基于GIS的武汉市夏季风环境研究
2020-11-15
来源:欧得旅游网
/Research 中图分类号:TU986 文献标识码:A 文章编号:1 673-1 530(201 7)03—0089—09 DOI:1 0 1 4085/j.fjyl 201 7 03 0089.09 牧稿日期:2016・12—16 修回日期:2017-01-31 基于GIS的武汉市夏季风环境研究 G IS Based Summer Wind Environment Analysis in Wuhan 章莉詹庆明欧阳婉璐 ZHANG Li,ZHAN Qing—ming,OUYANG Wan—lu 摘要:武汉是典型夏热冬冷城市,2012年起武汉市开展城市风道规划以缓解城市夏季高温。本文基于武汉市都市发展区27个气象站点实时监测数据,借助 ARCGIS1 0.0和Origin8.0对武汉市多年夏季一天风速风向进行分析。研究发现受城市中心区地表粗糙度的影响,中心区风速远小于近郊I ̄FXl,速.随着中心区高强度 开发,全天中心区与近郊区风速差呈现增大趋势;离长江、湖泊较近的站点的风向会受到内陆湖风的影响,与当日盛行风不一致。研究还发现因城市中,blg:T垫 面复杂,影响风速因素较多,仅从城市建筑形态分析与各站点风速相关性略显不足。 关键词:风景园林:通风;GIS;风道规划;夏季;风环境 基金项目:国家自然科学基金《基于GIS和RS通风潜力分析的城市风道规划支持方法研究》(编号:51378399);中央高校基本科研业务费专项资金《基于城市自 然通风的绿地规划研究》(编号:201 420g020201) Abstract:Wuhan is a city with hot summer and cold winter Air path planning has been done to mitigate hot summer in Wuhan since 201 2 Based on the data of 27 meteorological stations in the urban development area of Wuhan,this paper analyzed the wind speed and direction of Wuhan city for many years using the software ARCGIS1 O 0 and O rigin8 0 The study found that the wind speed was much smaller in the central area for the bigger surface roughness.The wind speed differences between the central and suburban areas is widening with the intensive development in the central area Wind direction is not consistent with the prevailing di rection because of the effect of the nearby lake and Yangtze River.The study also showed that the impact of wind speed is very complicated for the complexity of the underlying sudace of the city central area.It was fnadequate to only analysis the relation between wind speed and urban uniform Keywords:Iandscape architecture;ventilation;GIS;wind path planning;summer;wind environment Fund Items:the National Natural Science Foundation of China,Program:GIS/RS based natural ventilation analysis to suppo rt urban wind path planning(No 51 378399):the Fundamental Research Funds for the Central Universities,Program:Study on urban green planning for u rban natu ral ventilation(No.201 4209020201) 1引言 响,研究发现城市建筑高度、密度增大导致城 新世纪,越来越多的城市}=}j现夏季持续高 市风速减小,研究中也阐述了上海市热岛效应 引,让人们清楚地了解上海 温、冬季雾霾的问题,城市面临前所未有的环 与风速的影响关系。境危机。改善城市通风,增加城市自然通风廊 城市发展对近地表风环境带来的影响。正如周 道是近些年研究者提出的改进措施之一,一时 淑贞教授在《城市气候学》一书中所说:“城 间,城市风环境成为近些年人们的研究热点【1。 。 市化引起的局部大气边层的改变,将对底层气 4l,’ 早在20世纪80年代,周淑贞教授基于上海百 流和湍流特征产生显著影响。【年实测的风速资料,分析城市发展对风速的影 武汉近20年,城市化发展迅速,大量人 章莉门980年生/女/江苏人/武汉大学城市设计学院在读 博士研究生/华中农业大学风景园林系讲师/研究方向为绿 地系统规划、数字景观和城市气候(武汉430072) ZHANG Li was born in Jiangsu Province in 1 980 She is a green planning.digital landscape and urban ctimate(Wuhan 430072) Ph D student majored in Landscape Architecture in College of Urban Design.Wuhan University and also is a Lecturer in Huazhong Agriculture Universiy.Hert research focuses on 研究/ 口涌入城市,城市_大J建筑高度、建筑密度与 年9月6 L】、2010年9月17日、2011年9月 删、建筑密度、建筑i 度等信息.川.城1i_『_! U俱增,城市地丧 糙度_』lJ 增大;随着中 4日、2013 8月8日每小时气象数据。中心 气流动受地表类型 t; v...  ̄-2 +大 依川《武汉Iij- 心I)<下垫而的快速改变.武汉城市热岛问题 城 (主城f)()15个站点,均为自主气象站, 突出 ,这些变化部影响符武汉市近地表气流 都市 范啊内近郊I)(12个站点,其中武汉、 流动 总体规划(2010—202())》中武汉市川地现状 图.以 家2012年1 1 H启川的新《城市 汀夏是同家气象站,其余为自主气象站 、武H、 用地分类与规划建没用地标准》(GB501 37— 武汉市旧 { 资源和规划局2012年通过公 开征集的方式,邀请武汉大学、香港中文大学 和武汉市 一f 资源l干【】规划信息中心组成的联 合团队研究城市JxI道的构建 ’,了解武汉城市 风环境也成为必要..本文以武汉都市区27个 气象站站点数 为 础,分忻武汉市多年风速 风向数据,研究jxl速、风Iq与城市之间的关系, 为改善城市环境、"进良好风环境的城市规 划提供基础 2研究区域概述 武汉市位处汀汉 东 。东经113。41’~ 115。05’,北纬29。58’~31。22’之问,属于 典型的亚热带季风气候, 热冬冷,四季分 『 。冬季多北风、东北Jxl, 季多南风、两南 风。此次研究范围武汉市都市发展 以外环 高速公路附近的乡锁行政边 为基本界线, 总面积3 261km ,包含武汉市中心城区和近郊 区,而武汉市中心城 【!lJ主城 是以三环路以 内地区为主,包括局部外延的沌口、庙tl_l{u武 钢地 ,总面积为678km!,是人口集中、建筑 密集地 。 此次研究是针对复热地J)(=改善热环境的 通风研究,着雨考察武汉市 季风环境特征, 武汉市夏季时间是7—9¨份,选取这3个月 中无降雨、少云的晴朗天气进行分析。 3数据来源与处理 城市地表{牛i糙度影响 气流动,城市中 心和郊区存存差异较大的地丧形态,本次研 究选取武汉市都市 内27个气象站点,2009 詹庆明,1964年生/男/福建人/武汉大学城市设计学院教授、 博士生导师、数字城市研究中心主任/研究方向为地理信 息系统与遥感技术在城市规划与管理中应用(武汉430072)东湖气象台这两个站点在2012年时分别更 201 1)对这27个站点所 用地进行统计分忻 为汀夏及林业站。 ARCGIS10.0软件中,依 (衷1):与中心城区内的气象站 比,近郊 据站点经纬度绘制站点分布图(图1),从图f 的气象站所在用地主要 丁城乡几]地t{ 农 可见中心城I)<:l,I勺站点主要分布于武H和汉广=i, 林川地干¨居民点建设用地;而巾心城J 象 汉阳的气象站点较少。 站所f ̄!Jl J地主要是公共管理与公共服务川J地 辅助分析资料还包括2013年武汉市建 中的行政办公用地、文化设施Jtt地 牧育科 筑普查数 、武汉市城市用地图、2013年 研川地 8月8 H ETM遥感影像,借助Origin8.0、 4.2风向分析 ARCGIS10.0等软件5t7-台对数据进行分析处 。 4.2.1 lIil=5市发展区盛行风向分析 助origin8.0平台分圳对2【1【19—2【)l3 f} 4研究分析 零一火的10分钟平均风速、10 95", 1…进 4.1气象站JL}J地分析 行统汁分忻,绘制个天 攻瑰 , 2~5, 城m刑地类 仵一定 度上反映 类 从I 【 1r见2009年9川6 H、2010印9川17 l j、 气象站点分布图 Meteo rological statio ̄1 map ZHAN Qing—ming was born in Fujian Province in 1964 He is technology in u rban plan a Professor and docto ̄al supervisorintheCollege of U rban 430072) Design,Wuhan Uruve rsity As the di rector of Digital City Research Center,his research focuses OR the application of geog raphic info rmation system and remote senstng 表1 象2,Li点}}】地类j T lb】[+and tlS(、Of mot(、OI ologica1 sta rjoH 砷侣侣¨馆伸;2;B 猢 _暮 H {己 伸¨伸” ;.. \l ~ -/ 雌\、 褪 ~气 一 一I.¨. 撇№ 膦 一昌一 2012年5月12日主导风向均为东南风,2013 如图6~9。从 中可以看出,2009年9月 年8,rj 8日主导风m址西南风,这与武汉夏季 6臼,从0:O0到23:00,大多数站点风 盛行风向是一致的。仉2011年9月4日却址 中存90。~135。 ,盛行风向是ENt 、 以北胍为土,主要址受【x=域大气环境冷空气 E、ESE;左岭站与水大站点风向 |fJ j 响.导致风向异常 225。~270。,洲大干¨洪ILl青菱站仝火j‘lI 为进一步分析 -"ll点风向情况,对研究 则是集中_丁270。~315。 2010年9月17 f t. 『J、J齐站点_伞天主小时J×【m分 进行统汁. 多数站点lq*0 ̄1.向 {l。-90。~135。问,盛行 欧阳婉璐门992年生/女/湖南人/武汉大学城市设计学院 OUYANG Wan—Lu who was born in Hunan Province in 1 992 在读硕士研究生(武汉430072) is a qI aduate student majored in U rban Planning in College 3f U rban Design Wuhan University Her research focuses 0f]u rban planning(Wuhan 430072) /Research Nw , , WNW '  ̄ENE l i\ 『E ,:WSW 、 7ESE '2 f.一 、、 18 SW 18一 、 ”s Calrr ̄:16 81548 FlowVec ̄orWind 2 NNE 、\NE WSW 、 , SW\ / /ssE Calms:13 83285 FlowVectorWind ~.... 3 3 20100917全天风玫瑰圈( 基于都市区气象站数据绘静 Wind rose on SeDtel'nber 7 2010(Based on lhe 2O 18 16— i●-■ 14 / 12— 1O— e・ ENE 暑一 B。 ●, 2。 2一 { 4 f d一 、 7'EaE 13:WSW ’2 \ f| 、、 1e— sw \ lfl 、、 , 20 8 一一 Calms:11 3B329 5FlmⅣVe岫Wind 4 基于都市区气象站数据绘 4.2011(Based onthe  ̄frnn,qIifnn r自a1 0伸倌¨侣”” “砷 研究/ ●一 7 _3・4 巨j 2—3 一一i1.2 -O-1 FlO■V●■甘W-ld 5 o 5 20130808全天风玫瑰图f基于都市区气象站数据绘制) Wind rose on August 8 201 3(Based on 季t}hemet eor挪 ological data of metropolitan area) 风向是ESE、SE;湖大和洪IlJ青菱站全天风 向则是集中于270。~315。,第一聋校站主 要盛行风向则是18O。一225。,左岭站站点 风向是0。 2011印9月4日,符站点主要风 向集中于0。~45。、315。~360。,盛行风 向是N、NNI 、NI ,湖大和洪山青菱站个天 风向则是柴中丁270。~315。 20I3年,多 数气象站站点风速集中存I35。~270。间, 盛行风向是SSW、SW、WSW,左岭站、洪1 J. 青菱站点风向主璎赴0。~45。,林业站风向 则是315。~360。,第一聋校站点风向则是 45。~135。。2013年8月8日,气象站点风 向主要 Lf】和135。一225。问。由于影响城 市风向的冈素较为复杂,周淑贞存20世纪90 年代就曾指m: “城市风向的变化实际上是 气压梯度力、摩擦力和科氏力存平衡状态下 的扰动” ,这丧lJ{J城市中,地表槌盖变化、 温度差异、粗糙度符异、热岛环流等 素都 会对风向产生影响. 从这4天各站点风向来看, 湖大、洪liI青菱、第一聋校、左岭站站点的风 向与其他 ( ̄t,i4ti , ̄i(Jxtl甸差异较大, ̄t-li这些 站点都位于湖泊附近,这也说明武汉市内陆 河湖气流变化对城市中气流的运动影响较大。 6都市区20090906各站点每小时, ̄1,raj Hou rly wind direction in metropolitan area on Septembe r 6.2009 la口ul^^ ∞ 拈 0 0 l_扫l。o1日>pu一^^ 5 4 3 2 1 O 1 O 2 4 6 8 1o 12 14 16 18 20 22 季} m DataTime 6 o 2 4 6 8 1o 12 14 16 18 2O 22 DataTime 7 o 石 刁 .E ≥ Da切Time 8 l10BJ伽 饼 0 石 .妄 ; 10 12 14 16 18 20 22 DataTime 9 10 9都市区20130808各站点每小时风向 0 20130808中心城区各站点风玫瑰图 Hourly wind direction in metropolitan area on August 8 Wmd rose of central areas oN August 8 2013 2O13 4.2.2主城区个天JxUtl, ̄-析 现利用Origin8.0以及Arcgis10.0 俞对 2013年8月8 H中心城 符站点个天书小时 风向变化从城市空间上进行分析 奠¨ 10所 示,铁中(1072)、省移动公司(1073)、沌『I(1082)、 挽月l}1学(1017)站点今天风向变化较人,说 杉响气流运动的 素较多,这 站点大多都 位于中心城J)(=的边缘地带.建筑南度杆i对比 较低,周边绿地率较高,环境较为开阔.周 边水域、农Ⅲ而积较人,影响 l(流运动方向 变化的因素较多,风向变化较频繁 十f{比较, 城市建筑密度较 苛的地方如湖大(1【154)、化T (1010)、财校(1015)、第 中学(1(11 4)站点全 天主导风向稳定 依据中 象数据共享服务网摊供气象 资料显示201 3年8月8日当天盛行『xl向为南 风,湖大(1054)、十IJLt【1】学(1012)、第人中学 (1014)受到内陆河流、长f]:汀风拗响,风向发 生偏移。农火(1053)、财佼(1015)受 边湖泊 气流影响,风 发生变化。这也进一步表示 武汉市独特的地 条件,河流和湖 存分剖 城市空间的 t时.对城市中气流运动有很大 影响力。 4.3风速分析 城市下垫而仔 着复杂的物质、能量交 换,随着城市化进程的快速发 ,城市不断 毪延,建筑群持续扩张、增高、加南,导致 下垫面粗糙度增大.进而减弱丫 气水平运 动的能力。现将武汉市城郊气象站点风速以 及城中心 风速分别进行对比分析. 4.3.1城郊风速差异 将不同年份4天风速按照站点所 位置 分为近郊区秆1中心城 两类,分别统汁两种 不同城市空问[{l的站点平均风速值,从表2中 _由]‘见,近郊 甲均风速均大于【f】心城区,这 表明武汉市l}J心城l F垫而粗糙度火导致风 研究/ 速减弱.中心区与近郊【×=城市下垫面存存较 大差异。桐比较而言,近郊 的自主观洲站 表2中心l 与近郊区全天、} 均 谜燕分析 I、ab 2 Mean wind speed difference between centr ̄I jand suburban ̄TetIs 大多属于农林用地,地表开阔.阻碍物较少, 空气能顺利流通,而其他站点虽然属于建设用 地,但所在地建筑密度、建筑高度、容积率 都远远低于城市中心区站点所在区域,大气流 通阻碍牢低,风速较大。此外,随着武汉市 城市化的快速发展,城市中心 高强度开发, 导致城郊风速差异呈上升趋势 、 深入分析城郊主小时风速的变化情况, 对近郊f)(与中心城 站点绘制主小时平均 风速图,如图11所示,中心城区与近郊区全 天平均风速发展趋势梢¨,近郊风速大于中 心城 风迷,白天与夜间城、郊风速差基本一 致,没有很明显差异;但2011年9月4日,凌 晨2:00、5:00时中心城 风速与近郊区风 速很接近,同样2013年8月8旧,6:00~21:00 时中心城 风速与近郊 风速差较大.而夜 间风速 十11对比较小 将这5天中心城l 与近郊区白天与夜晚 甲均风速进行对比分析如表3,从表中可见 2009年9』j 6日、2010年9』j 17日这两天门 人-与夜晚城郊风速差仙 木一致,中心 风 速比近郊I 风速低约46%。1rl_l是2011年9月 4 H与2013年8月8日这2天白天中心区比 近郊1)(风速分别减少约41%和54%,夜晚中 心区风速比近郊 风速减少约24%和35%, 与r1=火十【l比,夜晚中心 与近郊区风速筹明 显缩小 这4天广]天中心 风速比近郊 风 速减少约40%以上,2013年8月8日白天中 心 、近郊区风速差稍微较之前增大;夜间, 2011_}1t 9月4日与2013年8门8日中心城 比近郊IX风速差旱现缩小趋势。D.O.I。EE在对 伦敦10午城郊风速对比分析中发现城区风速 存向天比郊区减少约30%,夜晚则是20%左 右 ,与武汉城郊风速差异 现相似现象。 94 表3中一O[X域近郊区昼夜 r_均风速分析 1、ab 3 Diurnal a、rerage wind speed difference between central and subtlrl3;/n_lrpas 一!鹌 哩 鲢曼. 2 5 2 O 2 O ^ 芒 鼍 ’ -g’ 莹 昏 里’。 蛋 邶 兰0 5 g 0O O 5 Data Time Data Time 5O 4 5 2 5 4 0 一 芒 。 芒。 。。 置 萤2 5 -g 2 0 ¨ g 兰加 0 5 O 0 o 2 4 6 8 1o t2 14 16 1日20 22 DataTime Data Time 1中心区与近郊区全天平均风速对比分析 Mean wind speed of central areas comparing with the suburban areas N 这是由于夜间近郊 大气流动相对稳定. 常常伴有逆温层现象。而中心城区因存在热 岛效应,随着高度上升,空气温度逐步降低, 这使得城市中心区 热力交换形成局部气流 流动增多;再者,城市中地表粗糙度大于郊 I二,气流在地表受到阻力远大于郊区,上层 x空气流动速度较大,下层空气流动速度较小, 进而在城市中心区上层气流通过湍流交换向 下层输送,湍流交换导致风速变化,冈此存 夜间中心城 空气流动较大.夜间城市中风 速与郊区风速差缩小。但门天,尤其是午后, 中心城区和郊区空气温度相差不大,若郊区 盛行风速较大,城市中心区冈复杂的地表形 态阻碍了空气的流通,城市地表阻力是气流 Kilometers 速度减小的主要冈素,导致白天中心区风速 12 比近郊 小得多。武汉市不同年份夏季一天 昼夜风速差的变化在一定程度上表示201 1年 9月4日、2013年8月8日这两天夜晚城市中 心区热岛效应比2009年9月6日_及2010年9 月17日夜间热岛效应明显,城市中心热岛效 应带来的湍流交换比较多,从而导致夜间武 十I 热岛效应值 汉中心 与近郊 风速差值的减小。 武汉大学刚队利用武汉市ETM遥感影像 研究城市热环境.分析2010年9 yJ 17日武汉 l●■l●■■…0Ⅲ∞ (】_tl0_】% ¨|(15(1 if I0 1 I 1 5 【 l1 3 0 20 {I 2{i()2 0 【1.{0 市主城 热岛强度分布18 Iq(图1 2),沿用桐同 方法对2013年8月8日ETNI影像进行反演, 获得当日主城区热岛强度分布(图13),对比 这两张地表热效应分布罔.可以很清楚地看 到2013年8月8日武汉市主城氏热岛强度有 显著加刷。这也进一步证实城市热岛效应对 城市近地表气流活动存在较大影响 4.3.2主城区符站点风速分析 0 l0 0 35 厂一]0 35 0 In 口一l0…0 0 I 0 __∞i_{)【1 K ̄lornelers 将主城区16个门主站不同年份4天的风 速数据进行统计分析,如图14.. 如图14所示,中心城 内各气象站点风 13 速比较小,大多数站点所测风速存2m/s以 95 植被、水体、地形及城市热岛效应等因素都 会对空气流动产生影响,进而从建筑分析获 得的地表粗糙度长度与实际风速表现较弱的 [7】D 0 LEE,The influence of atmospheric stability and the urban heat island on urban-rural wind speed differences[J]. Atmospheric Environmet,1979,17:98. [8】盂繁烁.基于遥感影像的武汉市热环境研究[D]武汉: 武汉大学,2013. Meng Fanshuo.Study on thermal environment in Wuhan 相关性。 受保密和费用限制,所获得的气象站数 据有限,本文仅仅是对多年夏季一天风速风 向数据进行分析,其数据代表性、一般性、 city based on remote sensing image[D]Wuhan:Wuhan university,201 3 [9]Zhan,Q,Meng R.Xiao.丫.Exploring the relationships of between land surface temperature.ground coverage ratio and buliding volume density in an u rbanized 普遍性存在不足。但快速城市化对城市风环 境的影响毋庸置疑,编制营建良好城市风环 境的城市规划显得尤为重要。 envi ronment[J】ISPRS-International Archives of the Photog rammetry.Remote Sensing and Spatial Information Sciences.201 5.XL-7/W3.255—260 [1O]汪玉洁基于城市热环境开敞空间布局优化研究[Dll 武汉:武汉大学,2013. Wang Yujie The research of optimizing open space based on ciyt heat environment—An example of Wuhan[D] 注释: ①图12引自参考文献[9】,其余图表均为作者自绘。 Wuhan:Wuhan university,201 3, 【1 1】Grimmond C S B.Oke T R.Aerodynamic properties of u rban areas derived f『om analysis of surface f0fm-J] Journal of Applied Meteorology.1999,38(9):1262—1292 参考文献(References): [1]叶锺楠.我国城市风环境研究现状评述及展望[J]规划 师,2015(S1):236-241. 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