马鞍山市风场特征及其对热岛效应的影响

张嫣然 程海峰 *

1安徽建筑大学环境与能源工程学院2安徽建筑大学设计研究总院

随着城市化进程的高速发展，城市热岛效应也带来了一系列不可忽视的问题。引起城市热岛的因素主要分为气象条件和人为因素，而在气象条件中，与城市热岛联系最为紧密的便是风速[1]。因此，想要研究城市热岛，就不可避免地需要对当地的风场进行分析研究。霍飞等[2]使用WRF-UCM 对上海和南京的典型城市热岛现象进行模拟，发现大尺度环境风场能够影响城市热岛效应高温的水平分布。Sushobhan Sen等[3]利用三维计算流体动力学模型对美国芝加哥城市街区进行了研究，发现城市的形态和风向也会影响城市热岛强度。王孝邦[4]用热岛强度与风速进行回归分析，发现两者存在负相关，且风向对热岛分布有很大的影响。徐伟等[5]对上海区域站的气象资料进行研究，得出城市热岛的中心位置与风速风向相关甚密。Ngarambe Jack 等[6]对首尔市的气象数据进行了分析研究，发现在天气晴朗时，风速与城市热岛强度呈明显的负相关。刘丽珺等[7]用 CFD软件对河谷型地区兰州城关区的风环境进行了模拟研究，结果发现热岛效应对风速同样具有反馈作用。

1 数据处理

1.1 典型气象年选取方法

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[8]中方法选取典型气象年，所选参数及其权重如表1所示。

表1 挑选参数及其权重

若近 10 年内存在复数年份的m月均能满足|ηi,m,y|≤1，则应对这些月份的ηi,m,y进行加权求和，选择Dm最小的月份为该月的“ 平均月”。加权求和计算公式如下：

式中：i为挑选参数序号，m为月份序号，y为年份序号，Ki为各挑选参数的权重。

1.2 原始数据

本文中所涉及的气象数据均来自于中国气象数据网，其中包括本站气温、风速风向、本站气压、地表气温等参数。在遇到数据有缺测漏测时，按文献[9]中的方法进行处理，即：一个月内连续缺测小于等于3天时，采用线性差值原则进行插补。我国具有太阳辐射观测资料的站点有限[10]，马鞍山台站并无相对完整的太阳辐射观测资料，故本文典型气象年的选取参数中并不包括太阳辐射。又因马鞍山气候站（站台编号58336）迁址等因素影响，2011 年及其以后的气象数据与之前不再具有连续性，由此，本文选取1981～2010年30年的气象数据为基础，在 2001～2010年中挑选典型气象年，经过数据处理后结果如表2所示。

表2 马鞍山典型气象年的月份组成

1.3 季节划分

根据马鞍山市日平均气温划分季节：夏季为 6～9月；冬季为12～2月。

1.4 风频风速计算

以马鞍山市典型气象年的气象数据为基础，统计得出夏季、冬季、过渡季以及全年的风频、风速玫瑰图。

风玫瑰图按 16 方位法统计，序号、符号及方位的对应关系如表3所示[11]。

表3 风向序号、符号与度数对照表

各风向的风频计算公式如下[11]：

各风向的平均风速计算公式如下[11]：

式中：A m为风在m方位出现的频率；Km为风在m方位被统计到的次数；C为静风出现的次数；为风在m方位的平均风速，m/s；v mi为风在m方位第i次被观测到的风速，m/s；m=1～16。

1.5 主导风向风频及风速

主导风向是指风频最大的风向角范围。虽然自《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2018）实施后，《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2008）便已废止，但因新规范未明确规定主导风向定义，故本文仍以《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2008）为基础确定主导风向，即 ：对于以 16 方位角表示的风向，主导风向一般是指连续 2～3个风向角的范围。某区域的主导风向应有明显优势，其主导风向角的风频之和应当大于等于 30%，否则可以称该区域没有主导风向或主导风向不明显[12]。

主导风向的风频计算公式如下[13]：

主导风向的风速计算公式如下[13]：

式中：A为主导风向的风频，v为主导风向的风速，m/s；v m为主导风向角的风速，v m-1，v m+1为该主导风向角两侧风向角的风速，m=1～16，m/s。

2 典型气象年风频风速及主导风向

2.1 夏季风频风速及主导风向

由图 1 可以看出：马鞍山市夏季东风(E)风频最大，为 18.03%，风速 2.33 m/s；西西南风(WSW)风频最小，为 0%；无静风。按式(5)、(6)对马鞍山市夏季风频风速进行计算可知马鞍山市夏季主导风向为东风(E)，风频和为35.25%，主导风向风速为1.90 m/s。

图1 马鞍山夏季风玫瑰图

2.2 冬季风频风速及主导风向

由图 2 可以看出：马鞍山市冬季东风(E)风频最大，为 13.33%，风速 2.18 m/s；西西南风(WSW)风频最小，为 0%；静风风频为1.11%。按公式(5)、(6)对马鞍山市冬季风频风速进行计算可知马鞍山市冬季主导风向为西西北风(WNW)，风频和为 32.22%，主导风向风速为1.84 m/s。

图2 马鞍山冬季风玫瑰图

2.3 过渡季风频风速及主导风向

由图 3 可以看出：马鞍山市冬季东风(E)风频最大，为 17.65%，风速 2.17 m/s；西西南风(WSW)风频最小，为 0%；静风风频为0.65%。按公式(5)、(6)对马鞍山市过渡季风频风速进行计算可知马鞍山市过渡季东风(E)为主导风向，风频和为 37.26%，主导风向风速1.81 m/s。

图3 马鞍山过渡季风玫瑰图

2.4 全年风频风速及主导风向

由图 4 可以看出：马鞍山市全年东风(E)风频最大，为 16.71%，风速 2.23 m/s；西西南风(WSW)风频最小，为 0%；静风风频为0.55%。按公式(5)、(6)对马鞍山市全年风频风速进行计算可知马鞍山市全年主导风向为东风(E)，风频和为 34.52%，主导风向风速为 1.89 m/s。

图4 马鞍山全年风玫瑰图

2.5 数据汇总

由表 4 可以看出：马鞍山市典型气象年除冬季外其余季节及全年的主导风向均为东，冬季则为西西北。全年主导风向风速均小于2 m/s，满足规范《绿色建筑评价标准》[14](GB/T 50738-2019)中对风环境的要求。

表4 马鞍山市不同季节及全年主导风向风速汇总表

3 马鞍山风场对热岛的影响分析

3.1 城市热岛效应

城市热岛是城市对气温影响最突出的特征。城市热岛效应可从以下两个方向进行分析：1）同一时间城市与其附近郊区气温的对比。2）同一城市在其城市化发展不同阶段气温的前后对比[1]。本文在分析马鞍山市城市热岛效应上采用第二种方法，即使用1981～2010年的典型气象年（城市化后）与 1981年（城市化前）的气温对比来反映该市的城市热岛效应。

3.2 马鞍山日平均风速及热岛效应逐月变化特征

由图5可以看出：马鞍山市1981～2010 年典型气象年的风速与热岛效应基本呈负相关关系。典型气象年风速整体小于1981年风速，全年的风速特征基本为夏季较大，秋季较小。

图5 马鞍山市日平均风速及热岛效应逐月变化示意图

3.3 风速对热岛效应的影响

云量、太阳辐射等气象条件均会影响热岛的形成与变化，其中风速对热岛的影响最大。全年、夏季、冬季、过渡季的热岛效应与风速的回归方程如下：

式中：Δt为热岛效应，℃ ；v为日平均风速，m/s。

表9为式(7)～(10)中的相关系数。

表9 相关系数

由式(7)～(10)可以看出：风速与热岛效应为负相关关系。联系图5可以发现：随着马鞍山市城市化进度的加快，风速减小导致能带走的热量减少，城市热岛效应便相应增大。

4 结论

1）马鞍山市典型气象年全年静风较少，东风(E)风频最大，全年、夏季、冬季及过渡季的风频分别为16.71%、18.03%、13.33%、17.65%。

2）马鞍山市典型气象年主导风向相对较为明显，除冬季外其余季节及全年的主导风向均为东风(E)，全年、夏季及过渡季的主导风向风速分别为 1.89 m/s、1.90 m/s、1.81 m/s，冬季主导风向为西西北风(WNW)，主导风向风速1.84 m/s。

3）马鞍山市近 30 年风速呈下降趋势，典型气象年风速较1981年风速有明显降低。

4）马鞍山市典型气象年风速总体呈春夏大秋冬小的趋势，与城市热岛效应为负相关关系。