石家莊市風環(huán)境容量變化特征及區(qū)劃研究

韓軍彩 ， 張艷品 ， 冉 升 ， 陳 靜 ， 石文雅

石家莊市氣象局， 河北 石家莊 050081

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，造成了城市局地氣候顯著變化(徐陽陽等，2009；趙娜等，2011；竇晶晶等，2014；張茜和李國棟，2016)，一定范圍內(nèi)的氣候只能承載有限的社會、經(jīng)濟、人口等要素(閆勝軍等，2016)。影響氣候容量的因子有很多，如溫度、風、降水、光照等，其中風速的大小影響著城市空氣污染稀釋擴散，城市通風能力對緩解城市熱島效應、提高人體舒適度及城市宜居性起著重要的作用(朱亞斕等，2008；潘家華等，2014；彭王敏子等，2019)。如何核定一個地區(qū)或一個城市的氣候容量或氣候承載力，特別是從風環(huán)境方面入手對一個地區(qū)氣候容量加以限定，科學地提出適宜本地發(fā)展的氣候容量計算指標，對應對氣候變化和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學者對城市風環(huán)境進行了許多探索性研究。鄭拴寧等(2012)綜述了目前國內(nèi)外城市環(huán)境中自然通風的研究現(xiàn)狀，從城市環(huán)境中自然通風的監(jiān)測、模擬及應用三個方面進行了分析，并對后續(xù)研究熱點和關(guān)鍵問題進行了展望；黃柏良(2011)研究表明，風環(huán)境容量的大小與垂直方向上混合層高度、水平方向上風速大小兩個因子有關(guān)，在城市中還同時受到“城市因素”干擾；劉輝志等(2005)開展了城市高大建筑群周圍風環(huán)境研究，發(fā)現(xiàn)城市中高大建筑物和建筑群會顯著改變城市近地面層風場結(jié)構(gòu)，在有較強來流時,建筑物周圍某些地區(qū)會出現(xiàn)強風；Kasim等(2014)利用流體力學計算方法對城市風環(huán)境進行了評估；杜吳鵬等(2017)利用地表粗糙度長度、風速和混合層高度三個因子研究了北京市風環(huán)境容量，建立了風環(huán)境容量指標體系并進行了區(qū)劃研究；李磊等(2012)研究發(fā)現(xiàn)利用數(shù)值模式對城市街區(qū)詳細規(guī)劃通風評估是提高城市街區(qū)通風能力的一種經(jīng)濟簡便易行的方法,適合在我國推廣。

石家莊西依太行山，東部為廣闊平原，地形復雜，風環(huán)境容量存在顯著的區(qū)域差異，近年來對石家莊風環(huán)境的研究多集中在風向風速變化特征、城市化影響及污染擴散條件分析(張夏琨等，2011；閻訪等，2014；韓軍彩等，2016；卞韜等，2018)，但利用風環(huán)境容量指標綜合表現(xiàn)自然生態(tài)和人類活動共同對石家莊地區(qū)通風能力的影響還比較少。因此，文中利用石家莊市國家基本地面氣象觀測站的觀測資料和城市建筑地理信息和衛(wèi)星遙感資料，進行石家莊全市風環(huán)境容量指標的綜合研究，形成適于石家莊的風環(huán)境容量研究成果，為石家莊市有效應對大氣污染及制定中長期發(fā)展規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

文中使用的資料包括：1) 氣象資料：石家莊市主城區(qū)及周邊縣(市)區(qū)共16個地面氣象觀測站(表1)經(jīng)過質(zhì)量控制的2014—2018年逐日02時(BT,下同)、08時、14時、20時風速，石家莊市主城區(qū)國家站逐日08時、14時、20時總云量、低云量。2) ERA-Interim再分析資料，由于石家莊市主城區(qū)國家站的02時及其他縣(市、區(qū))站4個時次云量均已停止人工觀測，因此缺測的總云量、低云量用歐洲中心再分析資料 ERA-Interim代替，水平分辨率0.25°×0.25°，時間為每日02時、08時、14時、20時。3) 地理信息資料：為了盡可能保證各數(shù)據(jù)資料時間的一致性，石家莊市主城區(qū)最新高分辨率建筑基礎地理信息資料為2017年1∶2000的建筑物總層數(shù)和建筑物面積百分比數(shù)據(jù)，其他地區(qū)為2017年MODIS衛(wèi)星資料反演的植被類型、葉面積指數(shù)和植被高度數(shù)據(jù)。

1.2 方 法

文中選取影響風環(huán)境容量的指標主要包括地面的水平風速、大氣垂直混合層高度以及不同下墊面的地表粗糙度長度。

混合層高度的計算采用國家標準《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法(GB/T 3840—91)》中推薦的方法。首先求出太陽傾角和高度角，然后得到太陽輻射等級，再結(jié)合地面風速得到不同等級大氣穩(wěn)定度。其中大氣穩(wěn)定度等級采用 Pasquill 法(1961)中的分類法共分為6個等級，最后，利用不同等級穩(wěn)定度下混合層高度的計算方法，得到大氣混合層高度。

地表粗糙度長度在主城區(qū)和非主城區(qū)分別采用2種計算方法。石家莊市主城區(qū)利用矢量的建筑數(shù)據(jù)，估算建筑覆蓋率和建筑高度，采用Grimmond和Oke(1999)的城市形態(tài)學模型來估算地表粗糙度長度；非主城區(qū)利用衛(wèi)星遙感資料反演得到不同植被類型覆蓋地區(qū)的植被高度和葉面積指數(shù)，根據(jù)Raupach(1994)提出的形態(tài)學模型法計算該區(qū)域內(nèi)的粗糙度長度。

首先對影響風環(huán)境容量的3個指標采用無量綱化方法進行歸一化處理。由于風速和混合層高度值越大，大氣水平和垂直擴散能力越好，對應的風環(huán)境容量級別越高，因此，水平風速和混合層高度指標歸一化計算式為

(1)

式中，a、b分別表示第a個指標、第b個站(格)點；Hab是指標原始值；amax和amin分別是指標原始值中的最大和最小值；Fab是第b站(格)點的第a個指標歸一化后的值。地表粗糙度長度則相反，其值越大則表示風環(huán)境容量級別越低，因此其歸一化計算式為

(2)

最后對3個指標進行等權(quán)重加權(quán)綜合評價得到各站(格)點風環(huán)境容量指標，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)中的柵格計算器進行因子層的計算和疊加，采用幾何間隔分級法，得到各指標分級閾值、風環(huán)境容量指數(shù)分級閾值及其空間分布。

2 影響風環(huán)境容量的指標特征

2.1 風 速

在水平方向上影響風環(huán)境容量大小的主要氣象因子是風速。統(tǒng)計石家莊市2014—2018年16個地面氣象觀測站風速觀測資料，得出風速的空間和時間分布特征。在空間分布上(圖1)風速由西部山區(qū)向東南部平原呈逐漸降低的變化趨勢，風速高值區(qū)主要集中在西部山區(qū)，西南部的元氏、贊皇、高邑年均地表風速超過2 m/s，其中贊皇最大，為2.3 m/s，西部的井陘、西北部的平山及北部的行唐也在1.8 m/s以上；其次為石家莊市區(qū)、靈壽、新樂、趙縣、晉州風速為1.6—1.7 m/s；風速最小的區(qū)域主要分布在藁城、欒城、正定、無極，年均地表風速不足1.5 m/s，其中藁城最低，僅1.3 m/s。這可能與冷空氣主要以西—北路徑入侵石家莊有關(guān)，西部、西北部地區(qū)空氣水平流動較強，但山區(qū)崎嶇不平的地形對空氣運行產(chǎn)生較大的阻力，導致東南部平原空氣平流運動明顯減弱，另外作為省會的石家莊市區(qū)由于樓高且密集，導致風速總體偏小。

圖1 2014—2018年石家莊市風速空間分布(單位：m/s)

分析2014—2018年石家莊市不同季節(jié)風速日變化(圖2)可見，風速一年四季具有一定的差異，春季風速最大，平均為2.0 m/s，其次為夏季，平均為1.8 m/s，秋季和冬季最小，均為1.5 m/s。各季風速日變化趨勢基本一致，午后至傍晚是風速最大的時段，凌晨前后是風速最小的時段，但略有差異。春季從9時開始增大到2 m/s之上，15—16時達到極值3.1 m/s，19時之后減小到2 m/s之下，22時至次日2時風速最??；夏季從11時開始風速增大到2 m/s之上，15—16時達到極值2.6 m/s，19時之后風速減小到2 m/s之下，23時至次日3時風速最小；秋季從12時開始風速增大到2 m/s之上，14—16時達到極值2.3 m/s，17時之后風速減小到2 m/s之下，21時至次日2時風速最小；冬季從11時開始風速增大到2 m/s之上，14—15時達到極值2.3 m/s，16時之后風速減小到2 m/s之下，21時至次日3時風速最小。總體而言，從春季到冬季白天風速開始增大的時間逐漸變晚，午后達到極值的風速逐漸變小，傍晚前后風速減小的時間逐漸變早，夜間到次日凌晨風速也越來越小。

圖2 2014—2018年石家莊市不同季節(jié)風速的日變化

2.2 混合層高度

大氣混合層高度體現(xiàn)了垂直方向上風環(huán)境容量的大小。利用國家標準(GB/T 3840—91)中的方法計算2014—2018年石家莊市16 個站混合層高度，得出其時間和空間分布特征(圖3)。分析可見，混合層高度空間分布特征與風速基本一致，總體上由西部山區(qū)向東南部平原逐漸降低，在西南部山區(qū)的贊皇、高邑及元氏一帶存在一個高值區(qū)，年均混合層厚度均超過600 m，其中贊皇最大，為626 m；其次為西部、西北部的井陘、平山、行唐及東部的深澤、晉州、東南部的趙縣，為517—578 m；其他地區(qū)混合層厚度不足500 m，其中在東南部平原的欒城、藁城、正定、無極一帶有一個低值區(qū)，為450—465 m。這可能與山區(qū)和平原地面接受太陽輻射和大氣穩(wěn)定度存在差異有關(guān)，導致大氣對流和湍流活動的不同，總體而言，西部山區(qū)大氣垂直擴散能力比東南部平原強。

圖3 2014—2018年石家莊市大氣混合層厚度空間分布(單位：mm)

石家莊市混合層高度各季、月存在一定差異(圖4a)。春季混合層高度最大，達616 m，其次為夏季534 m，其中3—6月最高，秋季和冬季混合層高度逐漸降低，春季和夏季分別為616 m和534 m；秋季和冬季分別為434 m和359 m，其中11—12月、1—2月最低?；旌蠈痈叨鹊娜兆兓卣?圖4b)更為明顯，從4個典型時刻混合層高度變化來看，08時開始升高，14時達到最高，20時開始下降，02時降到最低，這與太陽輻射有關(guān)。白天隨著太陽上升地球表面及周圍大氣接收到的太陽短波和長波輻射逐漸增強，近地層大氣受熱導致對流活動增強，大氣對流混合層高度逐漸升高，午后達到最高；而夜間隨著大氣溫度下降，對流活動減弱，混合層高度降低。

圖4 2014—2018年石家莊市大氣混合層厚度月(a)、日變化(b)

2.3 地表粗糙度長度

從空氣動力學角度來講，在近地層中受地表起伏不平或地表覆蓋物形狀不同的影響，風速降低為0的高度并不在地表高度為0處，因此將地表上風速為0的高度定義為地表粗糙度長度，用來表示城市、鄉(xiāng)村及植被覆蓋等地區(qū)的地表粗糙程度，地表粗糙度影響著近地層的通風能力。利用城市地區(qū)和植被地區(qū)兩種地表粗糙度長度計算方法，得到石家莊市地表粗糙度長度空間分布(圖5)，可以看出，石家莊市主城區(qū)(受城市建筑物高且密集影響)和西部、北部山區(qū)(受地形起伏及植被覆蓋影響)的粗糙度長度較大，東部、南部平原地區(qū)相對較小。城市內(nèi)部粗糙長度分布不均，中心城區(qū)的粗糙度長度較大，大部分在1.0 m以上，而建成區(qū)邊緣粗糙度長度一般在1.0 m以下，其中道路、公園、廣場等地組成了粗糙長度0.5 m以下的低粗糙長度空間。東部、南部平原地區(qū)除了縣城中心(受建筑物影響)部分地區(qū)粗糙度長度在0.8 m左右外，大部分村鎮(zhèn)、農(nóng)田等區(qū)域在0.5 m左右。

圖5 2017年石家莊市地表粗糙度長度空間分布

3 風環(huán)境容量指標閾值確定及區(qū)劃

經(jīng)過無量綱歸一化處理方法得出地表粗糙度長度、大氣混合層厚度和水平風速3個影響風環(huán)境容量的指標，對3項指標通過等權(quán)重加權(quán)綜合評價，得到石家莊市風環(huán)境容量指標，最后利用幾何間隔分級法劃分為5個等級(各級閾值見表1)，分別為高值區(qū)、次高值區(qū)、中等區(qū)、次低值區(qū)和低值區(qū)，并得到區(qū)劃圖(圖6)。次低值、低值及中等風環(huán)境容量主要分布于東部平原，其中低級別的風環(huán)境容量主要分布在石家莊市區(qū)、正定東南部、欒城東部、藁城大部分地區(qū)及無極西部，石家莊市區(qū)由于人口多、建筑物高且密集等影響因素，地表粗糙度也比較高，風環(huán)境容量指數(shù)多低于 0.4。次低級別的風環(huán)境容量主要分布在正定西北部、新樂南部、無極東部、晉州西部南部、藁城東南部、趙縣東北部、欒城中部。中等級別的風環(huán)境容量主要分布在趙縣中部、欒城西南部、鹿泉東部北部、靈壽南部、行唐南部、新樂北部、晉州東北部及深澤西部。除了東部平原的深澤風環(huán)境容量指標較高外，高級別、次高級別的風環(huán)境容量指數(shù)主要分布在西部、北部山區(qū)，次高級別的風環(huán)境容量指數(shù)主要分布在趙縣中部、元氏東北部、鹿泉西南部、井陘東部北部及平山、靈壽、行唐大部分地區(qū)。贊皇、高邑、趙縣西南部、元氏西部南部及井陘西南部為全市風環(huán)境容量高值區(qū)。

表1 石家莊市風環(huán)境容量指標分級閾值

圖6 2014—2018年石家莊市各等級風環(huán)境容量指標空間分布

4 結(jié)論與討論

文中基于氣象觀測、城市地理信息、衛(wèi)星遙感反演及再分析資料，分析了影響石家莊風環(huán)境容量的地表粗糙度長度、大氣混合層高度和水平風速3個指標，確定了風環(huán)境容量指數(shù)等級閾值并進行了區(qū)劃研究，得到了以下結(jié)論：

1) 大氣混合層高度和風速時空分布基本一致。在空間分布上，西部山區(qū)較高，石家莊市區(qū)及東南部平原較低，其中在西南部山區(qū)以贊皇為中心存在一個高值區(qū)，在東南部平原欒城、藁城、正定、無極一帶有一個低值區(qū)。在時間變化上，兩者具有明顯季節(jié)和日變化特征，一年中春季最高、冬季最低，由春季向冬季逐漸降低；日變化呈“單峰型”，午后至傍晚前后最高，凌晨前后最低，各季略有差異。

2) 石家莊西部、北部山區(qū)和市主城區(qū)粗糙度長度較大，東部、南部平原地區(qū)相對較小。石家莊市主城區(qū)地表粗糙度長度分布不均，中心城區(qū)的粗糙度長度總體較建成區(qū)邊緣稍高，其中中心城區(qū)還存在部分低粗糙長度地帶。東部、南部平原的縣城中心粗糙度長度也偏高。

3) 對地表粗糙度長度、大氣混合層厚度和風速3個指標等權(quán)重綜合評價得到石家莊市風環(huán)境容量指數(shù)，總體而言石家莊市區(qū)及平原地區(qū)較低，其中石家莊市區(qū)、正定東南部、欒城東部、藁城大部分地區(qū)及無極西部是風環(huán)境容量最低區(qū)域；西部和北部山區(qū)風環(huán)境容量指數(shù)較高，其中贊皇、高邑、趙縣西南部、元氏西部南部及井陘西南部為最高區(qū)域；風環(huán)境容量指數(shù)中等區(qū)域主要分布在西部、北部山區(qū)和平原地帶過渡區(qū)域。

由于石家莊市主城區(qū)之外的縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村等的建筑地理信息資料獲取較難，僅利用衛(wèi)星反演的植被類型、葉面積指數(shù)和植被高度來估算地表粗糙度長度還不夠精確，建立的石家莊市風環(huán)境指標還有待進一步的完善；評估指標選取的合理性和科學性隨著人口數(shù)量、經(jīng)濟、城鎮(zhèn)建設等資料的完善有待進一步提高。