李梦琪 杨杰 李春学 何鑫
摘 要：随着沿海城市的不断发展，人们越来越关注城市气候所带来的影响，因此研究弱大气环流背景下的海陆风与城市热场的分布关系，对于确定海陆风是否能够改善沿海城市的城市热场环境，并以此改善城市微气候环境具有重要意义。本文以晋江市为例，首先利用站点风要素观测数据，结合海陆风判别条件，提取并分析了多个典型海陆风日海陆风的基本特征;之后利用站点温度要素观测数据，选取了典型日早、中、晚不同时间段的气象数据，分析了晋江市温度场的基本特征;最后将符合海陆风日的风要素与温度要素数据通过Matlab进行绘图，研究了晋江市海陆风与城市热场的分布关系。结果显示，晋江市在海陆风日的条件下，温度随着海风与陆风之间的转变而变化;海陆风的强弱对城市热场有一定的影响，在时间与空间分布一致的基础上，海陆风弱区与热场强区一致。
关键词：晋江;城市化;海陆风;城市热场;时空分布
随着城市化的发展，21世纪以来，国内外广大气象学家对城市气候学（Urban Climatology）和城市气象学（Urban Meteorology）的研究越来越重视，政府部门亦越来越支持[1-3]。在沿海城市地区，海陆风环流与城市热岛环流，二者往往同时存在，因而它们是相互作用的：一方面，它们对城市气候有着较大的影响，是强对流天气触发的关键因素;另一方面，在空气污染过程中，对于污染物的传输与扩散往往起到较为重要的作用。
海陆风环流是一种重要的中尺度天气系统，一天之中，常常可以观测到离岸风和向岸风。产生海陆风的重要原因在于海洋与陆地这两个下垫面的受热不均匀，大气基本环流微弱时，在白天，吹海风，即风由海洋吹起向陆地;在夜间，吹陆风，即风从陆地吹向海洋。城市热环境是近年来在研究城市热岛的基础上， 由环境和气象工作者提出并进而发展的概念。在现阶段，城市热环境并无统一的概念，但大致情况概括起来一般有两种：一种是以周淑贞为代表所提出的，他们认为热环境是城市空间内客观存在的热场，受到高温、高辐射影响，或者是高温与其他因素联合存在的环境;另一种则是柳孝图为代表，他们认为热环境是人对热场主观感觉，与人们生活的物理环境条件有关，风速、太阳辐射、空气湿度、空气温度等要素均会产生影响。众所周知，沿海地区的大城市较多，且发展较快，故而在局地气象学（Local Meteorology）中一般起关键作用的是城市冠层，尤其在城市热环境中产生城市热岛环流（Urban Heat Island Circulation， UHIC）时更能体现出这一点。城市热岛环流的源来自于城市热岛，城市热岛环流是大气温度水平变化的中尺度响应，与感热通量梯度有关。形成城市热岛环流的原因与海陆风环流类似，前者是因为城郊温度差异所引起的，范围可以达到城市大小的2-3倍，属于城市尺度的中小尺度环流;后者则由海陆热力差异所造成的，属于局地中尺度环流。
随着城市化的不断发展和城市规模的日益扩大，城市热岛现象问题日益突出，国内外学者对海陆风与城市热场相互作用的特征也进行不同的描述。由Estoque和Fisher首先开始了海陆风环流与城市热岛环流的数值研究。Aggeliki等在雅典地区对城市热岛和海陆风环流之间的作用进行研究时采用了MMS模式，他发现城市化对于下垫面的改变对海陆风环流的发生发展与向陆地的推进速度有较大影响。Dandou等则在对雅典的城市化进程进行研究时，发现了其中的海陆风环流与城市热岛环流之间的相互作用，结果在于白天海陆风环流会削减城市热岛环流的影响，但夜间却会出现相反情况，即夜间城市热岛强度会有所增加。Sarkar等则对城市热场与海陆风进行研究时，采用了ZD数值模式，其认为在白天，热岛强度与范围会增强海陆风强度，但同时会削减其向内陆的延伸。
本文所研究的晋江市，是一个典型的沿海城市，故在站点海陆风研究的基础上，将其与温度场进行叠加，进行陆风与城市热场分布关系的研究，以便于对改善城市气候环境提出合理建议。
1资料和方法
1.1研究区概况
晋江市地处福建四大河流之一—晋江的南岸，三面临海，内陆水系密布，是典型的沿海城市，其地理位置位于北纬 24°30′N～24°54′N，东经 118°24′E～118°43′E，平均海拔132 m。该市地处亚热带海洋性季风气候区，年平均气温在18-20℃，气候温和，雨量充沛。受地质构造等因素的控制，晋江市境内未有大的河流发育，地下水资源较为贫乏。研究区地理位置如图 1 所示。
1.2 海陆风判别
参考文献，再结合晋江市所处的地理位置（图1），确定了适用于晋江市海陆风日判定的条件，即：
（1）该日为有效天。“有效天”被认为应该是一天中有效的数据量需超过当天应有数据量的 2/3，也就是说 24 小时至少应有 17 个小时的观测数据;
（2）当日中日出时到日落后 2 小时内，应该存在连续 4 小时及以上的海风风向，此外还需海风风速≤局地上限风速;
（3）在00 时至日出后 1 小时内，应该存在连续 4 小时陆风风向，与此同时陆风风速≤局地上限风速;
（4）一般来说，还需将夜间 2 点前后的风向度数与 14 点前后的风向度数相减，保证其差值的绝对值在≥90°且≤270°之间。
依据上述的判定条件，现对海陆风开始与结束的时间进行判断：在海风（陆风）从某时次起开始持续出现4个及以上的时次时，将该时次称为海风（陆风）的出现时间;当海风（陆风）开始后，从某时次起开始持续出现了 2 个及以上时次的非海风（非陆风）情况，就将该时次的前一时次称为海风（陆风）结束时间。又结合晋江海岸线的走向，确定了的海风和陆风方向，结果如表 1 所示。
海陆风属于局地风，因此，采用矢量分解的方法，将实测风进行分解，分为系统风与局地风两个部分。在此之中，测站所测的风作为实测风，大尺度风被称为系统风，同时海陆风等中尺度环流则为局地风。首先需将每日的各小时风矢量分解成两个方向的分量，即水平u 和垂直v 分量（也就是东西和南北向）;再者取该日中所有小时u 和v 的平均值，将二者的矢量合成作为系统风;最后计算实测风与系统风之间的矢量差得到局地风。其中，使用的公式如下：
1.3数据资料与方法
本研究采用的气象数据来自晋江市2014年7月18个加密自动气象站采集的温度、10分钟风向和风速观测数据，其中站点分布如图1所示。此外此研究主要是通过Matlab编程来达到数据整理与绘图的目的。
1.4基于站点的海陆风与温度分析
考虑到夏季晋江地区海陆温差大，且多受副热带高压控制，有利于海陆风的形成，因此，选定2014年7-8月份为研究时段。该时期不仅晋江多出现晴朗静风或微风天气，符合海陆风形成的基本条件;而且温度较高，便于研究温度与海陆风二者之间的关系。其中，海陆风主要通过对其风向风速的研究来判断是否符合其形成条件;温度一般采用平均值以此作为确定某一时刻的热场情况的判定条件。
2 结果与分析
2.1典型日的海陆风基本特征
将海陆风日判别指标应用于全区 18 个自动站的观测数据，以至少 12 个站同日出现海陆风的情况下，确定了 2014 年的海陆风日，共计31天;但由于夏季的海陆风最具备代表性，故选择7、8两个月进行研究。7、8两个月的海陆风现象均集中出现在该月中下旬，即 7 月17、20、21 日和8月26、27、30日，共计6天。海陆风日平均气温为30.2℃，最高气温出现在7月21日，为34.3℃，无降水发生;平均风速为2.67 m/s，最大风速出现在7月21日3时，为4.77 m/s。在对典型日的海陆风基本特征进行分析时，从上述海陆风日中选取了7、8月各自连续两天的风速风向，即7月20、21日和8月26、27日。
由结果可知，7月20日，平均风速为3.34 m/s，在白天以东风为主，持续时间为10 h，夜间多为北风与北西北风，持续时间为9 h;7月21日，平均风速为4.29 m/s，在白天以东风和东东北风为主，持续时间为6 h，夜间多为北风，持续时间为6 h;8月26日，平均风速为2.17 m/s，在白天以东东北风为主，持续时间为9 h，夜间多为西西北风，持续时间为5 h;8月27日，平均风速为1.88 m/s，在白天以东东北风、东东南风和东南风为主，持续时间为11 h，夜间多为西风和西西北风，持续时间为11 h。由此进行推断，认为沿海城市晋江在夏季有海陆风形成时，在白天，一般多为东风、东东北风，偶尔会吹东东南风和东南风，且持续时间较长;在夜间，一般以北风与西西北风为主，偶尔会吹西风与北西北风，且持续时间较白天而言稍短。
2.2典型日的温度场基本分布特征
在进行典型日的温度场基本分布特征的分析时，仍然选取了7月20、21日和8月26、27日这四天作为研究对象，并着重以8h为间隔，对6时、14时和22时这三个较为典型的时刻进行探讨，从而了解晋江市夏季海陆风日的热场分布特征。
图2分别显示了7月20日6时、14时和22时的温度场的相关情况。6时，晋江市东南部及南部地区气温较全市其他地区而言有所偏低，中西部与北部地区气温较高，部分地区温度达到了35℃;14时，全市温度有所下降，可能与海风环流有关;22时，夜间无太阳辐射影响，温度有所下降，但程度不大。全天昼夜温差不到10℃，平均气温为30.3℃，较全市温度场分布情况来看，中西部地区和北部地区最能是热岛效应的中心区域。
图3分别显示了7月21日6时、14时和22时的温度场的相关情况。6时，晋江市东南部及南部地区气温较全市其他地区而言有所偏低，中西部与北部地区气温较高，部分地区温度达到了35℃以上;14时，全市温度有所下降，降温区域由沿海向内陆延伸，直到之前温度最高的北部区域，但仍在30℃以上，可能与海风环流有关;22时，夜间无太阳辐射影响，温度有所下降，但程度不大。全天昼夜温差不到10℃，平均气温为30.8℃，较全市温度场分布情况来看，北部地区最能是热岛效应的中心区域。
图4分别显示了8月26日6时、14时和22时的温度场的相关情况。6时，晋江市东南部及南部部分地区气温较全市其他地区而言有所偏低，中西部、西南部与北部地区气温较高，部分地区气温达35℃以上;14时，全市温度有所下降，降温区域延伸至北部及西北部地区，可能与海风环流有关;22时，夜间无太阳辐射影响，温度有所下降，但程度不大。全天昼夜温差不大，平均气温为29.4℃，较全市温度场分布情况来看，中西部地区最能是热岛效应的中心区域。
图5分别显示了8月27日6时、14时和22时的温度场的相关情况。6时，晋江市东南部及南部地区气温较全市其他地区而言有所偏低，中西部与北部地区气温较高，部分地区温度达到了35℃及以上;14时，全市温度有所下降， 可能与海风环流有关;22时，夜间温度下降幅度不大，最低温度出现在西北部地区。全天昼夜温差亦不到10℃，平均气温为30.1℃，较全市温度场分布情况来看，中部地区最能是热岛效应的中心区域。
通过对图2-图5的晋江市7月20、21日和8月26、27日这四天的6时、14时和22时的温度场分布进行分析，发现在夏季出现海陆风的同时，温度也较高，平均气温几乎均超过30℃，且部分地区出现了最高气温大于35℃的情况，符合高温日（最高气温≥35℃且日平均气温>30℃）的条件，说明在夏季，极端天气更容易促使海陆风的产生。再者，城市热岛效应的中心最有可能出现在北部与中西部地区。此外，随着海风向内陆的延伸，会出现温度下降的现象，以至于本应在午后最高温度时，却出现温度不如早上高的情况。
2.3典型日的海陆风与城市热场之间的关系
2.3.1 典型日的海陆风与城市热场的特征
图6为晋江站7月20日的风速度温度与风向温度特征图，从中可以了解到温度整体呈现先升后降的趋势，在早晨6时左右达到最高值，随后温度降低，但午后有所回升，并降温至22时左右达到一日内的最低值。在此过程中：从风速度温度特征图6（a）中发现风速走势与温度类似，但波动较温度而言较大，温度的变化产生了温差，从而导致了风速的增减;通过对风速度温度特征图6（b）的风向进行分析，发现温度的变化伴随着的是海风与陆风之间的转变，在白天当陆风转变为海风后，随着海风向内陆的延伸和发展，温度便有所降低，但之后夜间又从海风转变为陆风后，温度便有所回升。
由结果可知，晋江市在夏季出现海陆风的情况时，温度并不是如往常一般在14时左右达到最高值，而是随着海风与陆风之间的转变而变化。随着陆风向海风的过渡，使得温度降低，表明热场的转变确实是受到海陆风影响的。
2.3.2 典型日的海陆风与城市热场的分布关系
图7为晋江站7月20日、21日与8月26日、8月27日14时风场与温度场分布图。选择了这四天内统一的时刻--14时的风场与温度场要素进行叠加后发现：7月20日14时，晋江市东部、东南部和西南部地区的风速较全市其他地区而言偏大，与此同时，温度情况却恰恰相反;7月21日14时，晋江市东部、东南部和南部部分地区的风速较全市其他地区而言偏大，但温度较低，中西部与北部地区风场强度较弱，温度却较高;8月26日14时，晋江市全市风场强度较弱，沿海地区的温度较内陆地区而言偏低;8月27日14时，晋江市北部、东北部及西部地区风场强度较其他地区而言偏低，温度却偏高，其他地区情况与此相反。由上述结果推断，晋江市海陆风的强弱对城市热场有一定的影响，在时间与空间分布一致的基础上，海陆风弱区与热场强区一致。
本研究在用Matlab对晋江市多个站点进行数据处理时，采用了上述的海陆风判别方法，获取到了海陆风的特征，并将温度数据与热场数据进行叠加，得到了海陆风与城市热场的分布关系。由本文结果发现，在海陆风日，风向随温度的变化与风速随温度的变化趋势类似，但是温度的日变化却不同以往，并未在午后14时左右达到峰值，而是在早上6、7时便达到日最高值，出现此现象的原因可能在于数据及对数据处理过程存在些许偏差，且未详细考虑如降水量、云量的其他气象数据，以及可能在于沿海城市的风场变化对温度的影响较大。又因为在时间与空间分布一致的基础上，晋江市海陆风弱区与热场强区一致，故由此表明，沿着海陆风路径，规划城市通风廊道，有利于引入海陆风，增加城市密集区域空气流动的能力，从而削减城市热场的作用强度和范围。
4 结论与建议
4.1结论
本文采用 Matlab编程的方法对晋江多站的温度与风场数据进行处理与绘图，得到了海陆风日中的风场与城市热场各自的基本特征及分布关系，以及在时空分布一致的基础上，风场与城市热场之间叠加后的关系。研究结果表明， 沿海城市晋江在夏季有海陆风形成时：在白天，一般多为东风、东东北风，偶尔会吹东东南风和东南风，且持续时间较长;在夜间，一般以北风与西西北风为主，偶尔会吹西风与北西北风，且持续时间较白天而言稍短;极端天气更容易促使海陆风的产生;温度会随着海风与陆风之间的转变而变化，随着陆风向海风的过渡，会使得温度有所降低;晋江市海陆风的强弱对城市热场有一定的影响，在时间与空间分布一致的基础上，海陆风弱区与热场强区一致。
4.2 建议
作为沿海城市的晋江，城市化进程使得其城市规模扩大、建筑密度增加且高度提升。这种变化使得城市空间形态有别于原先的自然地貌条件，亦产生了不同于自然气候的城市微气候（Microclimate），上述情况使得人们越来越重视城市气候在城市规划中的作用。为进一步推进生态文明建设，系统、全面的改善晋江生态、生活、生产环境，提高广大市民的城乡环境满意度，保障城市拥有温和舒适的气候环境，减少城市—“静风”环境，必须系统地开展晋江城市热岛、风场环境的时空分布特征与变化规律分析，寻找影响城市热岛与风场环境的关键因子。具体的做法是：保护晋江现有的通风廊道，并在此基础上优化不完整通风廊道及打通关键节点通风廊道，另外在构成通风廊道的空间中利用空间组合变化、地形高差变化优化局地风环境，以便于减轻城市热岛效应的强度和范围。
参考文献：
[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]寿亦萱， 张大林. 城市热岛效应的研究进展与展望[J]. 气象学报， 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.
（民和回族土族自治县气象局 青海 810800）
