馬鞍山市風(fēng)場(chǎng)特征及其對(duì)熱島效應(yīng)的影響

張嫣然 程海峰 *

1安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院2安徽建筑大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院

隨著城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)也帶來了一系列不可忽視的問題。引起城市熱島的因素主要分為氣象條件和人為因素，而在氣象條件中，與城市熱島聯(lián)系最為緊密的便是風(fēng)速[1]。因此，想要研究城市熱島，就不可避免地需要對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析研究?；麸w等[2]使用WRF-UCM 對(duì)上海和南京的典型城市熱島現(xiàn)象進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)境風(fēng)場(chǎng)能夠影響城市熱島效應(yīng)高溫的水平分布。Sushobhan Sen等[3]利用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)美國芝加哥城市街區(qū)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)城市的形態(tài)和風(fēng)向也會(huì)影響城市熱島強(qiáng)度。王孝邦[4]用熱島強(qiáng)度與風(fēng)速進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在負(fù)相關(guān)，且風(fēng)向?qū)釐u分布有很大的影響。徐偉等[5]對(duì)上海區(qū)域站的氣象資料進(jìn)行研究，得出城市熱島的中心位置與風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)甚密。Ngarambe Jack 等[6]對(duì)首爾市的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在天氣晴朗時(shí)，風(fēng)速與城市熱島強(qiáng)度呈明顯的負(fù)相關(guān)。劉麗珺等[7]用 CFD軟件對(duì)河谷型地區(qū)蘭州城關(guān)區(qū)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)對(duì)風(fēng)速同樣具有反饋?zhàn)饔谩?/p>

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 典型氣象年選取方法

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[8]中方法選取典型氣象年，所選參數(shù)及其權(quán)重如表1所示。

表1 挑選參數(shù)及其權(quán)重

若近 10 年內(nèi)存在復(fù)數(shù)年份的m月均能滿足|ηi,m,y|≤1，則應(yīng)對(duì)這些月份的ηi,m,y進(jìn)行加權(quán)求和，選擇Dm最小的月份為該月的“ 平均月”。加權(quán)求和計(jì)算公式如下：

式中：i為挑選參數(shù)序號(hào)，m為月份序號(hào)，y為年份序號(hào)，Ki為各挑選參數(shù)的權(quán)重。

1.2 原始數(shù)據(jù)

本文中所涉及的氣象數(shù)據(jù)均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中包括本站氣溫、風(fēng)速風(fēng)向、本站氣壓、地表氣溫等參數(shù)。在遇到數(shù)據(jù)有缺測(cè)漏測(cè)時(shí)，按文獻(xiàn)[9]中的方法進(jìn)行處理，即：一個(gè)月內(nèi)連續(xù)缺測(cè)小于等于3天時(shí)，采用線性差值原則進(jìn)行插補(bǔ)。我國具有太陽輻射觀測(cè)資料的站點(diǎn)有限[10]，馬鞍山臺(tái)站并無相對(duì)完整的太陽輻射觀測(cè)資料，故本文典型氣象年的選取參數(shù)中并不包括太陽輻射。又因馬鞍山氣候站（站臺(tái)編號(hào)58336）遷址等因素影響，2011 年及其以后的氣象數(shù)據(jù)與之前不再具有連續(xù)性，由此，本文選取1981～2010年30年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在 2001～2010年中挑選典型氣象年，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后結(jié)果如表2所示。

表2 馬鞍山典型氣象年的月份組成

1.3 季節(jié)劃分

根據(jù)馬鞍山市日平均氣溫劃分季節(jié)：夏季為 6～9月；冬季為12～2月。

1.4 風(fēng)頻風(fēng)速計(jì)算

以馬鞍山市典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)得出夏季、冬季、過渡季以及全年的風(fēng)頻、風(fēng)速玫瑰圖。

風(fēng)玫瑰圖按 16 方位法統(tǒng)計(jì)，序號(hào)、符號(hào)及方位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示[11]。

表3 風(fēng)向序號(hào)、符號(hào)與度數(shù)對(duì)照表

各風(fēng)向的風(fēng)頻計(jì)算公式如下[11]：

各風(fēng)向的平均風(fēng)速計(jì)算公式如下[11]：

式中：A m為風(fēng)在m方位出現(xiàn)的頻率；Km為風(fēng)在m方位被統(tǒng)計(jì)到的次數(shù)；C為靜風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)；為風(fēng)在m方位的平均風(fēng)速，m/s；v mi為風(fēng)在m方位第i次被觀測(cè)到的風(fēng)速，m/s；m=1～16。

1.5 主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)頻及風(fēng)速

主導(dǎo)風(fēng)向是指風(fēng)頻最大的風(fēng)向角范圍。雖然自《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ2.2-2018）實(shí)施后，《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ2.2-2008）便已廢止，但因新規(guī)范未明確規(guī)定主導(dǎo)風(fēng)向定義，故本文仍以《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ2.2-2008）為基礎(chǔ)確定主導(dǎo)風(fēng)向，即 ：對(duì)于以 16 方位角表示的風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向一般是指連續(xù) 2～3個(gè)風(fēng)向角的范圍。某區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)有明顯優(yōu)勢(shì)，其主導(dǎo)風(fēng)向角的風(fēng)頻之和應(yīng)當(dāng)大于等于 30%，否則可以稱該區(qū)域沒有主導(dǎo)風(fēng)向或主導(dǎo)風(fēng)向不明顯[12]。

主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)頻計(jì)算公式如下[13]：

主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速計(jì)算公式如下[13]：

式中：A為主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)頻，v為主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速，m/s；v m為主導(dǎo)風(fēng)向角的風(fēng)速，v m-1，v m+1為該主導(dǎo)風(fēng)向角兩側(cè)風(fēng)向角的風(fēng)速，m=1～16，m/s。

2 典型氣象年風(fēng)頻風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向

2.1 夏季風(fēng)頻風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向

由圖 1 可以看出：馬鞍山市夏季東風(fēng)(E)風(fēng)頻最大，為 18.03%，風(fēng)速 2.33 m/s；西西南風(fēng)(WSW)風(fēng)頻最小，為 0%；無靜風(fēng)。按式(5)、(6)對(duì)馬鞍山市夏季風(fēng)頻風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算可知馬鞍山市夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)(E)，風(fēng)頻和為35.25%，主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速為1.90 m/s。

圖1 馬鞍山夏季風(fēng)玫瑰圖

2.2 冬季風(fēng)頻風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向

由圖 2 可以看出：馬鞍山市冬季東風(fēng)(E)風(fēng)頻最大，為 13.33%，風(fēng)速 2.18 m/s；西西南風(fēng)(WSW)風(fēng)頻最小，為 0%；靜風(fēng)風(fēng)頻為1.11%。按公式(5)、(6)對(duì)馬鞍山市冬季風(fēng)頻風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算可知馬鞍山市冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲魑鞅憋L(fēng)(WNW)，風(fēng)頻和為 32.22%，主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速為1.84 m/s。

圖2 馬鞍山冬季風(fēng)玫瑰圖

2.3 過渡季風(fēng)頻風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向

由圖 3 可以看出：馬鞍山市冬季東風(fēng)(E)風(fēng)頻最大，為 17.65%，風(fēng)速 2.17 m/s；西西南風(fēng)(WSW)風(fēng)頻最小，為 0%；靜風(fēng)風(fēng)頻為0.65%。按公式(5)、(6)對(duì)馬鞍山市過渡季風(fēng)頻風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算可知馬鞍山市過渡季東風(fēng)(E)為主導(dǎo)風(fēng)向，風(fēng)頻和為 37.26%，主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速1.81 m/s。

圖3 馬鞍山過渡季風(fēng)玫瑰圖

2.4 全年風(fēng)頻風(fēng)速及主導(dǎo)風(fēng)向

由圖 4 可以看出：馬鞍山市全年東風(fēng)(E)風(fēng)頻最大，為 16.71%，風(fēng)速 2.23 m/s；西西南風(fēng)(WSW)風(fēng)頻最小，為 0%；靜風(fēng)風(fēng)頻為0.55%。按公式(5)、(6)對(duì)馬鞍山市全年風(fēng)頻風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算可知馬鞍山市全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)(E)，風(fēng)頻和為 34.52%，主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速為 1.89 m/s。

圖4 馬鞍山全年風(fēng)玫瑰圖

2.5 數(shù)據(jù)匯總

由表 4 可以看出：馬鞍山市典型氣象年除冬季外其余季節(jié)及全年的主導(dǎo)風(fēng)向均為東，冬季則為西西北。全年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速均小于2 m/s，滿足規(guī)范《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[14](GB/T 50738-2019)中對(duì)風(fēng)環(huán)境的要求。

表4 馬鞍山市不同季節(jié)及全年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速匯總表

3 馬鞍山風(fēng)場(chǎng)對(duì)熱島的影響分析

3.1 城市熱島效應(yīng)

城市熱島是城市對(duì)氣溫影響最突出的特征。城市熱島效應(yīng)可從以下兩個(gè)方向進(jìn)行分析：1）同一時(shí)間城市與其附近郊區(qū)氣溫的對(duì)比。2）同一城市在其城市化發(fā)展不同階段氣溫的前后對(duì)比[1]。本文在分析馬鞍山市城市熱島效應(yīng)上采用第二種方法，即使用1981～2010年的典型氣象年（城市化后）與 1981年（城市化前）的氣溫對(duì)比來反映該市的城市熱島效應(yīng)。

3.2 馬鞍山日平均風(fēng)速及熱島效應(yīng)逐月變化特征

由圖5可以看出：馬鞍山市1981～2010 年典型氣象年的風(fēng)速與熱島效應(yīng)基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。典型氣象年風(fēng)速整體小于1981年風(fēng)速，全年的風(fēng)速特征基本為夏季較大，秋季較小。

圖5 馬鞍山市日平均風(fēng)速及熱島效應(yīng)逐月變化示意圖

3.3 風(fēng)速對(duì)熱島效應(yīng)的影響

云量、太陽輻射等氣象條件均會(huì)影響熱島的形成與變化，其中風(fēng)速對(duì)熱島的影響最大。全年、夏季、冬季、過渡季的熱島效應(yīng)與風(fēng)速的回歸方程如下：

式中：Δt為熱島效應(yīng)，℃ ；v為日平均風(fēng)速，m/s。

表9為式(7)～(10)中的相關(guān)系數(shù)。

表9 相關(guān)系數(shù)

由式(7)～(10)可以看出：風(fēng)速與熱島效應(yīng)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。聯(lián)系圖5可以發(fā)現(xiàn)：隨著馬鞍山市城市化進(jìn)度的加快，風(fēng)速減小導(dǎo)致能帶走的熱量減少，城市熱島效應(yīng)便相應(yīng)增大。

4 結(jié)論

1）馬鞍山市典型氣象年全年靜風(fēng)較少，東風(fēng)(E)風(fēng)頻最大，全年、夏季、冬季及過渡季的風(fēng)頻分別為16.71%、18.03%、13.33%、17.65%。

2）馬鞍山市典型氣象年主導(dǎo)風(fēng)向相對(duì)較為明顯，除冬季外其余季節(jié)及全年的主導(dǎo)風(fēng)向均為東風(fēng)(E)，全年、夏季及過渡季的主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速分別為 1.89 m/s、1.90 m/s、1.81 m/s，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲魑鞅憋L(fēng)(WNW)，主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速1.84 m/s。

3）馬鞍山市近 30 年風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，典型氣象年風(fēng)速較1981年風(fēng)速有明顯降低。

4）馬鞍山市典型氣象年風(fēng)速總體呈春夏大秋冬小的趨勢(shì)，與城市熱島效應(yīng)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。