廣州城市近地風(fēng)場特征研究

馮嫻慧，魏清泉

1. 華南理工大學(xué)，廣州 廣東 5106412；2. 中山大學(xué)，廣州 廣東 510275

城市覆蓋層內(nèi)外風(fēng)場狀況差異很大，盛行風(fēng)吹過城市的實際情況與風(fēng)吹過森林類似，氣流主要從林冠界面上邊通過，少量氣流進入林冠下面，界面上下是兩個環(huán)境特征差別很大的系統(tǒng)。城市的屋頂界面類似于森林的林冠界面，大部分氣流從城市屋頂界面上空吹過，對城市覆蓋層以下的近地層影響不大。城市汽車尾氣污染物的排放高度與人類呼吸帶高度都在城近地層內(nèi)，近地風(fēng)場對局地氣候的適宜性、污染物擴散均有影響，近地風(fēng)場狀況與城市建成區(qū)范圍，城市布局、建筑高度與密度、綠地與曠地面積以及分布狀況等因素有關(guān)，表現(xiàn)出復(fù)雜的特征[1]。

在近地風(fēng)場的形成方面，Bornstein[2]證實在城市弱風(fēng)條件下，城市下墊面的加熱作用將產(chǎn)生近地環(huán)流，近地環(huán)流將由于外來風(fēng)速增大而減弱。Arnfield[3]研究表明，當盛行風(fēng)微弱，城市近地風(fēng)速增大由于城市本身的熱力擾動。桑建國[4]運用解析解方法，推導(dǎo)證明在靜風(fēng)條件下，城市局地?zé)崃ψ饔卯a(chǎn)生的環(huán)流尤為明顯，并與城市布局相關(guān)。徐祥德[5]研究證明城市近地存在的局地次生尺度環(huán)流幅合結(jié)構(gòu)由城市區(qū)域尺度多個強弱程度不一的“次生”熱島效應(yīng)產(chǎn)生。在近地風(fēng)場的風(fēng)速方面，劉德義[6]利用 50年的氣象資料統(tǒng)計表明天津平均近地風(fēng)速總體呈減小趨勢，傾向率為0.35 m·s-1·(10a)-1。韓素芹[7]采用 MM5模擬研究表明，地面風(fēng)速微弱，平均風(fēng)速不足1 m·s-1。前人已經(jīng)開展從站點數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等方面研究近地風(fēng)場的形成以及風(fēng)速等方面的特征變化。

近年來，伴隨亞運等重大事件的開展以及廣州城市的快速發(fā)展，對于廣州近地氣候環(huán)境的變化也應(yīng)引起人們的重視，雖有利用站點氣候統(tǒng)計資料和MM5數(shù)值模擬研究廣州城市氣候與大氣污染分布的變化[8-9]。但對廣州城市近地風(fēng)場局地尺度的實地狀況研究等方面仍有待進一步開展，本文利用廣州市內(nèi) 15個實測測點的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)進行廣州近地風(fēng)場特性的分析，為城市布局規(guī)劃和近地氣候環(huán)境的改善提供參考依據(jù)。

1 實測方案設(shè)計

1.1 廣州城市概況

廣州地處南亞熱帶，屬南亞熱帶典型的季風(fēng)氣候，盛行風(fēng)風(fēng)向為冬季偏北風(fēng)，夏季偏南風(fēng)。據(jù)廣東省地面衛(wèi)星觀測站觀測資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從 1991年至2000年，廣州市年平均風(fēng)速最高為1.8 m·s-1，最低為 1.3 m·s-1，各月的平均風(fēng)速在 1.5～1.8 m·s-1之間[引用廣東省地面衛(wèi)星觀測站觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)（五山地面站）]。據(jù)天河地面觀測站2005年觀測數(shù)據(jù)，日平均風(fēng)速小于1.5 m·s-1狀況大約占70.7%，即每月有21天為靜風(fēng)狀況。

廣州市區(qū)北依白云山，珠江穿市而過，城市空間沿珠江向東和向西擴展，中心城區(qū)可以分為3個主要區(qū)域：（1）老城區(qū)位于城市西部，包括原荔灣區(qū)、越秀區(qū)和東山區(qū)等；（2）新城區(qū)主要位于城市中部，包括天河區(qū)等；（3）新城發(fā)展區(qū)位于城市東部，包括天河區(qū)東部等。

1.2 測點布置與儀器

根據(jù)廣州城市建設(shè)情況，對城市西部、中部、東部區(qū)域進行15測點分布，測點布置如圖1所示。測點 1、2、3、4位于城區(qū)東部，城市夏季上風(fēng)方向；測點5、6、7、8、9、10、11位于城市中軸線兩側(cè)區(qū)域，為城區(qū)中部；測點 12、13、14、15位于城區(qū)西部，老城區(qū)內(nèi)。

測試儀器選用熱球風(fēng)速儀，儀器精度為 0.1 m·s-1，采集頻率為1 h（手動）。測點說明：

測點 1：科韻路，南北向干道，位于廣州市新城區(qū)外圍發(fā)展區(qū)，城市夏季風(fēng)的上風(fēng)地帶。

測點 2：東方一路，小區(qū)道路，位于天河區(qū)東部，天河區(qū)政府附近，靠近天河公園，城市夏季風(fēng)的上風(fēng)地帶。

測點3：中山大道（北側(cè)），東西向主干道，位于城市東部。

測點4：中山大道（南側(cè)），東西向主干道，位于城市東部。

測點5：環(huán)市路（北側(cè)），老城區(qū)東西向主干道，測點位于城市中部。

測點6：環(huán)市路（南側(cè)），老城區(qū)東西向主干道，測點位于城市中部。

測點7：廣州大道北（東側(cè)），南北向主干道，位于城市中心區(qū)域。測點位于城市北部，城市冬季風(fēng)的上風(fēng)地帶。

測點8：廣州大道北（西側(cè)），南北向主干道，位于城市中心區(qū)域。測點位于城市北部，城市冬季風(fēng)的上風(fēng)地帶。

測點9：廣州大道五羊段（東側(cè)），南北向主干道，位于城市中心區(qū)域。測點位于城市南部，靠近珠江。

測點 10：廣州大道五羊段（西側(cè)），南北向主干道，位于城市中心區(qū)域。測點位于城市南部，靠近珠江。

測點11：華利路，靠近珠江的小區(qū)道路，位于城市中部區(qū)域。

測點 12：環(huán)市西路（北側(cè)），老城區(qū)東西向主干道，靠近越秀公園，測點位于城市西部。

測點 13：環(huán)市西路（南側(cè)），老城區(qū)東西向主干道，靠近越秀公園，測點位于城市西部。

測點 14：起義路，靠近珠江的道路，位于老城區(qū)。

測點15：東風(fēng)中路，老城區(qū)，城市西部的東西向主干道。

圖1 測點布置圖Fig.1 Measurement Point

1.3 測試期間的參考氣象數(shù)據(jù)（氣象數(shù)據(jù)來自http://www.wunderground.com）

實驗的觀測時間分別為2005年6月10—13日，11月15—17日，2006年4月15—17日，2008年10月17—19日，共12天，其中冬半年6天，夏半年6天。觀測時段選取早（9點）、中（13點）、晚（18點），1.5 m觀測高度。

2005年 6月 10—13日測試期間平均氣溫 30℃，最高氣溫37 ℃，最低氣溫25 ℃，高溫陣雨天氣。盛行風(fēng)速分別為1.4、1.67、1.67 m·s-1，能見度分別為5.9、9.5、7.2 km。2008年10月17—19日測試期間平均溫度為28.3 ℃，最高氣溫為33 ℃，最低氣溫為 23 ℃，天氣情況以晴朗為主。盛行風(fēng)速分別為1.9、1.4、0.83 m·s-1，能見度分別為8.8、8.7、9.3 km。2005年11月15—17日測試期間平均氣溫20.3 ℃，最高氣溫24 ℃，最低氣溫15 ℃，天氣以晴朗為主。盛行風(fēng)速分別為 4.17、3.9、2.78 m·s-1，能見度分別為11.2、13.1、11.8 km。2006年4月15—17日測試期間平均氣溫18 ℃，最高氣溫26 ℃，最低氣溫12 ℃，天氣以晴朗為主。盛行風(fēng)速分別為2.78、1.9、1.1 m·s-1，能見度分別為9.8、12.8、8.4 km。

測試期間廣州盛行風(fēng)風(fēng)速夏半年明顯小于冬半年，風(fēng)速增大的同時，城市能見度增大。盛行風(fēng)速最大值為4.17 m·s-1，最小值0.83 m·s-1，平均值2.37 m·s-1，夏半年平均風(fēng)速1.48 m·s-1，冬半年平均風(fēng)速 2.77 m·s-1。

2 近地風(fēng)場觀測結(jié)果分析

利用實地觀測數(shù)據(jù)進一步分析，得到圖2所示測試區(qū)域的 15個測試點平均風(fēng)速變化比較，表 1所示的測試區(qū)域內(nèi)15個測試點的最大風(fēng)向頻率。

圖2 測點平均風(fēng)速變化曲線Fig.2 Wind speed of measurement point

據(jù)實地觀測表明，廣州近地風(fēng)速微弱，通風(fēng)不良，風(fēng)速日變化不顯著。近地平均風(fēng)速比參考氣象數(shù)據(jù)削減90%左右。近地最大風(fēng)速小于1 m·s-1，平均風(fēng)速約0.25 m·s-1。廣州城市東西長、南北短，夏季盛行東、東南風(fēng)時，城市順風(fēng)向規(guī)模大，城區(qū)東部、中部與西部區(qū)域的近地風(fēng)場的風(fēng)向與風(fēng)速存在差異。據(jù)測點1至測點15的風(fēng)速變化，可以看到夏半年期間，從城市東部區(qū)域到西部區(qū)域，風(fēng)速有明顯減弱過程，風(fēng)速值的低谷在城市中部區(qū)域。城區(qū)西部觀測點的風(fēng)速反而有所增強。據(jù)風(fēng)向頻率分析，是由于受珠江江風(fēng)的影響，使得該區(qū)域近地風(fēng)速得以增大，這對于改善老城城區(qū)無風(fēng)狀態(tài)是有利的。觀測點1科韻路位于城市上風(fēng)向，日平均風(fēng)速可達0.65 m·s-1，觀測點14起義路因靠近珠江，其日平均風(fēng)速約為0.45 m·s-1，而城區(qū)中部的環(huán)市路日平均風(fēng)速僅為0.10 m·s-1，處于無風(fēng)狀態(tài)。珠江的江風(fēng)對觀測點 11、14的風(fēng)速有顯著影響，與其它測點相比，風(fēng)速有所增強。城區(qū)中心區(qū)測點 5、6風(fēng)速微弱，處于風(fēng)速低谷，甚至處于完全無風(fēng)狀況，推測由于天河區(qū)中軸線一帶高樓林立的擋風(fēng)作用，使該區(qū)域風(fēng)狀況靜止。測點7、8、9、10分別位于廣州大道南北端的兩側(cè)，其風(fēng)速與風(fēng)向明顯受到城市北部白云山山風(fēng)與珠江江風(fēng)的影響，風(fēng)速有所增強。起義路觀測點14靠近珠江，9:00、13:00、18:00風(fēng)向頻率為東南風(fēng)，即江風(fēng)的影響顯著。

表1 測點最大頻率風(fēng)向Table 1 Wind direction of measurement point

據(jù)觀測結(jié)果分析，市內(nèi)公園綠地如天河公園、越秀公園對周邊測點的風(fēng)速、風(fēng)向影響較為顯著。觀測點1、2、3、4在夏季9:00、13:00風(fēng)向頻率為南風(fēng)、東南風(fēng)，平均風(fēng)速近0.3 m·s-1。在天河公園以東的觀測點1，夏季9:00、13:00風(fēng)向頻率為東南風(fēng)，天河公園以西的觀測點 2、3、4在傍晚 18:00時段風(fēng)向頻率為西南、東南、南風(fēng)等，表現(xiàn)出受天河公園局地?zé)崃Νh(huán)流的影響。冬季 9:00、13:00風(fēng)向頻率為北風(fēng)、東北風(fēng)，18:00時段風(fēng)向頻率為東北、東南或無風(fēng)狀態(tài)。越秀公園北側(cè)的環(huán)市西路觀測點 12、13位于白云山南麓，在觀測期間內(nèi)，風(fēng)向多為東北、東、東南風(fēng)，9:00、13:00風(fēng)向頻率多東北風(fēng)，受白云山山風(fēng)影響，13:00風(fēng)向頻率多東南風(fēng)，受越秀公園熱力環(huán)流影響。

3 結(jié)論與探討

徐祥德[5]提出近地風(fēng)場的顯著特征為不同尺度的輻合熱力環(huán)流和微弱的盛行風(fēng)綜合作用。盛行風(fēng)受制于城市的摩擦消減作用，風(fēng)速極大輻度減小，靜風(fēng)頻率增高。當盛行風(fēng)微弱的時候，城市內(nèi)部的熱力環(huán)流表現(xiàn)出顯著的影響力，而伴隨盛行風(fēng)的增強，城市內(nèi)部的熱力環(huán)流會逐漸消失，兩者表現(xiàn)為互為生消的狀態(tài)。

在廣州的觀測表明，近地風(fēng)場的風(fēng)速微弱甚至無風(fēng)，城市有些地方空間開闊，風(fēng)速增強，如廣州大道北聯(lián)白云山，南通珠江，道路開敞，風(fēng)速相對大。有些地方則成為“風(fēng)影區(qū)”，基本處于無風(fēng)狀態(tài)。在盛行風(fēng)被極度削弱的同時，珠江江風(fēng)促成了城區(qū)相關(guān)測點風(fēng)速的增強。尤其西部老城區(qū)臨近珠江測點表現(xiàn)出主要特征是“江風(fēng)”。同時，白云山等北部山林的山風(fēng)以及大型綠地對周圍測點的風(fēng)場均有影響，這些局地的熱力環(huán)流促進了大氣的流動，改善近地風(fēng)速微弱甚至無風(fēng)的狀況。因此，城市的河流、山林以及大型綠地對城市近地風(fēng)場的影響值得關(guān)注，可進一步研究如何利用其改善城市的通風(fēng)。

當極端氣候災(zāi)害于大規(guī)模流行病爆發(fā)時，如“非典”疫情和城市嚴重大氣污染事件的發(fā)生，都將促使我們對當前城市空間發(fā)展與通風(fēng)問題進行反思。風(fēng)對于城市空氣質(zhì)量以及環(huán)境適宜度都有重要影響。隨著城市的擴展，城市近地風(fēng)速微弱，通風(fēng)不良，風(fēng)向變化復(fù)雜，據(jù)廣州的實地觀測結(jié)果，隨著城市高層建筑的建造和建筑密度的增加，城市近地風(fēng)速極度減弱，局部以至完全無風(fēng)狀態(tài)，這對于汽車日益增多，尾氣污染激增的城市是極為不利的。因此，關(guān)注城市近地風(fēng)場狀況，并以此為基礎(chǔ)，能進一步探討城市布局與城市近地風(fēng)場的相關(guān)性，對于實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

致謝：感謝佛山科技學(xué)院周榮教授和本科生參與并完成觀測實驗。

[1] 馮嫻慧, 周榮. 國外城市氣候特征的研究進展[J]. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 28(1): 49-52.FENG Xianhui, ZHOU Rong. Research development of climate characteristics of foreign urban [J].Journal of Foshan University:Natural Science Edition, 2010, 28(1): 49-52.

[2] Bornstein R D. Observation of the urban heat island effect in New York City[J]. J Appl Meteor, 1968,7:575-582.

[3] ARNFIELD A J, MILLS G M. An analysis of the circulation characteristics and energy budget of a day, asymmetric, east-west urban canyon I: Circulation characteristics[J]. Inter J Climate, 1994, 14: 119-134.

[4] 桑建國, 張治坤, 張伯寅. 熱島環(huán)流的動力學(xué)分析[J]. 氣象學(xué)報,2000, 58(3) :112-117.SANG Jianguo, ZHANG Zhikun, ZHANG Boyin. Dynamical analysis on heat island circulation[J]. Acta Meteor Sinica, 2000, 58(3):112-117.

[5] 徐祥德, 周秀驥, 施曉暉. 城市群落大氣污染源影響的空間結(jié)構(gòu)及尺度特征[J]. 中國科學(xué), 2005, 35(增刊): 1-19.XU Xiangde, ZHOU Xiuji, SHI Xiaohui. Spatial structure and scale feature of the atmospheric pollution source impact of city agglomeration[J].Science in China ser. D Earth Sciences, 2005, 35(suppl): 1-19.

[5] 劉德義, 黃鶴, 楊艷娟, 傅寧. 天津城市化對市區(qū)氣候環(huán)境的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(3): 610-614.LIU Deyi, HUANG He, YANG Yanjuan, FU Ning. The climate impact of urbanization in Tianjin city[J]. Ecology and Environmental Sciences.2010, 19(3): 610-614.

[7] 韓素芹, 孟冬梅，佟華，李向津，李英華. 天津城市熱島及其對污染物擴散影響的數(shù)值模擬[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2009, 18(2): 403-407.Han Suqin, Meng Dongmei, Tong Hua, Li Xiangjin, Li Yinghua.Numerical simulation of the urban heat island and its influence on the diffusion of pollutants in Tianjin[J]. Ecology and Environmental Sciences. 2009, 18(2): 403-407.

[8] 湯惠君. 廣州市大氣污染分布規(guī)律[J]. 地理研究, 2004, 23(4):495-503.TANG Huijun. Study on distribution regularity of the air pollution in Guangzhou City[J]. Geographical Research, 2004, 23(4): 495-503.

[9] 陳煥盛，王自發(fā)，吳其重，等．亞運時段廣州大氣污染物來源數(shù)值模擬研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010, 30( 11) : 2145-2153.CHEN Huangshen，WANG Zifa，WU Qizhong，et al．Source analysis of Guangzhou air pollutants by numerical simulation in the Asian Games Period[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(11):2145-2153.