王琦, 周迪, 張若蘭, 李鈺茜, 楊航, 李華威，3, 何瑞珍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002,2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450002,3.匈牙利圣伊斯特萬(wàn)大學(xué)景觀與城市規(guī)劃學(xué)院，佩斯 哥多洛 2100)

快速的城市化進(jìn)程導(dǎo)致下墊面性質(zhì)及地表粗糙度發(fā)生變化，土地集約式利用使得城市中心建筑高度和密度不斷增加，并進(jìn)一步影響城市風(fēng)場(chǎng)及水文過(guò)程，從而引發(fā)熱島、雨島、渾濁島等眾多環(huán)境問(wèn)題。城市風(fēng)場(chǎng)關(guān)乎城市空氣質(zhì)量，與市民的呼吸密切相關(guān)。河南省轄市中心城區(qū)主要分布在平原及盆地，平原城市鄭州是中部地區(qū)重要的中心城市、國(guó)家重要的綜合交通樞紐，在當(dāng)下人口資源環(huán)境結(jié)構(gòu)失衡的背景下，營(yíng)造可持續(xù)、高質(zhì)量的城市通風(fēng)環(huán)境，是解決特大城市諸多環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。同屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候的盆地城市洛陽(yáng)，作為中原城市群副中心城市，適時(shí)開(kāi)展城市風(fēng)環(huán)境研究能夠?yàn)橥愋统鞘刑峁┌l(fā)展示范及經(jīng)驗(yàn)借鑒。

城市風(fēng)場(chǎng)特征是城市風(fēng)環(huán)境研究的熱門(mén)方向之一，研究對(duì)象根據(jù)地形地貌分為平原城市[1]、丘陵城市[2]、盆地城市[3]、山地城市[4]等，研究?jī)?nèi)容主要為城市內(nèi)外部風(fēng)速特征[5]、高低層建筑區(qū)風(fēng)速特征[6]、風(fēng)速季節(jié)性特征[7]、風(fēng)環(huán)境指標(biāo)變化特征[8]等。周玉奇[6]、WEERASURIYA等[9]、TETSU等[10]、馮章獻(xiàn)等[11]研究發(fā)現(xiàn)，城市低建筑密度處的風(fēng)速和高建筑密度處的風(fēng)速有顯著區(qū)別，建筑高度、密度越大，其近地面的平均風(fēng)速越低；蔡菊珍等[12]、申鑫杰等[13]、莊智等[14]在研究中指出，城市中心區(qū)平均風(fēng)速10 a間呈明顯下降趨勢(shì)；陳士凌[5]、孫武等[15]研究結(jié)果表明，不同高度上主城區(qū)風(fēng)速均由周邊向城市中心降低。前人研究結(jié)果表明，城市化建設(shè)導(dǎo)致城市中心整體風(fēng)速不斷降低，城市中心風(fēng)速要低于外部風(fēng)速。而氣象站定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，鄭州市鄭東新區(qū)7月份平均風(fēng)速為0.39 m·s-1,而金水區(qū)7月份平均風(fēng)速為0.92 m·s-1,城市中心風(fēng)速高于外部區(qū)域。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)從郊區(qū)進(jìn)入城市建筑連綿區(qū)后，由于市內(nèi)風(fēng)場(chǎng)互相影響，風(fēng)速呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的趨勢(shì)。城市風(fēng)場(chǎng)單一變化趨勢(shì)的定性研究存在局限性，不能準(zhǔn)確完整地展示城市內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)特征。目前區(qū)域風(fēng)場(chǎng)在數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)[16-20]、風(fēng)洞試驗(yàn)[21-25]和數(shù)值模擬[26-31]等方面研究成果顯著，但風(fēng)場(chǎng)模擬空間分辨率通常較低。同時(shí)，鮮有學(xué)者能夠準(zhǔn)確描述整個(gè)城市的風(fēng)場(chǎng)狀況，不同地形條件下城市風(fēng)場(chǎng)對(duì)比研究出現(xiàn)空白。世界氣候網(wǎng)站提供的高分辨率風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)將風(fēng)場(chǎng)模擬的精度提高到30 s(近1 km)，這為觀察研究城市的風(fēng)場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。基于此，本研究利用ArcGIS軟件對(duì)高分辨率風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行量測(cè)分析，總結(jié)并對(duì)比分析鄭州與洛陽(yáng)市區(qū)尺度風(fēng)環(huán)境特征，通過(guò)相關(guān)性分析揭示風(fēng)速與高程的關(guān)系，為平原及盆地城市建設(shè)中風(fēng)環(huán)境營(yíng)造提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省下轄17個(gè)省轄市，50個(gè)市轄區(qū)、21個(gè)縣級(jí)市、88個(gè)縣。河南地形復(fù)雜，地勢(shì)西高東低，北部為暖溫帶，南部為亞熱帶。市區(qū)尺度選擇地處相同緯度、同屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候的平原城市鄭州和盆地城市洛陽(yáng)。鄭州市為河南省省會(huì)，現(xiàn)轄6區(qū)5縣級(jí)市1縣及鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)、鄭東新區(qū)、鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，中心城區(qū)建成區(qū)面積651.35 km2，市區(qū)人口765.5萬(wàn)人。洛陽(yáng)位于河南西部、黃河中游，因地處洛河之陽(yáng)而得名，是中部地區(qū)重要的工業(yè)城市?，F(xiàn)轄7區(qū)7縣及2個(gè)國(guó)家級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)、2個(gè)省級(jí)開(kāi)發(fā)區(qū)、18個(gè)省級(jí)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。中心城區(qū)建成區(qū)面積240.51 km2(不含偃師區(qū)、孟津區(qū))，市區(qū)人口230.95萬(wàn)人。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

WorldClim是一個(gè)高空間分辨率的全球天氣和氣候數(shù)據(jù)庫(kù)，共有30 s(約1 km2)～10 min(約340 km2)4種空間分辨率。數(shù)據(jù)集包含最低、平均和最高溫度、降水量、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、水汽壓和總降水量的氣候數(shù)據(jù)以及19個(gè)“生物氣候”變量，可用于制圖和空間建模。研究數(shù)據(jù)下載于2020年1月發(fā)布的WorldClim 2.1版1970—2000年的氣候數(shù)據(jù)，共有12個(gè)包含GeoTiff(.tif)文件的“zip”文件，分別為一年中的12個(gè)月(1月為第1個(gè)，12月為第12個(gè))。

2.2 研究方法

運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)下載的GeoTiff(.tif)文件進(jìn)行處理和分析。為驗(yàn)證世界氣候網(wǎng)站數(shù)據(jù)的可信度與精確性，選取鄭州市氣象站數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將氣象站風(fēng)速值與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速值進(jìn)行對(duì)比分析(表1)，運(yùn)用均方根誤差(RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)進(jìn)行誤差分析，公式如下：

由于風(fēng)速測(cè)量高度不同，部分月份氣象站和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)存在一定差異，但是風(fēng)速變化整體趨勢(shì)相同。計(jì)算得到的RMSE數(shù)值為0.289 m·s-1，MAPE數(shù)值為26.14%，上述結(jié)果均表明，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速值與實(shí)測(cè)值誤差較小，具有代表性和參考價(jià)值。

表1 氣象站與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速值對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of wind speed between weather stations and wind fields m·s-1

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)平面風(fēng)場(chǎng)分析

本研究采用相同的取樣范圍裁剪了鄭州市和洛陽(yáng)市全年不同月份的風(fēng)場(chǎng)圖，并對(duì)比展示了鄭州市區(qū)和洛陽(yáng)市區(qū)風(fēng)場(chǎng)平面狀況(圖1)。

圖1 鄭州市區(qū)、洛陽(yáng)市區(qū)一年中各月的1 km風(fēng)場(chǎng)平面圖Fig.1 The plane map of wind field of each month in one year in Zhengzhou and Luoyang urban areas

從鄭州市全年平均風(fēng)速情況可以看出，4月份平均風(fēng)速達(dá)到一年中最大值，7月份市區(qū)內(nèi)風(fēng)速變化最小，市區(qū)外圍1月份平均風(fēng)速為2.0 m·s-1。鄭州市區(qū)風(fēng)速呈現(xiàn)出圈層式結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分為4層，風(fēng)速?gòu)?.1和2.2 m·s-1，升至2.4 m·s-1，而后降至2.2 m·s-1。市中心部分區(qū)域的風(fēng)速為2.1 m·s-1。從外向內(nèi)3個(gè)圈層的寬度為1個(gè)像元，最后第4圈層占了市中心的大部分。城市規(guī)模不同，形成不同圈層個(gè)數(shù)的風(fēng)速影響區(qū)，鄭州為4層，洛陽(yáng)為2層。平原區(qū)城市最高平均風(fēng)速多為2.4 m·s-1，如許昌、新鄭、商丘、漯河等，而盆地城市最高平均風(fēng)速2.2 m·s-1，如南陽(yáng)、洛陽(yáng)等。2月份，主導(dǎo)風(fēng)向從正東向東北方向移動(dòng)，鄭州市不同風(fēng)速的圈層式結(jié)構(gòu)更加明顯，且風(fēng)速最大值的位置由原來(lái)的第2圈層演變?yōu)榈?圈層和第4圈層，風(fēng)速最大值也升高到2.6 m·s-1。

3月份風(fēng)速的圈層效應(yīng)進(jìn)一步減弱，市內(nèi)風(fēng)速減小區(qū)域的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；4月份圈層效應(yīng)已不存在，市區(qū)內(nèi)風(fēng)速與周圍風(fēng)速一致；5月份，市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)，但與周圍風(fēng)速相差不大，圈層效應(yīng)并不明顯；6月份，圈層效應(yīng)依然不明顯，出現(xiàn)了高低錯(cuò)落的風(fēng)速區(qū)；7月份，整個(gè)市區(qū)表現(xiàn)出和山體一樣的高風(fēng)速區(qū)，但市內(nèi)風(fēng)速變化不大；8月份，風(fēng)速圈層效應(yīng)再次出現(xiàn)，表現(xiàn)為單圈層，市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)不同風(fēng)速變化區(qū)；9月和10月，風(fēng)速表現(xiàn)出和7月份一樣的趨勢(shì)，但高風(fēng)速區(qū)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于7月，且9月份的風(fēng)速變化范圍比10月要大；11月份，風(fēng)速出現(xiàn)3個(gè)圈層，表現(xiàn)出弱的多圈層效應(yīng)；12月份，風(fēng)速圈層效應(yīng)比11月份明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為圈層間距離增大，風(fēng)速變化增強(qiáng)。11月份，圈層間風(fēng)速差為0.07 m·s-1，而12月為0.15 m·s-1。

3.2 鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)斷面風(fēng)場(chǎng)分析

為了探討市區(qū)斷面與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系，研究選用了鄭州市、洛陽(yáng)市較為盛行的西北方向?yàn)闃泳€，樣線布設(shè)如圖2所示。利用ArcGIS中3D Analyst Tools 菜單的interpolateline功能，從鄭州市、洛陽(yáng)市月平均風(fēng)速圖上提取鄭州市、洛陽(yáng)市每月的風(fēng)速斷面，用4個(gè)季節(jié)表示。風(fēng)速斷面圖如圖3所示。

圖2 鄭州、洛陽(yáng)市樣線布設(shè)位置圖Fig.2 Layout position of spline in Zhengzhou and Luoyang

從鄭州市2月份風(fēng)速斷面圖(圖3)可以看出，鄭州市區(qū)風(fēng)速存在4個(gè)峰值，進(jìn)入城市時(shí)形成第一個(gè)峰值，距離市區(qū)邊界為2 km，風(fēng)速為2.6 m·s-1；在市中心形成了2個(gè)峰值和1個(gè)谷值。其中，第1個(gè)峰值距離市區(qū)邊界為3 km，風(fēng)速為2.5 m·s-1，中間低谷區(qū)距離市區(qū)邊界為5 km，風(fēng)速為2.42 m·s-1，第2個(gè)峰值離市區(qū)西北邊界為7 km，距離風(fēng)速最小值區(qū)為2 km，風(fēng)速為2.5 m·s-1；出市區(qū)后形成第4個(gè)峰值，距離市區(qū)西北邊界為13 km，風(fēng)速為2.6 m·s-1。

縱觀全年市區(qū)內(nèi)風(fēng)速的變化，9月和10月出現(xiàn)單峰值，7月市區(qū)內(nèi)風(fēng)速變化不大，其余月份出現(xiàn)3～4個(gè)峰值。單峰值多偏離城市中心，偶數(shù)峰值多以市中心為中心，且呈現(xiàn)對(duì)稱分布狀態(tài)。

作為盆地城市的洛陽(yáng)市區(qū)中風(fēng)速峰值在不同月份也出現(xiàn)了單峰、雙峰和無(wú)影響3種狀態(tài)，但這3種狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間與鄭州市不同。5月為單峰值，4月、6月和9月無(wú)影響，其余月份為雙峰值。從雙峰影像可以看出，在市區(qū)周圍出現(xiàn)2 km的風(fēng)速升高區(qū)，風(fēng)速為2.1 m·s-1，市中心出現(xiàn)2.0 m·s-1風(fēng)速降低區(qū)。

3.3 鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)風(fēng)速與地形的關(guān)系

從鄭州市和洛陽(yáng)市的風(fēng)場(chǎng)圖可以看出，城市形態(tài)與城市風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)。隨著城市規(guī)模的增大，城市風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出多圈層結(jié)構(gòu)。洛陽(yáng)市高風(fēng)速帶僅出現(xiàn)1次，而鄭州市出現(xiàn)4次。為進(jìn)一步探討城市形態(tài)對(duì)城市風(fēng)場(chǎng)的影響，本研究利用Pearson相關(guān)系數(shù)，對(duì)鄭州市和洛陽(yáng)市西北東南方向一年12個(gè)月的風(fēng)速和該斷面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

圖3 鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)風(fēng)速斷面圖(西北向)Fig.3 Wind speed profile in Zhengzhou and Luoyang (northwest direction)

從表2可以看出，鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)在4月、7月、9月、11月風(fēng)速與高程相關(guān)系數(shù)均高于0.59，風(fēng)速與高程呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，平原城市鄭州全年的風(fēng)速和高程均呈正相關(guān)關(guān)系，盆地城市洛陽(yáng)在2月、6月和12月的風(fēng)速和高程存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余月份風(fēng)速和高程呈正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速與高程的關(guān)系隨月份、季節(jié)的變化而改變，盆地城市風(fēng)速與高程的關(guān)系比平原城市更為復(fù)雜。

表2 風(fēng)速與高程的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of wind speed and elevation

4 結(jié)論與討論

本研究基于世界氣候網(wǎng)站提供的全球高分辨率風(fēng)場(chǎng)圖，利用ArcGIS軟件對(duì)鄭州市和洛陽(yáng)市風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)分析，總結(jié)并對(duì)比分析了平原城市鄭州與盆地城市洛陽(yáng)市區(qū)尺度風(fēng)環(huán)境特征及影響因素。

1)鄭州市區(qū)最高平均風(fēng)速多為2.4 m·s-1，洛陽(yáng)市區(qū)多為2.1 m·s-1。平原城市與盆地城市均出現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)圈層式結(jié)構(gòu)，其中鄭州為4層，洛陽(yáng)為2層，圈層個(gè)數(shù)隨城市規(guī)模的擴(kuò)大而增加。圈層式結(jié)構(gòu)在冬、春季(11月至次年4月)比夏、秋季(5月至10月)表現(xiàn)更為明顯。

2)鄭州市區(qū)風(fēng)速變化多出現(xiàn)3～4個(gè)峰值，而洛陽(yáng)市區(qū)風(fēng)速變化多為雙峰型，單峰值多偏離城市中心，偶數(shù)峰值多以市中心為中心，且呈對(duì)稱分布狀態(tài)。平原城市與盆地城市風(fēng)速峰值出現(xiàn)的時(shí)間并不相同。

3)鄭州、洛陽(yáng)市區(qū)風(fēng)場(chǎng)整體呈增加―降低―最低―增加―降低的趨勢(shì)，鄭州市區(qū)風(fēng)速變化頻率高于洛陽(yáng)市區(qū)。平原城市風(fēng)速多呈外圍升高中間降低的趨勢(shì)，中間風(fēng)速最低的位置和降低幅度隨時(shí)間改變，但也表現(xiàn)出圈層式結(jié)構(gòu)；盆地城市同樣呈現(xiàn)出上述趨勢(shì)，但由于受外圍地形影響，其風(fēng)速升高幅度小于平原城市。

4)鄭州市全年風(fēng)速與高程均呈正相關(guān)關(guān)系，洛陽(yáng)市風(fēng)速與高程在2月、6月、12月呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余月份呈正相關(guān)關(guān)系。盆地城市風(fēng)速與高程的關(guān)系表現(xiàn)出季節(jié)性，風(fēng)場(chǎng)圈層式結(jié)構(gòu)與地形密切相關(guān)；城區(qū)規(guī)模和建筑高度是影響平原城市風(fēng)場(chǎng)圈層式結(jié)構(gòu)的主要因素。

通過(guò)觀察同緯度的開(kāi)封、商丘、三門(mén)峽等城市風(fēng)場(chǎng)圖發(fā)現(xiàn)，以1月份為例，城市中心風(fēng)速均高于外部。中心城區(qū)建成區(qū)面積略低于洛陽(yáng)(240.51 km2)的平原城市商丘(156.22 km2)、開(kāi)封(155.9 km2)的風(fēng)速圈層個(gè)數(shù)均為2層，但是風(fēng)速明顯高于洛陽(yáng)市區(qū)，這進(jìn)一步說(shuō)明，相同城區(qū)規(guī)模的城市風(fēng)場(chǎng)圈層結(jié)構(gòu)相同，但其風(fēng)速與地形與到海岸線距離有關(guān)。三門(mén)峽中心城區(qū)四面環(huán)山，建成區(qū)面積為67.61 km2，1月份風(fēng)速圈層僅為1層。

基于以上研究結(jié)論，建議河南省平原城市建成區(qū)面積、建筑高度需要控制在合理范圍內(nèi)，以便增大人為干擾風(fēng)環(huán)境的范圍和力度，從而有效降低極端風(fēng)環(huán)境對(duì)居民生活生產(chǎn)造成的負(fù)面影響。同時(shí)，需要加強(qiáng)貫穿城區(qū)中心的風(fēng)道建設(shè)，加速污染物的擴(kuò)散，讓更多的新鮮空氣流入市中心。相對(duì)于平原區(qū)城市，盆地城市風(fēng)環(huán)境特征及影響因素更為復(fù)雜。盆地城市需要考慮城市高層、高密度建筑區(qū)的體量控制和區(qū)位規(guī)劃，利用地形特征有意識(shí)地引導(dǎo)風(fēng)的交換。市區(qū)風(fēng)速圈層結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)性，中原地區(qū)防風(fēng)災(zāi)等城市精細(xì)化管理需要在冬季和春季加以重視。

隨著城市氣候環(huán)境問(wèn)題研究的深入，增加城市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、彌補(bǔ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在量與質(zhì)上的不足變得越來(lái)越重要。高時(shí)空精度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也能強(qiáng)有力地提高城市規(guī)劃的科學(xué)性，為城市精細(xì)化建設(shè)和管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，本研究?jī)H探討了平原、盆地城市風(fēng)場(chǎng)的圈層式結(jié)構(gòu)及高程對(duì)風(fēng)速的影響，未來(lái)可擴(kuò)大研究對(duì)象的范圍及數(shù)量，從地形種類、城市形態(tài)等角度深入對(duì)比研究不同城市風(fēng)場(chǎng)圈層式結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。