鄭州市及其近郊地區(qū)的氣候變化觀測(cè)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口密度的增加，城市周邊綠化和硬化的比例逐年下降。此外，工業(yè)光源和溫室氣體的排放增加，土壤溫度和濕度調(diào)節(jié)水體的調(diào)節(jié)。城市熱島效應(yīng)（城市比郊區(qū)更熱）和干島效應(yīng)（城市比郊區(qū)更空氣干燥）變得越來越明顯。這是城市發(fā)展的兩大環(huán)境公害。鄭州市地處中原,城市化步伐越來越快,熱(干)島效應(yīng)的強(qiáng)弱與否直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展速度。研究該市熱(干)島效應(yīng)的變化規(guī)律,對(duì)科學(xué)制定城市發(fā)展規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的有機(jī)統(tǒng)一具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1下墊面為高層建筑組成結(jié)構(gòu)建筑的多環(huán)境景觀一般分為3個(gè)區(qū)域和5個(gè)半封面區(qū)域。在外部本研究于2001年11月進(jìn)行,將鄭州市區(qū)(外環(huán)路以內(nèi))和近郊共分成30個(gè)等間隔網(wǎng)格,市區(qū)18個(gè)網(wǎng)格全選,近郊按方位和功能選擇了6個(gè)代表性網(wǎng)格。將24個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)分成3種類型區(qū),具體劃分依據(jù)如下:(1)市區(qū)區(qū)域:指鄭州市外環(huán)路內(nèi)的全部,共18個(gè)網(wǎng)格觀測(cè)點(diǎn)。該區(qū)域交通發(fā)達(dá),車流量大;機(jī)關(guān)、團(tuán)體和居民區(qū)繁多,人流量大;鋼筋混凝土等高層建筑分布廣;下墊面以水泥地、柏油、瓷磚、磚等人工構(gòu)筑物居多;喬灌木、矮植被斑塊分布小且少。(2)近郊區(qū)域:指鄭州市外環(huán)路外按方位選擇的4個(gè)代表性網(wǎng)格。該區(qū)域人口密度相對(duì)較小,喬灌木、綠色植被、草坪斑塊分布相對(duì)大而且多;景觀以自然景觀為主,人為開發(fā)及破壞程度相對(duì)較輕;多田地、果園、草灌木,少工礦企業(yè);下墊面以土地或矮植被居多,少水泥地、柏油、或磚等人工構(gòu)筑物。(3)工業(yè)園區(qū):指鄭州市西北角的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和東南角的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)兩個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。該區(qū)域的特點(diǎn)是企業(yè)集中,綠色植被分布面積小,景觀以人工構(gòu)筑物居多,少喬灌木及草坪等自然景觀。在24個(gè)觀測(cè)網(wǎng)格上,選擇全天不擋光、全天均擋光、樹蔭下和矮植被上共4種下墊面類型設(shè)點(diǎn)觀測(cè)其空氣溫度、空氣濕度和風(fēng)速,觀測(cè)高度為1.5m(與氣象站觀測(cè)高度基本一致),時(shí)間間隔為2小時(shí),歷時(shí)2天。2結(jié)果與分析2.1種下墊面的比例在不同區(qū)域類型內(nèi),由于下墊面存在著較大的差異,熱(干)島效應(yīng)表現(xiàn)形式不一。圖1給出了不同監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種下墊面的比例。不難看出,在市區(qū)的下墊面構(gòu)成類型中,水泥地幾乎占了一半,約比郊區(qū)高20%;而在近郊的下墊面構(gòu)成類型中,土面占的比重最大,水泥地、矮植被比土地比重稍小,但總體來說各種類型的分布比較均勻。在工業(yè)園區(qū)內(nèi),水泥地的比例約占40%,比市區(qū)稍小,草坪的比例相對(duì)較大,約為25%,矮植被的比例不足10%。2.2熱島效應(yīng)的變化由平均氣溫得出,日平均氣溫的高值區(qū)出現(xiàn)在市中心;外環(huán)路以外的近郊平均氣溫相對(duì)較低。日最高氣溫出現(xiàn)在市區(qū)的火車站附近;日最低氣溫出現(xiàn)在東南郊。平均而言,鄭州市區(qū)的氣溫較工業(yè)園區(qū)高1.0℃,而工業(yè)園區(qū)又較近郊高0.5℃,表明鄭州深秋的平均熱島強(qiáng)度可達(dá)1.5℃。從晝夜差異來看,夜間市區(qū)與近郊的溫差比白天高,表明在深秋季節(jié),近郊夜間降溫幅度比市區(qū)大,而市區(qū)白天的熱島效應(yīng)并不顯著。鄭州市熱島效應(yīng)強(qiáng)度的日變化曲線呈雙峰型(圖2),就整體的氣溫日變化而言,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在夜晚22時(shí)左右,第二個(gè)峰值出現(xiàn)在凌晨4時(shí)左右。市區(qū)與近郊的溫差白天小,而夜間大。10時(shí)至12時(shí)左右出現(xiàn)最小溫差,其值達(dá)-0.5℃(即市區(qū)溫度較郊區(qū)低0.5℃);夜間最大溫差出現(xiàn)在凌晨4時(shí)左右,最大值為2.9℃,表明在清晨之前一段時(shí)間內(nèi),市區(qū)的熱島效應(yīng)最大。事實(shí)上,鄭州市深秋熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為下午18時(shí)左右,從此時(shí)開始,市區(qū)與近郊的氣溫差明顯增加,至晚上22時(shí)左右達(dá)到第一個(gè)次高峰值(1.5℃),隨后溫差開始下降,植被上的氣溫下降最大。1時(shí)左右溫差又逐漸上升,至凌晨4時(shí)左右達(dá)到最高值。此后熱島效應(yīng)強(qiáng)度迅速減弱,12時(shí)左右達(dá)到最小值。由圖2還可看出,下午至晚上期間4個(gè)處理之間的溫差差異較小,而凌晨至上午期間各處理之間的溫差差異較大。盡管在選點(diǎn)時(shí)盡量考慮它的代表性,但圖2中的數(shù)據(jù)不能全面反映鄭州市的下墊面狀況。如果以全天不擋光點(diǎn)的市區(qū)與近郊的溫差為基準(zhǔn)來考察全天均擋光、樹蔭下和矮植被上三種不同測(cè)點(diǎn)類型的實(shí)際降溫效果,則平均降溫幅度分別為0.2℃、0.3℃和0.3℃,即降溫效果有高到低的順序依次為:樹蔭下>植被上>全天均擋光,喬木的降溫幅度大于矮植被,而矮植被的降溫幅度大于建筑物的遮蔭。但是,最大降溫效果出現(xiàn)在凌晨2時(shí)的矮植被上,其最大降溫值為1.7℃,這是因?yàn)樵诔掷m(xù)降溫的夜間,樹冠的存在阻擋了地面有效輻射,從而間接地使近地層的氣溫下降幅度減小的緣故。工業(yè)園區(qū)與近郊的溫差變化和市區(qū)與近郊的溫差變化趨勢(shì)基本一致,不同之處在于工業(yè)園區(qū)與近郊的最大溫差值出現(xiàn)在凌晨6時(shí)左右(最大溫差為2.2℃),最小溫差出現(xiàn)在中午10時(shí)左右(最小溫差為-0.4℃)。即溫差最大值滯后,溫差最小值提前。這可能與工業(yè)園區(qū)的下墊面多水泥地、少草坪等有效減緩升溫速率的綠色植被有關(guān)。同時(shí),工業(yè)園區(qū)的人流量和車流量小,減少了對(duì)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)也是不可忽視的原因之一。如果以全天不擋光點(diǎn)的氣溫為基準(zhǔn),則工業(yè)園區(qū)內(nèi)實(shí)際降溫效果最好的仍是樹蔭下,最大值可達(dá)0.7℃,出現(xiàn)在早晨8時(shí)左右;降溫效果最差的亦是全天均擋光點(diǎn),此時(shí)工業(yè)園區(qū)氣溫比近郊高0.8℃。故工業(yè)園區(qū)內(nèi)實(shí)際降溫效果從高到低的順序依次為:樹蔭下>植被上>全天均擋光。2.3不同下墊面的干島效應(yīng)在深秋季節(jié),盡管鄭州市區(qū)的植被覆蓋率不及近郊,但市區(qū)的綠色植被尚未枯黃,加之喬木比例較近郊大,干島效應(yīng)并不強(qiáng)烈,且在各種下墊面上的表現(xiàn)較為復(fù)雜。由鄭州市區(qū)與近郊空氣相對(duì)濕度差(圖3)的日變化可知,鄭州市區(qū)與近郊的空氣相對(duì)濕度差的日變化總體上與氣溫差的日變化相似,但變幅很大。白天市區(qū)與近郊的相對(duì)濕度差波動(dòng)較小,而夜間市區(qū)與近郊的濕度差波動(dòng)較大。市區(qū)與近郊相對(duì)濕度差的最小值出現(xiàn)在凌晨6時(shí)左右的全天均擋光點(diǎn),即市區(qū)較近郊的空氣平均干燥12%,次低值出現(xiàn)在22時(shí)左右。相對(duì)濕度差最大值出現(xiàn)在8-12時(shí)左右的全天不擋光點(diǎn)和矮植被點(diǎn),這期間市區(qū)的相對(duì)濕度較近郊高7%左右。從不同下墊面的干島效應(yīng)來看,干島效應(yīng)最弱的是矮植被,它在早晨8時(shí)左右相對(duì)濕度比不擋光點(diǎn)高13%。綜合分析全天均擋光點(diǎn)、樹蔭下點(diǎn)和矮植被上點(diǎn)的干島強(qiáng)度,其平均值分別為2.4%、1.4%和-3%,因此,三種不同類型下墊面的干島效應(yīng)從高到低的順序依次為:全天均擋光>樹蔭下>矮植被。將工業(yè)園區(qū)和近郊的相對(duì)濕度對(duì)比后發(fā)現(xiàn),工業(yè)園區(qū)和近郊的濕度差最小值出現(xiàn)在6時(shí)左右,此時(shí)工業(yè)園區(qū)比近郊的相對(duì)濕度低18%;而在20時(shí)左右,樹蔭下點(diǎn)和矮植被上點(diǎn)與全天不擋光點(diǎn)之間幾乎沒有濕度的差異。三種類型的實(shí)際干島效應(yīng)的強(qiáng)弱順序與市區(qū)和近郊之間的順序相同。3干島效應(yīng)的日變化由以上分析可知,鄭州市深秋平均熱島效應(yīng)的強(qiáng)度達(dá)1.5℃,且夜間強(qiáng)度大于白天。從熱島效應(yīng)的日變化來看,在夜晚22時(shí)和凌晨4時(shí)分別出現(xiàn)兩個(gè)峰值,