供暖期城郊不同位置溫濕環(huán)境日變化特征
——以太原市為例

鈔錦龍，王雅譜，馬義娟，吳林棟，郝小梅，胡 磊

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030619，2.山西省氣象信息中,山西 晉中 030619)

0 引言

城市作為人口和經(jīng)濟(jì)集中分布的空間地域,隨著城市化進(jìn)程加快,城市人口規(guī)模及空間規(guī)模日趨增長.《2012年社會藍(lán)皮書》指出,在2011年中國歷史上第一次城市人口超過鄉(xiāng)村人口,城市化水平超過了50%.城市化一方面促使人口和產(chǎn)業(yè)在一定的空間范圍內(nèi)不斷地集聚,同時快速城市化過程會導(dǎo)致城市下墊面性質(zhì)發(fā)生較大改變.下墊面作為近地面空氣的直接熱源及重要的水汽來源,直接影響區(qū)域溫濕環(huán)境的變化特征.城市作為一個特殊的人工生態(tài)系統(tǒng),有著與非城市地區(qū)截然不同的環(huán)境.城市中高樓林立,建筑物高度集中,其地表性質(zhì)、粗糙度等條件的變化會引起城市內(nèi)部水熱環(huán)境發(fā)生相應(yīng)改變,直接影響著城市局部小氣候[1].同時,交通、商業(yè)和住宅區(qū)等人為熱源的加劇也導(dǎo)致熱島中心區(qū)域近地面氣溫、氣壓、相對濕度及大氣污染物與周圍地區(qū)形成顯著差異[2,3].這些環(huán)境與氣候的變化直接影響到人們的正常生活.城市空間熱環(huán)境的日益惡化已成為全球現(xiàn)代化城市氣候變化最為顯著的特征之一,其對城市空氣質(zhì)量改善、霧霾治理和植物健康生長帶來了極大的負(fù)面影響[3-5].因此,研究城市不同下墊面條件下環(huán)境的溫度和相對濕度的日變化對進(jìn)一步明確城市熱島效應(yīng)及提高人居環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義.

研究城市地表溫濕環(huán)境時空變化的目的在于分析城市溫濕環(huán)境在不同時間范圍內(nèi)二維或三維空間上的分布狀況、強度變化過程及其演變規(guī)律,但目前國內(nèi)外研究主要集中在城市年際或季節(jié)時間尺度上溫濕環(huán)境的二維空間格局變化[4],基于實測分析溫濕環(huán)境日變化特征相關(guān)研究還較少[5-12].此外,現(xiàn)有研究多利用國家或地方氣象站點氣象要素進(jìn)行分析[13-17],由于氣象站點所處下墊面隨城市擴張發(fā)生較大變化,在站點選取時并不能有效區(qū)分城市中心、近郊及郊區(qū)不同位置差異.再者,隨著衛(wèi)星遙感及數(shù)值模擬等技術(shù)的快速發(fā)展,研究者們將衛(wèi)星遙感資料及數(shù)值模擬、仿真等技術(shù)方法融入城市熱島及環(huán)境演變相關(guān)研究中[16-21],雖然其空間研究精度上有較大突破,但其反演精度受不同高度像元及氣溶膠粒子影響,尤其是冬季取暖期反演精度較低.

綜上所述，開展針對城市不同位置近地面溫濕環(huán)境的實測研究可更直觀有效地分析城市熱島效應(yīng)對周邊區(qū)域的影響.然而基于城市不同位置近地面空氣溫濕環(huán)境的實測研究較少，尤其是針對北方城市冬季供暖期近地表溫濕環(huán)境研究則更為少見[22-25].基于此，本研究以山西省省會城市太原為例，選取位于太原市城市中心、近郊及郊區(qū)三個不同觀測點進(jìn)行實地觀測，觀測時段為冬季供暖期，通過不同觀測點空氣溫度、相對濕度在供暖期不同天氣過程條件下的日變化特征分析城市不同位置溫濕環(huán)境差異.本研究的開展不僅對定量分析城市熱島效應(yīng)有直接的借鑒意義，同時對分析北方城市冬季供暖期城市溫濕環(huán)境及人居環(huán)境特征具有參照作用.

1 研究區(qū)概況及觀測點設(shè)置

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于太原盆地的北端,三面環(huán)山,平均海拔約800 m,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,晝夜溫差較大,日照充足,年平均氣溫9.5 ℃,一月份最冷,七月份最熱.夏季受東南季風(fēng)推動的濕熱氣團(tuán)控制,濕熱多雨.冬季受到蒙古冷高壓推動的冷干氣團(tuán)控制,較為干燥.春秋兩季較短,且溫度變化迅速.作為典型的北方城市,太原市每年11月份進(jìn)入供暖期,并且一直延續(xù)至次年的3月底.由于地處黃土高原,冬季受西伯利亞冷空氣影響較多,冷空氣過境時常出現(xiàn)大風(fēng)、降溫過程.此外,太原市能源消耗以燃煤為主,同時受地形影響,供暖期霧霾出現(xiàn)頻次較高,據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部2018年11月份全國城市空氣質(zhì)量報告統(tǒng)計,太原市城市環(huán)境質(zhì)量在全國169個城市中排名第166位,在全國空氣質(zhì)量相對較差的20位城市中排名第四,在全國屬于污染嚴(yán)重的城市.大風(fēng)降溫及霧霾成為太原市供暖期出現(xiàn)頻率較高的兩種天氣過程.

1.2 觀測點設(shè)置

為了探究距離市中心不同距離位置溫濕環(huán)境差異,本文選取了處于太原市市中心、近郊及郊區(qū)不同位置,且下墊面性質(zhì)相近的觀測點,三個觀測點呈南北縱向分布,如圖1所示,海拔高度相近,見表1.

表1 三個研究區(qū)域經(jīng)緯度及海拔高度

圖1 太原市三個觀測點地理位置

2 數(shù)據(jù)獲取及處理

2.1 觀測時間

觀測時間段選擇時,充分考慮太原市供暖期發(fā)生頻率較高的兩種天氣過程,即大風(fēng)降溫過程及霧霾過程,因此在觀測時段選擇時依據(jù)中國天氣網(wǎng)公布太原市天氣預(yù)報,使所觀測時段盡可能包含有以上兩種天氣過程,從而對比分析經(jīng)歷典型天氣過程時不同位置溫濕環(huán)境的變化特征.據(jù)此,本研究選擇2018年11月23日—2018年11月27日及2019年1月12日—2019年1月16日為觀測時間,前一時段太原市經(jīng)歷一次較嚴(yán)重霧霾,空氣質(zhì)量指數(shù)為200達(dá)到中度污染級別,后一時段太原市經(jīng)歷一次寒潮過境,降溫幅度較大，日均氣溫下降了7 ℃.

2.2 觀測內(nèi)容

在上述三個觀測點安置具有數(shù)據(jù)自計功能的HOBOware空氣溫度、相對濕度設(shè)備,溫度、相對濕度探頭設(shè)置高度為距地面1.5 m高,為了減少太陽輻射影響,儀器設(shè)備被固定安放于小型百葉箱中.為了提高數(shù)據(jù)的精度,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為10 s采集一次,數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)置為每10 min記錄一個數(shù)據(jù)值.

根據(jù)以上設(shè)置,基于實際觀測數(shù)據(jù),運用相關(guān)統(tǒng)計分析法對比不同觀測點空氣溫度、相對濕度記錄值,分析出供暖期處于城市不同位置近地表溫濕環(huán)境日變化特征,同時,對比分析不同位置點在經(jīng)歷典型天氣過程時溫濕環(huán)境變化差異.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同位置氣溫日變化特征

基于2018年11月和2019年1月兩次觀測數(shù)據(jù),分析太原市供暖期城市不同位置空氣溫度日變化特征.其中觀測時段有霧霾天氣過程見圖2(a),有大風(fēng)降溫天氣過程見圖2(b).

圖2 供暖期不同城市位置1.5 m高度氣溫日變化圖

如圖2所示,所處城市不同位置的三個觀測點其溫度日變化趨勢在未經(jīng)歷霧霾及大風(fēng)降溫天氣過程時呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律:越靠近城市中心,平均氣溫越高,這與城市熱島效應(yīng)有直接的關(guān)系,即是指由于城市化過程中人為改變自然地表引起或加強的城市區(qū)域地表及大氣溫度高于周邊非城市區(qū)的現(xiàn)象.此外,城市中心位置觀測點氣溫日變幅較小,為12.69 ℃,近郊測點次之,為13.21 ℃,郊區(qū)測點變幅最大,為22.35℃,即氣溫日較差郊區(qū)>近郊區(qū)域>市中心,且前后兩個不同觀測時間段均表現(xiàn)出這一規(guī)律.在兩個觀測時段未受天氣過程影響前,大氣層結(jié)較為穩(wěn)定,近地表氣溫起伏主要受下墊面熱量狀況決定,下墊面長波輻射成為空氣的主要熱源.前后兩個觀測時段均表現(xiàn)為:日出氣溫迅速回升,14時左右氣溫達(dá)到最高值,之后空氣溫度開始下降,降溫速率較增溫速率小.這與大氣中氣溶膠粒子的逆輻射有較大關(guān)系,因為午后與清晨相比,空氣中由于蒸發(fā)、熱湍流作用及人為活動擾動,進(jìn)入大氣中的總懸浮物午后較多,其保溫作用較強,因此空氣降溫速率較緩慢.從圖中還可以看出,未受兩種天氣過程影響的時段除11月25日之外,其余日最高氣溫值均出現(xiàn)在城郊結(jié)合部.這與城郊結(jié)合部特殊的地表性質(zhì)以及較優(yōu)的輻射狀況有關(guān).城郊結(jié)合部,其下墊面狀況及城市熱管鋪設(shè)與城市差異較小,但城市建筑密度較城市中心較小,城郊結(jié)合部大多為新建設(shè)建筑,在規(guī)劃建設(shè)過程中充分考慮建筑物的采光,與城市中心高密度的建筑及較多的遮陰區(qū)域相比,其單位面積可吸收太陽輻射量較大,因此表現(xiàn)出日最高氣溫較高.

如圖2(a)所示,在26日15時開始,太原市出現(xiàn)明顯的霧霾現(xiàn)象,空氣質(zhì)量指數(shù)由觀測時段內(nèi)23日的111逐漸上升至26日的200,27日開始降至181而后開始逐漸下降,能見度顯著降低.從圖可以看出:霧霾天氣過程出現(xiàn),可使不同觀測點氣溫平均提升2.43 ℃,其中郊區(qū)觀測點增幅最明顯,由原來-0.51 ℃增加至2.75 ℃.近郊次之,市中心郊最小.且在24日—25日已出現(xiàn)輕度霧霾.這與霧霾保溫作用有關(guān),霧霾加重時,原先可通過地面長波散失的熱量會因大氣中氣溶膠粒子散射輻射返回地面,從而使地面溫度降幅變小.此外,由于對太陽直接輻射的削弱,霧霾還可減緩白天氣溫的增長幅度.

如圖2(b)所示,1月14日下午16時左右,太原市經(jīng)歷了一次大風(fēng)降溫天氣過程,冷空氣侵入導(dǎo)致一天內(nèi)降溫達(dá)到11.70 ℃,最低溫度-15.71 ℃,降溫幅度已經(jīng)達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn).大幅度的大風(fēng)降溫天氣使3個測點溫度差異減弱,尤其在14日晚上20時到次日凌晨一時左右這一時段溫度基本接近,即使在15日白天,三個觀測點溫差不大于3 ℃.從圖中可以看出,大風(fēng)降溫后,由于溫度回升慢,城市中心與城郊結(jié)合部兩測點由于建筑物阻擋,風(fēng)速減小,加之受熱島效應(yīng)的作用,氣溫開始回升,然而郊區(qū)由于地域開闊,風(fēng)速較大,氣溫降幅明顯,在1月16日7時,最低氣溫降低至-15.71 ℃.

除了供熱管網(wǎng)的直接影響,這也可能是由于燃煤供暖法產(chǎn)生了大量的污染物,這些污染顆粒進(jìn)入大氣,使大氣中的氣溶膠微粒增加,導(dǎo)致空氣散射增強,同時這些大氣污染物減少了地表有效長波輻射所造成的熱量損耗,熱量不易散失,而霧霾對郊區(qū)的影響相對較小,所以市中心的平均溫度要高于郊區(qū).

3.2 不同位置相對濕度日變化特征

相對濕度是指空氣中水汽壓與同溫度下飽和水汽壓之比,用于表征空氣距離飽和程度.常被用于人居氣象環(huán)境的重要指標(biāo).本研究基于兩次觀測數(shù)據(jù),分析太原市供暖期城市不同位置空氣相對濕度日變化特征,同時結(jié)合兩次天氣過程進(jìn)行詳細(xì)分析.霧霾天氣過程見圖3(a),大風(fēng)降溫天氣過程見圖3(b).

圖3 供暖期不同城市位置1.5 m高度空氣相對濕度日變化圖

如圖3所示,在無天氣過程影響時,相對濕度總體均表現(xiàn)為規(guī)律性的晝夜高低起伏變化,午后15時-16時,相對濕度達(dá)到最低值,凌晨5時-8時達(dá)到峰值.且在波動過程中郊區(qū)測點平均相對濕度最大,為71.11%,近郊測點次之,達(dá)到47.16%,市中心測點最小,為36.92%.這與三個測點空氣溫度有直接相關(guān)性.空氣相對濕度與空氣溫度的關(guān)系為,隨著溫度的升高,相對濕度呈指數(shù)下降.日出后,隨著氣溫的回升,城市中心、城郊結(jié)合部及郊區(qū)相對濕度均迅速下降,而凌晨時段,由于氣溫較低,該溫度下的飽和水汽壓低,加之空氣下沉,水汽凝結(jié)于近地表,因此三個觀測點相對濕度在該時段均較高.

如圖3(a)所示,霧霾天氣條件下,不同位置測點相對濕度均較無霧霾時有明顯下降,市中心降幅最為顯著,由34.09%下降到20.76%.這不僅與霧霾天氣的保溫作用使城市氣溫較高有關(guān),同時城市區(qū)域霧霾組成成分中由于受人類活動的影響固體顆粒物成分較多,當(dāng)大氣中水汽含量增加時,水分子易被固體顆粒物吸附沉降,從而使得城市測點空氣相對濕度降低[26-27].另外在大風(fēng)降溫天氣過程的影響下,相對濕度也出現(xiàn)了明顯下降的趨勢,平均相對濕度接近21.51%,且在冷空氣活動較為強勁時城市中心、近郊區(qū)域及郊區(qū)三個測點相對濕度差異非常小,極差值僅為2.49,隨著冷空氣的過境,三個觀測點間相對濕度差異又開始突顯.

通過上述分析發(fā)現(xiàn),太原市作為我國北方以燃煤為主要供暖來源的城市,其供暖期近地表溫濕環(huán)境會受所處城市不同位置而有較大差異.通過對兩種天氣過程(霧霾、大風(fēng)降溫)1.5 m高空氣溫度與相對濕度的觀測,明晰了北方城市冬季典型天氣過程對近地表溫濕環(huán)境的影響.城市化進(jìn)程中由于城市范圍的擴張會對不同區(qū)域所處溫濕環(huán)境產(chǎn)生直接影響.

4 結(jié)論與討論

1)供暖期太原市處于不同城市位置的觀測點其1.5 m高度溫濕環(huán)境存在較大差異,當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定,無明顯天氣過程時,各測點氣溫表現(xiàn)為:城市中心>近郊區(qū)域>郊區(qū).據(jù)本研究兩次實測結(jié)果顯示:城市中心平均氣溫1.72 ℃ ,城郊結(jié)合部為0.77 ℃,郊區(qū)為-2.71 ℃.同時,三個測點氣溫最高值出現(xiàn)在13時-15時,最低值出現(xiàn)在6時-8時；相對濕度在無明顯天氣過程中總體表現(xiàn)為:郊區(qū)>近郊區(qū)域>城市中心.

2)當(dāng)霧霾天氣出現(xiàn)時,三個不同觀測點1.5 m高度溫濕度與之前相比出現(xiàn)了極大的變化.霧霾天氣使三個觀測點平均溫度提升了2.43 ℃,相對濕度平均下降了約14.50,變化幅度表現(xiàn)為:市中心>近郊區(qū)域>郊區(qū).

3)大風(fēng)天氣1.5 m高度三個研究區(qū)域溫濕度發(fā)生了明顯的變化.大幅度的大風(fēng)降溫天氣不僅使三個測點溫度與濕度顯著下降,同時也減弱了三個區(qū)域之間的差異.大風(fēng)降溫天氣使三個觀測區(qū)域溫差減至3 ℃以內(nèi),相對濕度的極值差僅有2.49,而且無論是溫度還是相對濕度變化最顯著的都是市中心的觀測區(qū).

近年來,隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,城市的人口越來越密集,城市下墊面性質(zhì)經(jīng)歷較大的改變,這均會對城市及周邊地區(qū)的溫濕環(huán)境產(chǎn)生較大的影響.開展城市溫濕環(huán)境等細(xì)化城市熱島效應(yīng)相關(guān)研究對提升區(qū)域人居環(huán)境及優(yōu)化城市規(guī)劃等方面具有重要的實際意義.