長江中上游城市氣候分析.doc

長江中上游城市氣候分析 -以武漢市為例 史超，國土資源與旅游學院 摘 要：長江流域是我國人口、城市比較密集的地區(qū)，研究長江流域城市 氣候的特征、問題，具有很現(xiàn)實的意義。近幾十年來我國城市化進程的加快，人類活動對城市氣候的影響成為了一個非常重要的研究課題，城市是人類活動與氣候關系的實驗室。我國許多大城市的氣溫增溫趨勢已經(jīng)高于同時期全國氣溫增加的平均值。運用城郊對比法研究了近10年來武漢市的城市氣候特征，對比武漢市區(qū)與郊區(qū)在氣溫、相對濕度、降水等方面的差異研究了武漢市的熱島效應、干島效應的都有了很明顯的特征并分析了這些效應形成的機制。城市氣候的變化對區(qū)域氣候的影響是比較大的。結合武漢市城市氣候環(huán)境的變化趨勢，并提出了改善氣候環(huán)境的一些建議。 關鍵詞：武漢；城市氣候；熱島；干島；霧島; 武漢 Urban climate analysis of upper and middle r1 引言 城市氣候是在區(qū)域氣候的背景上，經(jīng)過城市化后，在人類活動和全球氣候變化的共同作用下形成的一種特殊局地氣候1。城市是人口集中，高大建筑物密集分布的特殊區(qū)域。我國許多大城市的氣溫增溫趨勢已經(jīng)高于同時期全國氣溫增加的平均值。研究長江中上游城市氣候特別是武漢市城市氣候的變化有利于了解長江流域大城市城市氣候的變化幅度，并有利于針對當前的問題提出一些針對性的措施。本文通過城郊對比法對武漢市及其郊區(qū)的氣候資料進行分析，進而分析長江中上游地區(qū)城市的城市氣候。 2 武漢市城市熱島效應 武漢市（東經(jīng)11341-11505，北緯2958-3122）地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，地處江漢平原處在長江和漢水的交叉處，為河谷地形。處在長江中游地區(qū)，為華中地區(qū)最大的城市，也是華中地區(qū)的區(qū)域核心城市。改革開放以來，特別是近些年來城市面積逐步增大，人口數(shù)量增長迅速，城市氣候特征發(fā)生了明顯的變化，城市氣候效應非常顯著。表現(xiàn)在氣溫升高、降水增多、風速減弱。 蔡甸氣象站位于漢水與長江匯流的三角地帶。地跨11413E， 3041E。北臨漢水，東臨長江，南抵東荊河。距離武漢市城區(qū)直線距離30km,由于地處郊區(qū)外受城市氣候的影響較小，蔡甸氣象站與武漢均處在江漢平原的東部，海拔近似，故本文選取武漢市區(qū)和蔡甸氣象站的1997-2006年的氣象資料，進行氣候?qū)Ρ确治觯M而研究武漢市的城市氣候的特征及其對生態(tài)環(huán)境的影響。本文以武漢市氣象站氣候資料為其城市氣候研究資料。文中用城郊溫差來表示熱島強度，溫差越大熱島強度越強，反之則越弱2。本文通過城郊對比法萊研究城市氣候特征，分析城市氣候。 2222.1.1.1.1武漢市城市熱島強度的年際變化武漢市城市熱島強度的年際變化武漢市城市熱島強度的年際變化武漢市城市熱島強度的年際變化 通過對武漢市及其郊區(qū)蔡甸氣象站在1997-2006年年平均氣溫差進行分析（圖1）。武漢有悠久的歷史，但在改革開放之前武漢市城市發(fā)展緩慢，這也是全 圖圖圖圖1 1 1 1 武漢市武漢市武漢市武漢市1997199719971997-2006200620062006年熱島強度年際變化年熱島強度年際變化年熱島強度年際變化年熱島強度年際變化 國絕大多數(shù)城市的共同現(xiàn)狀。改革開放前武漢市城區(qū)面積大約220km2,人口大約200萬左右。1978年以來，由于國家政策的支持,武漢市城市發(fā)展迅速，城市面積和人口急速增長，到2006年，城區(qū)面積從1978年的220多萬km2增長到684萬km2，人口也從1978年的200萬多人增至2006年的580萬多人。2006年市區(qū)工業(yè)總產(chǎn)值比2000年增長了900億元，年均增長13.2%。 隨著城市發(fā)展的加速，城市化規(guī)模擴大、人口和工廠數(shù)量的急劇增加，人類活動的頻繁，對城市氣候的影響在逐漸增加，是城市氣候特征日益顯著，1999年以前武漢城郊年平均氣溫差在1以下，城郊溫差還不是很顯著，到1999年以后武漢城郊年平均氣溫差增加到了1以上，甚至在2004年增加到1.6(圖1)1984年武漢市開始發(fā)展東湖新技術開發(fā)區(qū)，即著名的“武漢光谷”，2000年后武漢的工業(yè)發(fā)展特別是光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及武漢城市基礎設施的發(fā)展及交通基礎設施的發(fā)展如鐵路京廣鐵路、武九鐵路武麻鐵路、滬漢蓉鐵路、京港鐵路的建設。隨著城市化進程的發(fā)展及環(huán)境的改變，城市熱島效應更加顯著，到2006年城郊平均溫差達到了2以上，這表現(xiàn)了城市氣候增溫趨勢。 2.2 2.2 2.2 2.2 武漢市城市熱島強度武漢市城市熱島強度武漢市城市熱島強度武漢市城市熱島強度的月的月的月的月際際際際變化變化變化變化 通過選取1997-2006年武漢、蔡甸氣象站的歷史氣候資料，并對其各月的氣溫數(shù)值進行平均計算，根據(jù)氣溫數(shù)值計算其城郊氣溫差，分析其熱島強度在各月份的變化，進而分析城市熱島強度的月變化（表1和圖2）。 通過對比分析近10年來各個月平均氣溫的時間分布及溫差資料的分析可得知，武漢市區(qū)與處于郊區(qū)的蔡甸的月平均氣溫差以夏季的7、8月份最大，與全國其他城市，的熱島強度的年變化3有點不一樣，如北京市年平均氣溫差 圖圖圖圖2 2 2 2 武漢市城市熱島強度月際變化武漢市城市熱島強度月際變化武漢市城市熱島強度月際變化武漢市城市熱島強度月際變化 以秋季10、11兩個月最大，上海市9、10月份最大，而武漢是在夏季最強，這是什么原因造成了。這與武漢所處的區(qū)域和地形造成的，武漢地處長江流域，在6月份武漢進入了梅雨季節(jié)，且在10、11月份又受到了雨帶南移的影響，使得氣溫整體比較均衡，溫差較小，故熱島強度有所降低；而在7、8月份時長江中下游地區(qū)進入伏旱天氣，為強大的副熱帶高氣壓帶控制，而且控制的時間長達一個多月，副高控制期間，高空氣流呈下降氣流，地面呈輻散狀。它所控制的區(qū)域炎熱干旱，降水偏少，長江中游及下游地區(qū)也進入了一年中最熱的時期，加上武漢的河谷地形，不利于熱量的散發(fā)。由于武漢城市的快速發(fā)展，城區(qū)面積的不斷擴大，城市下墊面性質(zhì)的改變，水泥質(zhì)的下墊面吸熱快且城市高大建筑物密集不利于熱量的散發(fā)，城市人口的增長以及城市氣溫的增加等促使空調(diào)設備的使用等，都加劇了城市熱量的盈余，從而導致了城區(qū)熱量的失衡。而郊區(qū)由于植被覆蓋好，氣溫相對城區(qū)要低得多，故武漢在7、8月份進入月平均氣溫差最大的時期，即熱島強度最大的時期2.3 2.3 2.3 2.3 武漢市武漢市武漢市武漢市熱島強度的日際變化熱島強度的日際變化熱島強度的日際變化熱島強度的日際變化 本文通過對武漢市和其郊區(qū)的蔡甸氣象站的氣候資料的1997-2006年1月和7月氣溫的日變化的數(shù)值進行分析（圖3），從圖3可看出，冬季即1月份武漢市的熱島強度的日際變化幅度較大，而夏季即7月份的熱島強度的日際變化幅度較小，總之，武漢市的熱島強度的日變化的趨勢是：夜間熱島強度最大，即夜間城郊溫差最大，在這之后，溫差逐漸減小，到下午14時 圖圖圖圖3 3 3 3 武漢市城市熱島強度的日際變化武漢市城市熱島強度的日際變化武漢市城市熱島強度的日際變化武漢市城市熱島強度的日際變化 城郊氣溫差降到最小，熱島強度降到了最弱，之后又逐漸增加。武漢市的熱島強度的日際變化比較符合國內(nèi)大多數(shù)城市的熱島強度的日變化規(guī)律，但與呼和浩特的熱島強度的日變化有所不同，冬季呼市熱島強度最大值出現(xiàn)在08時，夏季出現(xiàn)在20時，最小值出現(xiàn)在14時4，這與呼和浩特市所處的地形有關，內(nèi)蒙古高原海拔高，大氣逆輻射弱，保溫效益較海拔低的地區(qū)差。 熱島強度的日變化的特點主要與城市與郊區(qū)的熱量收支狀況之間的不同有關。下雨天云層厚，增強大氣逆輻射，也削弱了太陽的輻射，使城郊溫差減小，也使得晝夜溫差比晴天小。夏季由于降水比較多，城郊間的溫度差較小，所以夏季的熱島強度較小，而冬季由于城市的下墊面及建筑物、人口的集聚分布，溫度比郊區(qū)高，從而熱島強度較大。由于郊區(qū)的植被覆蓋較廣，所以郊區(qū)日落后熱量散發(fā)的較快，而城市下墊面為不透水的水泥地等為主，且建筑物密集，所以日落后散熱較慢，所以夜晚城市的熱島強度大。隨著輻射冷卻，城郊均失溫，城郊溫差就減小。日出后隨著太陽高度角的逐漸加大，郊區(qū)迅速升溫，而城區(qū)在正午時分溫度逐漸升高，城郊氣溫基本達到一致，有時城區(qū)溫度還稍低與郊區(qū)。由于氣溫有一個延遲，所以最高氣溫往往出現(xiàn)在14時，這時城郊氣溫基本一致，城郊溫差達到最低，熱島強度最弱。2.4 2.4 2.4 2.4 城市熱島的影響城市熱島的影響城市熱島的影響城市熱島的影響 城市熱島是一把雙刃劍, 城市熱島效應的影響是雙面的。在城市熱島效應的直接作用下, 城市霜凍日數(shù)會減少, 無霜凍日數(shù)增多, 從而有利于農(nóng)作物的生長，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益。同時在冬季, 城市熱島效應可以直接減少采暖燃料用量, 既節(jié)約能源, 又CO2等溫室氣體的排放，減少了污染。但是在夏季, 城市熱島效應使得城區(qū)比郊區(qū)更熱, 加上城市“干島”效應, 干熱天氣使人的舒適度降低。直接導致了空調(diào)等制冷設備的使用，使城市出現(xiàn)用電高峰，間接增加了能源的消耗，也導致了城市比郊區(qū)更熱，形成了一個“惡性循環(huán)”。因此, 在城市建設和規(guī)劃中要考慮: ( 1) 要保護并適當?shù)脑黾映菂^(qū)的綠地和水體面積。因為城區(qū)的綠地、水體對氣溫的調(diào)節(jié)作用很強，對減弱夏季城市熱島強度有著不可忽視的作用。 ( 2) 城市熱島強度隨著城市的發(fā)展而加強, 因此在控制城市發(fā)展的同時, 要控制城市人口密度、建筑物密度。因為人口高密度區(qū)也是建筑物高密度區(qū)和能量高消耗區(qū), 常形成氣溫的高值區(qū)5。 3 武漢市城市干島效應 城市化進程是伴隨著城區(qū)面積的擴大，判斷城市化的要素包括多方面，城市下墊面的改變就是城市化進程中改變的一個方面。也是城市化的一個重要的方面。下墊面性質(zhì)的改變對氣候的影響是很顯著的，城市的下墊面多為不透水的地面，這對城市氣候的影響是不可逆的。武漢做為華中地區(qū)的特大城市，其城市下墊面對該城市的氣候變化時非常顯著的。使城區(qū)的降水大多數(shù)變?yōu)榈乇砗偷叵聫搅?，使城區(qū)雖然降水多，但城區(qū)的濕度卻低于郊區(qū)的現(xiàn)象，即“干島效應”6。本文中以城郊的相對濕度差表示城郊的干島強度。 3.1 3.1 3.1 3.1 干島強度的季節(jié)變化干島強度的季節(jié)變化干島強度的季節(jié)變化干島強度的季節(jié)變化 從城郊季平均相對濕度分析中科看出：城市中心區(qū)全年各個季節(jié)平均相對濕度均比郊區(qū)低，二者相對濕度差值在2%-5%,且武漢城市干島強度的季節(jié)變化明顯，秋季最強，夏季次之，冬春季節(jié)較弱（圖4）。這種現(xiàn)象形成的原因主要是由于武漢冬春季節(jié)降水偏少，氣候較干燥，城區(qū)、郊區(qū)地面干燥，可供蒸發(fā)的水分較少，因此，城、郊的相對濕度差較小，干島強度較弱。夏季，長江中游普遍進入了梅雨季節(jié)，降水豐富，城區(qū)由于下墊面的性質(zhì)，降水多變成徑流，無法在地表蓄積，而郊區(qū)由于下墊面多為植被，容易在地表形成積水，且夏季蒸發(fā)旺盛，使得城區(qū)可供蒸發(fā)的水分少，濕度便低；反之， 郊區(qū)可供蒸發(fā)的水分較多，濕度稍高于城區(qū)。秋季降水相對于夏季要少， 但是秋季的郊區(qū)的其他降水形式較多，如露水及霜， 這些形式的降水 圖圖圖圖4 4 4 4 武漢市城郊季平均相對濕度武漢市城郊季平均相對濕度武漢市城郊季平均相對濕度武漢市城郊季平均相對濕度 使得城區(qū)的相對濕度要明顯低于郊區(qū)。冬春季節(jié)，由于郊區(qū)的植物枯萎，蒸騰量小，而城區(qū)由于人為的水汽較多，市區(qū)內(nèi)又由于一些景觀水面及一些人工湖泊、河流的調(diào)節(jié)，使得城區(qū)的濕度相對于郊區(qū)稍低一些，但二者的差值相對于冬春季節(jié)要小一些。從而造成了武漢城、郊的相對濕度在夏秋季節(jié)強，冬春季節(jié)稍弱。3.3.3.3.2222干島強度的日變化干島強度的日變化干島強度的日變化干島強度的日變化 城郊相對濕度的日變化形式均與氣溫相反7。當氣溫逐漸升高時，水汽壓及飽和水汽壓都隨之增大，但是水汽壓的上升比飽和水汽壓的增加要慢，因而相對濕度減小。反之，氣溫降低，相對濕度增大8。從絕對濕度分布日變化及相對濕度差可看出（表2），降水少的季節(jié)城市絕對濕度大于郊區(qū)，城市出現(xiàn)“濕島現(xiàn)象“；夏季夜晚城市絕對濕度大于郊區(qū)，城市出現(xiàn)“濕島現(xiàn)象”；白天城市絕濕度大多數(shù)時間小于郊區(qū)，城市出現(xiàn)“干島“現(xiàn)象。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是由于城市建筑物和堅實的水泥路面大多為不透水層, 城市排水系統(tǒng)良好。下雨后雨水很快通過下水道排出, 很少滲入土壤中, 使城區(qū)地面常保持干燥狀態(tài)。工業(yè)生產(chǎn)雖可產(chǎn)生一些人為水汽, 但數(shù)量有限。因此, 盡管城區(qū)水域面積較大, 但仍有明顯“干島” 效應。 從相對濕度分布的日變化來看，一般都是市區(qū)低于郊區(qū)。城、郊相對濕度差值以冬季夜間較大，夏季夜間較小，甚至還出現(xiàn)了“濕島”。這說明武漢地處長江中游，在夏季降水豐富，導致城郊間的絕對濕度值的相近，且由于城市空氣中的凝結核多，夏季水汽充足，在城市上空往往會形成局地降水，使得城市降水多于郊區(qū)，從而在夏季多行成“濕島”。而冬季降水偏少，且城市下墊面性質(zhì)的改變，造成了城市空氣水汽不足，使得城、郊絕對濕度的差值增大，形成“干島”。3.3 3.3 3.3 3.3 城市干島的影響城市干島的影響城市干島的影響城市干島的影響 城市干島效應的影響主要表現(xiàn)在使人的舒適度降低。尤其是干季, 武漢本身為河谷城市, 冬春季節(jié)天氣較為干燥, 城市干島郊應的存在, 更加劇了居民的不舒適感。因此, 在城市建設和規(guī)劃中要考慮: ( 1) 要保護并適當?shù)脑黾映菂^(qū)的綠地、水體面積。因為城區(qū)的綠地、水體有利于提高城市下墊面的蓄水能力, 對減弱城市干島效應起著十分可觀的作用。 ( 2) 在控制城市發(fā)展的同時, 要控制城市人口密度、建筑物密度。因為人口高密度區(qū)也是建筑物高密度區(qū), 下墊面則多為瀝青和水泥地面, 蓄水能力也最差, 常形成相對濕度的低值區(qū)5 小結 結語 5.15.15.15.1結論結論結論結論 （1）武漢市熱島強度夏季最強，以7、8月份為最大；而在1、2月由于冷空氣活動頻繁，所以城、郊溫差較小，所冬季熱島強度最小。熱島強度的日變化則主要是白天弱、夜間強的特點。這是白天大氣和地面同時受熱，而夜晚由于下墊面性質(zhì)的差異造成了熱島強度的日變化的特點。 （2）武漢市的干島強度的特點是夏秋季節(jié)強于冬春季節(jié)。