武漢市局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流特征模擬及其降溫效應(yīng)分析*

吳昌廣 謝 婧 成雅田 程維金 劉火勝

0 引言

城市化進(jìn)程的加快使地表熱力性質(zhì)改變、人口不斷聚集及人為熱大量產(chǎn)生，城市熱島效應(yīng)逐漸加劇[1]。如何基于自然解決方案緩解熱島效應(yīng)、提高室外熱舒適性已成為城市高質(zhì)量發(fā)展階段營(yíng)造美好人居環(huán)境的熱點(diǎn)[2-3]。湖泊水體是城市藍(lán)綠空間系統(tǒng)的重要組成部分，具有熱容量大、蒸發(fā)潛熱大及反射率小等特殊物理性質(zhì)[4]。湖泊水體與建成區(qū)不透水面間熱力差異所激發(fā)的局地環(huán)流是調(diào)控周邊風(fēng)熱環(huán)境的重要生態(tài)過(guò)程[5-6]?？茖W(xué)解析湖泊局地環(huán)流特征，對(duì)于明晰城湖間熱量交換機(jī)制及湖泊對(duì)周邊建成區(qū)域的熱島緩解作用具有重要意義。

大量學(xué)者探究了這種局部熱力環(huán)流在湖泊降溫過(guò)程中的關(guān)鍵作用，如金姆（Kim）等研究表明，風(fēng)從水體上方攜帶較冷的空氣，并將低溫延伸到下風(fēng)向區(qū)域[7]。斯魯威（Theeuwes）等利用WRF對(duì)水體降溫進(jìn)行了敏感性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水體所產(chǎn)生冷空氣可被風(fēng)流輸送到城區(qū)產(chǎn)生降溫，且城市粗糙度的改變通過(guò)影響風(fēng)流而影響水體的降溫效應(yīng)[8]。因此，明晰湖泊降溫結(jié)果中的非線性熱交換過(guò)程將更加有助于湖泊對(duì)城市降溫的認(rèn)識(shí)深化。近年來(lái)，一些學(xué)者利用數(shù)值模擬探究了區(qū)域大型湖泊湖陸風(fēng)與城市熱島的相互作用關(guān)系[9-11]。如李維亮探究了太湖湖風(fēng)環(huán)流與城市熱島對(duì)區(qū)域氣候的影響，得出城市熱島顯著影響湖風(fēng)環(huán)流時(shí)空分布的結(jié)論[12]?；眨↘eeler）等的研究也表明，夜間強(qiáng)熱島會(huì)使湖風(fēng)吹向城市的水平風(fēng)速降低[13]。這些研究表明，湖泊周圍的城市的存在影響湖風(fēng)環(huán)流的結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展規(guī)律；而反過(guò)來(lái)，湖風(fēng)環(huán)流也會(huì)影響其周邊城市區(qū)域的氣候條件。莎瑪（Sharma）研究指出，城市周圍大型湖泊湖風(fēng)環(huán)流的湖風(fēng)鋒會(huì)與城區(qū)熱島環(huán)流產(chǎn)生對(duì)抗作用[10]。上述研究證實(shí)了城市熱島與其周圍區(qū)域大型湖泊湖風(fēng)環(huán)流之間存在著氣流相互作用，并控制彼此的時(shí)空分布特征，但當(dāng)前探究湖泊所驅(qū)動(dòng)熱力環(huán)流對(duì)城市熱環(huán)境影響的研究主要集中在區(qū)域大型湖泊的中尺度局地環(huán)流，少有針對(duì)城市內(nèi)部大范圍分布且數(shù)量眾多的中小型湖泊上方環(huán)流和熱力結(jié)構(gòu)的研究[14-15]。

中小型湖泊作為城市中常見的湖泊類型，擁有比區(qū)域大型湖泊更小的熱容，湖陸風(fēng)時(shí)空特征亦與大型深水湖泊有顯著差異，值得進(jìn)一步探究[16]。前人研究指出，在城市復(fù)雜的下墊面環(huán)境中，不同下墊面上熱力條件的空間水平不均勻性會(huì)生成局地次級(jí)環(huán)流[17]。而城市中廣泛分布的中小型湖泊使得城市下墊面環(huán)境復(fù)雜化，內(nèi)陸城市熱島環(huán)流和湖風(fēng)環(huán)流在局地?zé)崃Σ町愹?qū)動(dòng)下形成風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)，在氣象條件約束下兩者作用區(qū)域重疊，從而形成更復(fù)雜的局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流耦合流場(chǎng)[18]。有必要進(jìn)一步研究城市復(fù)雜下墊面條件下中小型湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流特征，明晰城市湖泊與周邊大氣環(huán)境的熱交換機(jī)制。

本文將選取百湖之市武漢作為研究區(qū)域，其境內(nèi)分布有166個(gè)湖泊，湖泊水域面積達(dá)779 km2，約占市域面積的10.2%[19]。近年來(lái)，武漢快速的城市化進(jìn)程使市區(qū)內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)一步惡化，不透水下墊面擴(kuò)張形成了復(fù)雜而多元的城湖關(guān)系，為探索城市中小型湖泊與建成空間的熱交換過(guò)程提供了良好的試驗(yàn)場(chǎng)[20]。本研究利用中尺度數(shù)值模式WRF，對(duì)夏季典型高溫天氣條件下的武漢市城市近地層風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行高精度模擬，分析不同規(guī)模、不同位置湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的生成與發(fā)展特征，同時(shí)從整體和局部?jī)蓚€(gè)層面分析湖風(fēng)對(duì)城市近地層熱島與氣溫的影響。

1 資料方法

1.1 研究區(qū)域

本次研究以城湖關(guān)系較為密切的武漢市都市發(fā)展區(qū)作為研究區(qū)域，具體見圖1。研究區(qū)域內(nèi)廣泛分布著大小、形狀不一的各類湖泊，大部分湖泊面積小于50 km2。大型湖泊多分布于東南部，西北部湖泊較少，湖泊空間整體分布不均。其中，梁子湖面積271 km2，是武漢市最大的湖泊，位于都市發(fā)展區(qū)東南部城郊。最大的城中湖為湯遜湖（47.6 km2），其次是東湖（33.9 km2）。這兩個(gè)湖泊均位于城市東南部，其周邊分布著沙湖、南湖等小型城中湖。后官湖為西北部面積最大的城郊湖（37.3 km2），湖泊形狀狹長(zhǎng)，其周圍分布著城市西北部?jī)H有的兩個(gè)小型城中湖，即墨水湖與南太子湖。

圖1 武漢都市發(fā)展區(qū)內(nèi)湖泊水體分布特征Fig.1 the distribution of lakes in Wuhan metropolitan development area

1.2 模式與數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)值模擬方案

本研究采用中尺度數(shù)值模擬模式WRF(3.9.1版)與單層冠層模型UCM對(duì)區(qū)域邊界層內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境進(jìn)行模擬，最內(nèi)層中心點(diǎn)坐標(biāo)30.2 °N,113.9 °E（圖2a）。為了利用中尺度氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域的降尺度高分辨率模擬[21]，研究采用4層嵌套的方式，第1層格點(diǎn)數(shù)87*87，網(wǎng)格格距9 km×9 km；第2層格點(diǎn)數(shù)151*151，網(wǎng)格格距3 km×3 km；第3層格點(diǎn)數(shù)151*151，網(wǎng)格格距1 km×1 km；第4層格點(diǎn)數(shù)220*220，網(wǎng)格格距1/3 km×1/3 km。第4層網(wǎng)格覆蓋武漢市都市發(fā)展區(qū)，網(wǎng)格間距選用城市尺度WRF模擬的高精度分辨率（1/3 km）[22]，能較好地在WRF中針對(duì)湖泊的氣候效應(yīng)進(jìn)行模擬。模擬采用的物理方案設(shè)置見表1。

表1 WRF的物理方案設(shè)置Tab.1 WRF physics schemes

2018年7 月平均高溫34℃，最高溫度達(dá)38℃，為典型的武漢高溫夏季天氣背景。參照典型氣象日的標(biāo)準(zhǔn)，選取2018年7月14日00:00時(shí)—7月17日4:00時(shí)(北京時(shí)間，下同)進(jìn)行模擬，前52 h為spin-up時(shí)間，以確保模擬的穩(wěn)定與精確。5:00為16日日出時(shí)間，選取2018年7月16日05:00時(shí)—7月17日04:00時(shí)作為模擬時(shí)間，能夠完整模擬出太陽(yáng)輻射下湖泊湖風(fēng)環(huán)流及周邊城市熱環(huán)境的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。在模擬時(shí)間內(nèi)，武漢天氣晴朗，微風(fēng)，風(fēng)向?yàn)槲錆h市夏季盛行風(fēng)向東南風(fēng)，且模擬時(shí)間前后3天市域內(nèi)均無(wú)降雨，有利于局地環(huán)流的形成。

1.2.2 下墊面數(shù)據(jù)

中尺度數(shù)值模式自帶下墊面數(shù)據(jù)為1993年USGS土地利用數(shù)據(jù)，共有24種土地利用類型，其最高空間分辨率為30 ″（約為1 000 m），無(wú)法準(zhǔn)確反映研究區(qū)城市下墊面現(xiàn)狀?；诖耍捎们迦A大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系地球系統(tǒng)建模教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)全球樣本訓(xùn)練形成的10 m高精度土地利用數(shù)據(jù)[23]（圖2b）。在單層城市冠層模型中，我們將城市土地利用類型細(xì)分為三類：低密度居住區(qū)，不透水地表占據(jù)總地表面積的20%~49%；高密度居住區(qū)，不透水地表占據(jù)總地表面積的50%~79%；工商業(yè)區(qū)，不透水地表占據(jù)總地表面積的80%~100%[24]。

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)

本文以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF提供的每6 h氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬輸入背景氣象條件，以武漢市公共氣象服務(wù)中心提供的武漢市國(guó)家氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1（114.84 °N，30.84 °E）、武漢市自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2（114.36 °N，30.48 °E）、武漢市自動(dòng)監(jiān)測(cè)站3（114.39 °N，30.51 °E）、國(guó)家氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)4（114.05°N，30.60°E）逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為模式驗(yàn)證數(shù)據(jù)，具體位置見圖2b。

圖2 WRF模擬區(qū)域（a）網(wǎng)格嵌套配置及（b）最內(nèi)層網(wǎng)格內(nèi)土地利用類型及氣象觀測(cè)站點(diǎn)位置Fig.2 (a) the four nested domains used for the numerical simulation; (b) land use in the innermost domain and the location of meteorological observation stations

1.3 分析方法

1.3.1 湖風(fēng)識(shí)別

湖風(fēng)通常在白天產(chǎn)生[16,25]，本文選取模擬時(shí)段05:00—19:00時(shí)的風(fēng)場(chǎng)，參考覃海潤(rùn)對(duì)湖風(fēng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行湖風(fēng)生成及消失的識(shí)別[16]。

湖風(fēng)生成：當(dāng)湖體各岸中任意岸湖風(fēng)在某一時(shí)刻風(fēng)向明顯偏轉(zhuǎn)，風(fēng)向與背景風(fēng)不一致且相對(duì)于湖區(qū)向外，與湖岸略微垂直，則判斷該方向岸邊有湖風(fēng)發(fā)生。

湖風(fēng)消失：當(dāng)湖體各岸中任意岸湖風(fēng)在某一時(shí)刻風(fēng)向明顯偏轉(zhuǎn)，隨后整個(gè)湖區(qū)風(fēng)向基本保持一致或各岸風(fēng)向轉(zhuǎn)向背景風(fēng)方向時(shí)，則判斷該方向岸邊湖風(fēng)結(jié)束。

據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)不同規(guī)模、不同位置城市湖泊湖風(fēng)生成及消失的時(shí)間，分析武漢市都市發(fā)展區(qū)內(nèi)大范圍分布的不同湖泊湖風(fēng)的時(shí)空分布規(guī)律。

1.3.2 湖風(fēng)熱島緩解能力分析

采用密度分割法對(duì)2 m溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[26]，判斷不同時(shí)刻不同湖泊湖風(fēng)對(duì)近地層熱環(huán)境的貢獻(xiàn)，各網(wǎng)格熱島強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，Li是熱島強(qiáng)度指數(shù)，Ti和Tj是網(wǎng)格溫度值，n是網(wǎng)格數(shù)，σ是所有網(wǎng)格溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)對(duì)地表溫度均值和標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)組合對(duì)地表溫度進(jìn)行分級(jí), 實(shí)現(xiàn)對(duì)城市熱環(huán)境的界定。根據(jù)熱島強(qiáng)度指數(shù)值，將區(qū)域熱島強(qiáng)度從高到低分為9個(gè)級(jí)別得到不同時(shí)刻下的熱島強(qiáng)度分布圖[28]，如表2所示

表2 熱島強(qiáng)度指數(shù)等級(jí)Tab.2 grade division of urban heat island intensity index

對(duì)比不同時(shí)刻下的熱島強(qiáng)度分布圖，并將湖泊湖風(fēng)所帶來(lái)的無(wú)熱島區(qū)域定義為湖風(fēng)的降溫范圍，如圖3所示。判定標(biāo)準(zhǔn)如下：若隨著湖風(fēng)的產(chǎn)生，湖泊湖風(fēng)水平延展方向內(nèi)的熱島區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)熱島區(qū)域，且該無(wú)熱島區(qū)域范圍隨湖風(fēng)強(qiáng)度及延展方向變化而發(fā)生變化，則判定該無(wú)熱島區(qū)域?yàn)楹L(fēng)的降溫范圍。

圖3 湖風(fēng)降溫范圍演變Fig.3 the development of cooling ranges for lake breezes

1.3.3 湖風(fēng)環(huán)流降溫能力分析

以周邊建成環(huán)境最為復(fù)雜的東湖為例，進(jìn)一步探究湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的降溫機(jī)制。首先，以湖風(fēng)最為強(qiáng)盛時(shí)刻作為典型時(shí)刻，取東湖湖風(fēng)輻散的不同方向作剖切線，獲取不同方向上湖風(fēng)風(fēng)場(chǎng)剖面分布圖。其次，在明確不同湖風(fēng)輻散方向上的城市建設(shè)及湖泊分布情況的基礎(chǔ)上，識(shí)別風(fēng)場(chǎng)剖面上的主要局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流。最后，通過(guò)對(duì)比不同局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流分布下的湖泊區(qū)域低溫范圍、城湖溫差等氣溫分布情況，比較湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流在不同方向上的降溫差異。

2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，本文對(duì)WRF模擬結(jié)果的逐時(shí)2 m氣溫、10 m風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行了驗(yàn)證，相關(guān)結(jié)果見表3。四個(gè)站點(diǎn)的氣溫模擬相關(guān)系數(shù)均在0.9（P＜0.01）以上，說(shuō)明模擬值與觀測(cè)值之間相關(guān)性較強(qiáng)。氣溫均偏誤差平均值為1.55℃，均方根誤差在2℃以下，說(shuō)明模式氣溫模擬偏差較小。在風(fēng)場(chǎng)模擬上，站點(diǎn)1風(fēng)速相關(guān)性趨勢(shì)擬合存在一定差異，其余站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)值與擬合值相關(guān)系數(shù)較高，且均能在0.05水平以上相關(guān)性顯著，整體風(fēng)場(chǎng)趨勢(shì)擬合較好。四個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向均方根誤差值與均偏誤差均較低，WRF模擬結(jié)果與氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

表3 2018年7月16日05:00時(shí)至17日04:00時(shí)氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向的模型性能評(píng)估Tab.3 model performance assessment of air temperature, wind speed and wind direction from 05:00 LST on 16th July 2018 to 04:00 LST on 17th July 2018

觀測(cè)值與模擬值的變化趨勢(shì)擬合圖（圖4）顯示出模擬時(shí)間內(nèi)2 m氣溫、10 m風(fēng)速、風(fēng)向逐時(shí)觀測(cè)值與模擬值擬合較好，變化趨勢(shì)基本一致。站點(diǎn)1風(fēng)速在夜間21:00模擬值偏高，考慮為輸入氣象背景風(fēng)速略高的原因，且模式仍較好地模擬出了風(fēng)向的轉(zhuǎn)變。整體而言，2 m氣溫與10 m處風(fēng)速、風(fēng)向的模擬值與實(shí)測(cè)值精度與趨勢(shì)擬合度都較高，可以反映出城市氣溫與風(fēng)環(huán)境的基本特征，有助于揭示局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的結(jié)構(gòu)和演變過(guò)程。

圖4 2018年7月16日05:00時(shí)至17日04:00時(shí)氣象站點(diǎn)1（a，b，c）、站點(diǎn)2（d，e，f）、站點(diǎn)3（g，h，i）、站點(diǎn)4（j，k，l）觀測(cè)值（OBS）與模擬值（SIM）2 m 溫度、10 m 風(fēng)向、10 m 風(fēng)速逐時(shí)擬合圖Fig.4 hourly comparison between observed values (OBS) and simulated results (SIM) of 2-m air temperature, 10-m wind direction and wind speed in the meteorological observation station 1 (a, b, c), station 2 (d, e, f), station 3 (g, h, i), station 4 (j, k, l) from 05:00 LST on 16th July 2018 to 04:00 LST on 17th July 2018

3 結(jié)果分析

3.1 湖風(fēng)發(fā)展特征

3.1.1 時(shí)間特征

圖5為2018年8月16日05:00至19:00模擬區(qū)域10 m風(fēng)速矢量分布及湖風(fēng)時(shí)間分析圖。05:00—07:00時(shí)，都市發(fā)展區(qū)以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，無(wú)湖風(fēng)的生成。08:00時(shí)，區(qū)域開始有湖泊生成湖風(fēng)。10:00—12:00時(shí)為區(qū)域存在湖風(fēng)的湖泊最多（11個(gè)）的時(shí)刻，部分小型湖泊如青菱湖、沙湖等未觀察到湖風(fēng)生成。其中，湯遜湖、東湖、梁子湖等大面積湖泊湖風(fēng)生成時(shí)間最早（08:00時(shí)），持續(xù)時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)（08:00—16:00時(shí)）。后官湖面積較大，水域形狀破碎度較高，湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間（10:00—12:00時(shí)）比較之面積更小的豹澥湖（10:00—14:00時(shí)）更短。小型湖泊中，童家湖與漢江相連，水域面積相對(duì)其余小型湖泊更大，湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間（10:00—14:00時(shí)）也更長(zhǎng)。16:00時(shí)后，區(qū)域無(wú)湖風(fēng)存在。

總的來(lái)看，大型湖泊湖風(fēng)生成較早，消失較晚，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于小型湖泊。為驗(yàn)證湖風(fēng)時(shí)間與湖泊面積相關(guān)性，進(jìn)一步對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。湖風(fēng)的生成與持續(xù)時(shí)間均與湖泊面積呈指數(shù)相關(guān)，其生成時(shí)間隨湖泊面積增大而提前，持續(xù)時(shí)間隨湖泊面積增大而升高（圖6）。其中湖泊面積對(duì)城中湖的湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間影響最為顯著，但對(duì)城郊湖的湖風(fēng)生成時(shí)間影響最為顯著。

圖6 湖泊面積與湖風(fēng)生成、消失及持續(xù)時(shí)間的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Fig.6 correlation between lake areas and the formation and disappearance time of lake breezes

3.1.2 空間特征

在空間上，不同位置湖泊湖風(fēng)生成與消失時(shí)間存在差異。除面積顯著大于其他湖泊的梁子湖，大型城中湖最先生成湖風(fēng)，隨后大型城郊湖、小型城中湖陸續(xù)生成湖風(fēng)（圖5）。隨湖風(fēng)增強(qiáng)，區(qū)域風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜化，長(zhǎng)江北部河道產(chǎn)生向西氣流，并產(chǎn)生向兩側(cè)輻散的江風(fēng)，湯遜湖至東湖間湖風(fēng)銜接形成連續(xù)風(fēng)流。在湖風(fēng)最強(qiáng)盛的12:00時(shí)，湯遜湖湖風(fēng)向北與南湖、東湖銜接，向西與黃家湖、長(zhǎng)江銜接，形成環(huán)流鏈。

圖5 2018年8月16日05:00時(shí)至19:00時(shí)模擬區(qū)域的逐時(shí)風(fēng)速矢量分布及各湖泊湖風(fēng)時(shí)間分析Fig.5 hourly wind speed distributions (vectors) and the analysis of lakes breezes from 05:00 to 19:00 LST on 16th July 2018

位于主導(dǎo)風(fēng)兩側(cè)的城郊湖及小型湖泊湖風(fēng)最先消失，隨后下風(fēng)向的大型城郊湖、大型城中湖陸續(xù)消失。后官湖、武湖、嚴(yán)西湖等位于東北測(cè)與西南側(cè)的城郊湖及黃家湖、南湖等小型湖泊湖風(fēng)在13:00時(shí)最先消失，其中后官湖在14:00時(shí)再次產(chǎn)生湖風(fēng)，南湖在15:00時(shí)再次產(chǎn)生湖風(fēng)。15:00時(shí)之后，除梁子湖與豹澥湖，其余城郊湖湖風(fēng)陸續(xù)消失。

3.2 湖風(fēng)環(huán)流降溫效應(yīng)

3.2.1 整體層面湖風(fēng)對(duì)城市熱島的影響

圖7為都市發(fā)展區(qū)每2 h熱島強(qiáng)度及10 m風(fēng)速矢量分布圖。從整體上來(lái)看各湖泊的城市熱島緩解作用，區(qū)域內(nèi)極強(qiáng)熱島與強(qiáng)熱島在湖風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)刻基本消失（10:00—14:00時(shí)）。梁子湖、豹懈湖等大型城郊湖冷島強(qiáng)于其他湖泊，且其下風(fēng)向區(qū)域持存在大片無(wú)熱島區(qū)，是為城市提供冷空氣的重要冷源。大型城中湖如湯遜湖與東湖為其湖風(fēng)輻散方向提供了無(wú)熱島區(qū)域。沙湖等小型湖泊降溫不顯著，但對(duì)比湯遜湖、黃家湖、青菱湖湖泊群與東湖周圍熱島分布情況，小型湖泊可使湖泊間形成連續(xù)的風(fēng)流，實(shí)現(xiàn)更大片區(qū)域的熱島緩解。然而現(xiàn)狀都市發(fā)展區(qū)內(nèi)大部分湖泊相距較遠(yuǎn)，中間缺乏小型湖泊聯(lián)通，各湖泊湖風(fēng)獨(dú)立分散；如武湖與后官湖作為都市發(fā)展區(qū)西北部的重要冷源，二者之間通風(fēng)受到高密度建筑區(qū)域的阻礙，風(fēng)流較為紊亂，風(fēng)速也隨之降低，兩處湖泊的降溫效應(yīng)因此受到限制。整體而言，湖泊分布不均，且在不同時(shí)刻湖泊冷島強(qiáng)度與湖泊間通風(fēng)存在差異；如后官湖只有在08:00—12:00時(shí)可為都市發(fā)展區(qū)西北部提供冷空氣，而都市發(fā)展區(qū)中心高密度建筑阻擋了其余冷源冷空氣向都市發(fā)展區(qū)西北部運(yùn)輸，使得上風(fēng)向湖泊產(chǎn)生的冷空氣在城市尺度上的熱島緩解范圍十分有限，區(qū)域西北部在大部分時(shí)間熱島較強(qiáng)。

圖7 2018年8月16日08:00時(shí)至17:00時(shí)模擬區(qū)域的逐時(shí)熱島強(qiáng)度及10m風(fēng)速矢量分布Fig.7 hourly urban heat island intensity and wind speed distribution (vectors) from 08:00 to 17:00 LST on 16th July 2018

以東湖為例具體分析湖風(fēng)對(duì)其周邊熱島緩解作用，可知東湖降溫方向及范圍隨湖風(fēng)方向與強(qiáng)度變化而變化。08:00時(shí)湖風(fēng)強(qiáng)度較弱，湖風(fēng)向西北部輻散，并在東湖西北部產(chǎn)生1 km的無(wú)熱島區(qū)域及2 km弱熱島區(qū)域。09:00時(shí)，隨湖風(fēng)強(qiáng)度的增大，東湖湖風(fēng)開始向東北部輻散，其西北部降溫范圍減少至1 km，東北部產(chǎn)生大片弱熱島區(qū)域，南部聯(lián)合湯遜湖、南湖湖風(fēng)形成冷鏈。10:00—11:00時(shí)，湖風(fēng)持續(xù)增強(qiáng)，湖泊冷島效應(yīng)增強(qiáng)，東湖湖風(fēng)輻散方向的變化使其對(duì)北部及南部降溫增強(qiáng)。東湖北部產(chǎn)生約0.8 km的無(wú)熱島區(qū)域且其湖風(fēng)輻散方向強(qiáng)熱島與較強(qiáng)熱島基本消失，湯遜湖—南湖—東湖冷鏈范圍增大。至12:00時(shí)東湖湖風(fēng)最為強(qiáng)盛時(shí)可為其湖風(fēng)輻散的北部、西北部、西部約1.5 km提供無(wú)熱島環(huán)境，且在其東北部產(chǎn)生大片無(wú)熱島區(qū)域。13:00—14:00時(shí)，東湖西北部湖風(fēng)增強(qiáng)，東北部湖風(fēng)基本消失，周圍無(wú)熱島范圍減少，東北部較強(qiáng)熱島范圍擴(kuò)大。15:00—17:00時(shí)，東湖湖風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱，且冷島強(qiáng)度減弱，其周邊極強(qiáng)熱島與強(qiáng)熱島重新出現(xiàn)。

3.2.2 局部湖風(fēng)環(huán)流對(duì)周邊地區(qū)的降溫作用

圖8為2018年8月16日12:00時(shí)東湖湖風(fēng)輻散方向風(fēng)溫剖面圖，其中A-A’剖切線順應(yīng)主導(dǎo)風(fēng)下的東湖湖風(fēng)，B-B’與C-C’基本垂直于主導(dǎo)風(fēng)向，為湖風(fēng)增強(qiáng)后的東湖湖風(fēng)輻散方向。用紅色突出主要局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流，分析東湖不同方向局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的降溫作用。

圖8a剖面線經(jīng)過(guò)嚴(yán)西湖、東湖、沙湖、長(zhǎng)江及高密度工商業(yè)區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)方向由嚴(yán)西湖向長(zhǎng)江，可觀察到上風(fēng)向湖泊湖風(fēng)匯入其下風(fēng)向區(qū)域湖泊的下沉氣流中，耦合成環(huán)流鏈，湖泊間主要為34 ℃以上的高溫工商業(yè)區(qū)。此剖面上東湖寬度較大，約為7 km，其局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流能為其下風(fēng)向區(qū)域約1 km提供3℃左右降溫。圖8b剖切線經(jīng)過(guò)東湖、長(zhǎng)江及低密度建設(shè)居住區(qū)，不順應(yīng)當(dāng)日主導(dǎo)風(fēng)向，更易形成閉合的局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流，如東湖西南側(cè)、長(zhǎng)江兩側(cè)均形成閉合局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流。東湖與長(zhǎng)江間低密度建設(shè)區(qū)氣溫在32 ℃左右，東湖在此剖切線上寬度約為4.8 km，其局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流主要對(duì)其東北側(cè)約1.5 km內(nèi)產(chǎn)生2 ℃降溫。圖8c與8a類似，各湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流耦合成鏈，南湖與湯遜湖間低密度居住區(qū)形成2.5 m/s平穩(wěn)風(fēng)流。區(qū)域大部分溫度在33 ℃以下，僅湯遜湖西南側(cè)及南湖與東湖間高密度工商業(yè)區(qū)存在33 ℃~34 ℃的高溫區(qū)域。東湖下沉氣流進(jìn)一步吹向東北岸低密度建設(shè)居住區(qū)，為其東北部2.5 km處帶來(lái)2 ℃降溫，局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的降溫范圍最廣。

圖8 2018年8月16日12:00時(shí)（a）剖面A-A’風(fēng)溫剖面圖，（b）B-B’風(fēng)溫剖面圖，（c）C-C’風(fēng)溫剖面圖Fig.8 the vertical distribution of temperature and wind speed (vectors) of (a) section line A-A, (b) section line B-B and (c) section line C-C

總的來(lái)說(shuō)，東湖局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流主要對(duì)其輻散方向1~2.5 km處產(chǎn)生2 ℃~3 ℃降溫，降溫強(qiáng)度取決于其周邊湖泊分布及建設(shè)強(qiáng)度。小型湖泊可促進(jìn)湖泊間局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的耦合，連續(xù)的風(fēng)流構(gòu)成鏈狀的降溫區(qū)域。而建設(shè)強(qiáng)度更低時(shí)，東湖降溫強(qiáng)度更低，但局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流延伸范圍更廣，從而使其降溫范圍更大。

4 討論

4.1 湖風(fēng)生消特征影響因子

根據(jù)本文中對(duì)于湖風(fēng)時(shí)空特征的分析，相同位置湖泊湖風(fēng)的生成與消失時(shí)間主要受湖泊面積的影響。前人大量研究也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，其結(jié)果表明，地表面積越大、越深的湖泊越易產(chǎn)生湖風(fēng)[27-28]。而不同位置湖泊中，大型城中湖最先產(chǎn)生湖風(fēng)，隨后是大型城郊湖、小型城中湖。這是因?yàn)椴煌杆嫔郎剌^快，而大型湖泊蓄熱能力更強(qiáng)，因此大型城中湖泊湖風(fēng)生成時(shí)間最早，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。

研究時(shí)段內(nèi)影響湖風(fēng)的環(huán)境因素變化主要為背景氣象條件，包括區(qū)域背景風(fēng)速的變化與太陽(yáng)輻射所導(dǎo)致的升溫，故對(duì)2018年8月16日05:00—19:00時(shí)模擬區(qū)域平均溫度及背景風(fēng)速變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖9），以上風(fēng)向區(qū)域國(guó)家氣象站點(diǎn)1（30.34 °N，114.33 °E）風(fēng)速作背景風(fēng)速。可觀察到在區(qū)域存在湖風(fēng)的時(shí)段，平均溫度持續(xù)增高，升溫速率降低，背景風(fēng)速降低。前人研究指出，太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)使水陸溫差增大，從而產(chǎn)生湖風(fēng)，同時(shí)背景風(fēng)場(chǎng)也會(huì)對(duì)湖泊湖風(fēng)形態(tài)產(chǎn)生影響[29]。本研究中，區(qū)域平均溫度受太陽(yáng)輻射增溫至31.3 ℃時(shí)（08:00時(shí)）開始產(chǎn)生湖風(fēng)。水體因其低比熱容受輻射增溫較慢，因此在升溫期與周邊陸地溫差逐漸增大，湖風(fēng)也隨之強(qiáng)盛。

圖9 2018年8月16日05:00—19:00時(shí)國(guó)家氣象站點(diǎn)1逐時(shí)風(fēng)速變化及模擬區(qū)域平均溫度Fig.9 hourly wind speed of meteorological station 1 and the average air temperature from 05:00 to 19:00 LST on 16th July 2018

結(jié)合圖6湖風(fēng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，12:00時(shí)湖風(fēng)最為強(qiáng)盛時(shí)，平均溫度上升至36 ℃，背景風(fēng)速持續(xù)降低至升溫期最低風(fēng)速2 m/s。13:00時(shí)，背景風(fēng)速驟升至3.25 m/s，圖7中有湖風(fēng)產(chǎn)生的11個(gè)湖泊中，位于西南側(cè)、東北側(cè)的3個(gè)大型湖泊后官湖、武湖、嚴(yán)西湖與2個(gè)小型城中湖黃家湖、南湖均在13:00時(shí)湖風(fēng)消失，后官湖與南湖在14:00時(shí)背景風(fēng)速降低后再次產(chǎn)生湖風(fēng)。前人研究也指出背景風(fēng)速的增大不利于湖風(fēng)的產(chǎn)生[8,30]，但在本研究中背景風(fēng)速的增大對(duì)主導(dǎo)風(fēng)來(lái)向兩側(cè)的湖泊及小型湖泊影響更為顯著。這一方面是因?yàn)樾⌒秃春L(fēng)強(qiáng)度較弱，更易在高風(fēng)速下消失，另一方面是由于城市中湖泊在城市粗糙下墊面的遮蔽下，湖風(fēng)受背景風(fēng)速轉(zhuǎn)變的影響比位于建成區(qū)兩側(cè)湖泊所受影響更小。

4.2 與湖風(fēng)環(huán)流協(xié)同的城市降溫規(guī)劃策略

在都市發(fā)展區(qū)內(nèi)可識(shí)別到大型城中湖對(duì)其湖風(fēng)輻散方向有較為顯著的熱島緩解作用，但其降溫范圍與降溫強(qiáng)度在不同時(shí)刻存在差異，前人研究也印證了水體并非在所有時(shí)刻都有良好降溫效果[8]。因此，僅憑大型城中湖提供降溫難以實(shí)現(xiàn)有效的城市熱環(huán)境優(yōu)化。楊博涵等指出，可通過(guò)對(duì)城市水體的數(shù)量和空間格局進(jìn)行合理配置，使其降溫效果達(dá)到最大化[31]。前文對(duì)整體層面湖風(fēng)降溫效應(yīng)的分析表明，除大型城中湖可對(duì)其湖風(fēng)輻散方向1~2.5 km處帶來(lái)2 ℃~3 ℃降溫外，大型城郊湖始終作為強(qiáng)冷源供應(yīng)冷空氣，大型湖泊間的小型湖泊可促進(jìn)局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的耦合。因此，利用各類湖泊局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流協(xié)同為城區(qū)輸送冷空氣是實(shí)現(xiàn)湖泊降溫效益最大化的重要策略?；诓煌愋秃淳值卮渭?jí)湖風(fēng)環(huán)流的熱調(diào)節(jié)機(jī)理，將城市湖泊劃分為大型城郊湖（補(bǔ)償源）、大型城中湖（作用庫(kù)）及二者之間的小型湖泊（分流點(diǎn)）（表4）。通過(guò)各湖泊的合理布局使局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流相互銜接，由補(bǔ)償源輸出冷空氣，分流點(diǎn)輸送冷空氣，作用庫(kù)進(jìn)一步將冷空氣滲透入城區(qū)中，實(shí)現(xiàn)良好的降溫冷鏈（圖10）。

表4 湖泊降溫功能定位Tab.4 the cooling functional orientation for lakes

圖10 局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流的鏈狀通風(fēng)降溫格局構(gòu)建Fig.10 the establishment of spatial pattern for ventilation and cooling using the cold chain between local secondary lake breeze circulations

同時(shí)針對(duì)不同湖泊熱調(diào)節(jié)功能特征，進(jìn)一步從補(bǔ)償源—分流點(diǎn)—作用庫(kù)三個(gè)層面分別提出管控策略，將傳統(tǒng)大面積“單中心”的“冷島效應(yīng)”策略轉(zhuǎn)化為“多中心”的“冷鏈效應(yīng)”。以區(qū)域東南部為例，圖11為區(qū)域湖泊空間管控示意圖。以多湖泊協(xié)同的局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流冷鏈構(gòu)建為導(dǎo)向，形成湖泊分類管控格局：第一，保護(hù)補(bǔ)償源。重點(diǎn)保護(hù)上風(fēng)向梁子湖、豹澥湖等城郊大型湖泊，嚴(yán)格限制其下風(fēng)向區(qū)域開發(fā)建設(shè)，在其與城區(qū)間通過(guò)控制建設(shè)強(qiáng)度等方式預(yù)留冷空氣輸送通道，且其走向應(yīng)與城市盛行風(fēng)向平行。第二，引導(dǎo)分流點(diǎn)。利用小型湖泊對(duì)局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流冷鏈的銜接作用，引導(dǎo)城郊大型湖泊、小型湖泊及目標(biāo)降溫區(qū)域構(gòu)成“三點(diǎn)一線”的格局，并保證湖泊間的低建設(shè)強(qiáng)度。如梁子湖—湯遜湖—黃家湖—青菱湖—長(zhǎng)江間的低建設(shè)強(qiáng)度促進(jìn)了冷鏈的形成，而湯遜湖—南湖—東湖與東湖—沙湖—長(zhǎng)江間則需進(jìn)一步控制建設(shè)區(qū)域空間形態(tài)，以優(yōu)化局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流冷鏈。第三，擴(kuò)大作用庫(kù)。通過(guò)對(duì)湖體引流、整合水體資源等方式，保證在大型城中湖高建設(shè)強(qiáng)度側(cè)1~1.5 km，低建設(shè)強(qiáng)度側(cè)1.5~2.5 km內(nèi)有小型水體等開放空間。同時(shí)在其湖風(fēng)輻散方向預(yù)留通風(fēng)道，使湖風(fēng)降溫作用進(jìn)一步滲透至下風(fēng)向城區(qū)，平衡區(qū)域溫度，消除高溫聚集區(qū)。

圖11 武漢市東南部湖泊空間管控示意圖Fig.11 the management and control strategies for lakes in the southeast of Wuhan city

5 結(jié)論與展望

利用WRF/ UCM模式對(duì)夏季典型氣象日武漢城市邊界層特征進(jìn)行高分辨率模擬，揭示了都市區(qū)局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流時(shí)空分布特征及其降溫效應(yīng)。主要結(jié)論如下：第一，湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間受湖泊面積、區(qū)位、背景風(fēng)速影響，湖泊面積越大湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，同等規(guī)模的城中湖湖風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于城郊湖，背景風(fēng)速增大時(shí)小型城郊湖的湖風(fēng)率先消失。第一，都市區(qū)內(nèi)極強(qiáng)熱島與強(qiáng)熱島區(qū)域面積隨著湖風(fēng)增強(qiáng)而逐漸減小，且湖風(fēng)對(duì)湖泊下風(fēng)向區(qū)域的降溫強(qiáng)度、范圍均大于上風(fēng)向地區(qū)。第三，分布緊密湖泊產(chǎn)生的湖風(fēng)環(huán)流在邊界層高度上連接可形成降溫冷鏈，從而促進(jìn)近地面湖風(fēng)降溫范圍的延展。根據(jù)研究結(jié)果，從“保護(hù)補(bǔ)償源引導(dǎo)分流點(diǎn)擴(kuò)大作用庫(kù)”提出了與局地次級(jí)湖風(fēng)環(huán)流協(xié)同的城市降溫規(guī)劃策略。

本研究?jī)H選取了夏季典型氣象日進(jìn)行分析，所提出的策略旨在優(yōu)化夏季高溫天氣下湖泊的風(fēng)熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用，其研究結(jié)論不能代表其他季節(jié)湖風(fēng)對(duì)城市熱環(huán)境的影響。水體在不同季節(jié)對(duì)城市氣候的影響存在差異，尤其夏熱冬冷城市冬季防風(fēng)與夏季通風(fēng)降溫之間仍需要研究來(lái)進(jìn)一步權(quán)衡?；诖耍贫ú煌竟?jié)城市風(fēng)熱環(huán)境評(píng)估指標(biāo)體系，建立普適性的氣候適應(yīng)性城市水體規(guī)劃框架，是未來(lái)營(yíng)造舒適型城市氣候亟待解決的內(nèi)容。

圖片來(lái)源:

圖1-12：作者繪制

表1、3-4：作者繪制

表2：WENG Q H.Fractal Analysis of Satellite-Detected Urban Heat Island Effect[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2003,69(5): 555-566.