王林林

(濱州學(xué)院 建筑工程系, 山東 濱州 256600)

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基于DEM的山東省氣候舒適度時空分布研究

王林林

(濱州學(xué)院 建筑工程系, 山東 濱州 256600)

氣候條件對人類居住環(huán)境的舒適與否有相當(dāng)大的影響，通過地理信息系統(tǒng)技術(shù)，以山東省114個氣象站點近40年的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對區(qū)域氣候因子與地形的關(guān)系建立相關(guān)計算公式，利用數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)對氣候因子進(jìn)行地形訂正，生成實際地形下的氣溫、濕度和風(fēng)速時空分布柵格數(shù)據(jù)，再將其代入氣候舒適度模型進(jìn)行柵格運(yùn)算，得到實際地形下的山東省氣候舒適度時空分布特征。研究結(jié)果表明，春季魯西南地區(qū)較舒適，夏季全省都在舒適和較舒適范圍內(nèi)，秋季魯中和半島地勢較高地區(qū)為不舒適地區(qū)，其余均在舒適和較舒適范圍，山東省冬季氣候舒適度為極不舒適。

數(shù)字高程模型; 氣候舒適度; 時空分布; 山東省

氣候條件對人類居住環(huán)境的舒適與否有相當(dāng)大的影響，同時也是衡量一個城市或地區(qū)宜居性的重要指標(biāo)[1]。關(guān)于氣候舒適度的研究經(jīng)歷了兩個階段：前期研究多為用一些定性的描述或采用經(jīng)驗公式進(jìn)行定量討論，后期研究進(jìn)入定量階段，出現(xiàn)了較多關(guān)于氣候舒適度的計算公式和模型[2-4]。目前，氣候舒適度模型中所使用的氣候因子多為氣象站觀測數(shù)據(jù)，在空間上缺乏連續(xù)性，或者只是經(jīng)過簡單的空間內(nèi)插直接代入模型計算，得到的結(jié)果不夠精確細(xì)致，不能反映實際地形下的氣候舒適度時空分布模擬特征[5-9]。

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展和DEM數(shù)據(jù)的建立，氣候因子的模擬技術(shù)取得了較大進(jìn)展。區(qū)域氣候受地形因子的影響非常顯著，由DEM提供的經(jīng)、緯度、高程信息以及派生出的坡度、坡向、地形粗糙度等數(shù)據(jù)為氣候因子的柵格推算提供了基礎(chǔ)，并且可以大大提高模擬的精度，國內(nèi)外關(guān)于基于GIS與DEM的氣候因子模擬取得了較多的成果[5-24]，不僅提高了運(yùn)算速度、增加了模擬的精度，還對模型起到了一定的優(yōu)化作用。然而，目前將氣候因子空間分布模擬的研究成果應(yīng)用到氣候舒適度研究或者是將兩者有機(jī)結(jié)合的研究和論述還不多見或者不夠深入[25-28]，本文基于山東省DEM數(shù)據(jù)和氣象站的觀測數(shù)據(jù)(氣溫、相對濕度、風(fēng)速等)，運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，通過DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，得到實際地形下氣候因子的時空分布格局，本文選取1月、4月、7月和10月分別代表春、夏、秋、冬四個季節(jié)進(jìn)行模擬，再將氣候因子時空分布結(jié)果代入氣候舒適度模型中進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)代數(shù)運(yùn)算，獲得山東省氣候舒適度時空分布特征。

1　數(shù)據(jù)來源與模型

本文研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于山東省氣象局，共涉及山東省內(nèi)114個氣象站點1971—2010年的歷年逐月平均溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及各氣象站的經(jīng)度、緯度和海拔高度數(shù)據(jù)。所用DEM數(shù)據(jù)為SRTM DEM，空間分辨率為85 m，對其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換得到研究區(qū)DEM：采用Albers投影，橢球體為krasovsky。投影主要參數(shù)，第一條緯線：北緯35°；第二條緯線：北緯37°；中央經(jīng)線：東經(jīng)118.5°；起始投影緯線：0°。

山東省氣候舒適度模型選用陸鼎煌提出的綜合舒適度指標(biāo)，綜合評價氣溫、相對濕度、風(fēng)速3個因素對人體舒適程度的作用。其計算公式為[4]：

S=0.6|T-24|+0.07|RH-70|+0.5|V-2|

(1)

式中:S——綜合舒適度指標(biāo)，表示實際的舒適狀態(tài)偏離最佳舒適狀態(tài)的程度，所計算出的值越大，表明該地區(qū)越不舒適;T——氣溫(℃);RH——相對濕度(%);V——風(fēng)速(m/s)。氣候舒適度的評價標(biāo)準(zhǔn)大致將其分為4個級別，如表1所示。

表1　綜合舒適度指標(biāo)等級

2　氣候因子模擬

2.1氣溫模擬

海拔高度和地形對氣溫的影響最為顯著[29,30]。海拔對氣溫的影響用氣溫直減率法表示，即每升高100 m氣溫降低0.6℃，將氣象站氣溫數(shù)據(jù)利用氣溫直減率法訂正到同一海拔高度(零海拔)，利用克里金法對其進(jìn)行內(nèi)插，得到水平面上氣溫的空間分布趨勢，將其與DEM數(shù)據(jù)代入氣溫直減率公式進(jìn)行柵格運(yùn)算，得到各柵格不同高程上的氣溫分布，計算公式為[13]

Th=T0-0.006×Δh

(2)

式中：Th——不同海拔高程上的溫度;T0——零海拔高程上的溫度;Δh——高度差。

一般情況下，坡地上氣溫分布隨坡度、坡向、季節(jié)以及緯度而變化的規(guī)律和特點與坡地上的輻射相類似[19]。利用DEM得到研究區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子，結(jié)合太陽軌跡變化周期，構(gòu)建太陽輻射模型，分別求出任一時刻、任一地點的平地和坡地太陽天文輻射值，太陽天文輻射模型如下[31-32]：

(3)

sinωr,i)- wcosδ(cosωs,i-cosωr,i)gi]

(4)

其中：

u=sinφcosα-cosφsinαcosβ

v=sinφsinαcosβ+cosφcosα

w=sinαsinβ

(5)

式中：S0——平地天文輻射值;S0α,β——坡地天文輻射值;T——日長；φ——緯度值；α——坡度值；β——坡向值；I0——太陽常數(shù)1 367 W/m2；n——可照時角的離散數(shù)目，取經(jīng)驗值n=36。ωr,i，ωs,i——微分時段內(nèi)的日出和日沒時角；gi——地形遮蔽度值。

然后通過輻射與溫度之間的相關(guān)關(guān)系得到實際地形下的平均氣溫分布式模擬結(jié)果，計算公式為[13]

TS=Th+r×ΔS

(6)

式中：TS——輻射訂正后實際地形下的溫度;Th——公式(2)的計算結(jié)果;ΔS——坡地與平地天文輻射之差；r=0.073 4℃/(MJ·m2)，為訂正系數(shù)[19]。

模擬過程在ArcGIS軟件中進(jìn)行，技術(shù)流程如圖1所示[10]。

模擬所得的氣溫時空分布結(jié)果如圖2所示，在四張圖中魯中山區(qū)由于海拔較高，受氣溫直減率法影響都有一個溫度的低值區(qū)。1月溫度為-11.2～0.6℃，氣溫南部值高，北部值低，沿海地區(qū)高于內(nèi)陸地區(qū)，總體上呈現(xiàn)緯向分布的趨勢。魯北和山東半島內(nèi)陸有一低值中心，而半島的東部和南部地區(qū)為高值區(qū)。4月溫度為5.3～16.4℃，由東向西溫度逐漸升高，總體上呈現(xiàn)經(jīng)向分布的特點。魯西地區(qū)氣溫基本都在14℃以上，南部沿海和半島東部地區(qū)值相對較低。7月溫度為17.8～27.2℃，由東向西升高，呈現(xiàn)經(jīng)向分布趨勢。內(nèi)陸地區(qū)氣溫較高，而半島的東部和南部沿海地區(qū)溫度較低。10月溫度為5.4～17.1℃，魯南和半島的東南沿海地區(qū)是高值區(qū)，而魯北、魯中山區(qū)的北部及半島的內(nèi)陸地區(qū)溫度較低，總體上又呈現(xiàn)出緯向分布的特點。

2.2濕度模擬

相對濕度的變化與高度、氣溫都有關(guān)系，因此在數(shù)據(jù)內(nèi)插過程需要綜合考慮兩個因素，相對濕度的計算公式為[25]：

(7)

式中:r0——地表相對濕度;t0——地表溫度;tz——高度z處的溫度;β——常數(shù)。首先將氣象站實測濕度數(shù)據(jù)和氣象站海拔高度代入公式(7)中得到同一海拔高度上氣象站點的濕度分布數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值得到同一海拔高度上山東省濕度分布結(jié)果，將上文得到的零海拔氣溫和實際地形下氣溫利用公式(7)進(jìn)行柵格代數(shù)運(yùn)算，得到實際地形下的相對濕度空間分布特征。

圖1氣溫分布式模擬流程

圖2山東省代表月份氣溫空間分布

模擬結(jié)果如圖3所示，山東省各季節(jié)相對濕度的最低值都出現(xiàn)在魯中山區(qū)周圍，并以此地區(qū)為中心呈現(xiàn)環(huán)狀分布濕度逐漸升高。地形對1月濕度分布的影響尤為顯著，其次為10月，4月和7月相對濕度的分布受地形影響較小。1月濕度范圍為52.9%～71.7%，魯中丘陵山地地區(qū)濕度最低，其次為魯北和魯南地區(qū)，半島和魯西地區(qū)濕度最高。4月濕度在49.1%～72.8%，總體呈沿海岸線分布的趨勢，魯中地區(qū)為濕度低值區(qū)，其余地區(qū)由東南向西北濕度逐漸降低。7月濕度最低值為69.1%，出現(xiàn)在魯中山區(qū)，高值為95.6%，分布在東部沿海地區(qū)，濕度總體分布與4月類似，呈現(xiàn)離海岸線越近濕度越高的特征。10月濕度在58.2%～77.7%，最高值出現(xiàn)在魯西地區(qū)，低值出現(xiàn)在魯中和半島北部地區(qū)。

2.3風(fēng)速模擬

起伏地形下的風(fēng)速分布受多種地形因素的影響，本文主要分析了海拔、坡度、坡向和坡位的影響?；贒EM數(shù)據(jù)，運(yùn)用窗口分析法計算11×11窗口內(nèi)海拔最高值與最低值的差作為相對起伏度的取值[33]，然后參考地貌分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)按照相對起伏度分成平坦地形和起伏地形兩類。相對起伏度小于50 m的平原地區(qū)為平坦地形，山地丘陵區(qū)劃為起伏地形。

圖3　山東省代表月份濕度空間分布

由于山東省各氣象臺站的平均海拔為58 m左右，利用沿襲已久的冪指數(shù)公式將各氣象站點風(fēng)速統(tǒng)一換算到58 m平面上，采用克里金法對其風(fēng)速進(jìn)行插值，得到58 m平面上的風(fēng)速分布圖層，將DEM數(shù)據(jù)與58 m平面上風(fēng)速分布圖層按冪指數(shù)公式進(jìn)行柵格運(yùn)算，得到不同海拔高度上的風(fēng)速空間分布。冪指數(shù)公式如下[15]：

(8)

式中：u,u1——高度z和z1處的風(fēng)速值；m——風(fēng)速隨高度變化指數(shù)，其取值按下墊面特征確定，一般在1/2～1/8。利用條件語句進(jìn)行判斷，如是平原地區(qū)平坦地形，則直接為該柵格的風(fēng)速值；如是山地丘陵地區(qū)起伏地形，則運(yùn)用窗口分析法按坡度、坡向和坡位的組合關(guān)系，依據(jù)表2對風(fēng)速進(jìn)行訂正[15]。

以上基于GIS的風(fēng)速分布模擬過程技術(shù)流程如圖4所示。

表2　不同地形部位2 m高度風(fēng)速與開闊平坦地風(fēng)速的比值

圖4　風(fēng)速分布式模擬流程

風(fēng)速模擬的結(jié)果如圖5示。山東省各季節(jié)風(fēng)速的最大值都出現(xiàn)在半島丘陵地區(qū)和魯中山區(qū)，最小值出現(xiàn)在魯西和魯中山區(qū)以南地區(qū)，最大值出現(xiàn)在1月為8.19 m/s，夏季也就是7月的風(fēng)速值最小。通過局部地區(qū)來看，風(fēng)速在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡、山頂和山麓以及坡上與坡下等不同部位的差異，體現(xiàn)出了風(fēng)速隨地形變化的特點。

圖5　山東省代表月份風(fēng)速空間分布

3　山東省氣候舒適度分析

將1月、4月、7月和10月氣溫、相對濕度和風(fēng)速的模擬結(jié)果代入舒適度模型(公式1)進(jìn)行柵格計算，得到山東省氣候舒適度時空分布特征，如圖6所示。

根據(jù)表1和圖6可知山東省1月的氣候舒適度指數(shù)都大于9，也就是極不舒適，這是由于一月份山東省的溫度和濕度較低、風(fēng)速較大的原因，其中最不舒適的地區(qū)分布在魯中山區(qū)、半島丘陵地區(qū)和魯北地區(qū)。4月的舒適度指數(shù)在5.83～14.29，較舒適(5.83～6.95)的地區(qū)大都分布在魯西南地區(qū)，極不舒適地區(qū)主要為魯中山區(qū)和半島地區(qū)，其余地區(qū)為不舒適(6.95～9) 的地區(qū)，呈現(xiàn)出一定的經(jīng)向分布特征。7月的舒適度指數(shù)在0.31～5.63，魯中山區(qū)和半島地區(qū)舒適度最為舒適，魯西地區(qū)為較舒適地區(qū)，全省都在舒適和較舒適范圍內(nèi)。10月的舒適度指數(shù)為4.40～12.45，魯中和半島地勢較高地區(qū)為不舒適地區(qū)，其余均在舒適和較舒適范圍。

將經(jīng)過DEM訂正后的氣溫、濕度和風(fēng)速柵格代入舒適度模型得到的結(jié)果，反映了實際地形下的山東省氣候舒適度時空分布特征，柵格化后的舒適度分布與地形有著密切的關(guān)系，實現(xiàn)了舒適度的精細(xì)化表達(dá)。

圖6　山東省代表月份舒適度空間分布

4　討論與結(jié)論

本文運(yùn)用GIS方法，將氣象站點觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插并且使用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正，將得到的實際地形下氣溫、濕度和風(fēng)速時空分布數(shù)據(jù)代入舒適度模型中進(jìn)行柵格運(yùn)算，實現(xiàn)了山東省氣候舒適度的分布式模擬，模擬結(jié)果表明山東省冬季氣候舒適度為極不舒適，春季魯西南地區(qū)較舒適，夏季魯中山區(qū)和半島地區(qū)舒適度最為舒適，魯西地區(qū)為較舒適地區(qū)，全省都在舒適和較舒適范圍內(nèi)，秋季魯中和半島地勢較高地區(qū)為不舒適地區(qū)，其余均在舒適和較舒適范圍。柵格分辨率為85 m，提高了舒適度時空分布模擬的精細(xì)程度，為人們的生活出行、政府及相關(guān)部門的決策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。本文選用的舒適度模型是陸鼎煌提出的綜合舒適度指標(biāo)，采用溫度、濕度和風(fēng)速三個指標(biāo)構(gòu)建模型來評價氣候因素對人體舒適程度的影響，是否有更適合山東省實際的評價方法和指標(biāo)體系還有待于進(jìn)一步的研究和探討。

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Spatiotemporal Distribution of Climate Comfort Index Based on DEM in Shandong Province

WANG Linlin

(Department of Architectural Engineering, Binzhou University, Binzhou, Shandong 256600, China)

The climate condition has considerable influence on the comfort of living environment of human beings. Based on the spatial interpolation technique supported by GIS software, the correlation between terrain and climate, the temporal and spatial distribution of meteorological parameters such as air temperature, relative humidity and wind speed in Shandong Province were examined using DEM data and 40 years (1971—2010) meteorological data observed in 114 meteorological stations in the study area. Then the grid calculation was carried out using climate comfort index model, the temporal and spatial distribution of climate comfort index of actual terrain was obtained. The results show that different comfort degrees exist in different parts of Shandong Province in the four seasons. In spring, the climate is relatively comfort in the southwest region; in summer, the climate is comfort or relatively comfort in the whole province; in fall, the climate in the middle region and the peninsula region turns to uncomfortable; finally, in winter, the climate in the whole province turns to extremely uncomfortable.

DEM; climate comfort index; spatiotemporal distribution; Shandong Province

2015-01-23

2015-03-05

山東省高等學(xué)校科技計劃項目(J12LH53);山東省軟科學(xué)研究后補(bǔ)助項目(2014RBB01005);濱州學(xué)院科研資助項目(BZXYL0901)

王林林(1982—),男,山東濱州人,講師,碩士，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:bzxywll@126.com

P208

A

1005-3409(2015)04-0258-07