廣州城市近地風場特征研究

馮嫻慧，魏清泉

1. 華南理工大學，廣州 廣東 5106412；2. 中山大學，廣州 廣東 510275

城市覆蓋層內外風場狀況差異很大，盛行風吹過城市的實際情況與風吹過森林類似，氣流主要從林冠界面上邊通過，少量氣流進入林冠下面，界面上下是兩個環境特征差別很大的系統。城市的屋頂界面類似于森林的林冠界面，大部分氣流從城市屋頂界面上空吹過，對城市覆蓋層以下的近地層影響不大。城市汽車尾氣污染物的排放高度與人類呼吸帶高度都在城近地層內，近地風場對局地氣候的適宜性、污染物擴散均有影響，近地風場狀況與城市建成區范圍，城市布局、建筑高度與密度、綠地與曠地面積以及分布狀況等因素有關，表現出復雜的特征[1]。

在近地風場的形成方面，Bornstein[2]證實在城市弱風條件下，城市下墊面的加熱作用將產生近地環流，近地環流將由于外來風速增大而減弱。Arnfield[3]研究表明，當盛行風微弱，城市近地風速增大由于城市本身的熱力擾動。桑建國[4]運用解析解方法，推導證明在靜風條件下，城市局地熱力作用產生的環流尤為明顯，并與城市布局相關。徐祥德[5]研究證明城市近地存在的局地次生尺度環流幅合結構由城市區域尺度多個強弱程度不一的“次生”熱島效應產生。在近地風場的風速方面，劉德義[6]利用 50年的氣象資料統計表明天津平均近地風速總體呈減小趨勢，傾向率為0.35 m·s-1·(10a)-1。韓素芹[7]采用 MM5模擬研究表明，地面風速微弱，平均風速不足1 m·s-1。前人已經開展從站點數據、數值模擬等方面研究近地風場的形成以及風速等方面的特征變化。

近年來，伴隨亞運等重大事件的開展以及廣州城市的快速發展，對于廣州近地氣候環境的變化也應引起人們的重視，雖有利用站點氣候統計資料和MM5數值模擬研究廣州城市氣候與大氣污染分布的變化[8-9]。但對廣州城市近地風場局地尺度的實地狀況研究等方面仍有待進一步開展，本文利用廣州市內 15個實測測點的風向、風速數據進行廣州近地風場特性的分析，為城市布局規劃和近地氣候環境的改善提供參考依據。

1 實測方案設計

1.1 廣州城市概況

廣州地處南亞熱帶，屬南亞熱帶典型的季風氣候，盛行風風向為冬季偏北風，夏季偏南風。據廣東省地面衛星觀測站觀測資料數據統計，從 1991年至2000年，廣州市年平均風速最高為1.8 m·s-1，最低為 1.3 m·s-1，各月的平均風速在 1.5～1.8 m·s-1之間[引用廣東省地面衛星觀測站觀測統計數據（五山地面站）]。據天河地面觀測站2005年觀測數據，日平均風速小于1.5 m·s-1狀況大約占70.7%，即每月有21天為靜風狀況。

廣州市區北依白云山，珠江穿市而過，城市空間沿珠江向東和向西擴展，中心城區可以分為3個主要區域：（1）老城區位于城市西部，包括原荔灣區、越秀區和東山區等；（2）新城區主要位于城市中部，包括天河區等；（3）新城發展區位于城市東部，包括天河區東部等。

1.2 測點布置與儀器

根據廣州城市建設情況，對城市西部、中部、東部區域進行15測點分布，測點布置如圖1所示。測點 1、2、3、4位于城區東部，城市夏季上風方向；測點5、6、7、8、9、10、11位于城市中軸線兩側區域，為城區中部；測點 12、13、14、15位于城區西部，老城區內。

測試儀器選用熱球風速儀，儀器精度為 0.1 m·s-1，采集頻率為1 h（手動）。測點說明：

測點 1：科韻路，南北向干道，位于廣州市新城區外圍發展區，城市夏季風的上風地帶。

測點 2：東方一路，小區道路，位于天河區東部，天河區政府附近，靠近天河公園，城市夏季風的上風地帶。

測點3：中山大道（北側），東西向主干道，位于城市東部。

測點4：中山大道（南側），東西向主干道，位于城市東部。

測點5：環市路（北側），老城區東西向主干道，測點位于城市中部。

測點6：環市路（南側），老城區東西向主干道，測點位于城市中部。

測點7：廣州大道北（東側），南北向主干道，位于城市中心區域。測點位于城市北部，城市冬季風的上風地帶。

測點8：廣州大道北（西側），南北向主干道，位于城市中心區域。測點位于城市北部，城市冬季風的上風地帶。

測點9：廣州大道五羊段（東側），南北向主干道，位于城市中心區域。測點位于城市南部，靠近珠江。

測點 10：廣州大道五羊段（西側），南北向主干道，位于城市中心區域。測點位于城市南部，靠近珠江。

測點11：華利路，靠近珠江的小區道路，位于城市中部區域。

測點 12：環市西路（北側），老城區東西向主干道，靠近越秀公園，測點位于城市西部。

測點 13：環市西路（南側），老城區東西向主干道，靠近越秀公園，測點位于城市西部。

測點 14：起義路，靠近珠江的道路，位于老城區。

測點15：東風中路，老城區，城市西部的東西向主干道。

圖1 測點布置圖Fig.1 Measurement Point

1.3 測試期間的參考氣象數據（氣象數據來自http://www.wunderground.com）

實驗的觀測時間分別為2005年6月10—13日，11月15—17日，2006年4月15—17日，2008年10月17—19日，共12天，其中冬半年6天，夏半年6天。觀測時段選取早（9點）、中（13點）、晚（18點），1.5 m觀測高度。

2005年 6月 10—13日測試期間平均氣溫 30℃，最高氣溫37 ℃，最低氣溫25 ℃，高溫陣雨天氣。盛行風速分別為1.4、1.67、1.67 m·s-1，能見度分別為5.9、9.5、7.2 km。2008年10月17—19日測試期間平均溫度為28.3 ℃，最高氣溫為33 ℃，最低氣溫為 23 ℃，天氣情況以晴朗為主。盛行風速分別為1.9、1.4、0.83 m·s-1，能見度分別為8.8、8.7、9.3 km。2005年11月15—17日測試期間平均氣溫20.3 ℃，最高氣溫24 ℃，最低氣溫15 ℃，天氣以晴朗為主。盛行風速分別為 4.17、3.9、2.78 m·s-1，能見度分別為11.2、13.1、11.8 km。2006年4月15—17日測試期間平均氣溫18 ℃，最高氣溫26 ℃，最低氣溫12 ℃，天氣以晴朗為主。盛行風速分別為2.78、1.9、1.1 m·s-1，能見度分別為9.8、12.8、8.4 km。

測試期間廣州盛行風風速夏半年明顯小于冬半年，風速增大的同時，城市能見度增大。盛行風速最大值為4.17 m·s-1，最小值0.83 m·s-1，平均值2.37 m·s-1，夏半年平均風速1.48 m·s-1，冬半年平均風速 2.77 m·s-1。

2 近地風場觀測結果分析

利用實地觀測數據進一步分析，得到圖2所示測試區域的 15個測試點平均風速變化比較，表 1所示的測試區域內15個測試點的最大風向頻率。

圖2 測點平均風速變化曲線Fig.2 Wind speed of measurement point

據實地觀測表明，廣州近地風速微弱，通風不良，風速日變化不顯著。近地平均風速比參考氣象數據削減90%左右。近地最大風速小于1 m·s-1，平均風速約0.25 m·s-1。廣州城市東西長、南北短，夏季盛行東、東南風時，城市順風向規模大，城區東部、中部與西部區域的近地風場的風向與風速存在差異。據測點1至測點15的風速變化，可以看到夏半年期間，從城市東部區域到西部區域，風速有明顯減弱過程，風速值的低谷在城市中部區域。城區西部觀測點的風速反而有所增強。據風向頻率分析，是由于受珠江江風的影響，使得該區域近地風速得以增大，這對于改善老城城區無風狀態是有利的。觀測點1科韻路位于城市上風向，日平均風速可達0.65 m·s-1，觀測點14起義路因靠近珠江，其日平均風速約為0.45 m·s-1，而城區中部的環市路日平均風速僅為0.10 m·s-1，處于無風狀態。珠江的江風對觀測點 11、14的風速有顯著影響，與其它測點相比，風速有所增強。城區中心區測點 5、6風速微弱，處于風速低谷，甚至處于完全無風狀況，推測由于天河區中軸線一帶高樓林立的擋風作用，使該區域風狀況靜止。測點7、8、9、10分別位于廣州大道南北端的兩側，其風速與風向明顯受到城市北部白云山山風與珠江江風的影響，風速有所增強。起義路觀測點14靠近珠江，9:00、13:00、18:00風向頻率為東南風，即江風的影響顯著。

表1 測點最大頻率風向Table 1 Wind direction of measurement point

據觀測結果分析，市內公園綠地如天河公園、越秀公園對周邊測點的風速、風向影響較為顯著。觀測點1、2、3、4在夏季9:00、13:00風向頻率為南風、東南風，平均風速近0.3 m·s-1。在天河公園以東的觀測點1，夏季9:00、13:00風向頻率為東南風，天河公園以西的觀測點 2、3、4在傍晚 18:00時段風向頻率為西南、東南、南風等，表現出受天河公園局地熱力環流的影響。冬季 9:00、13:00風向頻率為北風、東北風，18:00時段風向頻率為東北、東南或無風狀態。越秀公園北側的環市西路觀測點 12、13位于白云山南麓，在觀測期間內，風向多為東北、東、東南風，9:00、13:00風向頻率多東北風，受白云山山風影響，13:00風向頻率多東南風，受越秀公園熱力環流影響。

3 結論與探討

徐祥德[5]提出近地風場的顯著特征為不同尺度的輻合熱力環流和微弱的盛行風綜合作用。盛行風受制于城市的摩擦消減作用，風速極大輻度減小，靜風頻率增高。當盛行風微弱的時候，城市內部的熱力環流表現出顯著的影響力，而伴隨盛行風的增強，城市內部的熱力環流會逐漸消失，兩者表現為互為生消的狀態。

在廣州的觀測表明，近地風場的風速微弱甚至無風，城市有些地方空間開闊，風速增強，如廣州大道北聯白云山，南通珠江，道路開敞，風速相對大。有些地方則成為“風影區”，基本處于無風狀態。在盛行風被極度削弱的同時，珠江江風促成了城區相關測點風速的增強。尤其西部老城區臨近珠江測點表現出主要特征是“江風”。同時，白云山等北部山林的山風以及大型綠地對周圍測點的風場均有影響，這些局地的熱力環流促進了大氣的流動，改善近地風速微弱甚至無風的狀況。因此，城市的河流、山林以及大型綠地對城市近地風場的影響值得關注，可進一步研究如何利用其改善城市的通風。

當極端氣候災害于大規模流行病爆發時，如“非典”疫情和城市嚴重大氣污染事件的發生，都將促使我們對當前城市空間發展與通風問題進行反思。風對于城市空氣質量以及環境適宜度都有重要影響。隨著城市的擴展，城市近地風速微弱，通風不良，風向變化復雜，據廣州的實地觀測結果，隨著城市高層建筑的建造和建筑密度的增加，城市近地風速極度減弱，局部以至完全無風狀態，這對于汽車日益增多，尾氣污染激增的城市是極為不利的。因此，關注城市近地風場狀況，并以此為基礎，能進一步探討城市布局與城市近地風場的相關性，對于實現城市的可持續發展具有重要的意義。

致謝：感謝佛山科技學院周榮教授和本科生參與并完成觀測實驗。

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