華南地區(qū)人為熱排放特征

朱寬廣，趙 衛(wèi)，謝 旻，朱新勝，李明高，馮 文

(1.湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072；2.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046；3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；4.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203)

華南地區(qū)人為熱排放特征

朱寬廣1,2，趙 衛(wèi)3，謝 旻2,4①，朱新勝3，李明高1，馮 文4

(1.湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072；2.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046；3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；4.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570203)

利用1990—2015年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)能源年鑒》中海南、廣東、廣西以及香港的能源消費(fèi)與人口數(shù)據(jù)，分析上述地區(qū)人為熱排放在時(shí)間和空間上的分布特征及其影響因素。結(jié)果表明，海南、廣東和廣西的人為熱排放呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，1995—2014年其年均人為熱通量分別從0.09、0.47和0.16 W·m-2逐步增長(zhǎng)到0.49、1.68和0.44 W·m-2。人為熱排放的空間分布不均勻，2010年在珠三角、潮汕地區(qū)主要城市、湛江以及?？谛纬闪艘猿菂^(qū)為中心的相對(duì)人為熱高值區(qū)，其中廣州等大城市最大值約為50 W·m-2，香港超過(guò)100 W·m-2。這種分布與工商業(yè)發(fā)展程度以及人口密度密切相關(guān)。隨著人為熱排放的快速增長(zhǎng)，其對(duì)該區(qū)域局地氣候以及空氣質(zhì)量將造成愈來(lái)愈大的影響。

人為熱排放；華南；城市化；氣候強(qiáng)迫；能源消費(fèi)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人類活動(dòng)直接向大氣中排放了大量的熱量(人為熱),其對(duì)局地甚至區(qū)域氣候以及空氣質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響[1-2],特別是在工商業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的城市地區(qū)。多年研究結(jié)果已經(jīng)表明,人為熱排放是導(dǎo)致城市熱島形成的一個(gè)重要因素[3-5],ATWATER[6]通過(guò)邊界層模型模擬研究發(fā)現(xiàn),城市冬季和夏季人為熱通量平均值分別達(dá)92和170 W·m-2,可分別導(dǎo)致2.6～9.7和0.1～0.2 K的熱島強(qiáng)度。研究人為熱排放特征,有利于正確認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)地氣熱交換的影響,同時(shí)也是城市空氣質(zhì)量數(shù)值模擬中的重要內(nèi)容。

目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)不同尺度和不同地區(qū)的人為熱排放進(jìn)行了定量研究,FLANNER[7]估計(jì)全球尺度人為熱通量平均為0.028 W·m-2,美國(guó)、歐洲和中國(guó)分別為0.39、0.68和0.22 W·m-2;陳兵等[8]研究表明,2008年中國(guó)平均人為熱通量為0.28 W·m-2;謝旻等[9]發(fā)現(xiàn)中國(guó)人為熱通量從1985年的0.09 W·m-2增長(zhǎng)到2013年的0.38 W·m-2。在城市尺度上,ICHINOSE等[3]估算冬季日間東京城區(qū)人為熱通量平均可達(dá)400 W·m-2;LEE等[10]研究得到首爾平均人為熱通量為55 W·m-2;QUAH等[11]發(fā)現(xiàn)新加坡商業(yè)區(qū)人為熱通量最大值可達(dá)113 W·m-2;SAILOR等[12]對(duì)美國(guó)6個(gè)大城市的人為熱研究表明,其通量分別在早晚達(dá)到峰值,夏季和冬季分別可達(dá)60和75 W·m-2;KLYSIK[13]對(duì)波蘭羅茲市不同片區(qū)人為熱通量的研究表明,建成區(qū)年均人為熱通量為28.5 W·m-2,其中7月和1月分別為12和54 W·m-2;佟華等[14]研究表明,北京白天最高人為熱通量可達(dá)180 W·m-2。在更高分辨率上,人為熱對(duì)城區(qū)影響更顯著,可能對(duì)局地氣候產(chǎn)生大的影響。

近20多年來(lái),中國(guó)處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展時(shí)期。在華南地區(qū),由于城市集中,人口密度和工商業(yè)發(fā)展程度都非常高,人為熱排放造成的熱污染問(wèn)題較為突出。謝旻等[9]發(fā)現(xiàn)華南是我國(guó)人為熱排放的高值區(qū)域,2010年珠三角區(qū)域峰值為50 W·m-2左右;王志銘等[15]估算廣州城區(qū)人為熱排放,得到全天平均排放通量為41 W·m-2。隨著城市規(guī)模增加,華南地區(qū)城市人為熱排放量也逐年增加,可能對(duì)整個(gè)區(qū)域的氣候變化以及空氣質(zhì)量造成影響。因此,研究華南地區(qū)的人為熱空間分布特征,合理估計(jì)其隨時(shí)間變化的規(guī)律,對(duì)研究區(qū)域氣候、大氣環(huán)境以及城市合理布局、協(xié)調(diào)發(fā)展有重要意義。

1 資料與方法

1.1 人為熱排放估算方法

研究區(qū)為16.5°～25.3° N,101.7°～119.0° E之間的華南地區(qū),分為192×105個(gè)網(wǎng)格,網(wǎng)格分辨率為4 km(主要是由于人口分布資料的精度為4 km)。在每個(gè)格點(diǎn)上計(jì)算年均人為熱排放量,包括格點(diǎn)上能源消費(fèi)和人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量,據(jù)此得到人為熱排放的空間分布情況。參考FLANNER[7]、陳兵等[8]以及謝旻等[9]的研究成果,具體計(jì)算公式為

Q=Qf+Qm,

(1)

(2)

式(1)～(2)中,Q為人為熱通量，W·m-2;Qf為能源消費(fèi)產(chǎn)生的人為熱通量,W·m-2;Qm為人體新陳代謝產(chǎn)生的人為熱通量,W·m-2;Mi、Mv、Mr和Mo分別為在時(shí)間t(1 a)內(nèi)華南地區(qū)工業(yè)、交通運(yùn)輸、生活消費(fèi)和其他能源消費(fèi)量(來(lái)自相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),已換算成標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)量),萬(wàn)t;C為標(biāo)準(zhǔn)煤釋放的熱量,取值29 270 kJ·kg-1;Pg和P分別為格點(diǎn)上的人口數(shù)量和全省人口總數(shù),萬(wàn)人;s為格點(diǎn)代表的區(qū)域面積,取值16 km2。

Qm可以通過(guò)人在不同時(shí)刻的新陳代謝率估算,計(jì)算公式為

Qm=(Qd×η1+Qn×η2)×Pg。

(3)

式(3)中,Qd和Qn分別為人體非睡眠時(shí)間和睡眠時(shí)間的新陳代謝功率;η1和η2分別為非睡眠時(shí)間和睡眠時(shí)間對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。根據(jù)FANGER[16]和GUYTON[17]的研究結(jié)果,晚上人在睡眠時(shí)的新陳代謝功率約為75 W;白天時(shí)會(huì)有所增加,坐著、走路以及更加劇烈活動(dòng)時(shí)的新陳代謝功率分別是115、230和300 W。基于前人的研究,筆者通過(guò)對(duì)坐著、行走、更劇烈活動(dòng)和睡眠這4種狀態(tài)取加權(quán)平均,得到白天(非睡眠時(shí)間)人新陳代謝的平均功率約為Qd=175 W,晚上(睡眠時(shí)間)人的新陳代謝功率約為Qn=75 W,按每天非睡眠時(shí)間16 h和睡眠時(shí)間8 h,估算出η1和η2分別為0.667和0.333。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)1990—2015年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及《中國(guó)能源年鑒》,獲得廣東省、廣西省、海南省和香港歷年人口數(shù)量以及能源消費(fèi)數(shù)據(jù),還采用了來(lái)自于哥倫比亞大學(xué)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和應(yīng)用中心2.5 min×2.5 min分辨率的人口格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于人為熱排放包括工業(yè)、交通、民用以及商業(yè)排放等類型,產(chǎn)生的源頭可以是煤炭、石油、天然氣和電等能源,具有很強(qiáng)的時(shí)空非均勻性和不確定性,文中忽略了一些短時(shí)進(jìn)入或者離開(kāi)局地的熱量(例如過(guò)路運(yùn)輸、輸往外地的電能等),假設(shè)各地區(qū)進(jìn)出熱量平衡,利用各地區(qū)局地的能源消費(fèi)量來(lái)計(jì)算局地的人為熱特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 華南地區(qū)人為熱以及能源消費(fèi)的時(shí)間變化趨勢(shì)

1995—2014年華南3省(廣東、廣西和海南)人為熱以及能源消費(fèi)的逐年變化曲線見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,3個(gè)省的能源消費(fèi)量與年均人為熱通量持續(xù)上升,其變化趨勢(shì)基本一致。其中廣東的年均人為熱通量從1995年的0.47 W·m-2逐步增長(zhǎng)到2014年的1.68 W·m-2,廣西從1995年的0.16 W·m-2增長(zhǎng)到2014年的0.44 W·m-2,海南則從0.09 W·m-2逐步增長(zhǎng)到0.49 W·m-2。根據(jù)陳兵等[8]的研究,2008年廣東平均人為熱通量為1.40 W·m-2,筆者的研究結(jié)果與之一致。廣東人為熱通量在2002年之前增長(zhǎng)幅度平緩,在2002年后開(kāi)始快速增長(zhǎng),年平均增速達(dá)0.09 W·m-2，這主要與能源消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)密切相關(guān)。2002年后經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致能源消耗量急速上升,數(shù)據(jù)顯示廣東能源消費(fèi)年增量在2002年后可達(dá)2 000萬(wàn)t。廣西和海南人為熱通量低于廣東,但基本變化趨勢(shì)與廣東相同。

圖1 1995—2014年廣東、廣西和海南年均人為熱通量以及能源消費(fèi)量變化Fig.1 Annual mean anthropogenic heat fluxes and total energy consumptions in Guangdong, Guangxi and Hainan Province in recent years

廣東、廣西和海南年均人為熱通量的網(wǎng)格最大值變化見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,年均人為熱通量的區(qū)域最大值也逐年遞增,且廣東地區(qū)最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)廣西和海南。其中,2005和2010年廣東年均人為熱通量最大值分別達(dá)30和50 W·m-2。根據(jù)朱寬廣等[18]的研究,2005和2010年江蘇年均人為熱通量最大值分別為28.6和50.2 W·m-2,浙江年均人為熱通量最大值分別為25.1和39.3 W·m-2,筆者對(duì)于同為經(jīng)濟(jì)大省的廣東的估算結(jié)果,與江蘇和浙江在量級(jí)以及數(shù)值上基本一致。何曉鳳等[19]研究發(fā)現(xiàn),人為熱源對(duì)清晨城市邊界層逆溫結(jié)構(gòu)有破壞作用,會(huì)使夜間近地層氣溫明顯升高0.5～1.0 ℃;FLANNER[7]也指出,當(dāng)格點(diǎn)的人為熱通量超過(guò)3 W·m-2時(shí),會(huì)使格點(diǎn)處的年平均氣溫增加0.15 ℃,行星邊界層高度增加32 m。

圖2 廣東、廣西和海南年均人為熱通量的網(wǎng)格最大值Fig.2 Grid maximums of annual mean anthropogenic heat flux in Guangdong, Guangxi and Hainan

因此,在華南地區(qū),珠三角城市群人為熱排放的持續(xù)增加,將對(duì)珠三角城市群的局地流場(chǎng)造成重要影響,甚至影響區(qū)域平均氣溫和邊界層高度,使得華南地區(qū)的光化學(xué)反應(yīng)、污染物輸送等產(chǎn)生變化,進(jìn)而影響污染物的分布。

2.2 華南地區(qū)人為熱通量的空間分布

1995、2000、2005和2010年華南地區(qū)人為熱的空間分布情況見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),1995—2010年,空間各格點(diǎn)上人為熱釋放量持續(xù)增長(zhǎng)。1995年該地區(qū)的人為熱通量空間差異性較小,大部分地區(qū)人為熱通量小于0.5 W·m-2,且沿海地區(qū)人為熱通量高于內(nèi)陸地區(qū);僅在廣州、深圳、東莞、潮汕以及香港地區(qū)出現(xiàn)了相對(duì)高值區(qū)(>2.5 W·m-2),其中香港最大值超過(guò)50 W·m-2,這主要是由于當(dāng)時(shí)香港作為國(guó)際性大都市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度以及城市化程度都遙遙領(lǐng)先。2000年年均人為熱通量與1995年相比增量相對(duì)較小,其空間分布與1995年非常類似,主要特征為空間差異性較小,高值區(qū)仍位于廣州、深圳附近、潮汕地區(qū)以及香港。對(duì)照?qǐng)D1可以發(fā)現(xiàn),1995—2002年間,華南地區(qū)年平均人為熱通量增長(zhǎng)緩慢,但是在珠三角核心城市地區(qū)人為熱增量相對(duì)較大,廣州和深圳出現(xiàn)了人為熱通量超過(guò)5 W·m-2的地區(qū)。

在2000年后,隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源消費(fèi)增多,人為熱排放明顯增多。從2005年的人為熱空間分布圖可見(jiàn),人為熱通量小于0.1 W·m-2的區(qū)域明顯減少,大于2.5 W·m-2的區(qū)域明顯增多。特別在廣州、東莞、深圳、佛山、珠海、潮州以及汕頭等地區(qū),人為熱通量增長(zhǎng)很快,高值(>2.5 W·m-2)區(qū)域連接成片,不再局限于單個(gè)城市。廣州和深圳附近地區(qū)人為熱通量超過(guò)5 W·m-2的面積明顯擴(kuò)大,最大值已超過(guò)10 W·m-2;香港人為熱通量也有所增加,最大值已超過(guò)100 W·m-2;潮汕地區(qū)人為熱通量大于2.5 W·m-2的區(qū)域明顯增多;南寧、柳州、桂林、韶關(guān)、湛江以及?？诘瘸鞘兄苓呅纬闪巳藶闊嵬肯鄬?duì)高值區(qū),其中?？诤驼拷鹊氐娜藶闊嵬看笥?.5 W·m-2。

圖3 1995、2000、2005和2010年華南地區(qū)人為熱通量的空間分布特征Fig.3 Spatial distributions of anthropogenic heat flux in South China in 1995，2000，2005 and 2010

到2010年,人為熱通量的高值區(qū)已經(jīng)非常明顯,如以廣州、深圳以及香港為核心的片區(qū),以潮州、汕頭為核心的片區(qū),湛江附近地區(qū)以及單個(gè)城市(?？凇⒛蠈?、柳州、桂林和韶關(guān)等)附近。在廣州和深圳附近,大部分地區(qū)人為熱通量都已經(jīng)高于10 W·m-2;在潮汕地區(qū),人為熱通量大于5 W·m-2的地區(qū)明顯增多;海口和湛江出現(xiàn)了人為熱通量大于5 W·m-2的區(qū)域。隨著城市發(fā)展,人為熱通量高值區(qū)域面積會(huì)持續(xù)增加,潮汕地區(qū)、廣州和深圳片區(qū)以及湛江附近地區(qū)這3個(gè)高值區(qū)密切相連,可能會(huì)對(duì)整個(gè)華南地區(qū)的氣候以及環(huán)境空氣質(zhì)量造成重大影響。

2.3 華南地區(qū)典型城市人為熱通量

針對(duì)華南人為熱排放較大的典型城市,取對(duì)應(yīng)城市范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,統(tǒng)計(jì)其人為熱通量。由表1可知,1995—2010年所有城市的人為熱通量均有顯著增長(zhǎng)。珠三角城市群從1995年的2.96 W·m-2增長(zhǎng)到2010年的13.11 W·m-2,年均增長(zhǎng)量達(dá)0.7 W·m-2;潮汕地區(qū)和?？诘娜藶闊崮昃鲩L(zhǎng)量也分別達(dá)0.4和0.5 W·m-2。從表1還可知,1995—2000年間的增量相對(duì)較小,2000年后增長(zhǎng)速度加快,這主要與1998年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)導(dǎo)致我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)減速以及2001年我國(guó)加入世界貿(mào)易組織(WTO)后經(jīng)濟(jì)又快速增長(zhǎng)有關(guān)。珠三角作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,其人口密度和工商業(yè)發(fā)展程度都很高,隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,該地區(qū)人口規(guī)模以及能源消費(fèi)量快速增長(zhǎng),人為熱排放量也急劇增大。目前珠三角城市群的人為熱通量必然已超過(guò)13.11 W·m-2,其對(duì)局地流場(chǎng)、區(qū)域氣候以及空氣質(zhì)量都會(huì)造成重大影響。南寧和?？诘瘸鞘须m然規(guī)模相對(duì)較小,但人為熱的作用依舊不容忽視,特別是海口,不僅數(shù)值接近廣東的典型城市(表1),也明顯高于海南島其他區(qū)域(圖3),對(duì)海南局地氣候的影響值得進(jìn)一步研究。

表1 廣東、廣西和海南省幾個(gè)典型城區(qū)(城市群區(qū))的年平均人為熱通量

珠三角城市群指廣州、佛山、東莞和深圳等地;潮汕地區(qū)指潮州及汕頭地區(qū)。

3 結(jié)論

(1)1995—2014年,廣東、廣西以及海南人為熱通量逐年上升,其中廣東的年均人為熱通量從1995年的0.47 W·m-2逐步增長(zhǎng)到2013年的1.68 W·m-2,廣西從0.16 W·m-2增長(zhǎng)到0.44 W·m-2,海南則從0.09 W·m-2逐步增長(zhǎng)到0.49 W·m-2。廣東人為熱通量年均值遠(yuǎn)超廣西和海南,這與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及人口密度密切相關(guān)。

(2)華南地區(qū)人為熱通量的高值區(qū)主要集中在廣東沿海以及香港地區(qū),內(nèi)陸地區(qū)人為熱通量較低。2000年以前,大部分地區(qū)的人為熱通量小于0.5 W·m-2,超過(guò)2.5 W·m-2的地區(qū)只出現(xiàn)在廣州附近以及香港。到2010年,在廣州、佛山、東莞、深圳、潮州、汕頭等區(qū)域,高值(>2.5 W·m-2)區(qū)已經(jīng)連接成片,此外在南寧、柳州、桂林、韶關(guān)、湛江以及?？诘瘸鞘懈浇€存在以城市為中心的高值區(qū)。

(3)華南幾個(gè)典型城市的人為熱通量逐年增長(zhǎng),2010年珠三角城市群、潮汕地區(qū)以及海口的區(qū)域人為熱通量約為10 W·m-2,廣州的城區(qū)最大值約為50 W·m-2,香港已經(jīng)超過(guò)100 W·m-2。

(4)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的持續(xù),未來(lái)在城市群(城市圈)區(qū)域?qū)⑿纬杀姸嗟娜藶闊岣咧灯瑓^(qū),這將對(duì)區(qū)域氣候和大氣環(huán)境造成重大影響。因此,今后需要在氣候和空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)中考慮這部分人為熱,并進(jìn)一步探討其對(duì)氣象條件和空氣污染的具體影響。

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(責(zé)任編輯： 許 素)

Characteristics of the Temporal and Spatial Variation of Anthropogenic Heat Flux in South China.

ZHUKuan-guang1,2,ZHAOWei3,XIEMin2,4,ZHUXin-sheng3,LIMing-gao1,FENGWen4

(1.Hubei Academy of Environment Science, Wuhan 430072, China;2.School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210046, China;3.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;4.Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China)

Based on the data of regional energy consumption and population published in the “China Statistics Yearbooks” and the “China Energy Yearbooks” in 1990-2015, analyses were done for temporal and spatial distribution of anthropogenic heat flux (AHF) in South China (i. e. Hainan, Guangdong, Guangxi and Hong Kong) and its affecting factors. Results show that AHF kept going up with the time passing by in Hainan, Guangdong, and Guangxi, with the annual mean AHF rising from 0.09, 0.47 and 0.16 W·m-2in 1995 to 0.49, 1.68 and 0.44 W·m-2in 2014, respectively. AHF distributed unevenly in space. The year of 2010 found that the downtown areas of Zhanjiang, Haikou and those major cities in the Pearl River Delta and the Chaoshan District, were the centers of the regions relatively high in AHF, with Guangzhou and Hong Kong in particular, being 50 and 100 W·m-2, respectively, in AHF. Such a pattern of AHF distribution is thought to be closely related to the high degrees of industrial and commercial development and the high densities of population. During the period from 1995 to 2010, AHF in the above mentioned cities grew the most quickly or by as high as 0.7 W·m-2·a-1. The rapidly growing AHF will sure bring about greater impacts on climate and air quality of the regions in South China. It is, therefore, essential to pay more attention to the study on AHF and its effects.

anthropogenic heat flux; south China; urbanization; climate stress; energy consumption

2016-05-04

海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SCSF201401);國(guó)家自然科學(xué)基金(41475122)

X57

A

1673-4831(2017)03-0201-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.03.002

朱寬廣(1989—),男,湖北鄂州人,碩士生,主要從事空氣質(zhì)量觀測(cè)與模擬研究。E-mail: 1297178976@qq.com

① 通信作者E-mail: minxie@nju.edu.cn