章莉 詹慶明 歐陽婉璐

基于GIS的武漢市夏季風環(huán)境研究

章莉 詹慶明 歐陽婉璐

武漢是典型夏熱冬冷城市，2012年起武漢市開展城市風道規(guī)劃以緩解城市夏季高溫。本文基于武漢市都市發(fā)展區(qū)27個氣象站點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助ARCGIS10.0和Origin8.0對武漢市多年夏季一天風速風向進行分析。研究發(fā)現(xiàn)受城市中心區(qū)地表粗糙度的影響，中心區(qū)風速遠小于近郊區(qū)風速,隨著中心區(qū)高強度開發(fā)，全天中心區(qū)與近郊區(qū)風速差呈現(xiàn)增大趨勢；離長江、湖泊較近的站點的風向會受到內(nèi)陸湖風的影響，與當日盛行風不一致。研究還發(fā)現(xiàn)因城市中心區(qū)下墊面復雜，影響風速因素較多，僅從城市建筑形態(tài)分析與各站點風速相關(guān)性略顯不足。

風景園林；通風；GIS；風道規(guī)劃；夏季；風環(huán)境

Fund Items: the National Natural Science Foundation of China, Program： GIS/RS based natural ventilation analysis to support urban wind path planning (No. 51378399) ; the Fundamental Research Funds for the Central Universities, Program： Study on urban green planning for urban natural ventilation(No. 2014209020201)

1 引言

新世紀，越來越多的城市出現(xiàn)夏季持續(xù)高溫、冬季霧霾的問題，城市面臨前所未有的環(huán)境危機。改善城市通風，增加城市自然通風廊道是近些年研究者提出的改進措施之一，一時間，城市風環(huán)境成為近些年人們的研究熱點[1-2]。早在20世紀80年代，周淑貞教授基于上海百年實測的風速資料，分析城市發(fā)展對風速的影響，研究發(fā)現(xiàn)城市建筑高度、密度增大導致城市風速減小，研究中也闡述了上海市熱島效應與風速的影響關(guān)系[3]，讓人們清楚地了解上海城市發(fā)展對近地表風環(huán)境帶來的影響。正如周淑貞教授在《城市氣候?qū)W》一書中所說：“城市化引起的局部大氣邊層的改變，將對底層氣流和湍流特征產(chǎn)生顯著影響。[4]”

章莉/1980年生/女/江蘇人/武漢大學城市設計學院在讀博士研究生/華中農(nóng)業(yè)大學風景園林系講師/研究方向為綠地系統(tǒng)規(guī)劃、數(shù)字景觀和城市氣候(武漢430072)

ZHANG Li was born in Jiangsu Province in 1980. She is a Ph.D. student majored in Landscape Architecture in College of Urban Design, Wuhan University and also is a Lecturer in Huazhong Agriculture University. Her research focuses on green planning, digital landscape and urban climate(Wuhan 430072).

武漢近20年，城市化發(fā)展迅速，大量人口涌入城市，城市內(nèi)建筑高度、建筑密度與日俱增，城市地表粗糙度明顯增大；隨著中心區(qū)下墊面的快速改變，武漢城市熱島問題突出[5]，這些變化都影響著武漢市近地表氣流流動。

武漢市國土資源和規(guī)劃局2012年通過公開征集的方式，邀請武漢大學、香港中文大學和武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心組成的聯(lián)合團隊研究城市風道的構(gòu)建[6]，了解武漢城市風環(huán)境也成為必要。本文以武漢都市區(qū)27個氣象站站點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析武漢市多年風速風向數(shù)據(jù)，研究風速、風向與城市之間的關(guān)系，為改善城市環(huán)境、營建良好風環(huán)境的城市規(guī)劃提供基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)域概述

武漢市位處江漢平原東部，東經(jīng)113°41'～115°05'，北緯29°58'～31°22'之間，屬于典型的亞熱帶季風氣候，夏熱冬冷，四季分明。冬季多北風、東北風，夏季多南風、西南風。此次研究范圍武漢市都市發(fā)展區(qū)以外環(huán)高速公路附近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政邊界為基本界線，總面積3 261km2，包含武漢市中心城區(qū)和近郊區(qū)，而武漢市中心城區(qū)即主城區(qū)是以三環(huán)路以內(nèi)地區(qū)為主，包括局部外延的沌口、廟山和武鋼地區(qū)，總面積為678km2，是人口集中、建筑密集地區(qū)。

此次研究是針對夏熱地區(qū)改善熱環(huán)境的通風研究，著重考察武漢市夏季風環(huán)境特征，武漢市夏季時間是7—9月份，選取這3個月中無降雨、少云的晴朗天氣進行分析。

3 數(shù)據(jù)來源與處理

城市地表粗糙度影響空氣流動，城市中心和郊區(qū)存在差異較大的地表形態(tài)，本次研究選取武漢市都市區(qū)內(nèi)27個氣象站點，2009年9月6日、2010年9月17日、2011年9月4日、2013年8月8日每小時氣象數(shù)據(jù)。中心城區(qū)(主城區(qū))15個站點，均為自主氣象站，都市區(qū)范圍內(nèi)近郊區(qū)12個站點，其中武漢、江夏是國家氣象站，其余為自主氣象站。武昌、東湖氣象臺這兩個站點在2012年時分別更名為江夏及林業(yè)站。在ARCGIS10.0軟件中，依據(jù)站點經(jīng)緯度繪制站點分布圖(圖1)，從圖中可見中心城區(qū)的站點主要分布于武昌和漢口，漢陽的氣象站點較少。

輔助分析資料還包括2013年武漢市建筑普查數(shù)據(jù)、武漢市城市用地圖、2013年8月8日ETM遙感影像，借助Origin8.0、ARCGIS10.0等軟件平臺對數(shù)據(jù)進行分析處理。

1 氣象站點分布圖Meteorological station map

4 研究分析

4.1 氣象站用地分析

城市用地類型在一定程度上反映空間類型、建筑密度、建筑高度等信息，且城市空氣流動受地表類型影響較大。依據(jù)《武漢市總體規(guī)劃(2010—2020)》中武漢市用地現(xiàn)狀圖，以國家2012年1月1日啟用的新《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》(GB50137—2011)對這27個站點所在用地進行統(tǒng)計分析(表1)：與中心城區(qū)內(nèi)的氣象站相比，近郊區(qū)的氣象站所在用地主要屬于城鄉(xiāng)用地中的農(nóng)林用地和居民點建設用地；而中心城區(qū)氣象站所在用地主要是公共管理與公共服務用地中的行政辦公用地、文化設施用地及教育科研用地。

詹慶明/1964年生/男/福建人/武漢大學城市設計學院教授、博士生導師、數(shù)字城市研究中心主任/研究方向為地理信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)在城市規(guī)劃與管理中應用(武漢430072)

ZHAN Qing-ming was born in Fujian Province in 1964. He is a Professor and doctoral supervisor in the College of Urban Design, Wuhan University. As the director of Digital City Research Center, his research focuses on the application of geographic information system and remote sensing technology in urban planning and management (Wuhan 430072).

4.2 風向分析

4.2.1 都市發(fā)展區(qū)盛行風向分析

借助origin8.0平臺分別對2009—2013年夏季一天的10分鐘平均風速、10分鐘風向進行統(tǒng)計分析，繪制全天風玫瑰圖，如圖2～5，從圖中可見2009年9月6日、2010年9月17日、

表1 氣象站點用地類型Tab. 1 Land use of meteorological station

2 20090906全天風玫瑰圖(基于都市區(qū)氣象站數(shù)據(jù)繪制)Wind rose on September 6, 2009(Based on the meteorological data of metropolitan area)

3 20100917全天風玫瑰圖(基于都市區(qū)氣象站數(shù)據(jù)繪制)Wind rose on September 17, 2010(Based on the meteorological data of metropolitan area)

4 20110904全天風玫瑰圖(基于都市區(qū)氣象站數(shù)據(jù)繪制)Wind rose on September 4, 2011(Based on the meteorological data of metropolitan area)

歐陽婉璐/1992年生/女/湖南人/武漢大學城市設計學院在讀碩士研究生(武漢430072)

OUYANG Wan-Lu, who was born in Hunan Province in 1992, is a graduate student majored in Urban Planning in College of Urban Design, Wuhan University. Her research focuses on urban planning(Wuhan 430072). 2012年5月12日主導風向均為東南風，2013 年8月8日主導風向是西南風，這與武漢夏季盛行風向是一致的。但2011年9月4日卻是以北風為主，主要是受區(qū)域大氣環(huán)境冷空氣影響，導致風向異常。

為進一步分析各站點風向情況，對研究范圍內(nèi)各站點全天主小時風向分布進行統(tǒng)計，如圖6～9。從圖中可以看出，2009年9月6日，從0：00到23：00，大多數(shù)站點風向集中在90°～135°間，盛行風向是ENE、E、ESE；左嶺站與農(nóng)大站點風向集中于225°～270°，湖大和洪山青菱站全天風向則是集中于270°～315°。2010年9月17日，多數(shù)站點的風向集中于90°～135°間，盛行風向是ESE、SE；湖大和洪山青菱站全天風向則是集中于270°～315°，第一聾校站主要盛行風向則是180°～225°，左嶺站站點風向是0°。2011年9月4日，各站點主要風向集中于0°～45°、315°～360°，盛行風向是N、NNE、NE，湖大和洪山青菱站全天風向則是集中于270°～315°。2013年，多數(shù)氣象站站點風速集中在135°～270°間，盛行風向是SSW、SW、WSW，左嶺站、洪山青菱站點風向主要是0°～45°，林業(yè)站風向則是315°～360°，第一聾校站點風向則是45°～135°。2013年8月8日，氣象站點風向主要集中在135°～225°間。由于影響城市風向的因素較為復雜，周淑貞在20世紀90年代就曾指出：“城市風向的變化實際上是氣壓梯度力、摩擦力和科氏力在平衡狀態(tài)下的擾動”[4]，這表明城市中，地表覆蓋變化、溫度差異、粗糙度各異、熱島環(huán)流等因素都會對風向產(chǎn)生影響。從這4天各站點風向來看，湖大、洪山青菱、第一聾校、左嶺站站點的風向與其他氣象站點風向差異較大，并且這些站點都位于湖泊附近，這也說明武漢市內(nèi)陸河湖氣流變化對城市中氣流的運動影響較大。

5 20130808全天風玫瑰圖(基于都市區(qū)氣象站數(shù)據(jù)繪制)Wind rose on August 8, 2013(Based on themeteorological data of metropolitan area)

6 都市區(qū)20090906各站點每小時風向Hourly wind direction in metropolitan area on September 6, 2009

7 都市區(qū)20100917各站點每小時風向Hourly wind direction in metropolitan area on September 17, 2010

8 都市區(qū)20110904各站點每小時風向Hourly wind direction in metropolitan area on September 4, 2011

9 都市區(qū)20130808各站點每小時風向Hourly wind direction in metropolitan area on August 8, 2013

10 20130808中心城區(qū)各站點風玫瑰圖Wind rose of central areas on August 8, 2013

4.2.2 主城區(qū)全天風向分析

現(xiàn)利用Origin8.0以及Arcgis10.0平臺對2013年8月8日中心城區(qū)各站點全天主小時風向變化從城市空間上進行分析。如圖10所示，鐵中(1072)、省移動公司(1073)、沌口(1082)、挽月中學(1017)站點全天風向變化較大，說明影響氣流運動的因素較多，這些站點大多都位于中心城區(qū)的邊緣地帶，建筑密度相對比較低，周邊綠地率較高，環(huán)境較為開闊，周邊水域、農(nóng)田面積較大，影響氣流運動方向變化的因素較多，風向變化較頻繁。相比較，城市建筑密度較高的地方如湖大(1054)、化工(1010)、財校(1015)、第六中學(1014)站點全天主導風向穩(wěn)定。

依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供氣象資料顯示2013年8月8日當天盛行風向為南風，湖大(1054)、十四中學(1012)、第六中學(1014)受到內(nèi)陸河流、長江江風影響，風向發(fā)生偏移。農(nóng)大(1053)、財校(1015)受周邊湖泊氣流影響，風向發(fā)生變化。這也進一步表示武漢市獨特的地理條件，河流和湖泊在分割城市空間的同時，對城市中氣流運動有很大影響力。

4.3 風速分析

城市下墊面存在著復雜的物質(zhì)、能量交換，隨著城市化進程的快速發(fā)展，城市不斷蔓延，建筑群持續(xù)擴張、增高、加密，導致下墊面粗糙度增大，進而減弱了空氣水平運動的能力?，F(xiàn)將武漢市城郊氣象站點風速以及城中心區(qū)風速分別進行對比分析。

4.3.1 城郊風速差異

將不同年份4天風速按照站點所在位置分為近郊區(qū)和中心城區(qū)兩類，分別統(tǒng)計兩種不同城市空間中的站點平均風速值，從表2中可見，近郊區(qū)平均風速均大于中心城區(qū)，這表明武漢市中心城區(qū)下墊面粗糙度大導致風速減弱，中心區(qū)與近郊區(qū)城市下墊面存在較大差異。相比較而言，近郊區(qū)的自主觀測站大多屬于農(nóng)林用地，地表開闊，阻礙物較少，空氣能順利流通，而其他站點雖然屬于建設用地，但所在地建筑密度、建筑高度、容積率都遠遠低于城市中心區(qū)站點所在區(qū)域，大氣流通阻礙率低，風速較大。此外，隨著武漢市城市化的快速發(fā)展，城市中心區(qū)高強度開發(fā)，導致城郊風速差異呈上升趨勢。

深入分析城郊主小時風速的變化情況，對近郊區(qū)與中心城區(qū)各站點繪制主小時平均風速圖，如圖11所示，中心城區(qū)與近郊區(qū)全天平均風速發(fā)展趨勢相同，近郊風速大于中心城區(qū)風速，白天與夜間城、郊風速差基本一致，沒有很明顯差異；但2011年9月4日，凌晨2：00、5：00時中心城區(qū)風速與近郊區(qū)風速很接近，同樣2013年8月8日，6:00～21:00時中心城區(qū)風速與近郊區(qū)風速差較大，而夜間風速差相對比較小。

將這5天中心城區(qū)與近郊區(qū)白天與夜晚平均風速進行對比分析如表3，從表中可見2009年9月6日、2010年9月17日這兩天白天與夜晚城郊風速差值基本一致，中心區(qū)風速比近郊區(qū)風速低約46%。但是2011年9月4日與2013年8月8日這2天白天中心區(qū)比近郊區(qū)風速分別減少約41%和54%，夜晚中心區(qū)風速比近郊區(qū)風速減少約24%和35%，與白天相比，夜晚中心區(qū)與近郊區(qū)風速差明顯縮小。這4天白天中心區(qū)風速比近郊區(qū)風速減少約40%以上，2013年8月8日白天中心區(qū)、近郊區(qū)風速差稍微較之前增大；夜間，2011年9月4日與2013年8月8日中心城區(qū)比近郊區(qū)風速差呈現(xiàn)縮小趨勢。D.O.LEE在對倫敦10年城郊風速對比分析中發(fā)現(xiàn)城區(qū)風速在白天比郊區(qū)減少約30%，夜晚則是20%左右[7]，與武漢城郊風速差異呈現(xiàn)相似現(xiàn)象。

表2 中心區(qū)與近郊區(qū)全天平均風速差分析Tab. 2 Mean wind speed difference between central and suburban areas

表3 中心區(qū)域近郊區(qū)晝夜平均風速分析Tab. 3 Diurnal average wind speed difference between central and suburban areas

11 中心區(qū)與近郊區(qū)全天平均風速對比分析Mean wind speed of central areas comparing with the suburban areas

12 20100917主城區(qū)地表熱效應分布圖Land surface temperature intensity of central area on September 17, 2010

13 20130808主城區(qū)地表熱效應分布圖Land surface temperature intensity of central area on August 8, 2013

這是由于夜間近郊區(qū)大氣流動相對穩(wěn)定，常常伴有逆溫層現(xiàn)象，而中心城區(qū)因存在熱島效應，隨著高度上升，空氣溫度逐步降低，這使得城市中心區(qū)因熱力交換形成局部氣流流動增多；再者，城市中地表粗糙度大于郊區(qū)，氣流在地表受到阻力遠大于郊區(qū)，上層空氣流動速度較大，下層空氣流動速度較小，進而在城市中心區(qū)上層氣流通過湍流交換向下層輸送，湍流交換導致風速變化，因此在夜間中心城區(qū)空氣流動較大，夜間城市中風速與郊區(qū)風速差縮小。但白天，尤其是午后，中心城區(qū)和郊區(qū)空氣溫度相差不大，若郊區(qū)盛行風速較大，城市中心區(qū)因復雜的地表形態(tài)阻礙了空氣的流通，城市地表阻力是氣流速度減小的主要因素，導致白天中心區(qū)風速比近郊區(qū)小得多。武漢市不同年份夏季一天晝夜風速差的變化在一定程度上表示2011年9月4日、2013年8月8日這兩天夜晚城市中心區(qū)熱島效應比2009年9月6日及2010年9 月17日夜間熱島效應明顯，城市中心熱島效應帶來的湍流交換比較多，從而導致夜間武漢中心區(qū)與近郊區(qū)風速差值的減小。

武漢大學團隊利用武漢市ETM遙感影像研究城市熱環(huán)境，分析2010年9月17日武漢市主城區(qū)熱島強度分布[8-10](圖12)，沿用相同方法對2013年8月8日ETM影像進行反演，獲得當日主城區(qū)熱島強度分布(圖13)，對比這兩張地表熱效應分布圖，可以很清楚地看到2013年8月8日武漢市主城區(qū)熱島強度有顯著加劇，這也進一步證實城市熱島效應對城市近地表氣流活動存在較大影響。

4.3.2 主城區(qū)各站點風速分析

將主城區(qū)16個自主站不同年份4天的風速數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如圖14。

如圖14所示，中心城區(qū)內(nèi)各氣象站點風速比較小，大多數(shù)站點所測風速在2m/s以下。其中第六中學(1014)、挽月中學(1017)站點所在地區(qū)風速較小，而財校(1015)、沌口(1082)、十四中學(1012)所在站點相對風速大一些。

14 中心區(qū)各站點風速分析Comparing wind speed of meteorological stations in central areas

15 武漢市西南風方向粗糙度長度分布圖Surface roughness of southwest wind direction in Wuhan

16 2013年8月8日日間風速與粗糙度長度相關(guān)性分析Correlation analysis between wind speed and surface roughness on August 8, 2013

城市中心區(qū)地表要素復雜，Grimmond和Oke在1999年分析影響城市地表粗糙度因素時，指出粗糙度長度是反映下墊面空氣流通特征的重要指標之一，并對粗糙度長度等指標計算的多種方法進行分析與驗證[11]。武漢大學和香港中文大學團隊2012年在研究武漢市風道規(guī)劃時，用迎風面積密度(λF)描述城市地表粗糙度，進而量化分析整個城市的通風潛力，規(guī)劃不同等級通風廊道[5]。本次研究借用Lettau于1968年提出的基于城市形態(tài)方法的粗糙度長度計算公式[12]:

其中h是建筑平均高度，λF是迎風面積密度。

基于2013年建筑普查數(shù)據(jù)，依據(jù)武漢大學和香港中文大學團隊提出的迎風面積密度計算方法[13-15]，分析得出武漢市粗糙度長度，如圖15所示，漢口老城區(qū)、武昌武珞路沿線地表粗糙度長度較大，是武漢市建筑密度較大、建筑高度較高的地區(qū)。

提取主城區(qū)氣象站點周邊500m范圍粗糙度長度均值與當日各站點白天(6:00～18:00)風速作相關(guān)性分析，風速選取日間(6:00～18:00)數(shù)據(jù)，主要是由4.3.1分析可知，2013年8月8日夜間風速受熱島效應影響較大，不能很好地反映風速與城市形態(tài)之間的關(guān)系。風速與粗糙度長度相關(guān)性分析結(jié)果表明隨著粗糙度長度增大，風速呈現(xiàn)減弱趨勢，但是兩者之間相關(guān)系數(shù)比較小(圖16)，這個結(jié)果與Grimmond和Oke在1999年對多種計算地表粗糙度方法進行實測驗證結(jié)果一致[8]，實測風速與計算所得粗糙度長度之間相關(guān)性都比較弱，這也進一步說明城市空間中地表要素復雜，建筑、構(gòu)筑物、植被、地形以及主城區(qū)中大面積湖面都會對氣流的運動產(chǎn)生影響，中心區(qū)風速受諸多因素影響，僅考慮建筑對風的阻礙作用略顯不足。

5 結(jié)論與討論

本文嘗試從氣象數(shù)據(jù)入手，重點對比分析城市中心區(qū)與近郊區(qū)的風環(huán)境，從側(cè)面反映城市化對城市氣候的影響。研究表明城市快速發(fā)展對近地面空氣流通影響較大，武漢市中心區(qū)風速低于近郊區(qū)風速，城市中心區(qū)高強度開發(fā)導致中心區(qū)與近郊區(qū)風速差有增大趨勢。隨著武漢城市發(fā)展，中心區(qū)熱島效應的增強，中心區(qū)夜間湍流增多，導致中心區(qū)與近郊區(qū)夜間風速差呈現(xiàn)縮小態(tài)勢。城市近郊區(qū)水域、農(nóng)田較多、建筑密度較低，風向變化頻繁，城市中心區(qū)建筑密度較高，干擾氣體運動因素較少，風向相對穩(wěn)定；以“百湖”著稱的武漢，城市中的氣流運動方向受到長江以及城中大型湖泊的影響，內(nèi)陸湖風對周邊環(huán)境氣流運動影響明顯。因城市中心區(qū)下墊面復雜，建筑、植被、水體、地形及城市熱島效應等因素都會對空氣流動產(chǎn)生影響，進而從建筑分析獲得的地表粗糙度長度與實際風速表現(xiàn)較弱的相關(guān)性。

受保密和費用限制，所獲得的氣象站數(shù)據(jù)有限，本文僅僅是對多年夏季一天風速風向數(shù)據(jù)進行分析，其數(shù)據(jù)代表性、一般性、普遍性存在不足。但快速城市化對城市風環(huán)境的影響毋庸置疑，編制營建良好城市風環(huán)境的城市規(guī)劃顯得尤為重要。

注釋：

①圖12引自參考文獻[9]，其余圖表均為作者自繪。

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(編輯/張希)

GIS Based Summer Wind Environment Analysis in Wuhan

ZHANG Li, ZHAN Qing-ming, OUYANG Wan-lu

Wuhan is a city with hot summer and cold winter. Air path planning has been done to mitigate hot summer in Wuhan since 2012. Based on the data of 27 meteorological stations in the urban development area of Wuhan, this paper analyzed the wind speed and direction of Wuhan city for many years using the software ARCGIS10.0 and Origin8.0. The study found that the wind speed was much smaller in the central area for the bigger surface roughness. The wind speed differences between the central and suburban areas is widening with the intensive development in the central area. Wind direction is not consistent with the prevailing direction because of the effect of the nearby lake and Yangtze River. The study also showed that the impact of wind speed is very complicated for the complexity of the underlying surface of the city central area. It was inadequate to only analysis the relation between wind speed and urban uniform.

landscape architecture; ventilation; GIS; wind path planning; summer; wind environment

國家自然科學基金《基于GIS 和RS 通風潛力分析的城市風道規(guī)劃支持方法研究》(編號：51378399)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金《基于城市自然通風的綠地規(guī)劃研究》(編號：2014209020201)

TU986

A

1673-1530(2017)03-0089-09

10.14085/j.fjyl.2017.03.0089.09

2016-12-16

修回日期：2017-01-31