城市的廣泛重視。2013中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)顯示,全國(guó)平均霧霾日數(shù)達(dá)35.9d,平均霧霾天數(shù)達(dá)52年以來(lái)之最[5]。由于污染物減排不可能無(wú)限制進(jìn)行,如何通過(guò)一定的城市規(guī)劃和管理策略,改善污染物擴(kuò)散條件,從而提高大氣環(huán)境質(zhì)量,已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染調(diào)控領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。城市環(huán)境氣候圖(Urban Climatic Map, UCMap)是近年來(lái)興起的一種融合了城市氣候環(huán)境和規(guī)劃建設(shè)相關(guān)因素的信息評(píng)估工具,利用兩維空間展現(xiàn)城市氣候環(huán)境現(xiàn)象和現(xiàn)存問(wèn)題,并結(jié)合城市土地利用現(xiàn)狀等信息做出科學(xué)評(píng)估最終指導(dǎo)城市建設(shè)與規(guī)劃實(shí)踐[6]。德國(guó)Knoch教授于20世紀(jì)50年代首次建議繪制一系列不同尺度且適合當(dāng)?shù)匾?guī)劃系統(tǒng)的城市環(huán)境氣候圖[7]。20世紀(jì)70年代,斯圖加特市氣候?qū)W家為減低弱風(fēng)環(huán)境下的氣候污染問(wèn)題,首次開(kāi)展城市環(huán)境氣候圖研究[8]。此后,德國(guó)其他城市和瑞士、奧地利、日本等20多個(gè)國(guó)家及我國(guó)的香港、北京、高雄、武漢等城市陸續(xù)開(kāi)展城市環(huán)境氣候圖的研究,以指導(dǎo)改善城市氣候環(huán)境,營(yíng)造健康舒適的人居環(huán)境[9-13]。其中,日本結(jié)合德國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn),通過(guò)分析城市的熱環(huán)境,利用海風(fēng)等“風(fēng)之道”來(lái)緩和城市熱島效應(yīng),形成了自己的研究體系[10-11]。中國(guó)香港基于德國(guó)和日本等研究經(jīng)驗(yàn),利用地理信息數(shù)據(jù)、實(shí)地測(cè)量、風(fēng)洞模擬等手段提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性[14]。

以往的城市環(huán)境氣候圖研究,在評(píng)估環(huán)境要素方面,多數(shù)主要考慮了城市熱島問(wèn)題,即便考慮大氣污染也很少考慮灰霾等近幾年才在國(guó)內(nèi)得到廣泛重視的環(huán)境問(wèn)題,例如日本Tokyo和Sakai等多個(gè)城市先后開(kāi)展的城市環(huán)境氣候圖研究[10-11]、賀曉冬等對(duì)北京市的研究[12]和林姚宇等對(duì)深圳市的研究[13]都僅從熱負(fù)荷問(wèn)題進(jìn)行分析與評(píng)估。在熱負(fù)荷和大氣環(huán)境信息獲取方面,多采用地面臺(tái)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),而缺乏多源遙感反演信息的綜合應(yīng)用,例如吳恩融團(tuán)隊(duì)對(duì)香港和高雄市的氣候環(huán)境研究等[14-15]。在評(píng)估季節(jié)選取方面,既有研究多數(shù)僅考慮夏季或冬夏兩季,缺乏對(duì)四季城市氣候環(huán)境的全面綜合分析,例如吳恩融等對(duì)香港氣候環(huán)境研究[15]、張偉等對(duì)北京夏季的城市氣候環(huán)境分析與評(píng)估工作[16]。在季風(fēng)氣候區(qū)由于復(fù)雜的自然環(huán)境和快速發(fā)展的城市化形成了具有明顯季節(jié)性的城市氣候環(huán)境特征,僅分析評(píng)價(jià)單一季節(jié)或單一環(huán)境問(wèn)題的城市氣候環(huán)境研究已不能滿足當(dāng)今城市規(guī)劃和發(fā)展的需要。本研究針對(duì)既有研究中存在的問(wèn)題,以寧波市區(qū)為研究區(qū),使用多源遙感反演信息和時(shí)空數(shù)據(jù),提出多季節(jié)、多環(huán)境要素相結(jié)合的城市環(huán)境氣候圖構(gòu)建方法,以適用于季風(fēng)氣候地區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境的分析與評(píng)估研究。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

寧波市位于中國(guó)海岸線中段,地理位置為120°55′E—122°16′ E、28°51′N—30°33′N,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,季風(fēng)交替明顯,多年平均氣溫為16.4℃,最熱和最冷月份分別為7月和1月,月均溫度分別為28.0℃、4.7 ℃。地勢(shì)西南高,東北低。綜合考慮周圍環(huán)境對(duì)寧波市區(qū)的影響,將研究范圍定為寧波市區(qū)及周圍的慈溪市、余姚市、奉化市(圖1)。

近30年來(lái),寧波城市化的快速發(fā)展、人口的膨脹、建筑密度和高度的增加、自然地貌的改變,使城市下墊面更為粗糙,城市內(nèi)部風(fēng)速減小,引起高溫天氣、霧霾等極端天氣頻發(fā)[17-18]。寧波市區(qū)年平均氣溫走勢(shì)總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),年平均風(fēng)速走勢(shì)總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)[19]。一年四季都出現(xiàn)了城市熱島效應(yīng),熱島強(qiáng)度夏季明顯強(qiáng)于冬季,并且呈增強(qiáng)趨勢(shì),熱島面積和熱島數(shù)量隨城市化進(jìn)程顯著增加[18]。另一方面,霧霾的出現(xiàn)導(dǎo)致全市大氣質(zhì)量迅速下降,2013年多次出現(xiàn)持續(xù)污染。如12月有27d污染,重度污染達(dá)8d,AQI(Air Quality Index)指數(shù)達(dá)448,創(chuàng)歷史最高[20]。大氣污染主要集中在春、冬兩季,呈明顯的季節(jié)性變化(圖2),市區(qū)污染程度明顯高于郊區(qū)。

2 研究方法

寧波城市氣候環(huán)境分析方法在傳統(tǒng)城市氣候圖基礎(chǔ)上,針對(duì)寧波城市氣候環(huán)境問(wèn)題,選取4月、7月、10月、翌年1月作為春季、夏季、秋季、冬季四季的代表月份,獲取多個(gè)季節(jié)、多種環(huán)境問(wèn)題的寧波市數(shù)據(jù),并進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)各代表月份的城市熱負(fù)荷、大氣污染、通風(fēng)潛力、風(fēng)環(huán)境等城市氣候環(huán)境進(jìn)行分析,進(jìn)而評(píng)估寧波氣候環(huán)境,提出調(diào)控對(duì)策。寧波城市環(huán)境氣候圖的構(gòu)建流程如圖3。

圖3 寧波城市氣候環(huán)境評(píng)估與調(diào)控構(gòu)建流程Fig.3 The flowchart of assessment and regulation on climatic environment of Ningbo City

2.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)研究目的和影像質(zhì)量,在2013—2014年間選取各代表月份的1景Landsat-8影像數(shù)據(jù),軌道號(hào)為118/39。根據(jù)2013—2014年間大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)AQI指數(shù),選取各季節(jié)大氣污染濃度較高時(shí)段的MODIS影像數(shù)據(jù),軌道號(hào)為H28V06。其它數(shù)據(jù)包括30m×30m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)、人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2010年第六次人口普查的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))、氣象數(shù)據(jù)等。所有影像均采用GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)系,UTM投影坐標(biāo)系(51N帶),30m×30m分辨率。本研究所用影像、氣象數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表1,采用的軟件包括ArcGIS 10.1、ENVI 5.0、WRF 2.2。

表1 本研究所用影像、氣象數(shù)據(jù)

a: 8個(gè)氣象站點(diǎn)為北侖、慈溪、奉化、鄞州、余姚、鎮(zhèn)海、寧海、象山；b：再分析資料包括以下7個(gè)基本要素：氣溫、位勢(shì)高度、相對(duì)濕度、垂直速度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 土地覆被信息提取

使用Landsat-8 OLI影像提取植被數(shù)據(jù)、森林?jǐn)?shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)和建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)。首先對(duì)OLI 影像1—9波段做重采樣和波段合成,運(yùn)用非監(jiān)督分類法劃分為6類土地覆被類型：森林、農(nóng)田、建設(shè)用地、水體、其它。然后根據(jù)歸一化植被指數(shù)NDVI值進(jìn)行閾值分割,劃分出NDVI<0為水體、0≤NDVI≤0.65為裸土混合類型、NDVI>0.65為植被,并對(duì)非監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行修正。

2.2.2 地表溫度反演

用Landsat-8熱紅外波段TIRS數(shù)據(jù)反演地表溫度[21]。針對(duì)Landsat-8的波段特性,選取的熱紅外波段是10波段(10.6—11.19μm)。首先將像元灰度值轉(zhuǎn)化為云頂輻射亮度,再對(duì)影像進(jìn)行大氣校正和發(fā)射率糾正,將云頂輻射亮度轉(zhuǎn)換為地表輻射亮度,然后將地表輻射亮度轉(zhuǎn)化為地表溫度。其中,大氣上行輻射亮度、大氣下行輻射亮度、大氣透射率來(lái)自于NASA網(wǎng)站的大氣參數(shù)數(shù)值查詢[22],基于土地覆蓋分類結(jié)果,根據(jù)查找表對(duì)發(fā)射率進(jìn)行賦值。

2.2.3 氣溶膠光學(xué)厚度反演

氣溶膠光學(xué)厚度 (Aerosol Optical Depth,AOD) 反演采用暗像元算法。首先根據(jù)6S輻射傳輸模型計(jì)算不同觀測(cè)狀況下,氣溶膠光學(xué)厚度與大氣參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立氣溶膠光學(xué)厚度查找表。然后選取寧波地區(qū)4景MODIS影像數(shù)據(jù),經(jīng)預(yù)處理之后,利用MODIS 2.1μm波段提取暗像元,根據(jù)暗像元可見(jiàn)光波段與該波段的線性關(guān)系,計(jì)算紅波段地表反射率,將其從紅波段的表觀反射率中去除,獲取大氣參數(shù)。最后讀取影像數(shù)據(jù)中的太陽(yáng)和傳感器的天頂角與方位角,在建立的查找表中進(jìn)行線性插值,得到氣溶膠光學(xué)厚度[23]。

2.2.4 中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式

本研究方案采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF(Weather Research and Forecast Model)對(duì)寧波2014年1月、2013年4月、2013年7月和2014年10月的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向進(jìn)行模擬。模式采用四重嵌套方式,第四層(最內(nèi))網(wǎng)格模擬區(qū)域包括120.55—122.64°E、28.98—30.49°N,66×54格點(diǎn)數(shù),3 km水平格距,每1h輸出1次結(jié)果,粗細(xì)網(wǎng)格選用Ferrier方案,長(zhǎng)波輻射選用RRTM方案,短波輻射選用Dudhia方案,近地面層選用Monin-Obukhov方案,陸面參數(shù)選用Noah方案,并耦合城市冠層模型,積云參數(shù)化方案粗網(wǎng)格選用Betts-Miller-Janjic方案,細(xì)網(wǎng)格不采用積云參數(shù)化方案,邊界層選用MRF方案[24-25]。將WRF模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明模擬出的風(fēng)向、風(fēng)速空間分布與觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的一致性,模擬的風(fēng)速值與觀測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.82以上。

2.2.5 山林提取

山地地區(qū)由于地形熱力作用形成山谷風(fēng),促進(jìn)當(dāng)?shù)卮髿饬魍?。有植被的山地即山林地區(qū)是城區(qū)新鮮大氣的重要發(fā)源地之一,對(duì)改善城區(qū)大氣和風(fēng)環(huán)境有重要影響[12]。采用ArcGIS 10.1空間分析工具的閾值分割操作對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度值劃分：坡度Slope≥40%和Slope<40%,并使用Buffer工具對(duì)Slope≥40%區(qū)域做100m緩沖區(qū)。然后與土地覆被分類結(jié)果疊加,提取Slope≥40%的100m緩沖區(qū)范圍內(nèi)同時(shí)為植被覆蓋的區(qū)域。

2.2.6 人口密度可視化

人口密度不僅對(duì)熱負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響,而且在一定程度上反映了城市建筑物高度和密集,及其對(duì)通風(fēng)潛力起負(fù)面影響。這里使用鄉(xiāng)鎮(zhèn)街名稱作為關(guān)鍵字,將分鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道的第六次人口普查常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),以實(shí)現(xiàn)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間可視化,并計(jì)算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街的人口密度。

2.3 城市氣候環(huán)境分析

2.3.1 城市熱負(fù)荷分析

城市熱負(fù)荷是城市內(nèi)部溫度升高的主要原因,為體現(xiàn)熱負(fù)荷的空間差異,根據(jù)公式(2)使用地表溫度數(shù)據(jù)計(jì)算獲得熱貢獻(xiàn)指數(shù)H：

(2)

2.3.2 城市大氣污染分析

氣溶膠光學(xué)厚度是一個(gè)表征大氣渾濁度的重要物理量,在一定程度上可以反映大氣污染程度[23]。氣溶膠光學(xué)厚度值的大小表征大氣污染濃度的強(qiáng)弱,對(duì)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行閾值分割,共劃分為4個(gè)等級(jí),所使用的閾值見(jiàn)表3。

表2 熱負(fù)荷分析中使用的閾值

表3 大氣污染分析中使用的閾值

2.3.3 城市通風(fēng)潛力分析

自然地表的大氣動(dòng)力學(xué)特征表明,地表粗糙度較低的地表類型,具有較高的通風(fēng)潛力,例如農(nóng)田、水體等自然景觀。森林、建設(shè)用地等地表粗糙度較高,通風(fēng)潛力相對(duì)較弱。因此,對(duì)森林、山林、建設(shè)用地、水體進(jìn)行分類賦值,所使用的閾值見(jiàn)表4,并對(duì)構(gòu)成要素進(jìn)行疊加,得到5類通風(fēng)潛力分析結(jié)果。

表4 通風(fēng)潛力分析中使用的閾值

2.3.4 城市風(fēng)環(huán)境分析

城市風(fēng)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。為了更全面的分析高空風(fēng)場(chǎng)和城市冠層風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)環(huán)境變化特征,使用ArcGIS 10.1地理配準(zhǔn)等操作把WRF模擬出的各代表月份平均風(fēng)向、風(fēng)速等風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、輸出和疊加分析,得到本研究的城市風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果。

2.3.5 城市氣候環(huán)境分析與規(guī)劃建議

城市氣候環(huán)境分析是基于輸入的各代表月份氣候數(shù)據(jù)和土地覆被信息,分析評(píng)估城市氣候環(huán)境狀況[6]。使用ArcGIS 10.1空間分析工具將篩選的各代表月份的熱負(fù)荷、大氣污染、通風(fēng)潛力分析結(jié)果分別進(jìn)行疊加計(jì)算和重分類,并疊加各代表月份的風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果,得到寧波市各代表月份的城市氣候環(huán)境分析結(jié)果,并建立全年的城市氣候環(huán)境分析。根據(jù)氣候環(huán)境區(qū)的分布特征、各自的氣候價(jià)值和規(guī)劃應(yīng)用目標(biāo)對(duì)氣候環(huán)境分析結(jié)果進(jìn)行歸類與評(píng)估,劃定出城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)、城市氣候環(huán)境中價(jià)值區(qū)、城市氣候環(huán)境低價(jià)值區(qū)、城市氣候環(huán)境過(guò)渡區(qū)、城市氣候環(huán)境低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、城市氣候環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和城市氣候環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

城市氣候環(huán)境規(guī)劃建議是以城市氣候環(huán)境分析結(jié)果為基礎(chǔ),在城市和區(qū)域尺度上,提出風(fēng)道規(guī)劃策略、綠化建議等改善城市氣候環(huán)境的城市規(guī)劃指導(dǎo)策略,以減緩氣候環(huán)境問(wèn)題,保護(hù)現(xiàn)存良好的氣候環(huán)境區(qū)域[26]。其中,風(fēng)道規(guī)劃是以水體、山林等氣候環(huán)境較好的城市氣候環(huán)境中、高價(jià)值區(qū)作為上游,城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)等氣候環(huán)境較差的城市氣候環(huán)境中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)作為下游,沿河流、街谷等可供冷空氣通過(guò)的線狀地物來(lái)規(guī)劃風(fēng)的流通路徑,從而達(dá)到改善城市氣候環(huán)境的目的。

3 結(jié)果與分析

3.1 各代表月份城市氣候環(huán)境分析與評(píng)估

寧波城市熱負(fù)荷在春、夏、秋、冬四季的分布和變化情況如圖4所示,熱負(fù)荷分布存在明顯的季節(jié)性和空間性差異。建成區(qū)熱負(fù)荷效應(yīng)明顯高于周邊的農(nóng)業(yè)用地、森林和水體,春、夏兩季熱負(fù)荷效應(yīng)明顯高于秋、冬兩季,春、夏兩季熱負(fù)荷空間分布上較廣,冬季熱負(fù)荷集中分布于沿海工業(yè)區(qū)。全年熱負(fù)荷主要分布于城鎮(zhèn)中心區(qū)及其外圍郊區(qū),特別是北侖-鎮(zhèn)海、慈溪-余姚等沿海工業(yè)帶。對(duì)熱負(fù)荷具有緩減緩作用的冷負(fù)荷主要分布于海拔較高的山區(qū)、植被茂盛的坡地和水域等。

圖4 寧波市四季熱負(fù)荷分析與評(píng)估Fig.4 Analysis and evaluation on thermal load in four seasons of Ningbo City

四季的氣溶膠光學(xué)厚度分布具有顯著的季節(jié)性和空間性差異(圖5),春、夏、冬三季氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到重度大氣污染等級(jí)的區(qū)域分別是706、684、500 km2,春、冬兩季氣溶膠光學(xué)厚度分布面積最為廣泛,分別占到研究區(qū)面積的70%和91%。寧波大氣污染總體分布呈聚集化,重度大區(qū)污染區(qū)主要分布于沿海工業(yè)帶和中心城區(qū),中度大氣污染區(qū)分布于城鎮(zhèn)及其周邊,輕度大氣污染區(qū)多分布于中度大氣污染和重度大氣污染的周邊地區(qū),輕微大氣污染的區(qū)域主要分布于海拔較高的山區(qū)。

圖5 寧波市四季大氣污染分析與評(píng)估Fig.5 Analysis and evaluation on air pollution in four seasons of Ningbo City

寧波通風(fēng)潛力分布和變化情況如圖6所示,可以發(fā)現(xiàn)通風(fēng)潛力分布具有顯著的空間差異性,其空間格局在季節(jié)上則具有高度的相似性。各類型通風(fēng)潛力斑塊呈聚集分布,高度通風(fēng)潛力分布于湖泊、河流和沿海地區(qū),較高通風(fēng)潛力多分布于農(nóng)田,中度通風(fēng)潛力分布于山林地區(qū)。較低通風(fēng)潛力分布于城鎮(zhèn)周邊地區(qū),低度通風(fēng)潛力主要聚集于建筑、人口密度較高的三江口主城區(qū)、慈溪中心城區(qū)、北侖沿海工業(yè)地帶等。低度通風(fēng)潛力形成的主要原因是由于人口和建筑密度較高、建筑布局不合理等,尤其是老城區(qū)內(nèi)部的建筑普遍低矮且高度均一,建筑排列緊密導(dǎo)致風(fēng)的滲透性較差。

圖6 寧波市四季通風(fēng)潛力分析與評(píng)估Fig.6 Analysis and evaluation on ventilation potential in four seasons of Ningbo City

圖7給出了寧波城市風(fēng)環(huán)境分布情況。從圖上可以看出,寧波整體城市風(fēng)環(huán)境復(fù)雜多變,具有顯著的季節(jié)性和空間性差異。春季以東風(fēng)和東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,建成區(qū)平均風(fēng)速約5 m/s；夏季以東北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,建成區(qū)整體通風(fēng)不良,平均風(fēng)速小于0.5 m/s,山谷風(fēng)作用顯著；秋、冬兩季以北風(fēng)、西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,沿海地區(qū)風(fēng)速高于建成區(qū),建成區(qū)平均風(fēng)速分別約為4 m/s和1.5 m/s。從有利于污染物擴(kuò)散的角度出發(fā),一般水平風(fēng)速低于0.5 m/s時(shí)易造成通風(fēng)不良、污染物擴(kuò)散能力減弱[13],因此對(duì)于建成區(qū)而言,需要合理利用風(fēng)環(huán)境信息,合理布局建筑物密度和排列方式,營(yíng)造開(kāi)闊寬敞的風(fēng)道。

3.2 城市氣候環(huán)境分析

城市氣候環(huán)境狀況分析與評(píng)估是本研究的核心工作,其成果為制定氣候環(huán)境問(wèn)題解決方案提供依據(jù)。從寧波城市氣候環(huán)境分析結(jié)果(圖8)看出,城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)和中價(jià)值區(qū)的城市氣候環(huán)境質(zhì)量良好,未承受熱負(fù)荷、大氣污染且通風(fēng)潛力好,是新鮮空氣的發(fā)源地,多分布于山體(如四明山)和水體(如東錢湖)。城市氣候環(huán)境低價(jià)值區(qū)和過(guò)渡區(qū)的城市氣候環(huán)境質(zhì)量處于中等水平,承受輕度熱負(fù)荷和大氣污染,通風(fēng)潛力較好,多分布于城鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田地區(qū)。另一方面,城市氣候環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的熱負(fù)荷強(qiáng)、大氣污染嚴(yán)重、通風(fēng)潛力低,通常位于北侖、鎮(zhèn)海和杭州灣南岸的沿海重化工業(yè)帶。城市氣候環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別承受了中、高度熱負(fù)荷和大氣污染,且通風(fēng)潛力較低,多分布于江北區(qū)東部、鄞州城區(qū)東西兩翼、慈溪城區(qū)和奉化城區(qū)東北部等工廠廠房密集的片區(qū)。城市氣候環(huán)境低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)則主要分布于一般的中低密度建成區(qū)。

3.3 城市氣候環(huán)境規(guī)劃與調(diào)控措施

通過(guò)綜合分析和篩選,確定了寧波風(fēng)道規(guī)劃方案,共包括2條一級(jí)風(fēng)道、5條二級(jí)風(fēng)道、3條受海陸風(fēng)影響的三級(jí)雙向風(fēng)道、12條受海陸風(fēng)影響的三級(jí)單向風(fēng)道和13條受山谷風(fēng)影響的三級(jí)單向風(fēng)道(圖9，圖10)。一級(jí)風(fēng)道位于甬江入?？凇罨罨袇^(qū)—象山港西岸一線,以及巖河入?？凇獛r河—東錢湖—橫溪水庫(kù)—象山港一線,利用具有降溫效應(yīng)的水體和夏、秋、冬三季主導(dǎo)風(fēng)向引導(dǎo)新鮮氣流進(jìn)入北侖鎮(zhèn)海工業(yè)帶、江北區(qū)東部、奉化城區(qū)等城市氣候環(huán)境高、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū),緩解夏、秋、冬三季的城市熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題。一級(jí)風(fēng)道需要嚴(yán)加保護(hù),限制甚至適當(dāng)擴(kuò)寬鎮(zhèn)海區(qū)、北侖區(qū)等風(fēng)道上游地區(qū)的街道寬度、降低建筑物高度和密度。二級(jí)風(fēng)道位于三江口公園—余姚江—牟山湖一線、江口鎮(zhèn)—溪口鎮(zhèn)—亭下水庫(kù)一線、甬江入海口—蛟山公園—靈芝山一線、甬江公園—世紀(jì)大道—天宮莊園一線、橫溪水庫(kù)—白杜鄉(xiāng)—西塢鎮(zhèn),利用一級(jí)風(fēng)道、氣候環(huán)境中高價(jià)值區(qū)和四季主導(dǎo)風(fēng)向,改善北侖、江東、鄞州、余姚市區(qū)、奉化市區(qū)等城市氣候環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或城市氣候環(huán)境低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的氣候環(huán)境,其中東—西、東南—西北向風(fēng)道主要緩解春季熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題,東北—西南向風(fēng)道主要緩解夏季熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題,北—南向風(fēng)道主要緩解秋、冬季的大氣污染問(wèn)題。二級(jí)風(fēng)道局部需要疏通和改善,串聯(lián)主要水體和綠地引導(dǎo)風(fēng)的流入。三級(jí)風(fēng)道利用城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)、城市氣候環(huán)境中價(jià)值區(qū)、一級(jí)風(fēng)道和二級(jí)風(fēng)道來(lái)改善局地小氣候環(huán)境,廊道沿線應(yīng)增加水體和綠化面積,根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向合理規(guī)劃街道和建筑物朝向,促進(jìn)城市內(nèi)部的局地環(huán)流。

圖7 寧波市四季風(fēng)環(huán)境分析與評(píng)估Fig.7 Analysis and evaluation on wind environment in four seasons of Ningbo City

圖8 寧波市氣候環(huán)境分析與評(píng)估Fig.8 Analysis and evaluation on climate environment of Ningbo City

圖9 寧波市氣候環(huán)境調(diào)控措施Fig.9 Adjustment measures on climate environment of Ningbo City

圖10 寧波城區(qū)氣候環(huán)境調(diào)控措施Fig.10 Adjustment measures on urban climate environment

城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)和城市氣候環(huán)境中價(jià)值區(qū)應(yīng)保護(hù)并拓寬風(fēng)道,避免開(kāi)發(fā)建設(shè),營(yíng)造城市高價(jià)值區(qū)之間的綠色聯(lián)系,提高城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)的影響力。城市氣候環(huán)境低價(jià)值區(qū)和城市氣候環(huán)境過(guò)渡區(qū)應(yīng)保護(hù)及改善現(xiàn)有環(huán)境,在空曠地帶擴(kuò)大綠化和水域面積并盡量?jī)?nèi)、外雙向延伸。城市氣候環(huán)境低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和城市氣候環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)避免該區(qū)域與城市氣候環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、城市氣候環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)連成一片,通過(guò)合理布局建筑、擴(kuò)寬街道和開(kāi)放綠色空間等途徑創(chuàng)造風(fēng)道,利用綠地或水面銜接建筑群,促進(jìn)通風(fēng)和冷空氣的交換。城市氣候環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)避免建造龐大的建筑物或在其周圍形成屏風(fēng)效應(yīng),控制人口密度、建筑物高度和密度,建筑物面向主要風(fēng)向及風(fēng)道,降低建筑物對(duì)風(fēng)道的阻力作用,提高該地區(qū)水域和綠化面積,減少人為熱的釋放量,改善能源利用結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

本研究對(duì)寧波城市氣候環(huán)境進(jìn)行了多季節(jié)、多環(huán)境要素的綜合分析與評(píng)估,主要得出以下3個(gè)結(jié)論：首先,寧波城市熱負(fù)荷、大氣污染都具有顯著的季節(jié)性和空間性差異,春、夏季同時(shí)受熱負(fù)荷和大氣污染影響,冬季僅受大氣污染影響,秋季受環(huán)境要素影響較小。通風(fēng)潛力分布具有顯著的空間差異性,其空間格局在季節(jié)上則具有高度的相似性。高度通風(fēng)潛力多分布于水體、農(nóng)田和山林,低度通風(fēng)潛力集中于建筑和人口密度較高地區(qū)。其次,城市氣候環(huán)境分析圖顯示寧波的城市氣候環(huán)境高價(jià)值區(qū)和中價(jià)值區(qū)分布于山林、農(nóng)田、水體,城市氣候環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)通常位于北侖、鎮(zhèn)海和杭州灣南岸的沿海重化工業(yè)帶,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布于江北區(qū)東部、鄞州城區(qū)東西兩翼、慈溪城區(qū)和奉化城區(qū)東北部等工廠廠房密集的片區(qū)。最后,根據(jù)城市氣候環(huán)境分析結(jié)果規(guī)劃出2條一級(jí)風(fēng)道,主要緩解夏、秋、冬三季的城市熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題,5條二級(jí)風(fēng)道,其中東—西、東南—西北向風(fēng)道主要緩解春季熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題,東北—西南向風(fēng)道主要緩解夏季熱負(fù)荷和大氣污染問(wèn)題,北—南向風(fēng)道主要緩解秋、冬季的大氣污染問(wèn)題。

研究綜合考慮了不同季節(jié)城市氣候環(huán)境的差異性和城市熱島、大氣污染雙重氣候環(huán)境問(wèn)題,從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取等方面對(duì)已有的城市氣候環(huán)境分析方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種針對(duì)多季節(jié)、多環(huán)境要素,空間化、可視化的城市氣候環(huán)境分析與評(píng)估方法。該方法適用于季風(fēng)氣候地區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境的分析與評(píng)估研究,能夠提高城市氣候環(huán)境分析的綜合性和準(zhǔn)確性,并能夠通過(guò)風(fēng)道規(guī)劃及相關(guān)調(diào)控對(duì)策的制定和實(shí)施改善城市熱負(fù)荷和大氣環(huán)境質(zhì)量,緩解各季節(jié)的城市氣候環(huán)境問(wèn)題,為城市環(huán)保、氣象、規(guī)劃等部門提供重要的決策支持,從而促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)城市建設(shè)。

與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究相比,本研究的特點(diǎn)在于：(1)研究區(qū)特征方面,針對(duì)我國(guó)季風(fēng)氣候區(qū)復(fù)雜的氣候環(huán)境特點(diǎn),對(duì)每個(gè)季節(jié)都進(jìn)行了全面綜合的分析與評(píng)估,而既有研究歐美日等城市通常只針對(duì)夏季開(kāi)展城市環(huán)境氣候圖的研究[10-11],偶有考慮冬季[7-9];(2)氣候環(huán)境要素方面,在城市熱島之外,考慮到我國(guó)城市大氣污染日益嚴(yán)重的的現(xiàn)狀,也將大氣污染納入了分析評(píng)價(jià),而當(dāng)前日本[10-11]、中國(guó)香港[14-15]等季風(fēng)氣候地區(qū)開(kāi)展的相關(guān)研究?jī)H考慮了夏季的城市熱島；(3)數(shù)據(jù)獲取方面,引入了MODIS遙感影像反演獲得的大氣氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù),代替既有相關(guān)研究中所采用的數(shù)量非常有限的地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)[6-7]來(lái)分析城市大氣污染,有利于獲得精細(xì)化的大氣污染物空間分布特征。

本研究雖然對(duì)傳統(tǒng)城市氣候圖方法進(jìn)行了改進(jìn),但在具體應(yīng)用中仍存在一定的問(wèn)題。例如土地利用、人口密度等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)精度不夠高,客觀上降低了氣候環(huán)境評(píng)價(jià)的精度,下一步將考慮使用高分辨率遙感等手段獲取精細(xì)的城市土地利用等信息。另一方面,WRF數(shù)值模擬的城市風(fēng)場(chǎng)空間分辨率也可以提高。最后在研究尺度方面,本文僅對(duì)城市尺度的氣候環(huán)境進(jìn)行了分析評(píng)估,下一步將改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,拓展數(shù)據(jù)獲取途徑,對(duì)小區(qū)尺度的氣候環(huán)境進(jìn)行精細(xì)評(píng)估,從而構(gòu)建多尺度、多層次的城市氣候環(huán)境分析與調(diào)控方法。

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Ningbo atmospheric environment analysis and regulating countermeasure based on Urban Climatic Map

LIU Lele1,2,3,ZHAO Xiaofeng1,2,*,ZHAO Yanchuang1,2,DENG Junjun1,2

1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China2NingboUrbanEnvironmentObservationandResearchStation,ChineseAcademyofSciences,Ningbo315800,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Rapid urbanization has changed the urban climate and environment. As a result, many climatic and environmental problems have emerged. Valid urban climatic environment analysis and regulating countermeasures are required in order to cope with and mitigate these issues. An urban climatic map provides important guidance for the planning and regulation of the urban climatic environment. Based on a traditional urban climatic map, this research proposes a new method of building an urban climatic map that considers all seasons and multiple environmental elements. The urban area in Ningbo City, with its complicated underlying surfaces and obvious seasonal climate characteristics, was used as a case study. The technical means, including remote-sensing inversion, spatial analysis of geographical information system (GIS), and mesoscale numerical model simulation, were comprehensively applied to conduct a multi-season analysis and evaluation of the urban thermal load, air pollution, ventilation potential, wind field, and overall urban climatic environment. The results indicate that the spatial distribution of the urban thermal load and air pollutants is characterized by significant seasonal and spatial differences in the principal elements of the formation of an urban climatic environment. Ningbo City is affected by both thermal load and air pollution in spring and summer, affected only by air pollution in the winter, and only slightly affected by both thermal load and air pollution in the autumn. The spatial patterns of ventilation potential are similar in all seasons. Remarkable seasonal and spatial differences are presented, as the wind environment is complex and subject to change. By conducting an overall analysis on urban climatic environments, we found that areas with high and middle values of urban climatic environment are mainly distributed in forests, croplands, and water bodies. Areas with a high risk of urban climatic environment are located in the heavy chemical industrial zones along the coast of Beilun District, Zhenhai District, as well as the southern part of Hangzhou Bay. Areas with an intermediate risk of urban climatic environments are found in the regions where large amounts of industrial factories are clustered, such as the eastern Jiangbei District, eastern and western sides of Yinzhou District, Cixi urban area, and northeast part of the Fenghua urban area. Based on the above analysis, the planning schemes of urban ventilation channels and the regulating countermeasures of climatic environments are further proposed. These include two first-class ventilation channels, five second-class ventilation channels, three third-class bidirectional ventilation channels which are impacted by land-sea breezes, twelve third-class unidirectional ventilation channels which are impacted by land-sea breezes, thirteen third-class unidirectional ventilation channels which are impacted by mountain-valley breezes, and seven types of countermeasures for urban climatic environment regulation. The method of building an urban climatic map considering all seasons and multiple environmental factors raised by this research is applicable to the analysis and evaluation research of the monsoon climate zones with complicated climatic environments. It may also improve urban thermal load and atmospheric environmental quality and ease the problems of urban climatic environments in all seasons. It may do so through ventilation channel planning and formulating and implementing relevant regulatory countermeasures so as to provide support for urban environmental protection, meteorological and planning departments, and promote sustainable urban development and the construction of an ecological city.

urban climate； thermal load；wind environment；urban planning；ventilation channel；regulation countermeasure；Ningbo City

寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201301A6107021)；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)布署資助項(xiàng)目(KJZD-EW-TZ-G06-02)；高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(30-Y30B13-9003-14/16)

2015-07-09;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201507091458

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: xfzhao@iue.ac.cn

劉樂(lè)樂(lè),趙小鋒,趙顏創(chuàng),鄧君俊.基于城市環(huán)境氣候圖的寧波大氣環(huán)境分析與調(diào)控對(duì)策.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(2):606-618.

Liu L L,Zhao X F,Zhao Y C,Deng J J.Ningbo atmospheric environment analysis and regulating countermeasure based on Urban Climatic Map.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):606-618.