晉江市海陸風與城市熱場分布關系的研究

李夢琪 楊杰 李春學 何鑫

摘 要：隨著沿海城市的不斷發展，人們越來越關注城市氣候所帶來的影響，因此研究弱大氣環流背景下的海陸風與城市熱場的分布關系，對于確定海陸風是否能夠改善沿海城市的城市熱場環境，并以此改善城市微氣候環境具有重要意義。本文以晉江市為例，首先利用站點風要素觀測數據，結合海陸風判別條件，提取并分析了多個典型海陸風日海陸風的基本特征;之后利用站點溫度要素觀測數據，選取了典型日早、中、晚不同時間段的氣象數據，分析了晉江市溫度場的基本特征;最后將符合海陸風日的風要素與溫度要素數據通過Matlab進行繪圖，研究了晉江市海陸風與城市熱場的分布關系。結果顯示，晉江市在海陸風日的條件下，溫度隨著海風與陸風之間的轉變而變化;海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎上，海陸風弱區與熱場強區一致。

關鍵詞：晉江;城市化;海陸風;城市熱場;時空分布

隨著城市化的發展，21世紀以來，國內外廣大氣象學家對城市氣候學（Urban Climatology）和城市氣象學（Urban Meteorology）的研究越來越重視，政府部門亦越來越支持[1-3]。在沿海城市地區，海陸風環流與城市熱島環流，二者往往同時存在，因而它們是相互作用的：一方面，它們對城市氣候有著較大的影響，是強對流天氣觸發的關鍵因素;另一方面，在空氣污染過程中，對于污染物的傳輸與擴散往往起到較為重要的作用。

海陸風環流是一種重要的中尺度天氣系統，一天之中，常常可以觀測到離岸風和向岸風。產生海陸風的重要原因在于海洋與陸地這兩個下墊面的受熱不均勻，大氣基本環流微弱時，在白天，吹海風，即風由海洋吹起向陸地;在夜間，吹陸風，即風從陸地吹向海洋。城市熱環境是近年來在研究城市熱島的基礎上， 由環境和氣象工作者提出并進而發展的概念。在現階段，城市熱環境并無統一的概念，但大致情況概括起來一般有兩種：一種是以周淑貞為代表所提出的，他們認為熱環境是城市空間內客觀存在的熱場，受到高溫、高輻射影響，或者是高溫與其他因素聯合存在的環境;另一種則是柳孝圖為代表，他們認為熱環境是人對熱場主觀感覺，與人們生活的物理環境條件有關，風速、太陽輻射、空氣濕度、空氣溫度等要素均會產生影響。眾所周知，沿海地區的大城市較多，且發展較快，故而在局地氣象學（Local Meteorology）中一般起關鍵作用的是城市冠層，尤其在城市熱環境中產生城市熱島環流（Urban Heat Island Circulation， UHIC）時更能體現出這一點。城市熱島環流的源來自于城市熱島，城市熱島環流是大氣溫度水平變化的中尺度響應，與感熱通量梯度有關。形成城市熱島環流的原因與海陸風環流類似，前者是因為城郊溫度差異所引起的，范圍可以達到城市大小的2-3倍，屬于城市尺度的中小尺度環流;后者則由海陸熱力差異所造成的，屬于局地中尺度環流。

隨著城市化的不斷發展和城市規模的日益擴大，城市熱島現象問題日益突出，國內外學者對海陸風與城市熱場相互作用的特征也進行不同的描述。由Estoque和Fisher首先開始了海陸風環流與城市熱島環流的數值研究。Aggeliki等在雅典地區對城市熱島和海陸風環流之間的作用進行研究時采用了MMS模式，他發現城市化對于下墊面的改變對海陸風環流的發生發展與向陸地的推進速度有較大影響。Dandou等則在對雅典的城市化進程進行研究時，發現了其中的海陸風環流與城市熱島環流之間的相互作用，結果在于白天海陸風環流會削減城市熱島環流的影響，但夜間卻會出現相反情況，即夜間城市熱島強度會有所增加。Sarkar等則對城市熱場與海陸風進行研究時，采用了ZD數值模式，其認為在白天，熱島強度與范圍會增強海陸風強度，但同時會削減其向內陸的延伸。

本文所研究的晉江市，是一個典型的沿海城市，故在站點海陸風研究的基礎上，將其與溫度場進行疊加，進行陸風與城市熱場分布關系的研究，以便于對改善城市氣候環境提出合理建議。

1資料和方法

1.1研究區概況

晉江市地處福建四大河流之一—晉江的南岸，三面臨海，內陸水系密布，是典型的沿海城市，其地理位置位于北緯 24°30′N～24°54′N，東經 118°24′E～118°43′E，平均海拔132 m。該市地處亞熱帶海洋性季風氣候區，年平均氣溫在18-20℃，氣候溫和，雨量充沛。受地質構造等因素的控制，晉江市境內未有大的河流發育，地下水資源較為貧乏。研究區地理位置如圖 1 所示。

1.2 海陸風判別

參考文獻，再結合晉江市所處的地理位置（圖1），確定了適用于晉江市海陸風日判定的條件，即：

（1）該日為有效天。“有效天”被認為應該是一天中有效的數據量需超過當天應有數據量的 2/3，也就是說 24 小時至少應有 17 個小時的觀測數據;

（2）當日中日出時到日落后 2 小時內，應該存在連續 4 小時及以上的海風風向，此外還需海風風速≤局地上限風速;

（3）在00 時至日出后 1 小時內，應該存在連續 4 小時陸風風向，與此同時陸風風速≤局地上限風速;

（4）一般來說，還需將夜間 2 點前后的風向度數與 14 點前后的風向度數相減，保證其差值的絕對值在≥90°且≤270°之間。

依據上述的判定條件，現對海陸風開始與結束的時間進行判斷：在海風（陸風）從某時次起開始持續出現4個及以上的時次時，將該時次稱為海風（陸風）的出現時間;當海風（陸風）開始后，從某時次起開始持續出現了 2 個及以上時次的非海風（非陸風）情況，就將該時次的前一時次稱為海風（陸風）結束時間。又結合晉江海岸線的走向，確定了的海風和陸風方向，結果如表 1 所示。

海陸風屬于局地風，因此，采用矢量分解的方法，將實測風進行分解，分為系統風與局地風兩個部分。在此之中，測站所測的風作為實測風，大尺度風被稱為系統風，同時海陸風等中尺度環流則為局地風。首先需將每日的各小時風矢量分解成兩個方向的分量，即水平u 和垂直v 分量（也就是東西和南北向）;再者取該日中所有小時u 和v 的平均值，將二者的矢量合成作為系統風;最后計算實測風與系統風之間的矢量差得到局地風。其中，使用的公式如下：

1.3數據資料與方法

本研究采用的氣象數據來自晉江市2014年7月18個加密自動氣象站采集的溫度、10分鐘風向和風速觀測數據，其中站點分布如圖1所示。此外此研究主要是通過Matlab編程來達到數據整理與繪圖的目的。

1.4基于站點的海陸風與溫度分析

考慮到夏季晉江地區海陸溫差大，且多受副熱帶高壓控制，有利于海陸風的形成，因此，選定2014年7-8月份為研究時段。該時期不僅晉江多出現晴朗靜風或微風天氣，符合海陸風形成的基本條件;而且溫度較高，便于研究溫度與海陸風二者之間的關系。其中，海陸風主要通過對其風向風速的研究來判斷是否符合其形成條件;溫度一般采用平均值以此作為確定某一時刻的熱場情況的判定條件。

2 結果與分析

2.1典型日的海陸風基本特征

將海陸風日判別指標應用于全區 18 個自動站的觀測數據，以至少 12 個站同日出現海陸風的情況下，確定了 2014 年的海陸風日，共計31天;但由于夏季的海陸風最具備代表性，故選擇7、8兩個月進行研究。7、8兩個月的海陸風現象均集中出現在該月中下旬，即 7 月17、20、21 日和8月26、27、30日，共計6天。海陸風日平均氣溫為30.2℃，最高氣溫出現在7月21日，為34.3℃，無降水發生;平均風速為2.67 m/s，最大風速出現在7月21日3時，為4.77 m/s。在對典型日的海陸風基本特征進行分析時，從上述海陸風日中選取了7、8月各自連續兩天的風速風向，即7月20、21日和8月26、27日。

由結果可知，7月20日，平均風速為3.34 m/s，在白天以東風為主，持續時間為10 h，夜間多為北風與北西北風，持續時間為9 h;7月21日，平均風速為4.29 m/s，在白天以東風和東東北風為主，持續時間為6 h，夜間多為北風，持續時間為6 h;8月26日，平均風速為2.17 m/s，在白天以東東北風為主，持續時間為9 h，夜間多為西西北風，持續時間為5 h;8月27日，平均風速為1.88 m/s，在白天以東東北風、東東南風和東南風為主，持續時間為11 h，夜間多為西風和西西北風，持續時間為11 h。由此進行推斷，認為沿海城市晉江在夏季有海陸風形成時，在白天，一般多為東風、東東北風，偶爾會吹東東南風和東南風，且持續時間較長;在夜間，一般以北風與西西北風為主，偶爾會吹西風與北西北風，且持續時間較白天而言稍短。

2.2典型日的溫度場基本分布特征

在進行典型日的溫度場基本分布特征的分析時，仍然選取了7月20、21日和8月26、27日這四天作為研究對象，并著重以8h為間隔，對6時、14時和22時這三個較為典型的時刻進行探討，從而了解晉江市夏季海陸風日的熱場分布特征。

圖2分別顯示了7月20日6時、14時和22時的溫度場的相關情況。6時，晉江市東南部及南部地區氣溫較全市其他地區而言有所偏低，中西部與北部地區氣溫較高，部分地區溫度達到了35℃;14時，全市溫度有所下降，可能與海風環流有關;22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不到10℃，平均氣溫為30.3℃，較全市溫度場分布情況來看，中西部地區和北部地區最能是熱島效應的中心區域。

圖3分別顯示了7月21日6時、14時和22時的溫度場的相關情況。6時，晉江市東南部及南部地區氣溫較全市其他地區而言有所偏低，中西部與北部地區氣溫較高，部分地區溫度達到了35℃以上;14時，全市溫度有所下降，降溫區域由沿海向內陸延伸，直到之前溫度最高的北部區域，但仍在30℃以上，可能與海風環流有關;22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不到10℃，平均氣溫為30.8℃，較全市溫度場分布情況來看，北部地區最能是熱島效應的中心區域。

圖4分別顯示了8月26日6時、14時和22時的溫度場的相關情況。6時，晉江市東南部及南部部分地區氣溫較全市其他地區而言有所偏低，中西部、西南部與北部地區氣溫較高，部分地區氣溫達35℃以上;14時，全市溫度有所下降，降溫區域延伸至北部及西北部地區，可能與海風環流有關;22時，夜間無太陽輻射影響，溫度有所下降，但程度不大。全天晝夜溫差不大，平均氣溫為29.4℃，較全市溫度場分布情況來看，中西部地區最能是熱島效應的中心區域。

圖5分別顯示了8月27日6時、14時和22時的溫度場的相關情況。6時，晉江市東南部及南部地區氣溫較全市其他地區而言有所偏低，中西部與北部地區氣溫較高，部分地區溫度達到了35℃及以上;14時，全市溫度有所下降， 可能與海風環流有關;22時，夜間溫度下降幅度不大，最低溫度出現在西北部地區。全天晝夜溫差亦不到10℃，平均氣溫為30.1℃，較全市溫度場分布情況來看，中部地區最能是熱島效應的中心區域。

通過對圖2-圖5的晉江市7月20、21日和8月26、27日這四天的6時、14時和22時的溫度場分布進行分析，發現在夏季出現海陸風的同時，溫度也較高，平均氣溫幾乎均超過30℃，且部分地區出現了最高氣溫大于35℃的情況，符合高溫日（最高氣溫≥35℃且日平均氣溫>30℃）的條件，說明在夏季，極端天氣更容易促使海陸風的產生。再者，城市熱島效應的中心最有可能出現在北部與中西部地區。此外，隨著海風向內陸的延伸，會出現溫度下降的現象，以至于本應在午后最高溫度時，卻出現溫度不如早上高的情況。

2.3典型日的海陸風與城市熱場之間的關系

2.3.1 典型日的海陸風與城市熱場的特征

圖6為晉江站7月20日的風速度溫度與風向溫度特征圖，從中可以了解到溫度整體呈現先升后降的趨勢，在早晨6時左右達到最高值，隨后溫度降低，但午后有所回升，并降溫至22時左右達到一日內的最低值。在此過程中：從風速度溫度特征圖6（a）中發現風速走勢與溫度類似，但波動較溫度而言較大，溫度的變化產生了溫差，從而導致了風速的增減;通過對風速度溫度特征圖6（b）的風向進行分析，發現溫度的變化伴隨著的是海風與陸風之間的轉變，在白天當陸風轉變為海風后，隨著海風向內陸的延伸和發展，溫度便有所降低，但之后夜間又從海風轉變為陸風后，溫度便有所回升。

由結果可知，晉江市在夏季出現海陸風的情況時，溫度并不是如往常一般在14時左右達到最高值，而是隨著海風與陸風之間的轉變而變化。隨著陸風向海風的過渡，使得溫度降低，表明熱場的轉變確實是受到海陸風影響的。

2.3.2 典型日的海陸風與城市熱場的分布關系

圖7為晉江站7月20日、21日與8月26日、8月27日14時風場與溫度場分布圖。選擇了這四天內統一的時刻--14時的風場與溫度場要素進行疊加后發現：7月20日14時，晉江市東部、東南部和西南部地區的風速較全市其他地區而言偏大，與此同時，溫度情況卻恰恰相反;7月21日14時，晉江市東部、東南部和南部部分地區的風速較全市其他地區而言偏大，但溫度較低，中西部與北部地區風場強度較弱，溫度卻較高;8月26日14時，晉江市全市風場強度較弱，沿海地區的溫度較內陸地區而言偏低;8月27日14時，晉江市北部、東北部及西部地區風場強度較其他地區而言偏低，溫度卻偏高，其他地區情況與此相反。由上述結果推斷，晉江市海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎上，海陸風弱區與熱場強區一致。

本研究在用Matlab對晉江市多個站點進行數據處理時，采用了上述的海陸風判別方法，獲取到了海陸風的特征，并將溫度數據與熱場數據進行疊加，得到了海陸風與城市熱場的分布關系。由本文結果發現，在海陸風日，風向隨溫度的變化與風速隨溫度的變化趨勢類似，但是溫度的日變化卻不同以往，并未在午后14時左右達到峰值，而是在早上6、7時便達到日最高值，出現此現象的原因可能在于數據及對數據處理過程存在些許偏差，且未詳細考慮如降水量、云量的其他氣象數據，以及可能在于沿海城市的風場變化對溫度的影響較大。又因為在時間與空間分布一致的基礎上，晉江市海陸風弱區與熱場強區一致，故由此表明，沿著海陸風路徑，規劃城市通風廊道，有利于引入海陸風，增加城市密集區域空氣流動的能力，從而削減城市熱場的作用強度和范圍。

4 結論與建議

4.1結論

本文采用 Matlab編程的方法對晉江多站的溫度與風場數據進行處理與繪圖，得到了海陸風日中的風場與城市熱場各自的基本特征及分布關系，以及在時空分布一致的基礎上，風場與城市熱場之間疊加后的關系。研究結果表明， 沿海城市晉江在夏季有海陸風形成時：在白天，一般多為東風、東東北風，偶爾會吹東東南風和東南風，且持續時間較長;在夜間，一般以北風與西西北風為主，偶爾會吹西風與北西北風，且持續時間較白天而言稍短;極端天氣更容易促使海陸風的產生;溫度會隨著海風與陸風之間的轉變而變化，隨著陸風向海風的過渡，會使得溫度有所降低;晉江市海陸風的強弱對城市熱場有一定的影響，在時間與空間分布一致的基礎上，海陸風弱區與熱場強區一致。

4.2 建議

作為沿海城市的晉江，城市化進程使得其城市規模擴大、建筑密度增加且高度提升。這種變化使得城市空間形態有別于原先的自然地貌條件，亦產生了不同于自然氣候的城市微氣候（Microclimate），上述情況使得人們越來越重視城市氣候在城市規劃中的作用。為進一步推進生態文明建設，系統、全面的改善晉江生態、生活、生產環境，提高廣大市民的城鄉環境滿意度，保障城市擁有溫和舒適的氣候環境，減少城市—“靜風”環境，必須系統地開展晉江城市熱島、風場環境的時空分布特征與變化規律分析，尋找影響城市熱島與風場環境的關鍵因子。具體的做法是：保護晉江現有的通風廊道，并在此基礎上優化不完整通風廊道及打通關鍵節點通風廊道，另外在構成通風廊道的空間中利用空間組合變化、地形高差變化優化局地風環境，以便于減輕城市熱島效應的強度和范圍。

參考文獻：

[1]Grimmond C S B， Blackett M， Best M J， et al. The International Urban Energy Balance Models Comparison Project： First Results from Phase 1[J]. Journal of Applied Meteorology & Climatology， 2010， 49（2010）： 1268-1292.

[2]壽亦萱， 張大林. 城市熱島效應的研究進展與展望[J]. 氣象學報， 2012， 70（3）：338-353.

[3]Oke T R. Towards better scientific communication in urban climate[J]. Theoretical & Applied Climatology， 2006， 84（1-3）：179-190.

（民和回族土族自治縣氣象局? 青海? 810800）