杭州西溪湿地与城区微气象环境的对比分析

论文总字数：16863字

目 录

摘要 1

引言 2

1．研究方法 3

2．研究区域 3

2.1三站点的地理位置及环境特点 3

2.2三站点的分布特点 4

2.3选取西溪湿作为本研究对比站的原因 4

3．气象数据分析 5

3.1温湿度日变化特征 5

3.2温湿度差日变化特征 7

3.3气温月变化特征 8

3.4温度差月变化特征 9

3.5气温季节变化特征 9

3.6温度差季节变化特征 10

4．热场的影响因素分析 10

4.1三站点风速特征差异……………………………………………………………………11

4.2风速月变化特征分析 12

4.3风速差月变化特征分析 13

4.4湿度差月变化特征分析 13

5．结论与讨论 14

参考文献 16

致谢 17

Abstract 18

杭州西溪湿地与城区微气象环境的对比分析

刘二华

摘要：利用杭州市杭州站(Z1)、高级中学站(Z2)、西溪湿地站(Z3)的2013-2014年逐小时气候资料对比分析了杭州市的热场变化特征。结合影响城市热环境的气象因子，分析导致热场差异的原因。结果显示：四个典型日中，在06 h左右气温出现一个低值，到14 h左右达到最大值；湿度日变化与温度日变化相反；逐日14 h月平均温度Z2大于Z1，Z1大于Z3；夏季温度最高，冬季温度最低；温度差月变化值依次增大，H2始终大于H1，且H1的平均值为0.55℃， H2的平均值为1.22℃；2013年冬季温度差较其他季节小，秋季最大，2014年变化特征按季节增大；Z1年平均静风频率最低，1月和7月的主导风向相反，年平均风速在2m/s左右。Z2年平均静风频率达到50%以上，其风场呈现出明显的季节双向型，年平均风速低于1 m/s。Z3年平均静风频率在16%左右，2013年和2014年1月和7月的主导风向相反，2014年两月主导风向与2013年相反。风速月变化值Z1大于Z2，Z3大于Z2；两年中Z2的平均湿度小于Z1和Z3的平均湿度。分析三站点的热场特征以及差异，本文为改善热环境及保护西溪湿地提供了有价值的建议。

关键词：热环境；热岛效应；温度差；对比

引言

城市热环境已有170多年的研究历史。热环境是城市环境的重要组成部分，也是当前城市生态规划研究的重要课题。其是指影响人类生存和发展的各种外部因素组成的一个物理条件的总体^[1]。其由太阳辐射、人为产热、大气状况（风速、大气混浊度、空气湿度等），和下垫面状况（下垫面类型、反照率、发射率、热导率、热容等）共同组成^[2]，其以空气温度和下垫面表面温度为核心。城市热环境的主要影响因素有气候因素（太阳辐射、温度、湿度、风等）、太阳辐射、城市下垫面类型（地形、山丘、谷地、街道、广场、建筑物等）、绿地与水体、人工热源（城市工业、交通、居民生活耗能）等，而城市化是城市热环境改变的必然结果。

从上世纪开始，城市化进入了空前的发展阶段^[3]，尤其是西方发达国家，城市人口比例已经占到75%。2000年城市人口已经达到45%，学者预计2025年，这个比例将达到60%^[4]城市化对下垫面类型的改变最大，同时在自然环境的其他方面影响也很大。由水、土和植被构成的自然下垫面改为由混凝土、沥青构成的建筑物和道路。通过改变表面的反照率、热容性、蒸发和蒸腾，人造表面可以有效地将更多入射的太阳辐射转换为热量储存起来，从而使城市气温比周围郊区的气温高，因此出现城市热岛效应。学者对中国160个气象站的资料研究中发现，城市热岛效应的作用与人口数量成正相关关系 ^[5]。城市热岛的研究历史可以追溯到19世纪上半期。到20世纪50年代，Manley^[6]才将城市热岛效应的概念提出来，城市热岛效应一般指当城市发展到一定规模，城市温度明显高于郊区，这是由于城市下垫面性质的改变、大气污染和人工废热的排放等，从而形成类似高温孤岛的现象，城市热岛已被视为一种城市灾害，其长期存在会引发多种生态环境问题，从而影响到城区气候、城市水文、空气质量、城市土壤理化性质、城市生物的分布以及诸多城市生态如物质代谢、能量循环等^[7]。此外，研究发现城市中建筑物密度越大，热岛强度就愈大^[8]。热岛强度最大值一般在2-7℃，其是一个温差的概念^[9]。

城市热岛效应的特点是城市气温高时热岛效应不一定强，反之，城市气温低时，热岛效应不一定弱，本质就是城市气温高于郊区气温；城市规模越大，人口越多，人为释放热越多，空气污染加重，热岛强度就越强；城市热岛效应有时间和空间的变化特征，时间上有周日变化、月旬变化、季节变化、年际变化和年代变化等^[10]。城市热岛不仅随时间变化同时也随空间变化，其变化模式各种各样^[11]。空间上则有水平和垂直分布的微尺度、中尺度和大尺度等变化特征^[10]。研究表明，低纬度地区，城市热岛效应季节差不大，高纬度地区，冬季热岛强度最强，夏季最弱；白天热岛弱，夜间热岛强，城郊下垫面热容量大小不同是造成这一现象的主要原因；晴天无风时热岛强，阴天大风则热岛弱。城市热岛效应会引起各种异常的城市气象灾害，如暖冬、飓风及暴雨等，给城市气候带来很大的影响^[6]。城市热岛效应改变城市气候，通常是改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边界层结构、污染物传播和扩散的规律。从而，对人类生产、生活产生间接的危害。到70年代，就有人做过一些大型的观测实验探测边界层的温湿度变化，基于观测资料，总结出城市热岛效应的日变化特征。又如在弱风和无云前提下，与周围的乡村相比，城市的冷却率和加热率较小；日落3-5h后城乡温差达到最大，随后逐渐减弱，而日出后温差基本消失；而热岛强度最强的时间段一般出现在冬季夜间^[12]。从以上热岛效应变化特征可知，风速和云量与城市热岛效应呈反相关关系^[13]。通过数值模式，学者发现当存在海陆风、山谷风环流时，城市热岛环流可能会与这些环流产生强烈作用^[14]。综合以上分析，引起城市热环境变化的因素很多，本文主要以气象因子作为研究因子。

本文试图利用气象资料研究气候因素对城市热环境的影响与机理，揭示城市热场分布格局，通过对杭州市的自然气候条件、城市布局状况以及城市自然地理状况等情况分析，并进一步将风等气候因素对城市热环境带来的影响进行了分析。从杭州城市规划的角度提出缓减杭州市热岛的对策。

1.研究方法

城市热岛研究的方法有4种，分别为地面气象观测资料对比法、遥感技术反演温度法、实验室仿真法和边界层数值模拟法。本文利用早期的城市热岛研究方法—气象观测资料对比法，即城郊气象观测数据对比法。1818年Lake Howard在地面观测数据中发现城市热岛这一现象^[15]。该方式利用城区与郊区气象站多年观测数据做对比分析，使用统计学或数值模拟方法分析得出同时期该地热场的日，月、季节变化特征。本文对比分析杭州站（Z1）和高级中学站（Z2）与西溪湿地站（Z3）的气象数据，得到杭州城市热场的分布以及变化特征。此方法难以在空间上获得城市热岛的空间变化规律，但是在气象观测点上可以获得连续的气象观测资料，可以掌握观测点热岛在时间上的变化规律^[16]。

本研究气候资料源自杭州市3个气象观测站点，杭州市内选取杭州国家基准站和高级中学站，分别用Z1和Z2表示，距这两个站点西北方向10 km左右选取西溪湿地站，用Z3表示。以三个站点2013-2014年的逐小时平均气温、平均风速、相对湿度为基本数据，将1、4、7、10月份分别代表冬季、春季、夏季、秋季的典型月。

2.研究区域

2.1三站点的地理位置及环境特点

杭州位于中国东南沿海北部，地处长江三角洲南沿和钱塘江流域，地形地貌特殊，城市格局为“三面环山，一面江”，坐标为东经118°21′-120°30′，北纬29°11′-30°33′，处于中北亚热带过渡区，气候温暖湿润，四季分明，光照充足，雨量丰富。一年中，冬季和夏季季风发生逆向转换，天气系统、控制气团和天气状况均会发生明显的季节性变化，形成春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征。杭州市由于地貌类型复杂，地势高低悬殊，光、热、水的地域分配不均，局部地区小气候资源丰富，但因季风在进退时间上和持续强度上的不稳定性，常出现冷热干湿异常，导致灾害性天气。

西溪湿地处于亚热带季风气候区，季节交替规律明显，夏季多偏南风，冬季多偏北风，气候温和，降水丰富，利于沼泽湿地的形成和发育，且流域内平原地势低平，地表径流不畅，且分布广泛的粘性土层阻碍了地表水下渗，形成大面积湿地。由于地质地貌和海水进退的双重影响，西溪湿地地势普遍较低，杭州国家基准站和高级中学站都位于城区，但是杭州国家基准站地处山上，海拔较高，紧邻山谷，而西溪湿地站位于杭州市区的西部，紧邻杭州城区，距离市中心为8 km，占地面积为10.3 km²。三个气象观测站点地理位置如表1所示。

表1三个气象站点的地理位置

2.2三站点的分布特点

由ENVI5.1处理杭州Landsat7/8遥感影像得到如下如图1，展示了研究区域所选站点的相对位置，从图中明显看出，高级中学站和杭州国家基准站处于市区，紧邻杭州西湖，杭州国家基准站处于西湖和钱塘江之间，周边植被比高级中学站多，两站点距西溪湿地生态气象站分别为10 km和11 km，西溪湿地站也在城市建筑的包围下，但是西溪湿地面积大，水源丰富，植被多，下垫面基本处于自然状态。

图1气象站点的位置

2.3选取西溪湿作为本研究对比站的原因

城市湿地是城市的重要生态基础之一^[17]。西溪湿地拥有复杂的生态系统结构，动植物资源极度丰富，绿化覆盖率超过85%，为多种不同生态型物种提供了多样性的生境。西溪湿地还为迁徙飞禽提供落脚地，维持野生动物种群、水循环和营养循环的支持功能，提供丰富的动植物、能源矿产、基因物质和水能发电，提供淡水的供给功能等。独特的地质、水文和生物景观，以及孕育了农耕湿地文化的文化功能，为调蓄洪水、净化水质、调节气候、防风固岸等提供了独特的生态服务功能。西溪湿地还发挥着对杭州城市气候的调节作用，被誉为“杭州之肾”。杭州西溪湿地对涵养城市水源、维持地域水平衡、调节区域气候、降解污染物、保护生物多样性等发挥着重要作用，对改善杭州生态环境，提高城市区域环境质量，都有着极其重要的作用，是杭州不可或缺的生态屏障^[18]。

然而，西溪湿地的存在和发展面临了许多问题。西溪湿地属于城市湿地，生态环境受城市化影响深，破坏程度大，呈现出较为明显的脆弱性。目前主要面临过渡开发、面积锐减、水体污染和生物入侵等生态安全问题。因而保护西溪湿地对改善杭州市气候变化有重要的意义。通过研究西溪湿地与其他代表性站点的热场对比关系，来分析西溪湿地对城市气候调节的作用。

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