西安城市熱島效應(yīng)下的垂直氣象觀測與結(jié)果分析*

趙仙榮，葛玨駿，王宇鵬，于春亮

(1.陜西大氣探測技術(shù)保障中心，陜西 西安 710014；2.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中鐵九局集團有限公司大連分公司，遼寧 大連 116011)

根據(jù)國家關(guān)于構(gòu)建頂級城市群、樞紐城市群等規(guī)劃意見，我國的城市化進程中已明顯出現(xiàn)人口從小城市向大城市集中的趨勢。然而，人口過度聚集在刺激流量經(jīng)濟的同時也可能引發(fā)城市內(nèi)的局部氣候環(huán)境變化，并誘發(fā)霧霾天氣、流行病傳播等一系列城市災(zāi)害問題[1]。因此，充分探究城市設(shè)計與運營過程中所造成的中小尺度氣候環(huán)境變化機理，開展面向未來預(yù)測與管控的精細化氣候環(huán)境測量與分析已成為城市氣象領(lǐng)域的迫切任務(wù)。

城市下墊面由于錯落的幾何結(jié)構(gòu)、高度的人為熱排放和人工建材使用，在相同的背景氣象條件下會形成有別于自然下墊面的熱力過程，這一現(xiàn)象被稱為城市熱島效應(yīng)。諸多研究證實了熱島效應(yīng)對建筑能耗、行人熱舒適度和污染物擴散的負面影響[2]；《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標準：JGJ 286—2013》[3]提出城市居住區(qū)夏季熱島強度不應(yīng)大于1.5℃。目前的熱島強度一般定義為城郊人行高度空氣溫度差。然而，中國的城市形態(tài)與發(fā)達國家存在極大差異，高層建筑普遍存在，僅以人行高度熱環(huán)境狀況無法充分評價城市氣象災(zāi)害風(fēng)險或指導(dǎo)工程設(shè)計。

一般認為，城市景觀的下墊面材料在受到日間太陽直射輻射作用后能夠儲存更多的熱量，且由于建筑物的遮擋不易發(fā)散長波輻射，下墊面溫度高于自然景觀構(gòu)成的下墊面，兩者差異在夜間尤甚[4]。LU等[5]通過水箱試驗闡述了下墊面溫度升高后上空的換熱過程：近地面空氣受熱后上升，郊區(qū)冷空氣從下方流入補充；上升的熱空氣遇冷降溫并下沉(圖1)。上述熱力循環(huán)使城市上空形成一個流場的邊界，即城市氣候?qū)W中所稱的城市邊界層[6]。邊界層高度一般在城市冠層高度(即城市平均建筑高度)以上，城市冠層內(nèi)的熱環(huán)境特征由大氣環(huán)流和局地?zé)崃Νh(huán)流的協(xié)同作用決定。

圖1 城市上空熱力環(huán)流[5]

西安是中國西北樞紐城市，近年來城市規(guī)模急劇擴張，同時伴有交通擁堵、霧霾嚴重等一系列城市災(zāi)害問題出現(xiàn)，在中國大城市中具有代表性。1977年，街峽模型首次被提出(圖2)，由于良好地代表了城市下墊面的典型特征，針對街峽模型的熱環(huán)境研究受到廣泛認可[7]。由于邊界條件清晰，街峽模擬也成為中尺度研究中成果轉(zhuǎn)化能力最好的模型，其內(nèi)部的風(fēng)、熱環(huán)境時空變化特征及污染物擴散能力等，均可由其內(nèi)部的熱力環(huán)流結(jié)構(gòu)變化特征來說明。在城市高強度開發(fā)過程中，西安市城區(qū)內(nèi)的多層街峽逐漸由高層街峽替代，街峽高度和寬度的絕對值均較大[4]，如圖2所示。

圖2 大城市街峽形態(tài)的概念及其多樣性

西安地處關(guān)中盆地，屬于寒冷地區(qū)城市。然而隨著全球氣候變暖，西安尤其是市區(qū)范圍內(nèi)的氣候特征在近年體現(xiàn)出明顯的變化趨勢。冬季寒冷天氣的持續(xù)時間仍然較長，11月15日至來年3月15日為集中采暖時段；且冬季日平均溫度越低的時段內(nèi)風(fēng)速越小，越有利于霧霾的形成[8]。而西安夏季高溫天氣也頻頻出現(xiàn)，在2017年夏季連續(xù)出現(xiàn)40℃以上高溫天氣，夏季平均熱島強度達0.8℃[9]。有理由推測，是城市高強度開發(fā)導(dǎo)致的區(qū)域熱力環(huán)流變化引發(fā)或加劇了上述城市氣象災(zāi)害的發(fā)生。

因此，本文以西安市為例，通過系留氣球觀測法獲取城市和郊區(qū)不同高度的氣象數(shù)據(jù)，定量描述了城市熱島垂直結(jié)構(gòu)特征，并展開與各種氣象災(zāi)害機制的關(guān)聯(lián)分析。最終，本文根據(jù)城市熱島效應(yīng)的緩解提出了若干政策性的建議，以降低西安遭受典型城市氣象災(zāi)害的風(fēng)險。

1 城市垂直氣象觀測方法

城市氣候氣候數(shù)據(jù)的采集方法主要包括遙感影像反演和氣象觀測。其中通過遙感影像反演方法難以獲取氣象參數(shù)在垂直方向上的變化特征；傳統(tǒng)的氣象觀測方法中則一般依賴氣象塔[10]固定觀測設(shè)備，難以滿足城市環(huán)境測試中的機動性要求。針對上述既有方法的局限，本研究提出以系留氣球攜帶探空儀在城市范圍內(nèi)選點開展低空氣象觀測的方法獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

具體方案為：分別在西安市中心區(qū)域和郊區(qū)選取了具備系留氣球放飛條件的典型下墊面。城市下墊面典型區(qū)域選擇以西安交通大學(xué)興慶校區(qū)為中心的城市中心區(qū)域；同時為考慮到局部城市空間形態(tài)差異造成的觀測結(jié)果偏差，選擇了西安交通大學(xué)興慶校區(qū)(市內(nèi)低強度開發(fā)區(qū))、西安交通大學(xué)家屬區(qū)二村(高層區(qū))和西安交通大學(xué)家屬區(qū)一村(中層區(qū))三處觀測地點。郊區(qū)下墊面典型區(qū)域則選擇了澇渭濕地景觀公園(郊區(qū)公園)和交大創(chuàng)新港校區(qū)(郊區(qū)低強度開發(fā)區(qū))兩處。理想的觀測時間包含1 d中從日出前至日落后的典型時間段：6:00—6:30(日出前)，8:00—8:30(日出時)，10:00—10:30(上午)，12:00—12:30(日中)，15:00—15:30(下午)，19:30—20:00(日落后)。探空氣球懸停高度分別距地表10 m、30 m、60 m、90 m、120 m和150 m，測量的參數(shù)內(nèi)容包括空氣溫度濕度、風(fēng)速及風(fēng)向。

測試人員于2021年的1月12—19日開展冬季觀測，于7月28日至8月5日開展夏季觀測。觀測設(shè)備為GTX-III型探空儀，空氣溫度采集的誤差<0.06℃，空氣濕度采集的相對誤差<3%，風(fēng)速采集在10 m/s以下風(fēng)速環(huán)境中的采集誤差<0.3 m/s。同時在觀測過程中，探空儀數(shù)據(jù)經(jīng)過地面的佐格HWS3000手持氣象站校準以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量(圖3)。

圖3 典型垂直測量節(jié)點的實測照片

2 觀測結(jié)果與分析

圖4與圖5分別展示了冬季與夏季各測試時刻溫廓線的直接測試結(jié)果。總體而言無論在冬季還是夏季，城市上空的空氣溫度變化梯度都要小于郊區(qū)。在10～30 m范圍內(nèi)，空氣溫度基本保持一致；較為明顯的空氣溫度變化梯度經(jīng)常在30～60 m范圍內(nèi)被觀測到。

圖4 冬季實測各時刻溫廓線結(jié)果

圖5 夏季實測各時刻溫廓線結(jié)果

圖6 冬季平滑與歸一化處理后的城郊溫廓線對比

圖7 夏季平滑與歸一化處理后的城郊溫廓線對比

由于觀測結(jié)果數(shù)量有限，在實測過程中不可避免地會出現(xiàn)每日的背景氣象條件不同，在1 d中也存在不適合放飛的天氣條件等問題。為進一步分析，本文將測試數(shù)據(jù)做了進一步資料同化與平滑處理。分別以城市觀測點和郊區(qū)觀測點各時刻、各高度的平均空氣溫度作為城市和郊區(qū)不同高度的代表溫度。將不同高度溫度變化按正弦函數(shù)回歸的方法確定了不同高度逐時溫度波動。城市逐時熱島強度則根據(jù)文獻[9]中的長時序測試結(jié)果獲得。圖6所示為西安冬季的溫廓線變化情況。由圖6可知，西安地區(qū)冬季夜間的逆溫現(xiàn)象明顯，城市與郊區(qū)上空60 m和90 m高度的空氣溫度基本相同；但由于夜間城市熱島的作用，城市的逆溫強度為0.8℃，明顯小于郊區(qū)的逆溫強度1.8℃。日出后隨著空氣溫度升高，城市和郊區(qū)的逆溫現(xiàn)象均逐步消失，但城市上空的氣溫直減率小于郊區(qū)；而到了17:00，城市上空已經(jīng)開始出現(xiàn)逆溫，而郊區(qū)上空的氣溫直減率仍然為正。這種現(xiàn)象可能是冬季日落前和日出后建筑產(chǎn)生的陰影使這兩個時段城市地表溫度更低導(dǎo)致的。圖7所示為西安夏季溫廓線變化情況。夏季夜間郊區(qū)仍有逆溫現(xiàn)象，而城市基本保持等溫層結(jié)，日間城市上空的空氣溫度垂直遞減率同樣小于郊區(qū)。

此外，已有研究證實了風(fēng)速與熱島強度高度相關(guān)[2]。圖8所示為根據(jù)西安冬夏兩季風(fēng)速測試結(jié)果所繪制的日平均風(fēng)廓線圖。由圖可知西安夏季風(fēng)速高于冬季；而城市上空的風(fēng)速變化梯度在冬季和夏季都小于郊區(qū)。

圖8 冬夏兩季城市內(nèi)部與周邊郊區(qū)風(fēng)廓線實測結(jié)果

3 對策與建議

如前所述，西安典型的城市氣象災(zāi)害為冬季霧霾天氣和夏季熱浪。由風(fēng)溫廓線的實測結(jié)果可推導(dǎo)城市熱島在西安冬季霧霾和夏季高溫兩種氣象災(zāi)害中扮演的角色。一般認為，較大的氣溫直減率使空氣的穩(wěn)定度降低，有利于污染物擴散[11]。在冬季，雖然城市熱島的作用使得夜間逆溫程度降低，但逆溫的時間更長；而在日間，城市上空的氣溫直減率小于郊區(qū)。這使得城市區(qū)域內(nèi)的大氣穩(wěn)定度較高，污染物不易擴散。在夏季夜間，西安城市上空基本成等溫層結(jié)；而日間城市上空的氣溫直減率小于郊區(qū)，使得大氣湍流強度降低。根據(jù)圖1所體現(xiàn)的原理，這會使郊區(qū)向城區(qū)輸送冷風(fēng)的驅(qū)動力減弱，而風(fēng)速降低又進一步加劇了熱島效應(yīng)。圖8的風(fēng)速觀測結(jié)果也證明了這一趨勢。

根據(jù)上述分析，本文認為以城市氣象災(zāi)害風(fēng)險降低為導(dǎo)向的城市規(guī)劃應(yīng)著力于滿足以下兩項條件：

(1)保證冬季地表良好的日照條件。地表日出后升溫過慢和日落前降溫過快是造成大氣穩(wěn)定度較高的重要原因，而這兩個時段均是居民通勤高峰期。夜間累計的污染物和交通排放污染物在早晨的累加作用會使空氣質(zhì)量急劇降低；

(2)優(yōu)化城市通風(fēng)效果，降低夏季城市熱島效應(yīng)。城市熱島強度高是引發(fā)圖1所示循環(huán)的根本原因。近年來諸多研究在技術(shù)層面為城市熱島緩解提供了方法。常見的技術(shù)包括高反射材料、隔熱材料和綠化屋面等，也有關(guān)于通過在混凝土中添加金屬材料以減緩城市熱島效應(yīng)的探討[12]。又比如在東京大手町和京橋地區(qū)的模擬研究顯示，透水路面能有效減緩城市熱島效應(yīng)，而綠化屋頂對人行高度的熱舒適度影響微弱，尤其在大手町這樣的高層建筑區(qū)域中；交通熱排放對京橋這樣的多層建筑區(qū)域負面影響更大[13]。

4 總結(jié)與展望

本研究提出了城市冠層熱島垂直結(jié)構(gòu)的觀測方法，并通過熱島垂直結(jié)構(gòu)所反映出的趨勢對西安典型氣象災(zāi)害的形成機制做出了解釋。本文的結(jié)果將為西安城市氣候規(guī)劃的編制提供實證依據(jù)。

采用本文所提出的觀測方法可以開展更普及的城市氣象觀測工作，為城市環(huán)境研究提供更豐富的數(shù)據(jù)。建議從城市下墊面結(jié)構(gòu)類型出發(fā)，根據(jù)建筑開發(fā)模式、綠地及水體規(guī)模和設(shè)計模式、交通系統(tǒng)規(guī)模等下墊面構(gòu)成要素特征，在西安市三環(huán)以內(nèi)選取典型城市下墊面類型，通過對不同高度的氣象監(jiān)測，分析不同典型城市下墊面影響下的風(fēng)溫廓線特征，并驗證城市空間結(jié)構(gòu)及材料特征與不同高度城市空間氣象環(huán)境的相關(guān)性；結(jié)合不同典型街區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物高度特點，研究可用于統(tǒng)一校對并能夠支撐城市微觀尺度立體氣象監(jiān)測的站點建設(shè)策略與方法。通過深入分析不同城市建成區(qū)的立體氣候環(huán)境分布，解析了在不同城市建設(shè)與運營背景下的熱環(huán)境特征，量化表征了城市內(nèi)部與周邊區(qū)域的能量交換，為深度理解城市內(nèi)部氣候環(huán)境形成機理提供了具有價值的科學(xué)依據(jù)，將為城市氣象災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)防、城市居民健康保障提供科學(xué)技術(shù)手段。