鈔錦龍，王雅譜，馬義娟，吳林棟，郝小梅，胡 磊

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院,山西 晉中 030619，2.山西省氣象信息中,山西 晉中 030619)

0 引言

城市作為人口和經(jīng)濟(jì)集中分布的空間地域,隨著城市化進(jìn)程加快,城市人口規(guī)模及空間規(guī)模日趨增長(zhǎng).《2012年社會(huì)藍(lán)皮書(shū)》指出,在2011年中國(guó)歷史上第一次城市人口超過(guò)鄉(xiāng)村人口,城市化水平超過(guò)了50%.城市化一方面促使人口和產(chǎn)業(yè)在一定的空間范圍內(nèi)不斷地集聚,同時(shí)快速城市化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致城市下墊面性質(zhì)發(fā)生較大改變.下墊面作為近地面空氣的直接熱源及重要的水汽來(lái)源,直接影響區(qū)域溫濕環(huán)境的變化特征.城市作為一個(gè)特殊的人工生態(tài)系統(tǒng),有著與非城市地區(qū)截然不同的環(huán)境.城市中高樓林立,建筑物高度集中,其地表性質(zhì)、粗糙度等條件的變化會(huì)引起城市內(nèi)部水熱環(huán)境發(fā)生相應(yīng)改變,直接影響著城市局部小氣候[1].同時(shí),交通、商業(yè)和住宅區(qū)等人為熱源的加劇也導(dǎo)致熱島中心區(qū)域近地面氣溫、氣壓、相對(duì)濕度及大氣污染物與周?chē)貐^(qū)形成顯著差異[2,3].這些環(huán)境與氣候的變化直接影響到人們的正常生活.城市空間熱環(huán)境的日益惡化已成為全球現(xiàn)代化城市氣候變化最為顯著的特征之一,其對(duì)城市空氣質(zhì)量改善、霧霾治理和植物健康生長(zhǎng)帶來(lái)了極大的負(fù)面影響[3-5].因此,研究城市不同下墊面條件下環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度的日變化對(duì)進(jìn)一步明確城市熱島效應(yīng)及提高人居環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的意義.

研究城市地表溫濕環(huán)境時(shí)空變化的目的在于分析城市溫濕環(huán)境在不同時(shí)間范圍內(nèi)二維或三維空間上的分布狀況、強(qiáng)度變化過(guò)程及其演變規(guī)律,但目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在城市年際或季節(jié)時(shí)間尺度上溫濕環(huán)境的二維空間格局變化[4],基于實(shí)測(cè)分析溫濕環(huán)境日變化特征相關(guān)研究還較少[5-12].此外,現(xiàn)有研究多利用國(guó)家或地方氣象站點(diǎn)氣象要素進(jìn)行分析[13-17],由于氣象站點(diǎn)所處下墊面隨城市擴(kuò)張發(fā)生較大變化,在站點(diǎn)選取時(shí)并不能有效區(qū)分城市中心、近郊及郊區(qū)不同位置差異.再者,隨著衛(wèi)星遙感及數(shù)值模擬等技術(shù)的快速發(fā)展,研究者們將衛(wèi)星遙感資料及數(shù)值模擬、仿真等技術(shù)方法融入城市熱島及環(huán)境演變相關(guān)研究中[16-21],雖然其空間研究精度上有較大突破,但其反演精度受不同高度像元及氣溶膠粒子影響,尤其是冬季取暖期反演精度較低.

綜上所述，開(kāi)展針對(duì)城市不同位置近地面溫濕環(huán)境的實(shí)測(cè)研究可更直觀有效地分析城市熱島效應(yīng)對(duì)周邊區(qū)域的影響.然而基于城市不同位置近地面空氣溫濕環(huán)境的實(shí)測(cè)研究較少，尤其是針對(duì)北方城市冬季供暖期近地表溫濕環(huán)境研究則更為少見(jiàn)[22-25].基于此，本研究以山西省省會(huì)城市太原為例，選取位于太原市城市中心、近郊及郊區(qū)三個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段為冬季供暖期，通過(guò)不同觀測(cè)點(diǎn)空氣溫度、相對(duì)濕度在供暖期不同天氣過(guò)程條件下的日變化特征分析城市不同位置溫濕環(huán)境差異.本研究的開(kāi)展不僅對(duì)定量分析城市熱島效應(yīng)有直接的借鑒意義，同時(shí)對(duì)分析北方城市冬季供暖期城市溫濕環(huán)境及人居環(huán)境特征具有參照作用.

1 研究區(qū)概況及觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

1.1 研究區(qū)概況

太原市位于太原盆地的北端,三面環(huán)山,平均海拔約800 m,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,晝夜溫差較大,日照充足,年平均氣溫9.5 ℃,一月份最冷,七月份最熱.夏季受東南季風(fēng)推動(dòng)的濕熱氣團(tuán)控制,濕熱多雨.冬季受到蒙古冷高壓推動(dòng)的冷干氣團(tuán)控制,較為干燥.春秋兩季較短,且溫度變化迅速.作為典型的北方城市,太原市每年11月份進(jìn)入供暖期,并且一直延續(xù)至次年的3月底.由于地處黃土高原,冬季受西伯利亞冷空氣影響較多,冷空氣過(guò)境時(shí)常出現(xiàn)大風(fēng)、降溫過(guò)程.此外,太原市能源消耗以燃煤為主,同時(shí)受地形影響,供暖期霧霾出現(xiàn)頻次較高,據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部2018年11月份全國(guó)城市空氣質(zhì)量報(bào)告統(tǒng)計(jì),太原市城市環(huán)境質(zhì)量在全國(guó)169個(gè)城市中排名第166位,在全國(guó)空氣質(zhì)量相對(duì)較差的20位城市中排名第四,在全國(guó)屬于污染嚴(yán)重的城市.大風(fēng)降溫及霧霾成為太原市供暖期出現(xiàn)頻率較高的兩種天氣過(guò)程.

1.2 觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了探究距離市中心不同距離位置溫濕環(huán)境差異,本文選取了處于太原市市中心、近郊及郊區(qū)不同位置,且下墊面性質(zhì)相近的觀測(cè)點(diǎn),三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)呈南北縱向分布,如圖1所示,海拔高度相近,見(jiàn)表1.

表1 三個(gè)研究區(qū)域經(jīng)緯度及海拔高度

圖1 太原市三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)地理位置

2 數(shù)據(jù)獲取及處理

2.1 觀測(cè)時(shí)間

觀測(cè)時(shí)間段選擇時(shí),充分考慮太原市供暖期發(fā)生頻率較高的兩種天氣過(guò)程,即大風(fēng)降溫過(guò)程及霧霾過(guò)程,因此在觀測(cè)時(shí)段選擇時(shí)依據(jù)中國(guó)天氣網(wǎng)公布太原市天氣預(yù)報(bào),使所觀測(cè)時(shí)段盡可能包含有以上兩種天氣過(guò)程,從而對(duì)比分析經(jīng)歷典型天氣過(guò)程時(shí)不同位置溫濕環(huán)境的變化特征.據(jù)此,本研究選擇2018年11月23日—2018年11月27日及2019年1月12日—2019年1月16日為觀測(cè)時(shí)間,前一時(shí)段太原市經(jīng)歷一次較嚴(yán)重霧霾,空氣質(zhì)量指數(shù)為200達(dá)到中度污染級(jí)別,后一時(shí)段太原市經(jīng)歷一次寒潮過(guò)境,降溫幅度較大，日均氣溫下降了7 ℃.

2.2 觀測(cè)內(nèi)容

在上述三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安置具有數(shù)據(jù)自計(jì)功能的HOBOware空氣溫度、相對(duì)濕度設(shè)備,溫度、相對(duì)濕度探頭設(shè)置高度為距地面1.5 m高,為了減少太陽(yáng)輻射影響,儀器設(shè)備被固定安放于小型百葉箱中.為了提高數(shù)據(jù)的精度,數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為10 s采集一次,數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)置為每10 min記錄一個(gè)數(shù)據(jù)值.

根據(jù)以上設(shè)置,基于實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)比不同觀測(cè)點(diǎn)空氣溫度、相對(duì)濕度記錄值,分析出供暖期處于城市不同位置近地表溫濕環(huán)境日變化特征,同時(shí),對(duì)比分析不同位置點(diǎn)在經(jīng)歷典型天氣過(guò)程時(shí)溫濕環(huán)境變化差異.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同位置氣溫日變化特征

基于2018年11月和2019年1月兩次觀測(cè)數(shù)據(jù),分析太原市供暖期城市不同位置空氣溫度日變化特征.其中觀測(cè)時(shí)段有霧霾天氣過(guò)程見(jiàn)圖2(a),有大風(fēng)降溫天氣過(guò)程見(jiàn)圖2(b).

圖2 供暖期不同城市位置1.5 m高度氣溫日變化圖

如圖2所示,所處城市不同位置的三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)其溫度日變化趨勢(shì)在未經(jīng)歷霧霾及大風(fēng)降溫天氣過(guò)程時(shí)呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律:越靠近城市中心,平均氣溫越高,這與城市熱島效應(yīng)有直接的關(guān)系,即是指由于城市化過(guò)程中人為改變自然地表引起或加強(qiáng)的城市區(qū)域地表及大氣溫度高于周邊非城市區(qū)的現(xiàn)象.此外,城市中心位置觀測(cè)點(diǎn)氣溫日變幅較小,為12.69 ℃,近郊測(cè)點(diǎn)次之,為13.21 ℃,郊區(qū)測(cè)點(diǎn)變幅最大,為22.35℃,即氣溫日較差郊區(qū)>近郊區(qū)域>市中心,且前后兩個(gè)不同觀測(cè)時(shí)間段均表現(xiàn)出這一規(guī)律.在兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段未受天氣過(guò)程影響前,大氣層結(jié)較為穩(wěn)定,近地表氣溫起伏主要受下墊面熱量狀況決定,下墊面長(zhǎng)波輻射成為空氣的主要熱源.前后兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段均表現(xiàn)為:日出氣溫迅速回升,14時(shí)左右氣溫達(dá)到最高值,之后空氣溫度開(kāi)始下降,降溫速率較增溫速率小.這與大氣中氣溶膠粒子的逆輻射有較大關(guān)系,因?yàn)槲绾笈c清晨相比,空氣中由于蒸發(fā)、熱湍流作用及人為活動(dòng)擾動(dòng),進(jìn)入大氣中的總懸浮物午后較多,其保溫作用較強(qiáng),因此空氣降溫速率較緩慢.從圖中還可以看出,未受兩種天氣過(guò)程影響的時(shí)段除11月25日之外,其余日最高氣溫值均出現(xiàn)在城郊結(jié)合部.這與城郊結(jié)合部特殊的地表性質(zhì)以及較優(yōu)的輻射狀況有關(guān).城郊結(jié)合部,其下墊面狀況及城市熱管鋪設(shè)與城市差異較小,但城市建筑密度較城市中心較小,城郊結(jié)合部大多為新建設(shè)建筑,在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中充分考慮建筑物的采光,與城市中心高密度的建筑及較多的遮陰區(qū)域相比,其單位面積可吸收太陽(yáng)輻射量較大,因此表現(xiàn)出日最高氣溫較高.

如圖2(a)所示,在26日15時(shí)開(kāi)始,太原市出現(xiàn)明顯的霧霾現(xiàn)象,空氣質(zhì)量指數(shù)由觀測(cè)時(shí)段內(nèi)23日的111逐漸上升至26日的200,27日開(kāi)始降至181而后開(kāi)始逐漸下降,能見(jiàn)度顯著降低.從圖可以看出:霧霾天氣過(guò)程出現(xiàn),可使不同觀測(cè)點(diǎn)氣溫平均提升2.43 ℃,其中郊區(qū)觀測(cè)點(diǎn)增幅最明顯,由原來(lái)-0.51 ℃增加至2.75 ℃.近郊次之,市中心郊最小.且在24日—25日已出現(xiàn)輕度霧霾.這與霧霾保溫作用有關(guān),霧霾加重時(shí),原先可通過(guò)地面長(zhǎng)波散失的熱量會(huì)因大氣中氣溶膠粒子散射輻射返回地面,從而使地面溫度降幅變小.此外,由于對(duì)太陽(yáng)直接輻射的削弱,霧霾還可減緩白天氣溫的增長(zhǎng)幅度.

如圖2(b)所示,1月14日下午16時(shí)左右,太原市經(jīng)歷了一次大風(fēng)降溫天氣過(guò)程,冷空氣侵入導(dǎo)致一天內(nèi)降溫達(dá)到11.70 ℃,最低溫度-15.71 ℃,降溫幅度已經(jīng)達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn).大幅度的大風(fēng)降溫天氣使3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度差異減弱,尤其在14日晚上20時(shí)到次日凌晨一時(shí)左右這一時(shí)段溫度基本接近,即使在15日白天,三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)溫差不大于3 ℃.從圖中可以看出,大風(fēng)降溫后,由于溫度回升慢,城市中心與城郊結(jié)合部?jī)蓽y(cè)點(diǎn)由于建筑物阻擋,風(fēng)速減小,加之受熱島效應(yīng)的作用,氣溫開(kāi)始回升,然而郊區(qū)由于地域開(kāi)闊,風(fēng)速較大,氣溫降幅明顯,在1月16日7時(shí),最低氣溫降低至-15.71 ℃.

除了供熱管網(wǎng)的直接影響,這也可能是由于燃煤供暖法產(chǎn)生了大量的污染物,這些污染顆粒進(jìn)入大氣,使大氣中的氣溶膠微粒增加,導(dǎo)致空氣散射增強(qiáng),同時(shí)這些大氣污染物減少了地表有效長(zhǎng)波輻射所造成的熱量損耗,熱量不易散失,而霧霾對(duì)郊區(qū)的影響相對(duì)較小,所以市中心的平均溫度要高于郊區(qū).

3.2 不同位置相對(duì)濕度日變化特征

相對(duì)濕度是指空氣中水汽壓與同溫度下飽和水汽壓之比,用于表征空氣距離飽和程度.常被用于人居氣象環(huán)境的重要指標(biāo).本研究基于兩次觀測(cè)數(shù)據(jù),分析太原市供暖期城市不同位置空氣相對(duì)濕度日變化特征,同時(shí)結(jié)合兩次天氣過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析.霧霾天氣過(guò)程見(jiàn)圖3(a),大風(fēng)降溫天氣過(guò)程見(jiàn)圖3(b).

圖3 供暖期不同城市位置1.5 m高度空氣相對(duì)濕度日變化圖

如圖3所示,在無(wú)天氣過(guò)程影響時(shí),相對(duì)濕度總體均表現(xiàn)為規(guī)律性的晝夜高低起伏變化,午后15時(shí)-16時(shí),相對(duì)濕度達(dá)到最低值,凌晨5時(shí)-8時(shí)達(dá)到峰值.且在波動(dòng)過(guò)程中郊區(qū)測(cè)點(diǎn)平均相對(duì)濕度最大,為71.11%,近郊測(cè)點(diǎn)次之,達(dá)到47.16%,市中心測(cè)點(diǎn)最小,為36.92%.這與三個(gè)測(cè)點(diǎn)空氣溫度有直接相關(guān)性.空氣相對(duì)濕度與空氣溫度的關(guān)系為,隨著溫度的升高,相對(duì)濕度呈指數(shù)下降.日出后,隨著氣溫的回升,城市中心、城郊結(jié)合部及郊區(qū)相對(duì)濕度均迅速下降,而凌晨時(shí)段,由于氣溫較低,該溫度下的飽和水汽壓低,加之空氣下沉,水汽凝結(jié)于近地表,因此三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度在該時(shí)段均較高.

如圖3(a)所示,霧霾天氣條件下,不同位置測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度均較無(wú)霧霾時(shí)有明顯下降,市中心降幅最為顯著,由34.09%下降到20.76%.這不僅與霧霾天氣的保溫作用使城市氣溫較高有關(guān),同時(shí)城市區(qū)域霧霾組成成分中由于受人類(lèi)活動(dòng)的影響固體顆粒物成分較多,當(dāng)大氣中水汽含量增加時(shí),水分子易被固體顆粒物吸附沉降,從而使得城市測(cè)點(diǎn)空氣相對(duì)濕度降低[26-27].另外在大風(fēng)降溫天氣過(guò)程的影響下,相對(duì)濕度也出現(xiàn)了明顯下降的趨勢(shì),平均相對(duì)濕度接近21.51%,且在冷空氣活動(dòng)較為強(qiáng)勁時(shí)城市中心、近郊區(qū)域及郊區(qū)三個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度差異非常小,極差值僅為2.49,隨著冷空氣的過(guò)境,三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間相對(duì)濕度差異又開(kāi)始突顯.

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn),太原市作為我國(guó)北方以燃煤為主要供暖來(lái)源的城市,其供暖期近地表溫濕環(huán)境會(huì)受所處城市不同位置而有較大差異.通過(guò)對(duì)兩種天氣過(guò)程(霧霾、大風(fēng)降溫)1.5 m高空氣溫度與相對(duì)濕度的觀測(cè),明晰了北方城市冬季典型天氣過(guò)程對(duì)近地表溫濕環(huán)境的影響.城市化進(jìn)程中由于城市范圍的擴(kuò)張會(huì)對(duì)不同區(qū)域所處溫濕環(huán)境產(chǎn)生直接影響.

4 結(jié)論與討論

1)供暖期太原市處于不同城市位置的觀測(cè)點(diǎn)其1.5 m高度溫濕環(huán)境存在較大差異,當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定,無(wú)明顯天氣過(guò)程時(shí),各測(cè)點(diǎn)氣溫表現(xiàn)為:城市中心>近郊區(qū)域>郊區(qū).據(jù)本研究?jī)纱螌?shí)測(cè)結(jié)果顯示:城市中心平均氣溫1.72 ℃ ,城郊結(jié)合部為0.77 ℃,郊區(qū)為-2.71 ℃.同時(shí),三個(gè)測(cè)點(diǎn)氣溫最高值出現(xiàn)在13時(shí)-15時(shí),最低值出現(xiàn)在6時(shí)-8時(shí)；相對(duì)濕度在無(wú)明顯天氣過(guò)程中總體表現(xiàn)為:郊區(qū)>近郊區(qū)域>城市中心.

2)當(dāng)霧霾天氣出現(xiàn)時(shí),三個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)1.5 m高度溫濕度與之前相比出現(xiàn)了極大的變化.霧霾天氣使三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)平均溫度提升了2.43 ℃,相對(duì)濕度平均下降了約14.50,變化幅度表現(xiàn)為:市中心>近郊區(qū)域>郊區(qū).

3)大風(fēng)天氣1.5 m高度三個(gè)研究區(qū)域溫濕度發(fā)生了明顯的變化.大幅度的大風(fēng)降溫天氣不僅使三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度與濕度顯著下降,同時(shí)也減弱了三個(gè)區(qū)域之間的差異.大風(fēng)降溫天氣使三個(gè)觀測(cè)區(qū)域溫差減至3 ℃以內(nèi),相對(duì)濕度的極值差僅有2.49,而且無(wú)論是溫度還是相對(duì)濕度變化最顯著的都是市中心的觀測(cè)區(qū).

近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,城市的人口越來(lái)越密集,城市下墊面性質(zhì)經(jīng)歷較大的改變,這均會(huì)對(duì)城市及周邊地區(qū)的溫濕環(huán)境產(chǎn)生較大的影響.開(kāi)展城市溫濕環(huán)境等細(xì)化城市熱島效應(yīng)相關(guān)研究對(duì)提升區(qū)域人居環(huán)境及優(yōu)化城市規(guī)劃等方面具有重要的實(shí)際意義.