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        氣候可行性論證是指對與氣候條件密切相關的規劃和建設項目進行氣候適宜性、風險性以及可能對局地氣候產生影響的分析、評估活動。根據中國氣象局2008年發布的《氣候可行性論證管理辦法》,氣象主管機構應當根據城鄉規劃、重點領域或者區域發展建設規劃編制需要,組織開展氣候可行性論證。

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        • 城鄉規劃、重點領域或者區域發展建設規劃
        • 重大基礎設施、公共工程和大型工程建設項目
        • 重大區域性經濟開發、區域農(牧)業結構調整建設項目
        • 大型太陽能、風能等氣候資源開發利用建設項目
        • 其他依法應當進行氣候可行性論證的規劃和建設項目
        技術優勢
        • 微氣候評估模式
        • (Micro-climate Evaluate Model,MCEM)

        微尺度氣候模式,能夠實現局地風、溫場100m分辨率的數值模擬,為復雜地形的氣候可行性論證提供更精細更準確的評估與指導。

        MCEM采用地形跟隨坐標系,綜合考慮了地形坡向對日照的遮擋、地表的熱力平衡、大氣長短波輻射等影響條件,同時采用E-ε能量閉合方案進行湍流參數化,能夠充分評估出地形及建筑物對氣象條件的影響。

        • 重現期數據采樣技術
        • 時間序列補全及訂正
        • 流體力學模型的使用
        • 三維建筑物、地形的建模
        • 舒適度算法
        • 不同時空尺度的數值模式模擬應用
        實例分析
        北京奧林匹克森林公園氣候可行性分析

            圖1所示為北京市DEM和土地利用空間分布。從圖中可知,北京市地形呈西高東低的分布,西部山巒較多、地形復雜,而東部以平原為主;城市下墊面分布集中,容易形成較明顯的熱島效應。而奧林匹克公園所在位置處于北京城中軸線北端,周邊被城市環繞,但擁有明顯的大片森林下墊面,理論上可對周邊的城市熱島效應產生一定的緩解作用,實現對當地氣候舒適性的調節。

        圖1 北京市DEM(a、c)及2010年土地利用(b、d)分布

            統計北京市200多個區域自動站日值數據,計算得到一月、四月、七月、十月等四個典型月的月平均氣溫、月平均濕度、月平均風速和月累計降水的空間分布。如圖2所示,北京市在四個典型月中均有較為明顯的熱島效應,主要城建區氣溫明顯高于周邊??v觀四月,可知奧體公園附近有很明顯的季節變化特征,四級差異較為分明;同時可知一月奧體公園附近氣溫與周邊地區幾乎相同,四月及十月其氣溫略微低于城市區域,而七月奧體公園的溫度有較為明顯的低溫區,確實對熱島效應起到了一定的緩解作用。

        圖2 a-d分別為一月、四月、七月和十月的北京市月平均氣溫空間分布,☆所在位置為奧林匹克公園

            從逐月平均風速分布(圖3)可以看出,奧體公園一帶及北京城區在四個典型月中,除冬季(一月)外風速都較?。捍杭荆ㄋ脑拢┖颓锛荆ㄊ拢╋L速最小,夏季(七月)次之。這應當是當地氣候條件及建筑物和樹木的拖曳作用共同導致。從奧體公園周邊地區的風向玫瑰圖可知,該地區冬季以偏北風為主;而春夏秋季南風北風都有出現,并存在一定數量的東風,說明這些季節奧體公園附近屬于氣流輻合區,容易造成空氣抬升、凝結降水。

        圖3 a-d分別為一月、四月、七月和十月的北京市月平均風速空間分布,☆所在位置為奧林匹克公園

            從逐月平均相對濕度可知,北京市濕度以夏秋兩季最高,冬春濕度較低;城建區存在明顯的城市干島效應,其中以一月和七月干島最為明顯。而在四月和十月,奧體公園周邊的濕度較城市區域更高,說明森林下墊面能起到一定的增濕作用。

        圖4 a-d分別為一月、四月、七月和十月的北京市月平均相對濕度空間分布,☆所在位置為奧林匹克公園

            從逐月累計降水可知,北京市的降水主要發生在夏季,秋季次之,而冬春兩季的降水較少。冬季降水主要發生在東北部即平谷、密云一帶;春季降水主要發生了中西部,北京主要城建區開始出現較集中性的降水,但降水量級不大;夏季降水中心主要分布在順義、房山、海淀一帶,其中在奧體公園附近存在明顯的降水中心,累計雨量達到190mm以上,也對當地的暴雨次生災害防治帶來了一定要求;秋季沒有明顯的降水中心,整個北京市區都有一定程度的降水,需要注意在奧體公園一帶也存在大約60mm左右的降水中心。夏秋兩季的降水與前文風向輻合容易形成對流的結論一致。

        圖5 a-d分別為一月、四月、七月和十月的北京市月累計降水空間分布,☆所在位置為奧林匹克公園

            根據計算得到的氣溫、風速和相對濕度空間分布,可以計算北京市區的通用熱氣候指數(UTCI),以表征當地的舒適度。從圖6可知,冬季北京市大部分地區都屬于冷應力區,人體感覺較冷,而中心城區(包括奧體公園)一帶,由于城市熱島效應因此溫度較高,屬于無熱應力區,人體感受較為舒適;在春季和夏季,由于氣溫升高,北京市的城建區逐漸變為偏熱應力地區,人體感受偏熱,而奧體公園一帶則保持無熱應力條件,屬于較為舒適的地段;秋季北京市的大部分地區都屬于無熱應力區,整體感受較為舒適。

        圖6 a-d分別為一月、四月、七月和十月的北京市月UTCI空間分布,☆所在位置為奧林匹克公園

            綜上所述,北京市奧體公園附近四季氣象條件較為分明,該地區屬于典型的大陸型半濕潤季風氣候:春季較為干燥、風速較??;夏季溫度較高,降水較多,但氣溫較城市區域略微偏低;秋季冷暖適宜;冬季干燥多風,降水較低,受城市熱島效應輻射氣溫偏高。奧體公園最佳舒適度季節為春秋兩季;而夏季由于舒適度相對市區較高,亦可作為休閑避暑的場所。

        總結:通過利用北京市區域自動站觀測、地形資料、土地利用資料和數值模擬結果等數據進行綜合分析,我們可知北京奧體公園一帶春季較為干燥、風速較??;夏季溫度較高,降水較多,但氣溫較城市區域略微偏低;秋季冷暖適宜;冬季干燥多風,降水較低,受城市熱島效應輻射氣溫偏高。當地冬季盛行偏北風,春夏秋則偏北、偏南、偏東風都有分布。

        該地區主要的氣象災害為高溫旱災和暴雨洪澇災害,應當注意防范森林火災和暴雨致澇。奧體公園中的森林片區相比周圍城市有較好的通風性能,人體舒適度也相對更高,其舒適度最高的季節為春秋兩季;而夏季雖然舒適度指數較低,但相對城市區域亦可作為休閑避暑的場所。

            氣象風險災害也是一個地區規劃建設的重要參考。如圖7所示,a-d分別為奧體公園周邊地區的高溫旱災、低溫凍災、暴雨洪澇災害及大風災害的相對風險等級??梢钥闯?,奧體公園附近屬于高溫災害高風險區(圖7a),應當重點防御高溫帶來的森林火險、干旱等災害事件;而該地區低溫凍災風險等級較低(圖7b),冬季可以適當有所防范;當地的暴雨災害風險等級較高(圖7c),應當進行重點防范,及時儲備救災抗洪物資,改善下水管網工程,避免出現內澇事件;奧體公園附近的大風災害風險等級較低,這與當地風速較小的實際情況一致,對大風事件的防范還是應當結合強對流事件、防范個別暴雨過程帶來的短時性強風。

        圖7 a-d分別為奧體公園周邊地區的高溫旱災、低溫凍災、暴雨洪澇和大風災害的風險等級區劃

        總結:通過利用北京市區域自動站觀測、地形資料、土地利用資料和數值模擬結果等數據進行綜合分析,我們可知北京奧體公園一帶春季較為干燥、風速較??;夏季溫度較高,降水較多,但氣溫較城市區域略微偏低;秋季冷暖適宜;冬季干燥多風,降水較低,受城市熱島效應輻射氣溫偏高。當地冬季盛行偏北風,春夏秋則偏北、偏南、偏東風都有分布。

        該地區主要的氣象災害為高溫旱災和暴雨洪澇災害,應當注意防范森林火災和暴雨致澇。奧體公園中的森林片區相比周圍城市有較好的通風性能,人體舒適度也相對更高,其舒適度最高的季節為春秋兩季;而夏季雖然舒適度指數較低,但相對城市區域亦可作為休閑避暑的場所。

            區域自動站觀測始終只是離散點的 ,經過插值后很多面上的信息并不一定準確。為了更好的研究奧體公園周邊的氣候環境,需要使用數值模擬的手段進行精細化氣象要素模擬。由于奧體公園占地面積僅11.59平方公里,因此有必要使用多尺度模式嵌套模擬的方式:利用中尺度模式進行區域氣候模擬,再利用小尺度模式對氣候態進行穩態診斷。圖8所示為模式嵌套網格空間分布。

        圖8 數值模擬網格嵌套設置

            圖9所示為區域模式模擬得到的一月和七月正午時刻月平均近地面氣溫及風速??芍M結果與實際觀測基本一致:北京市氣溫存在西低東高的分布形勢,高溫集中在主要城建區及西南部海拔較低的區域。同時也可見,一月正午時刻平均風向為西北風,七月則為偏南風,這亦與觀測相吻合。但由于區域模式分辨率較高,難以識別出奧體公園,因此還需進行小尺度穩態模擬。圖10a、b所示即為利用區域模式氣候態數據驅動小尺度模式得到的近地面穩態??梢娨辉潞推咴?,奧體公園中被森林覆蓋的部分其溫度都較四周更低,而其風速則相對周圍略大,這與城市密集建筑物的拖曳作用強于森林有關。為更清晰地說明奧體公園一帶的舒適度,通過計算氣象部門常用的舒適度指數來進行說明。圖10c、d所示即為計算得到的一月和七月正午時刻的舒適度穩態??梢娨辉略搮^域的舒適度整體屬于“涼”(數值41-50),森林公園內則冷感更加明顯;七月大部分地區屬于“暖”(大于75),森林公園內則主要以“溫暖”(71-75)為主,與城建區相比舒適度略高。

        圖9 區域模式模擬得到的北京市區一月(a)和七月(b)正午近地面氣溫及風場
        圖10 小尺度模式診斷得到的奧體公園附近一月(a、c)和七月(b、d)正午近地面氣溫、風速及人體舒適度

        總結:通過利用北京市區域自動站觀測、地形資料、土地利用資料和數值模擬結果等數據進行綜合分析,我們可知北京奧體公園一帶春季較為干燥、風速較??;夏季溫度較高,降水較多,但氣溫較城市區域略微偏低;秋季冷暖適宜;冬季干燥多風,降水較低,受城市熱島效應輻射氣溫偏高。當地冬季盛行偏北風,春夏秋則偏北、偏南、偏東風都有分布。

        該地區主要的,人體舒適度也相對更高,其舒適度最高的季節為春秋兩季;而夏季雖然舒適度指數較低,但相對城市區域亦可作為休閑避暑氣象災害為高溫旱災和暴雨洪澇災害,應當注意防范森林火災和暴雨致澇。奧體公園中的森林片區相比周圍城市有較好的通風性能的場所。

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