鄭州與洛陽市區(qū)風環(huán)境特征比較研究

王琦, 周迪, 張若蘭, 李鈺茜, 楊航, 李華威，3, 何瑞珍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學風景園林與藝術(shù)學院，河南 鄭州 450002,2.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 河南 鄭州 450002,3.匈牙利圣伊斯特萬大學景觀與城市規(guī)劃學院，佩斯 哥多洛 2100)

快速的城市化進程導致下墊面性質(zhì)及地表粗糙度發(fā)生變化，土地集約式利用使得城市中心建筑高度和密度不斷增加，并進一步影響城市風場及水文過程，從而引發(fā)熱島、雨島、渾濁島等眾多環(huán)境問題。城市風場關(guān)乎城市空氣質(zhì)量，與市民的呼吸密切相關(guān)。河南省轄市中心城區(qū)主要分布在平原及盆地，平原城市鄭州是中部地區(qū)重要的中心城市、國家重要的綜合交通樞紐，在當下人口資源環(huán)境結(jié)構(gòu)失衡的背景下，營造可持續(xù)、高質(zhì)量的城市通風環(huán)境，是解決特大城市諸多環(huán)境問題的關(guān)鍵。同屬溫帶大陸性季風氣候的盆地城市洛陽，作為中原城市群副中心城市，適時開展城市風環(huán)境研究能夠為同類型城市提供發(fā)展示范及經(jīng)驗借鑒。

城市風場特征是城市風環(huán)境研究的熱門方向之一，研究對象根據(jù)地形地貌分為平原城市[1]、丘陵城市[2]、盆地城市[3]、山地城市[4]等，研究內(nèi)容主要為城市內(nèi)外部風速特征[5]、高低層建筑區(qū)風速特征[6]、風速季節(jié)性特征[7]、風環(huán)境指標變化特征[8]等。周玉奇[6]、WEERASURIYA等[9]、TETSU等[10]、馮章獻等[11]研究發(fā)現(xiàn)，城市低建筑密度處的風速和高建筑密度處的風速有顯著區(qū)別，建筑高度、密度越大，其近地面的平均風速越低；蔡菊珍等[12]、申鑫杰等[13]、莊智等[14]在研究中指出，城市中心區(qū)平均風速10 a間呈明顯下降趨勢；陳士凌[5]、孫武等[15]研究結(jié)果表明，不同高度上主城區(qū)風速均由周邊向城市中心降低。前人研究結(jié)果表明，城市化建設(shè)導致城市中心整體風速不斷降低，城市中心風速要低于外部風速。而氣象站定點監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，鄭州市鄭東新區(qū)7月份平均風速為0.39 m·s-1,而金水區(qū)7月份平均風速為0.92 m·s-1,城市中心風速高于外部區(qū)域。實測數(shù)據(jù)表明，風從郊區(qū)進入城市建筑連綿區(qū)后，由于市內(nèi)風場互相影響，風速呈現(xiàn)出復雜多變的趨勢。城市風場單一變化趨勢的定性研究存在局限性，不能準確完整地展示城市內(nèi)部風場特征。目前區(qū)域風場在數(shù)據(jù)實測[16-20]、風洞試驗[21-25]和數(shù)值模擬[26-31]等方面研究成果顯著，但風場模擬空間分辨率通常較低。同時，鮮有學者能夠準確描述整個城市的風場狀況，不同地形條件下城市風場對比研究出現(xiàn)空白。世界氣候網(wǎng)站提供的高分辨率風場數(shù)據(jù)將風場模擬的精度提高到30 s(近1 km)，這為觀察研究城市的風場奠定了基礎(chǔ)?；诖耍狙芯坷肁rcGIS軟件對高分辨率風場數(shù)據(jù)進行量測分析，總結(jié)并對比分析鄭州與洛陽市區(qū)尺度風環(huán)境特征，通過相關(guān)性分析揭示風速與高程的關(guān)系，為平原及盆地城市建設(shè)中風環(huán)境營造提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省下轄17個省轄市，50個市轄區(qū)、21個縣級市、88個縣。河南地形復雜，地勢西高東低，北部為暖溫帶，南部為亞熱帶。市區(qū)尺度選擇地處相同緯度、同屬溫帶大陸性季風氣候的平原城市鄭州和盆地城市洛陽。鄭州市為河南省省會，現(xiàn)轄6區(qū)5縣級市1縣及鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)、鄭東新區(qū)、鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，中心城區(qū)建成區(qū)面積651.35 km2，市區(qū)人口765.5萬人。洛陽位于河南西部、黃河中游，因地處洛河之陽而得名，是中部地區(qū)重要的工業(yè)城市?，F(xiàn)轄7區(qū)7縣及2個國家級開發(fā)區(qū)、2個省級開發(fā)區(qū)、18個省級產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。中心城區(qū)建成區(qū)面積240.51 km2(不含偃師區(qū)、孟津區(qū))，市區(qū)人口230.95萬人。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

WorldClim是一個高空間分辨率的全球天氣和氣候數(shù)據(jù)庫，共有30 s(約1 km2)～10 min(約340 km2)4種空間分辨率。數(shù)據(jù)集包含最低、平均和最高溫度、降水量、太陽輻射、風速、水汽壓和總降水量的氣候數(shù)據(jù)以及19個“生物氣候”變量，可用于制圖和空間建模。研究數(shù)據(jù)下載于2020年1月發(fā)布的WorldClim 2.1版1970—2000年的氣候數(shù)據(jù)，共有12個包含GeoTiff(.tif)文件的“zip”文件，分別為一年中的12個月(1月為第1個，12月為第12個)。

2.2 研究方法

運用ArcGIS軟件對下載的GeoTiff(.tif)文件進行處理和分析。為驗證世界氣候網(wǎng)站數(shù)據(jù)的可信度與精確性，選取鄭州市氣象站數(shù)據(jù)為實測數(shù)據(jù)，將氣象站風速值與風場風速值進行對比分析(表1)，運用均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)進行誤差分析，公式如下：

由于風速測量高度不同，部分月份氣象站和風場數(shù)據(jù)存在一定差異，但是風速變化整體趨勢相同。計算得到的RMSE數(shù)值為0.289 m·s-1，MAPE數(shù)值為26.14%，上述結(jié)果均表明，風場風速值與實測值誤差較小，具有代表性和參考價值。

表1 氣象站與風場風速值對比分析Table 1 Comparative analysis of wind speed between weather stations and wind fields m·s-1

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州、洛陽市區(qū)平面風場分析

本研究采用相同的取樣范圍裁剪了鄭州市和洛陽市全年不同月份的風場圖，并對比展示了鄭州市區(qū)和洛陽市區(qū)風場平面狀況(圖1)。

圖1 鄭州市區(qū)、洛陽市區(qū)一年中各月的1 km風場平面圖Fig.1 The plane map of wind field of each month in one year in Zhengzhou and Luoyang urban areas

從鄭州市全年平均風速情況可以看出，4月份平均風速達到一年中最大值，7月份市區(qū)內(nèi)風速變化最小，市區(qū)外圍1月份平均風速為2.0 m·s-1。鄭州市區(qū)風速呈現(xiàn)出圈層式結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分為4層，風速從2.1和2.2 m·s-1，升至2.4 m·s-1，而后降至2.2 m·s-1。市中心部分區(qū)域的風速為2.1 m·s-1。從外向內(nèi)3個圈層的寬度為1個像元，最后第4圈層占了市中心的大部分。城市規(guī)模不同，形成不同圈層個數(shù)的風速影響區(qū)，鄭州為4層，洛陽為2層。平原區(qū)城市最高平均風速多為2.4 m·s-1，如許昌、新鄭、商丘、漯河等，而盆地城市最高平均風速2.2 m·s-1，如南陽、洛陽等。2月份，主導風向從正東向東北方向移動，鄭州市不同風速的圈層式結(jié)構(gòu)更加明顯，且風速最大值的位置由原來的第2圈層演變?yōu)榈?圈層和第4圈層，風速最大值也升高到2.6 m·s-1。

3月份風速的圈層效應(yīng)進一步減弱，市內(nèi)風速減小區(qū)域的范圍進一步擴大；4月份圈層效應(yīng)已不存在，市區(qū)內(nèi)風速與周圍風速一致；5月份，市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了低風速區(qū)，但與周圍風速相差不大，圈層效應(yīng)并不明顯；6月份，圈層效應(yīng)依然不明顯，出現(xiàn)了高低錯落的風速區(qū)；7月份，整個市區(qū)表現(xiàn)出和山體一樣的高風速區(qū)，但市內(nèi)風速變化不大；8月份，風速圈層效應(yīng)再次出現(xiàn)，表現(xiàn)為單圈層，市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了多個不同風速變化區(qū)；9月和10月，風速表現(xiàn)出和7月份一樣的趨勢，但高風速區(qū)的范圍遠遠小于7月，且9月份的風速變化范圍比10月要大；11月份，風速出現(xiàn)3個圈層，表現(xiàn)出弱的多圈層效應(yīng)；12月份，風速圈層效應(yīng)比11月份明顯增強，表現(xiàn)為圈層間距離增大，風速變化增強。11月份，圈層間風速差為0.07 m·s-1，而12月為0.15 m·s-1。

3.2 鄭州、洛陽市區(qū)斷面風場分析

為了探討市區(qū)斷面與風場的關(guān)系，研究選用了鄭州市、洛陽市較為盛行的西北方向為樣線，樣線布設(shè)如圖2所示。利用ArcGIS中3D Analyst Tools 菜單的interpolateline功能，從鄭州市、洛陽市月平均風速圖上提取鄭州市、洛陽市每月的風速斷面，用4個季節(jié)表示。風速斷面圖如圖3所示。

圖2 鄭州、洛陽市樣線布設(shè)位置圖Fig.2 Layout position of spline in Zhengzhou and Luoyang

從鄭州市2月份風速斷面圖(圖3)可以看出，鄭州市區(qū)風速存在4個峰值，進入城市時形成第一個峰值，距離市區(qū)邊界為2 km，風速為2.6 m·s-1；在市中心形成了2個峰值和1個谷值。其中，第1個峰值距離市區(qū)邊界為3 km，風速為2.5 m·s-1，中間低谷區(qū)距離市區(qū)邊界為5 km，風速為2.42 m·s-1，第2個峰值離市區(qū)西北邊界為7 km，距離風速最小值區(qū)為2 km，風速為2.5 m·s-1；出市區(qū)后形成第4個峰值，距離市區(qū)西北邊界為13 km，風速為2.6 m·s-1。

縱觀全年市區(qū)內(nèi)風速的變化，9月和10月出現(xiàn)單峰值，7月市區(qū)內(nèi)風速變化不大，其余月份出現(xiàn)3～4個峰值。單峰值多偏離城市中心，偶數(shù)峰值多以市中心為中心，且呈現(xiàn)對稱分布狀態(tài)。

作為盆地城市的洛陽市區(qū)中風速峰值在不同月份也出現(xiàn)了單峰、雙峰和無影響3種狀態(tài)，但這3種狀態(tài)出現(xiàn)的時間與鄭州市不同。5月為單峰值，4月、6月和9月無影響，其余月份為雙峰值。從雙峰影像可以看出，在市區(qū)周圍出現(xiàn)2 km的風速升高區(qū)，風速為2.1 m·s-1，市中心出現(xiàn)2.0 m·s-1風速降低區(qū)。

3.3 鄭州、洛陽市區(qū)風速與地形的關(guān)系

從鄭州市和洛陽市的風場圖可以看出，城市形態(tài)與城市風場密切相關(guān)。隨著城市規(guī)模的增大，城市風場表現(xiàn)出多圈層結(jié)構(gòu)。洛陽市高風速帶僅出現(xiàn)1次，而鄭州市出現(xiàn)4次。為進一步探討城市形態(tài)對城市風場的影響，本研究利用Pearson相關(guān)系數(shù)，對鄭州市和洛陽市西北東南方向一年12個月的風速和該斷面高程數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

圖3 鄭州、洛陽市區(qū)風速斷面圖(西北向)Fig.3 Wind speed profile in Zhengzhou and Luoyang (northwest direction)

從表2可以看出，鄭州、洛陽市區(qū)在4月、7月、9月、11月風速與高程相關(guān)系數(shù)均高于0.59，風速與高程呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同時，平原城市鄭州全年的風速和高程均呈正相關(guān)關(guān)系，盆地城市洛陽在2月、6月和12月的風速和高程存在負相關(guān)關(guān)系，其余月份風速和高程呈正相關(guān)關(guān)系。風速與高程的關(guān)系隨月份、季節(jié)的變化而改變，盆地城市風速與高程的關(guān)系比平原城市更為復雜。

表2 風速與高程的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of wind speed and elevation

4 結(jié)論與討論

本研究基于世界氣候網(wǎng)站提供的全球高分辨率風場圖，利用ArcGIS軟件對鄭州市和洛陽市風場進行量測分析，總結(jié)并對比分析了平原城市鄭州與盆地城市洛陽市區(qū)尺度風環(huán)境特征及影響因素。

1)鄭州市區(qū)最高平均風速多為2.4 m·s-1，洛陽市區(qū)多為2.1 m·s-1。平原城市與盆地城市均出現(xiàn)風場圈層式結(jié)構(gòu)，其中鄭州為4層，洛陽為2層，圈層個數(shù)隨城市規(guī)模的擴大而增加。圈層式結(jié)構(gòu)在冬、春季(11月至次年4月)比夏、秋季(5月至10月)表現(xiàn)更為明顯。

2)鄭州市區(qū)風速變化多出現(xiàn)3～4個峰值，而洛陽市區(qū)風速變化多為雙峰型，單峰值多偏離城市中心，偶數(shù)峰值多以市中心為中心，且呈對稱分布狀態(tài)。平原城市與盆地城市風速峰值出現(xiàn)的時間并不相同。

3)鄭州、洛陽市區(qū)風場整體呈增加―降低―最低―增加―降低的趨勢，鄭州市區(qū)風速變化頻率高于洛陽市區(qū)。平原城市風速多呈外圍升高中間降低的趨勢，中間風速最低的位置和降低幅度隨時間改變，但也表現(xiàn)出圈層式結(jié)構(gòu)；盆地城市同樣呈現(xiàn)出上述趨勢，但由于受外圍地形影響，其風速升高幅度小于平原城市。

4)鄭州市全年風速與高程均呈正相關(guān)關(guān)系，洛陽市風速與高程在2月、6月、12月呈負相關(guān)關(guān)系，其余月份呈正相關(guān)關(guān)系。盆地城市風速與高程的關(guān)系表現(xiàn)出季節(jié)性，風場圈層式結(jié)構(gòu)與地形密切相關(guān)；城區(qū)規(guī)模和建筑高度是影響平原城市風場圈層式結(jié)構(gòu)的主要因素。

通過觀察同緯度的開封、商丘、三門峽等城市風場圖發(fā)現(xiàn)，以1月份為例，城市中心風速均高于外部。中心城區(qū)建成區(qū)面積略低于洛陽(240.51 km2)的平原城市商丘(156.22 km2)、開封(155.9 km2)的風速圈層個數(shù)均為2層，但是風速明顯高于洛陽市區(qū)，這進一步說明，相同城區(qū)規(guī)模的城市風場圈層結(jié)構(gòu)相同，但其風速與地形與到海岸線距離有關(guān)。三門峽中心城區(qū)四面環(huán)山，建成區(qū)面積為67.61 km2，1月份風速圈層僅為1層。

基于以上研究結(jié)論，建議河南省平原城市建成區(qū)面積、建筑高度需要控制在合理范圍內(nèi)，以便增大人為干擾風環(huán)境的范圍和力度，從而有效降低極端風環(huán)境對居民生活生產(chǎn)造成的負面影響。同時，需要加強貫穿城區(qū)中心的風道建設(shè)，加速污染物的擴散，讓更多的新鮮空氣流入市中心。相對于平原區(qū)城市，盆地城市風環(huán)境特征及影響因素更為復雜。盆地城市需要考慮城市高層、高密度建筑區(qū)的體量控制和區(qū)位規(guī)劃，利用地形特征有意識地引導風的交換。市區(qū)風速圈層結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)性，中原地區(qū)防風災等城市精細化管理需要在冬季和春季加以重視。

隨著城市氣候環(huán)境問題研究的深入，增加城市監(jiān)測站點、彌補實測數(shù)據(jù)在量與質(zhì)上的不足變得越來越重要。高時空精度的實測數(shù)據(jù)也能強有力地提高城市規(guī)劃的科學性，為城市精細化建設(shè)和管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，本研究僅探討了平原、盆地城市風場的圈層式結(jié)構(gòu)及高程對風速的影響，未來可擴大研究對象的范圍及數(shù)量，從地形種類、城市形態(tài)等角度深入對比研究不同城市風場圈層式結(jié)構(gòu)的形成機制。