晉江市海陸風與城市熱場分布關(guān)系的研究

李夢琪 楊杰 李春學 何鑫

摘 要：隨著沿海城市的不斷發(fā)展，人們越來越關(guān)注城市氣候所帶來的影響，因此研究弱大氣環(huán)流背景下的海陸風與城市熱場的分布關(guān)系，對于確定海陸風是否能夠改善沿海城市的城市熱場環(huán)境，并以此改善城市微氣候環(huán)境具有重要意義。本文以晉江市為例，首先利用站點風要素觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合海陸風判別條件，提取并分析了多個典型海陸風日海陸風的基本特征;之后利用站點溫度要素觀測數(shù)據(jù)，選取了典型日早、中、晚不同時間段的氣象數(shù)據(jù)，分析了晉江市溫度場的基本特征;最后將符合海陸風日的風要素與溫度要素數(shù)據(jù)通過Matlab進行繪圖，研究了晉江市海陸風與城市熱場的分布關(guān)系。結(jié)果顯示，晉江市在海陸風日的條件下，溫度隨著海風與陸風之間的轉(zhuǎn)變而變化;海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎(chǔ)上，海陸風弱區(qū)與熱場強區(qū)一致。

關(guān)鍵詞：晉江;城市化;海陸風;城市熱場;時空分布

隨著城市化的發(fā)展，21世紀以來，國內(nèi)外廣大氣象學家對城市氣候?qū)W（Urban Climatology）和城市氣象學（Urban Meteorology）的研究越來越重視，政府部門亦越來越支持[1-3]。在沿海城市地區(qū)，海陸風環(huán)流與城市熱島環(huán)流，二者往往同時存在，因而它們是相互作用的：一方面，它們對城市氣候有著較大的影響，是強對流天氣觸發(fā)的關(guān)鍵因素;另一方面，在空氣污染過程中，對于污染物的傳輸與擴散往往起到較為重要的作用。

海陸風環(huán)流是一種重要的中尺度天氣系統(tǒng)，一天之中，常常可以觀測到離岸風和向岸風。產(chǎn)生海陸風的重要原因在于海洋與陸地這兩個下墊面的受熱不均勻，大氣基本環(huán)流微弱時，在白天，吹海風，即風由海洋吹起向陸地;在夜間，吹陸風，即風從陸地吹向海洋。城市熱環(huán)境是近年來在研究城市熱島的基礎(chǔ)上， 由環(huán)境和氣象工作者提出并進而發(fā)展的概念。在現(xiàn)階段，城市熱環(huán)境并無統(tǒng)一的概念，但大致情況概括起來一般有兩種：一種是以周淑貞為代表所提出的，他們認為熱環(huán)境是城市空間內(nèi)客觀存在的熱場，受到高溫、高輻射影響，或者是高溫與其他因素聯(lián)合存在的環(huán)境;另一種則是柳孝圖為代表，他們認為熱環(huán)境是人對熱場主觀感覺，與人們生活的物理環(huán)境條件有關(guān)，風速、太陽輻射、空氣濕度、空氣溫度等要素均會產(chǎn)生影響。眾所周知，沿海地區(qū)的大城市較多，且發(fā)展較快，故而在局地氣象學（Local Meteorology）中一般起關(guān)鍵作用的是城市冠層，尤其在城市熱環(huán)境中產(chǎn)生城市熱島環(huán)流（Urban Heat Island Circulation， UHIC）時更能體現(xiàn)出這一點。城市熱島環(huán)流的源來自于城市熱島，城市熱島環(huán)流是大氣溫度水平變化的中尺度響應(yīng)，與感熱通量梯度有關(guān)。形成城市熱島環(huán)流的原因與海陸風環(huán)流類似，前者是因為城郊溫度差異所引起的，范圍可以達到城市大小的2-3倍，屬于城市尺度的中小尺度環(huán)流;后者則由海陸熱力差異所造成的，屬于局地中尺度環(huán)流。

隨著城市化的不斷發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴大，城市熱島現(xiàn)象問題日益突出，國內(nèi)外學者對海陸風與城市熱場相互作用的特征也進行不同的描述。由Estoque和Fisher首先開始了海陸風環(huán)流與城市熱島環(huán)流的數(shù)值研究。Aggeliki等在雅典地區(qū)對城市熱島和海陸風環(huán)流之間的作用進行研究時采用了MMS模式，他發(fā)現(xiàn)城市化對于下墊面的改變對海陸風環(huán)流的發(fā)生發(fā)展與向陸地的推進速度有較大影響。Dandou等則在對雅典的城市化進程進行研究時，發(fā)現(xiàn)了其中的海陸風環(huán)流與城市熱島環(huán)流之間的相互作用，結(jié)果在于白天海陸風環(huán)流會削減城市熱島環(huán)流的影響，但夜間卻會出現(xiàn)相反情況，即夜間城市熱島強度會有所增加。Sarkar等則對城市熱場與海陸風進行研究時，采用了ZD數(shù)值模式，其認為在白天，熱島強度與范圍會增強海陸風強度，但同時會削減其向內(nèi)陸的延伸。

本文所研究的晉江市，是一個典型的沿海城市，故在站點海陸風研究的基礎(chǔ)上，將其與溫度場進行疊加，進行陸風與城市熱場分布關(guān)系的研究，以便于對改善城市氣候環(huán)境提出合理建議。

1資料和方法

1.1研究區(qū)概況

晉江市地處福建四大河流之一—晉江的南岸，三面臨海，內(nèi)陸水系密布，是典型的沿海城市，其地理位置位于北緯 24°30′N～24°54′N，東經(jīng) 118°24′E～118°43′E，平均海拔132 m。該市地處亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，年平均氣溫在18-20℃，氣候溫和，雨量充沛。受地質(zhì)構(gòu)造等因素的控制，晉江市境內(nèi)未有大的河流發(fā)育，地下水資源較為貧乏。研究區(qū)地理位置如圖 1 所示。

1.2 海陸風判別

參考文獻，再結(jié)合晉江市所處的地理位置（圖1），確定了適用于晉江市海陸風日判定的條件，即：

（1）該日為有效天。“有效天”被認為應(yīng)該是一天中有效的數(shù)據(jù)量需超過當天應(yīng)有數(shù)據(jù)量的 2/3，也就是說 24 小時至少應(yīng)有 17 個小時的觀測數(shù)據(jù);

（2）當日中日出時到日落后 2 小時內(nèi)，應(yīng)該存在連續(xù) 4 小時及以上的海風風向，此外還需海風風速≤局地上限風速;

（3）在00 時至日出后 1 小時內(nèi)，應(yīng)該存在連續(xù) 4 小時陸風風向，與此同時陸風風速≤局地上限風速;

（4）一般來說，還需將夜間 2 點前后的風向度數(shù)與 14 點前后的風向度數(shù)相減，保證其差值的絕對值在≥90°且≤270°之間。

依據(jù)上述的判定條件，現(xiàn)對海陸風開始與結(jié)束的時間進行判斷：在海風（陸風）從某時次起開始持續(xù)出現(xiàn)4個及以上的時次時，將該時次稱為海風（陸風）的出現(xiàn)時間;當海風（陸風）開始后，從某時次起開始持續(xù)出現(xiàn)了 2 個及以上時次的非海風（非陸風）情況，就將該時次的前一時次稱為海風（陸風）結(jié)束時間。又結(jié)合晉江海岸線的走向，確定了的海風和陸風方向，結(jié)果如表 1 所示。

海陸風屬于局地風，因此，采用矢量分解的方法，將實測風進行分解，分為系統(tǒng)風與局地風兩個部分。在此之中，測站所測的風作為實測風，大尺度風被稱為系統(tǒng)風，同時海陸風等中尺度環(huán)流則為局地風。首先需將每日的各小時風矢量分解成兩個方向的分量，即水平u 和垂直v 分量（也就是東西和南北向）;再者取該日中所有小時u 和v 的平均值，將二者的矢量合成作為系統(tǒng)風;最后計算實測風與系統(tǒng)風之間的矢量差得到局地風。其中，使用的公式如下：

1.3數(shù)據(jù)資料與方法

本研究采用的氣象數(shù)據(jù)來自晉江市2014年7月18個加密自動氣象站采集的溫度、10分鐘風向和風速觀測數(shù)據(jù)，其中站點分布如圖1所示。此外此研究主要是通過Matlab編程來達到數(shù)據(jù)整理與繪圖的目的。

1.4基于站點的海陸風與溫度分析

考慮到夏季晉江地區(qū)海陸溫差大，且多受副熱帶高壓控制，有利于海陸風的形成，因此，選定2014年7-8月份為研究時段。該時期不僅晉江多出現(xiàn)晴朗靜風或微風天氣，符合海陸風形成的基本條件;而且溫度較高，便于研究溫度與海陸風二者之間的關(guān)系。其中，海陸風主要通過對其風向風速的研究來判斷是否符合其形成條件;溫度一般采用平均值以此作為確定某一時刻的熱場情況的判定條件。

2 結(jié)果與分析

2.1典型日的海陸風基本特征

將海陸風日判別指標應(yīng)用于全區(qū) 18 個自動站的觀測數(shù)據(jù)，以至少 12 個站同日出現(xiàn)海陸風的情況下，確定了 2014 年的海陸風日，共計31天;但由于夏季的海陸風最具備代表性，故選擇7、8兩個月進行研究。7、8兩個月的海陸風現(xiàn)象均集中出現(xiàn)在該月中下旬，即 7 月17、20、21 日和8月26、27、30日，共計6天。海陸風日平均氣溫為30.2℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月21日，為34.3℃，無降水發(fā)生;平均風速為2.67 m/s，最大風速出現(xiàn)在7月21日3時，為4.77 m/s。在對典型日的海陸風基本特征進行分析時，從上述海陸風日中選取了7、8月各自連續(xù)兩天的風速風向，即7月20、21日和8月26、27日。

由結(jié)果可知，7月20日，平均風速為3.34 m/s，在白天以東風為主，持續(xù)時間為10 h，夜間多為北風與北西北風，持續(xù)時間為9 h;7月21日，平均風速為4.29 m/s，在白天以東風和東東北風為主，持續(xù)時間為6 h，夜間多為北風，持續(xù)時間為6 h;8月26日，平均風速為2.17 m/s，在白天以東東北風為主，持續(xù)時間為9 h，夜間多為西西北風，持續(xù)時間為5 h;8月27日，平均風速為1.88 m/s，在白天以東東北風、東東南風和東南風為主，持續(xù)時間為11 h，夜間多為西風和西西北風，持續(xù)時間為11 h。由此進行推斷，認為沿海城市晉江在夏季有海陸風形成時，在白天，一般多為東風、東東北風，偶爾會吹東東南風和東南風，且持續(xù)時間較長;在夜間，一般以北風與西西北風為主，偶爾會吹西風與北西北風，且持續(xù)時間較白天而言稍短。

2.2典型日的溫度場基本分布特征

在進行典型日的溫度場基本分布特征的分析時，仍然選取了7月20、21日和8月26、27日這四天作為研究對象，并著重以8h為間隔，對6時、14時和22時這三個較為典型的時刻進行探討，從而了解晉江市夏季海陸風日的熱場分布特征。

圖2分別顯示了7月20日6時、14時和22時的溫度場的相關(guān)情況。6時，晉江市東南部及南部地區(qū)氣溫較全市其他地區(qū)而言有所偏低，中西部與北部地區(qū)氣溫較高，部分地區(qū)溫度達到了35℃;14時，全市溫度有所下降，可能與海風環(huán)流有關(guān);22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不到10℃，平均氣溫為30.3℃，較全市溫度場分布情況來看，中西部地區(qū)和北部地區(qū)最能是熱島效應(yīng)的中心區(qū)域。

圖3分別顯示了7月21日6時、14時和22時的溫度場的相關(guān)情況。6時，晉江市東南部及南部地區(qū)氣溫較全市其他地區(qū)而言有所偏低，中西部與北部地區(qū)氣溫較高，部分地區(qū)溫度達到了35℃以上;14時，全市溫度有所下降，降溫區(qū)域由沿海向內(nèi)陸延伸，直到之前溫度最高的北部區(qū)域，但仍在30℃以上，可能與海風環(huán)流有關(guān);22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不到10℃，平均氣溫為30.8℃，較全市溫度場分布情況來看，北部地區(qū)最能是熱島效應(yīng)的中心區(qū)域。

圖4分別顯示了8月26日6時、14時和22時的溫度場的相關(guān)情況。6時，晉江市東南部及南部部分地區(qū)氣溫較全市其他地區(qū)而言有所偏低，中西部、西南部與北部地區(qū)氣溫較高，部分地區(qū)氣溫達35℃以上;14時，全市溫度有所下降，降溫區(qū)域延伸至北部及西北部地區(qū)，可能與海風環(huán)流有關(guān);22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不大，平均氣溫為29.4℃，較全市溫度場分布情況來看，中西部地區(qū)最能是熱島效應(yīng)的中心區(qū)域。

圖5分別顯示了8月27日6時、14時和22時的溫度場的相關(guān)情況。6時，晉江市東南部及南部地區(qū)氣溫較全市其他地區(qū)而言有所偏低，中西部與北部地區(qū)氣溫較高，部分地區(qū)溫度達到了35℃及以上;14時，全市溫度有所下降， 可能與海風環(huán)流有關(guān);22時，夜間溫度下降幅度不大，最低溫度出現(xiàn)在西北部地區(qū)。全天晝夜溫差亦不到10℃，平均氣溫為30.1℃，較全市溫度場分布情況來看，中部地區(qū)最能是熱島效應(yīng)的中心區(qū)域。

通過對圖2-圖5的晉江市7月20、21日和8月26、27日這四天的6時、14時和22時的溫度場分布進行分析，發(fā)現(xiàn)在夏季出現(xiàn)海陸風的同時，溫度也較高，平均氣溫幾乎均超過30℃，且部分地區(qū)出現(xiàn)了最高氣溫大于35℃的情況，符合高溫日（最高氣溫≥35℃且日平均氣溫>30℃）的條件，說明在夏季，極端天氣更容易促使海陸風的產(chǎn)生。再者，城市熱島效應(yīng)的中心最有可能出現(xiàn)在北部與中西部地區(qū)。此外，隨著海風向內(nèi)陸的延伸，會出現(xiàn)溫度下降的現(xiàn)象，以至于本應(yīng)在午后最高溫度時，卻出現(xiàn)溫度不如早上高的情況。

2.3典型日的海陸風與城市熱場之間的關(guān)系

2.3.1 典型日的海陸風與城市熱場的特征

圖6為晉江站7月20日的風速度溫度與風向溫度特征圖，從中可以了解到溫度整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在早晨6時左右達到最高值，隨后溫度降低，但午后有所回升，并降溫至22時左右達到一日內(nèi)的最低值。在此過程中：從風速度溫度特征圖6（a）中發(fā)現(xiàn)風速走勢與溫度類似，但波動較溫度而言較大，溫度的變化產(chǎn)生了溫差，從而導致了風速的增減;通過對風速度溫度特征圖6（b）的風向進行分析，發(fā)現(xiàn)溫度的變化伴隨著的是海風與陸風之間的轉(zhuǎn)變，在白天當陸風轉(zhuǎn)變?yōu)楹ｏL后，隨著海風向內(nèi)陸的延伸和發(fā)展，溫度便有所降低，但之后夜間又從海風轉(zhuǎn)變?yōu)殛戯L后，溫度便有所回升。

由結(jié)果可知，晉江市在夏季出現(xiàn)海陸風的情況時，溫度并不是如往常一般在14時左右達到最高值，而是隨著海風與陸風之間的轉(zhuǎn)變而變化。隨著陸風向海風的過渡，使得溫度降低，表明熱場的轉(zhuǎn)變確實是受到海陸風影響的。

2.3.2 典型日的海陸風與城市熱場的分布關(guān)系

圖7為晉江站7月20日、21日與8月26日、8月27日14時風場與溫度場分布圖。選擇了這四天內(nèi)統(tǒng)一的時刻--14時的風場與溫度場要素進行疊加后發(fā)現(xiàn)：7月20日14時，晉江市東部、東南部和西南部地區(qū)的風速較全市其他地區(qū)而言偏大，與此同時，溫度情況卻恰恰相反;7月21日14時，晉江市東部、東南部和南部部分地區(qū)的風速較全市其他地區(qū)而言偏大，但溫度較低，中西部與北部地區(qū)風場強度較弱，溫度卻較高;8月26日14時，晉江市全市風場強度較弱，沿海地區(qū)的溫度較內(nèi)陸地區(qū)而言偏低;8月27日14時，晉江市北部、東北部及西部地區(qū)風場強度較其他地區(qū)而言偏低，溫度卻偏高，其他地區(qū)情況與此相反。由上述結(jié)果推斷，晉江市海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎(chǔ)上，海陸風弱區(qū)與熱場強區(qū)一致。

本研究在用Matlab對晉江市多個站點進行數(shù)據(jù)處理時，采用了上述的海陸風判別方法，獲取到了海陸風的特征，并將溫度數(shù)據(jù)與熱場數(shù)據(jù)進行疊加，得到了海陸風與城市熱場的分布關(guān)系。由本文結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在海陸風日，風向隨溫度的變化與風速隨溫度的變化趨勢類似，但是溫度的日變化卻不同以往，并未在午后14時左右達到峰值，而是在早上6、7時便達到日最高值，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能在于數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)處理過程存在些許偏差，且未詳細考慮如降水量、云量的其他氣象數(shù)據(jù)，以及可能在于沿海城市的風場變化對溫度的影響較大。又因為在時間與空間分布一致的基礎(chǔ)上，晉江市海陸風弱區(qū)與熱場強區(qū)一致，故由此表明，沿著海陸風路徑，規(guī)劃城市通風廊道，有利于引入海陸風，增加城市密集區(qū)域空氣流動的能力，從而削減城市熱場的作用強度和范圍。

4 結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

本文采用 Matlab編程的方法對晉江多站的溫度與風場數(shù)據(jù)進行處理與繪圖，得到了海陸風日中的風場與城市熱場各自的基本特征及分布關(guān)系，以及在時空分布一致的基礎(chǔ)上，風場與城市熱場之間疊加后的關(guān)系。研究結(jié)果表明， 沿海城市晉江在夏季有海陸風形成時：在白天，一般多為東風、東東北風，偶爾會吹東東南風和東南風，且持續(xù)時間較長;在夜間，一般以北風與西西北風為主，偶爾會吹西風與北西北風，且持續(xù)時間較白天而言稍短;極端天氣更容易促使海陸風的產(chǎn)生;溫度會隨著海風與陸風之間的轉(zhuǎn)變而變化，隨著陸風向海風的過渡，會使得溫度有所降低;晉江市海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎(chǔ)上，海陸風弱區(qū)與熱場強區(qū)一致。

4.2 建議

作為沿海城市的晉江，城市化進程使得其城市規(guī)模擴大、建筑密度增加且高度提升。這種變化使得城市空間形態(tài)有別于原先的自然地貌條件，亦產(chǎn)生了不同于自然氣候的城市微氣候（Microclimate），上述情況使得人們越來越重視城市氣候在城市規(guī)劃中的作用。為進一步推進生態(tài)文明建設(shè)，系統(tǒng)、全面的改善晉江生態(tài)、生活、生產(chǎn)環(huán)境，提高廣大市民的城鄉(xiāng)環(huán)境滿意度，保障城市擁有溫和舒適的氣候環(huán)境，減少城市—“靜風”環(huán)境，必須系統(tǒng)地開展晉江城市熱島、風場環(huán)境的時空分布特征與變化規(guī)律分析，尋找影響城市熱島與風場環(huán)境的關(guān)鍵因子。具體的做法是：保護晉江現(xiàn)有的通風廊道，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化不完整通風廊道及打通關(guān)鍵節(jié)點通風廊道，另外在構(gòu)成通風廊道的空間中利用空間組合變化、地形高差變化優(yōu)化局地風環(huán)境，以便于減輕城市熱島效應(yīng)的強度和范圍。

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（民和回族土族自治縣氣象局? 青海? 810800）