（环境工程专业论文）铁路建设对城市局地大气温度的影响研究——以北京为例.pdf

摘要 摘要 由于铁路的修建，改变了城镇的基础交通条件，随之而来的城l 订 化过程使车站周围区域的生态成分产生了剧烈变化，在城市铁路局部 地区形成了商负荷、高反差的大气热结构状态。特别在炎热夏季，严 重影响了城市的局部热坏境。 对城市铁路站场局部地区的热环境的研究，e 4 的在于揭示铁路建 设使城市用地改变后对局部地区微热环境的影响，评价各类因子的可 能影响，并对可能造成的最大影响程度做出初步估计，以期进一步协 调城市区域人、环境、社会和经济等各方谣的关系，对城市规划、改 造和创造良好的人居环境有所帮助，对城市区域微热环境的改善起到 定作用。 本文选择北京地区铁路车站作为试验研究对象，以现场监测数据 为基础，采用有限元方法建立数学模型进行模拟，从现场试验和理论 计算两个方面列城市铁路站场附近地区的热环境进行了分析。 监测数据和有限元讨+ 算结果表明：铁路的修建引起的城市化使铁 路车站周围区域生念成分发生了显著变化。士地利用多为车站服务， 商业建筑较多，这些人工下挚面较自然下挚面能吸收更多的太阳辐 射；同时居住、流动人数增力，人f 密度加大，交通流量增大等也产 生了大量的污染和热耗散，因此导致了铁路附近地区环境局部温度升 高。 【关键词】：局地热环境，铁路，温度场，下撼面，模拟，有限j i a b s 仃a c t a b s t r a c t r a i l w a yc o n s t r u c t i o n w i l l i n e v i t a b l yb r i n ga l t e r a t i o nt o t h et r a f f i c c o n d i t i o n si nt h ea r e as u r r o u n d i n gt h er a i l w a yl i n ea n dr m l w a ys t m i o n ， f o l l o w e db yu r b a n i z a t i o ni nt h e s ea r e aw h i c hw o u l df u r l h e rr e s u l t si ut h e c h a n g e i nt h el o c a lt h e r m a le n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l yi ns u h u n e r t h ei n f l u e n c eo f r a i l w a y c o n s t r u c t i o no nt h el o c a lt h e r m a l e n v i r o n m e n ti s p r o b e di nt h i sp a p e r , a i m i n gt o t e l lt h ea f f e c t i o no ft h e c h a n g ei n l a n dt y p et oa m b i e n tt e m p e r a t u r e ，i na d d i t i o n ，t oa s s e s sa n d e s t i m a t et h ep o s s i b l ec o n t r i b u t i o no fa l lk i n d so ff a c t o r s t h e s t u d yi s e x p e c t e d t ob eu s e f u ln o t o n l y t ou r b a n p l a n n i n g ，b u t a l s ot ot h e i m p r o v e m e n to ft h el o c a lt h e r m a le n v i r o n m e n td u r i n gt h eu r b a n i z a t i o n p r o c e s s ，e n a b l i n gu st om a i n t a i nag o o dr e l a t i o n s h i pa m o n g h u m a n b e i n g ， e n v i r o n m e n t ，s o c i e t ya n de c o n o m y b e i j i n g sr a i l w a ys t a t i o n sh a v eb e e nc h o s e nt ob ee x a m p l e si nt h i s s t u d y b a s e do nt h ei n - s i t um e a s u r e dd a t a ，af i n i t ee l e m e n tm o d e l h a sb e e n d e v e l o p e d ，t h r o u g hw h i c ht h et e m p e r a t u r ef i e l d sa r o u n dr a i l w a ys t a t i o n s w e r e a n a l y z e d i nd e t a i lw i t ht h es o f t w a r eo f a n s y s m o n i t o r i n gd a t aa n dr e s u l t so fc a l c u l a t i o nb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n d i c a t et h et h e r m a le n v i r o n m e n t a lf a c t o r sg e tar e m a r k a b l ec h a n g ea f t e r t h ec o n s t r u c t i o n m o r ec o m m e r c i a lb u i l d i n g s ，p o p u l a t i o n ，t r a f f i cv o l u m e a n do t h e rm u n i c i p a lf a c i l i t i e sh a v eb e e na t t r a c t e dt oa r o u n dt h er a i l w a y s t a t i o n s ，g i v i n gr i s e t ot h ef o r m a t i o no fn e wa r t i f i c i a lu n d e r l y i n gs u r f a c e s w h i c hc a na b s o r bm o r es o l a rr a d i a t i o nt h a nt h eo r i g i n a lo n e s t h e r e f o r e t h el o c a lt e m p e r a t u r ea r o u n dr a i l w a ys t a t i o na r e at e n d st ob eh i g h e rt h a n m a ti no t h e rr e g i o n si nt h e c i t y k e y w o r d s ：l o c a l t h e r m a l e n v i r o n m e n t ，r a i l w a y , t e m p e r a t u r e f i e l d ， u n d e r l y i n gs u r f a c e s ，s i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d u 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市热环境问题及研究意义 在城市区域，由于以房屋建筑、道路网为代表的人一r 构筑的下挚 丽代管了以上壤、植被为代表的天然下挚面，高密度集聚的人从事着 消耗大量矿物燃料的各种经济活动，形成了在大的气候背景条件f 城 市区域的特殊气候，即靠近城市中心的稠密建成区气温较高，而在城 市边缘地区的气温则有明显的下降，这种特殊的局部气温分布现象被 称为“城市热岛”。城市的热岛使得城市气候特征表现为大气透明度 羞，削弱了太阳辐射；气温较高；风速减小，风向随地而异；蒸发减 弱；湿度变小：雾多、雨多等。 城市热环境是人居物理环境的主要因素之，城市中铁路建设会 对城市整体发展起到榍当重要的作用，进而对城市局地热环境甚至整 个城市大热场的大小和分布产生影响。研究的目的概括主要有1 ) 揭 示铁路建设使城市发展和城市用地改变后对局部地区微热环境恶化 的影响程度或贡献率，对各类因子的可能影响进行评价：2 ) 可以为 城市规划管理和环境保护、土地利用规划、创造更适宜的城市人居环 境、制定缓解城市热环境的策略措施等方面提供理论基础和应用依 据：3 ) 可以提高全社会对城市热环境的保护意谚 。 1 2 国内外城市热环境研究现状 对于城市热环境的研究至少已有1 7 0 多年的历史。自1 8 1 8 年 l h o w a r d 根掘对伦敦市温度场的观察出版了伦敦气候一书后，英、 法、美、| 二_ 1 以及后来的中国、马来西亚等许多困家陆续 版了有关这 方面研究成果的论著。从1 0 0 多年的发展现状看，对城市热环境的石升 究大致可分为三个阶段。 第一阶段是城市热环境研究的初期，结束于2 0 世纪2 0 年代木期 这一时期的研究特点是： ( 1 ) 研究工作仅仅是以特定的城市为对象，以城市内、外儿个有代 表性观测点的观测数据为代表，比较城市内、外的温度变化，冈此， 存观测范闸卜受限制，并且是静态的观测。 北京交通人学硕十学位论文 ( 2 ) 往往仪研究热坏境的某一因素，给出的一般是城市温度或雾日 数的逐月、迓季或逐年的平均值或累计值，不能从建筑学的角度讨沦 建筑气候。 ( 3 ) 由于气候条件的多变，无法绘制出城市温度场的分稚图。 1 9 2 7 年，w s c h m i d t 等人首先用汽车对城市温度场作动态观测， 丌创了热环境研究的第二阶段。后来，加拿大、f 本等许多国家都曾 利用这一方法对某些城市的热岛现状作了详细的观测。e a k r a t z e r 于 1 9 3 7 年对这段时期的有关研究作了详细的综合分析，出版了城市气 候一书，这是世界上第一部通论性的城市气候专著，对2 0 世纪3 0 年代以前城市气候的研究工作进行了全面的总结。1 9 5 6 年，e a k r a t z e r 对此书进行了修订再版，进步吸收了3 0 年代后期和4 0 年代的有关 资料，增加了刁i 少内容，使此书引证的文献由原来的2 2 5 篇增至5 6 3 篇，它基本上概括了城市热环境研究第二阶段的i 作。第i ：阶段一般 认为结束于2 0 世纪5 0 年代术期，这一阶段城市热环境研究的主要特 点是观测方法的改变，研究人员已开始作城市温度场的动念测量，但 研究仍以观测数据为基础，研究内容也主要是对单一的气候指标进行 的，仍没有把城市规划设计与城市热环境的研究结合起来。 城市热环境研究的第三个阶段是以新方法和新技术的运用为前 提的。除此之外，它的另个特点是与城市布局和城市设计相联系， 另外，开始同时研究影响城市热环境的多个因索，如降水、风场等。 _ 一般人们认为它开始于2 0 世纪5 0 年代，这一阶段的发展特点可以归 纳为如下l o 个方面： ( 1 ) 对热岛观测已扩大到三维。 ( 2 ) 将卫星遥感和航空测量技术用于观灏分析。 ( 3 ) 利用计算机进行数值模拟和数学建模分析，风洞实验被用于参 数分析和模拟比较。 ( 4 ) 绘制热岛等值图以及作城市形态和大气污染等的相关性分析。 ( 5 ) 出版了大量的教科书、评论和专著。 ( 6 ) 对城市降水等因素作影响评价。 ( 7 ) 对热岛与城市规模、建筑密度、入仁 、下挚面粗糙度、街道设 计、视野丌阔度因子作相关性讨论。 ( 8 ) 不仅发达国家，许多发展中国家也加入了研究行列，建筑气候 第一章绪论 的研究得到了迅速发展，微气候的评价受到重视。 ( 9 ) 深化了对热岛产生机理的研究。 ( 1 0 ) 对热岛应用方面的研究已受到重视。 在城市热环境研究的第三阶段才真f 开始了建筑热环境的研究， 从而使城市热环境研究得到迅速发展。这阶段的人们丌始重视城市 热环境的机理和应用研究，特别是在1 9 6 8 年比利时布鲁塞尔第一次 国际性“城市气候和建筑气候学讨论会”之后，美国若干大学和研究 机构共十几个单位协作，于1 9 6 9 1 9 7 0 年共同拟订了一项为期5 年 ( 1 9 7 l 一1 9 7 5 ) 的“犬都市气象观测试验计划”，这种大协作的专题城 市气候观测，在世界上第一1 次对城市影响降水问题取得了不少有价值 的研究成果，同时还为气象观测的选点、布点提供了个良好的范例。 1 9 5 4 年，e a d u c k w o r t h 等人首先对城市热环境进行二维研究，观测 了城市热岛的水平和垂直梯度分布。近几年来，这方面的研究进展迅 速，人们利用铁塔在不同高度安装目测或遥测仪器，作近地面层的梯 度观测，可取得定点长期的观测资料。利用缓速上升的探空气球、系 留气球、低空探测器等可取得低空的气象观测记录，利用直升机和人 造卫星遥感观测温度和城市下挚面结构的热特征，直接绘出地面不同 用地上的等温分布图。借助于这一阶段的新技术和新方法，1 9 6 1 年， s a c h a n g n o n 观测了芝加哥城对城市降水分布的影响。1 9 6 8 年， r d b e n s t e i n 对纽约市上空5 0 0 米以下的城市热岛现状作了飞行测量。 1 9 6 9 年1 9 7 2 年，t r o k e 对加拿大魁北克省的某区域运用汽车进行 动态测量，研究了城市规模与城市热岛的关系。这些早期工作对以后 的研究起了重大的推动作用。这一阶段的另一个特点是模拟实验、计 算机模拟和数学模型分析手段的运用。用模拟实验法研究城市化对气 候与环境的影响是这一阶段研究者一直沿用的方法。最常用的是将城 d f 实况按比例做一模型，采用风洞实验，这种方法主要是研究建筑物 对肌的湍流扰动分析，j e c e r m a r k 对美国科罗拉多州丹佛城的研究就 是其代表性的工作。利用风洞实验，可以研究气压的分布与风的结构， 以及城市中污染物扩散分布的情况。这种方法能够直观地表现m 特殊 下挚面对气温的影响。但这方法也存在着一定的缺点：如所做的 城市模型无法模拟城市内部的热力结构：此方法没有预测效果，只能 用于实际评价和分析等。由于这些缺点和计算机技术的发展，数值模 北京交通人学硕十学位沦文 拟和数学模拱 ：作得到了很大发腱。对于这方 f | j 的_ t 作已有很多文献 记载。1 9 5 1 年，a s o u n d b o r g 首先用统计模型对城市温度场进行分析， 给出了一系列经验公式，由于缺乏理论基础，因而总带有一定的离目 性。1 9 6 9 年，l o m y m p 提出了城市热岛的数值模型，m h h a l s t e a d 用计算机对城市微气候进行分析模拟。e m v u k o v i c k 从理论上分析了 大气稳定性和平均风速对城市热岛环流的影响，j e c l a r k 研究了城市 烟柱模型，k y o s h i o 对大气环流的动力学特征进行了分析，提出了城 市大气环流的动力学统计模型并对结果进行数值模拟。1 9 7 1 年， m a a t w a t e r 分析了城市污染环境下太阳辐射的收支平衡关系， d l l e a h e y 给出了城市混合边界层高度的预测模型，并将之用于纽约 市的热岛研究。1 9 7 7 年，m a a t w a t e r 利用欧拉静力学模型，研究了 城市化对热气候的影响。这些工作目前仍在进行，而且已有更深层次 的研究。上述工作对城市热气候研究走向定量化起着十分重要的作 用，但是定量上仍有很大困难。近年来，已有许多研究者热心丁_ 对城 市区域热环境在理论和应用上的研究，在这方面计算机做出了极大贡 献，研究的重点已从城市区域环境转为局部的微热环境，且研究方法 也有了较大的改变。d t m i h a i l o v i c 等人用等效、类比和数值模拟等方 法详细讨论了人为散热、植被、土地利朋、建筑群分靠、街道靠局等 对城市热环境的影响，为城市热环境评价和预测奠定了初步基础。 随着城市亿进程的加快，我国的城市规模日益扩大，城市热环境 受城市发展的影响越加明显，带动了我国城市热环境研究的发展和深 入。与国外相比，我国城市热环境研究虽然起步较晚，但进展很快。 在1 9 8 0 年以后的十几年时间内，我国在城市气候和热环境研究领域 出版了北京城市气候、广州城市气候、城市气候与区域气候 等一系列论蔷，对我国各气候区的城市热岛、城市湿度、降水及能见 度、城市郊区的辐射特征、城市风场、城市发展对热环境的影响及微 热环境的调节等方面都有一定的研究，同时，国步 普遍采用的新技术、 新方法和计算机模拟在我国也得到了应用，如利用热红外遥感、应用 气象卫星等进行城市热岛研究等。 1 3 城市热场形成的机理 为了研究城市热场的形成机制，首先研究系统的热平衡方程，取 一4 - 第章绪论 城市边界与城市覆盖层之间的某平面a b c d 为疑础平面，图1 - 1 ，研 究“下挚面一空气”系统的热量平衡机制。 图l - 1 城市地一气系统的热最平衡模础 根据能量守恒原理，热能可以转换，但总能量总是守恒的。故城 市“下垫面一空气”系统的热平衡方程可表述为下式： q 。+ q 。= q h + q ，+ q 。+ q 。 ( 1 - 1 ) 式中q 。为净辐射，q 为人为热，q n 为下秘面与近地层的湍流显 热交换，q r 为下避面与近地层的潜热交换，q s 为下挚面贮热量，q 。 为与周围环境的热平流量。 ( 1 ) 净辐射( q n ) 地面吸收总辐射与有效辐射之差称为净辐射。 绒= ( q + 鼋) ( 1 一口) + q “+ q 2 ( 1 - 2 ) 式中q 为太阳直接辐射，q 为太阳散射辐射，( q + q ) 为太阳总辐 射，n 为下挚面反射率( ) ，q l i 为大气长波逆辐射，q l 2 为下挚面长 波辐射。 1 ) 总辐射 城乡由于气溶胶的浓度差异大气透明度差异显著。使得城市f 挚面接受的太阳总辐射比郊区少1 0 2 0 。 北京交通人学硕十1 位论文 2 ) 反射翠 城市下挚面的结构复杂，色彩多样，反射率不均匀，城市中建筑 的参差不齐造成对太阳辐射的多次吸收、散射。据k a n g 等人( 1 9 6 4 ) 飞行观测，城市的综合反射率比以土壤、植被组成的郊区下挚面低 1 0 3 0 。 3 ) 长波辐射 由于氏波辐射值与绝对温度的4 次方成正比，故城市下挚面向上 的长波辐射值q l 2 比郊区大得多。城市空气中的t s p 、c 0 2 等物质含 量大，吸收和放射长波辐射能力强，故大气逆辐射q 。l 也是城市人于 郊区。 城市太阳总辐射( q 啊卜q ) 虽比郊区小，但其卜_ 挚面的反射率亦小， 城市下掺面长波辐射q 。：大于郊区，但城市逆辐射q 。- 亦比郊区大。 冈此城市与郊区的净辐射无太大差别( 刘长远，1 9 9 3 ) 。 ( 2 ) 人工热耗( q 。) 城市中人类生活和生产耗能以及生物新陈代谢所产生的热量统 称人工热耗。随城市的发展，人v l 增多，耗能量f 1 益增大。大量燃耗、 电耗过程中虽然部分能量转为潜能凝固在物体之中，但仍有相当部分 转为热能，使城市下挚面温度升高。 目前，许多城市的人工热耗均超过了太阳净辐射，如蒙特利尔的 年均人工热耗超过净辐射5 2 w m 。，曼哈顿的年均人工热耗比净辐射 多2 4 w m t ，国内关于类似研究尚未见有关报道，但可以预见城市人 【热耗也是 j 分大，是下挚面热平衡方程中十分重要的一项。对于在 城市热环境中h 益占重要地位的人工热，山于其窄间分稚的非均匀 性，增强了量化的难度，在目前的数值模拟中难以得到充分体现。 ( 3 ) 地气显热交换( q h ) 地面与近地层显热交换量主要取决于地面与近地层之间的铅直 梯度和湍流交换系数。q t i 可出下式计算( o k e ，1 9 7 9 ) ： a 下 q = 一p c p k h ( 二；i + r ) ( 1 - 3 ) m a 下 式中p 为空气密度，c p 为空。c 定比热，k h 为湍流交换系数，嚣 为气温的铅直梯度，r 为气温丁绝热直减率。 6 一 第一章绪论 城市中的大气铅直梯度一般比郊区大，容易发生热力湍流，同时 下挚面粗糙度办比郊区大，又有利于机械湍流的发展。闲此城市地面 与近地层问的显热交换量比郊区大。 ( 4 ) 地气潜热交换( q r ) 地气的潜热交换主要通过水蒸发形成。城市以人l 下颦面为主， 不透水面一般超过5 0 ，因此雨水滞留时间短，地面蒸发也较少。郊 区士壤及植被可以涵养水分，延缓蒸发时间。植被叶面也可扩大有效 蒸发面积，i 司时植被的新陈代谢，将大量水分蒸发到大气中。可见植 被不仅通过物理方式，而且通过生态方式进行地气问潜热交换，调节 能量平衡。 ( 5 ) 下挚面贮热量( q 。) 乡村植被覆盖区与相对缺少植被的城市相比，其壤及地面物质 热量储备的衰减，已被证明对热效应有明显的作用。城市下挚面中绿 色植被所占比例有限，因而转为生物能的部分占f 挚面接收光能比例 很小，大部分光能转化为下垫面贮热量。 影响下挚面贮热量大小的因素主要有两个：下挚而的热惯量大小 和下挚面对应的建筑容积率、建筑密度及结构。由于成分组成的不同 及受周围环境因素影响，不同物质的热惯量存在很大的差异，在自然 条件下，这种差异对该物质的温度变化的幅度起决定性作用( 陈述彭， 1 9 9 8 ) 。 热惯量作为表征物质热特性的综合性参数，将其定义为： ，一r - 一 p = p c 五= 4 c 2 k = c 女 ( 1 - 4 ) 其中p 为热惯量，p 为密度，c 为比热，k 为散热率，c 为热容，九为 热导率。 城市下避面物质构成以混凝土、石料、砖瓦及钢材为主，其热惯 量与郊区土壤的热惯量有较大差异。据周淑贞等( 1 9 8 5 ) 研究，城市 下挚面贮热量相当于当地净辐射的1 5 一3 0 ，郊区的贮热量相当于当 地净辐射5 一1 5 。 f 6 ) 热平流量( q 1 ) 由于城市与郊区的温度差异，会引起城乡热平流量的出现。城乡 叫热平流鼍会对城乡结合部的热平衡产! i i 一定影响，但对城乡温度背 北京交通人学硕11 学伉论文 景场影响不大，对整个热平衡方程贡献甚小，可以忽略f i 汁。 1 4 城市区域热环境研究方法综述 一、历史对比法 为了研究城市化对气候的影响，对某些发展得比较快的城市，可 以对比其多年气候资料或者是遥感卫片、航片资料分析它在城市化前 后和发展过程中气候的变化，予以论证。 二二、周术与工作r 对比法 由于大城市中工、机关、学校及其他企业皆在周末( 星期六及 星期| 二1 ) 休假。人类活动对城市气候的影响在周末要比其他工作r ( 星 期一到星期五) 小些。所以在研究城市气候的某些特征时，常利用同 一气象站某些气象要素周术平均记录与工作r 平均记录进行比较，求 出两者的差值。从中可以看出城区人类活动强度不同时对城市气候的 影响亦有差异。 三、城、郊对比法 应用城市气候资料与郊区同时问观测资料进行对比，两者的差值 可作为城市对气候影响的重要标志。 四、城市内部不同性质下垫面对比法 城市内部具有多种不同性质的下挚面，在进行城市覆盖层气候研 究时，最好先将城市内部下挚面按其不同功能、士地利用类型、建筑 密度、不透水地面所占面积百分比、植被覆盖度等进行分类。在不同 类型的f 挚面上设置观测点，可采用定点长期观测与短时期流动观测 相结合或者垂直观测和水平观测相结合的方法，观测其地表和城市覆 盖层内不同高度的气象要素的分布和变化，分析其时空分布的规律及 其形成机制。这对弄清城市覆盖层的气候特点和形成原因是十分必要 的。 五、大小尺度因素相结合的方法 城市气候的形成不是孤立的，它本身的尺度虽是局地性的，但任 何局地情况都受大尺度天气形势的影响。局地因素和天气尺度因素是 同时存在的。其各自所起作用的强弱是此超被伏的。当大型大气比较 平稳，气压梯度小，无风或仅有微风，昼有晴空闩射，夜晚无云时， 则局地因素起主要作用。城市与郊区以及城市内部f 挚面性质的差 第一章绪论 异，在这种天气下表现得最为明显。 六、模拟实验法 为了确知城市化对气候的影响，现在还采用模拟实验法。最常用 的是将城市实7 兕按比例做一模型，采用风洞试验。 七、应用数学物理方法建立模式 应用数学物理方法建立城市气候研究模式是当前国内外学者最 经常使用的方法。简介如下： 第一类为城市气候统计模式：统计模式主要足根据城市与其邻近 郊区大量观测资料，对某城市气候特征进行川归分析，找出其相互 关联的经验统计模式。 第二类是建立在动力学和热力学基础上的城市边界层模式：由于 考虑的着眼点4 i 同，每种模式都有其物理假设、基本方程、参数化方 案、计算各点、边界条件和初始条件等基本框架。 1 5 本文研究内容 论文依托予铁道部科技开发计划项目“新建铁路对城市生态的影 响与控制的研究( 合同编号：2 0 0 2 2 0 0 2 ) ”进行研究。 ( 1 ) 研究内容 所做的主要工作是：通过现场试验，掌握北京市夏季既有铁路影 响局地环境空气温度场分布及其变化特征，总结得到规律性结论。 对影响城n 市铁路地区热环境的各人为因子与环境温度问进行相 关分析，提出非线性回归预测方程；应用焓变质量指数对铁路车站地 区热环境进行评价，利用不适指数描述了人体热感受。 在采暖季和非采暖季分别监测了铁路车站地区环境空气质量状 况，监测项目包括：气态( 二氧化硫、氮氧化物( 二氧化氮、一氧化 氮) ) 和气溶胶( 总：最浮颗粒物) ，分析铁路建设对周围空气造成的污 染并进行环境空气质量现状评价，给出监测结论。研究空气污染主要 原因是因为空气中的污染物也会对该地区上空大气热值产生影响。 利用有限元分析软件a n s y s 建立近地层微尺度计算模型进行空 气温度场数值模拟，得出模拟结论。 ( 2 ) 论文章节结构 论文共分六章，结构如下： 北京交通大学硕士学1 ： 7 ：论文 第一章：绪论( 主要对论文的困内外研究现状、选题背景及意义、 论文的主要研究内容和研究方法进行了简单介绍) 第二章：北京城市环境综述 第三章：北京地区既有铁路车站附近环境空气温度场现场试验与 分析 第四章：车站地区环境空气质量评价及空气成分改变引起的气温 变化 第五章：城市铁路车站地区环境空气温度场模拟( 建立有限元计 算模型对车站附近地区空气温度场进行数值模拟提出模拟结论) 第六章：本文结论与研究展望 第二二章北京地区城市环境综述 第二章北京地区城市环境综述 2 1 北京城市概况 以北京( 包括城区和郊区) 为研究地区，其自然条件、经济概况 如f 。 2 1 1 自然地理背景 北京位于华北平原北端。地理位置介于东经1 1 5 。2 5 i j 7 。3 0 和 北纬3 9 。2 8 4 l 。0 5 之间，东面与天津市毗连，其余均与河北省相邻。 地势西北高、东南低。西部、北部和东北部三面环山，东南部是一片 缓缓向渤海倾斜的平原。流经境内的丰要河流有：永定河、潮自河、 拘马河等，多由西北部i jj 地发源，向东南蜿蜒流经平原地区，最后分 别汇入渤海。 北京处二于二北温带，属于暖潺带半湿润半干旱季风气候。气候四季 分明，春秋短促，冬夏较长。年降水主要集中在夏半年( 4 1 0 月) ， 占全年降水撬的9 0 。年平均风速2 5 米秒。年平均气温1 1 8 0 c ，最 冷月1 月平均气温4 3 0 c ，极端最低温度一2 7 矿c ；最热月7 月平均气 温2 5 9 0 c ，极端最赢温度4 0 6 。c ；气温年较差较大，达到3 0 2 0 c 。 常年同照时数是2 7 7 6 o 小时，常年太阳总辐射强度5 4 8 1 3 2 m j m 2 。北 京市一年中无霜冻日数，城区要比郊区多2 6 天。北京市气候状况如 表2 1 示： 表2 - 1j b 京气候标准值( 1 9 7 1 2 0 0 0 ) 北京交通人学硕十位论文 2 1 2 社会、经济概况 北京是全国的政治和文化中心，经济发达。 北京山地广阔，低山较多，山地和平原兼有，地貌、土壤类型多 样，土地资源质量属中等水平，人地矛盾较突出。水资源较少，北京 地区可用水量，平水年( 5 0 保证率) 4 1 9 亿m 3 ，偏枯年( 7 5 保证 率) 3 7 7 亿m 3 ，枯水年( 9 5 保证率) 3 4 8 亿l n 3 。北京地区拥有多 种矿产资源，目前己发现的矿产共有6 7 种，除煤、铁和石灰石具有 丌采价值外，其他矿产资源大多储量不大，) r 采价值较小；森林资源 偏少，植被覆盖率低了二全国水平；野牛动物资源日渐减少。此外，旅 游资源十分丰富，是有悠久历史文化的古都，有文字和文物可考的建 城史已有3 0 0 0 多年，曾为辽、金、元、明、清五朝帝都。 经济：2 0 0 2 年北京全市实现国内生产总值3 1 3 0 亿元，其中第一 产业实现增加值9 5 5 亿元；第二产业jl1 4 4 亿元；第三产业1 9 2 0 1 亿元。人均国内生产总值达到2 7 7 4 6 元，海关进出 】贸易总值5 2 5 1 亿美元，城镇居民人均可支配收入1 2 4 6 3 9 2 元。 行政区划；北京市总面积1 6 8 0 7 ，8 平方公罩，全市平原面积6 3 9 0 3 平方公罩，f 号总面积的3 8 ；l 地1 0 4 1 7 5 平方公里，占总面积的6 2 。下设1 6 个区c 东城、西城、崇文、寅武、朗刚、丰台、石景山、 第一二章北京地区城市环境综述 海淀、门头沟、房山、通州、顺义、昌平、大兴、平谷、怀柔) 和2 个县( 密云、延庆) 如图2 - 1 。常住人口1 4 2 3 2 万人，属特大城市。 其中全市户籍人口为1 1 3 6 3 ) 7 - 人，占常住人| 的7 9 8 。北京市流动 人口约3 0 0 万人。人口密度为6 7 5 人，平方公黾。 ：) t ，、fl t ：一3j ， 、， + ? 、。j 一， ， 、一、一。，：静 ：，f 。一、7 + ，：以 。：“。h iof ：|j 、。i j 幽2 - 1 北京市行政区划圈 2 2 北京市近五十年城市气温的变化与特点 2 2 1 北京市近五十年城市气温变化特点 城市化对城市环境的影响首先体现在气温变化上，热岛的出现就 是温度变化的最主要表现。近年来，由于社会发展，人l 增长，工业 建设等长久以来已经对环境温度产生了不同的影响( 这种情况尤其在 晴宅及无风情况下最明显) 。根据世界气象组织2 0 0 0 年的公报，从1 9 世纪来到2 0 世纪未的1 0 0 年中，全球平均气温卜升了0 7 。c 。同时， 北京交通人学硕十学位论文 城市气温的变化也对城市和城市居民带来了一系列的影响。图2 - 2 是 北京市白1 9 5 1 - 2 0 0 0 年来历年平均温度曲线及其走向趋势。由图可见， 臼1 9 5 1 年丌始北京地区的年平均气温呈冷暖交替，逐渐持续波动性 卜升，2 0 0 0 年年平均气温较1 9 5 1 年升高1 7 0 c ，升温明显。而在进入 社会建设飞速发展的二十世纪9 0 年代以后还出现了5 0 年中最热的四 个年份，极高值出现在1 9 9 4 年，达到1 3 ，7 0 c ，其次是1 9 9 5 年为1 3 3 0 c ， 1 9 8 9 年1 3 2 。c ，1 9 9 8 、1 9 9 9 年同为1 3 1 。c 。 北京市1 9 5 1 年一2 0 0 0 年年卜均温度披趋势线 图2 - 2 北京市1 9 5 1 年2 0 0 0 年年平均温度及趋势线 2 2 2 北京城郊历史气温对e t 分析 将北京市自1 9 7 1 年至2 0 0 0 年3 0 年的城郊温度进行对比，郊区温 度数据选择密云。经统计列出城郊累年各月温度。从表2 - 2 中可以看 出，全年各月城区气温均比郊区高。 表2 - 2 北京市3 0 年月平均温度城郊对比表( 单位：o c ) 第二章北京地区城i h 环境综述 3 北京市城市热岛效应研究 北京的城市热岛，无论是从多年平均值，还是短期的观测值束分 析，都是很明显的。北京热岛根据已有研究显示有纺锤型、圆形型、 白天多中心型和阴天弱热岛型。如出现热岛，北京i 订巾- 中心气温一般 而言比郊区高约0 7 2 0 c 以上。 2 3 1 城市热岛形成的因素 下挚砸因素 lf 垫面不透水面积大：城市中除少量绿地外，绝大部分为人工 铺砌的道路、广场建筑物和构筑物，其一f 垫面不透水面积远比郊区绿 野为大。降雨后，雨水很快从排水管道流失，因此其可供蒸发的水分 比郊区少。在能量平衡中其所获得的净辐射用于蒸散的潜热远比郊区 为少，而用于下颦面增温和向空气输送的显热则比郊区多。这就使得 城区下挚面温度比郊区高，形成“城市下垫面温度热岛”，并从而通 过湍流交换和长波辐射使城区气温高于郊区。 2 下垫面的热性质：城市下挚面的导热率k 和热容量c 以及山此 而计算出的热导= 解都l t 郊区大，致使城市下拙面的储热景显著 高于郊区。白天储热量多，夜晚地面降温比郊区慢，通过地一气交换， 城区气温比郊区高。 3 下挚面的几何形状；城市中建筑物参差错落，形成许多高宽比 不同的“城市街谷”。白天在太阳照射下，由于街谷中墙壁与墙壁问， 墙壁与地面之间，多次的反射和吸收，在其它条件相同的情况卜能 够比郊区获得较多的太阳辐射能，如果墙壁和屋顶涂刷较深的颜色， 则其反射率会更小，吸收的太阳能将更多，并因为墙壁、屋顶和地面 的建筑材料又具有较大的导热率和热容量，“城市街谷”于f 1 问吸收 北京交通人学硕七学位论文 和储存的热能远比郊区多。 其次，“城市街谷”中，天穹可见度比空旷郊区小，在街谷底部 长波辐射能的交换中，其长波逆辐射值除来自大气的逆辐射外，还有 墙壁、屋檐等向下方的长波辐射。因此其长波净辐射的热能损失就比 郊区旷野小，再加上城市街谷中风速又比较小，热量不易外散，这些 都导致其气温高于郊区。 人为热和温室气体 1 人为热：在中高纬度城市特别是在冬季，城市中排放的大量人 为热是热岛形成的一个重要因素。许多城市冬季热岛强度大于暖季， 周一至周五热岛强度大于周末，即受此影响。 2 温室气体：城市中因能源消耗量大，排放至大气中的c 0 2 等温 室气体远比郊区多，其增温效应很明显。 天气形势与气象条件 1 在稳定的气压梯度小的天气形势下，j 有利于城市热岛的形成。 在强冷锋过境时，即无热岛现象。 2 在风速大，空气层结不稳定时，城郊之间空气的水平和垂直方 向的混合作用强，城区与郊区问的温差不明显。一般情况是夜晚x l 速 小，空气稳定度增大，热岛增强。 3 在晴天无云时，城郊之阐的反射率差异和长波辐射差异明显， 有利于热岛的形成。 2 3 2 北京城市热岛的平面结构及其强度的季节变化 热岛强度以城、郊温差z 来表示。北京年平均气温城、郊温差 为2 0 0 c ，年平均最低气温城、郊温差为2 5 。c ；逐月城、郊温差，9 月至翌年2 月较大，3 月至8 月较小。8 0 年代( 1 9 8 7 年) 北京城近郊 区年平均气温分向是以前门建围门一带为中心，最大值为1 3 , 5 0 c ， 范围是二环路所围绕区域的四分之一；9 0 年代，随着城市范围扩大， 城区气温最大值位于城西的公主坟1 4 3 0 c ，比较1 9 8 7 年高近1 0 c ， 范围东西以三环路为界，南北以二环路为界，沿东西长安街呈东西长、 南北短的椭圆形闭合中心。 北京城市热岛四季都存在，热岛强度有冬季最大、秋季次之、春 夏季最小的特点。冬零( 1 月) 城、郊月平均气温为一3 0 5 4 0 c ，城、 第二章北京地区城市环境综述 郊温差2 4 。c ，为四季之冠。在秋季( 9 、1 0 月) 城、郊月平均气温为 1 2 4 一】4 4 0 c ，城、郊平均温差约2 0 0 c ，仪次子冬季。夏季( 7 、8 月) 城、郊温差减至1 2 0 c 。北京的城市热岛还具有明显的日变化特征， 在稳定的天气条件下，强度大都是夜间强，白昼弱。 2 3 3 北京城市热岛的垂直涉及高度 城市热岛不仅在地面水平方向存在，在垂直方向，热岛也伸展到 一定高度，甚至可以伸展到整个边界层。北京热岛的垂南涉及高度 根据北京市气象资料显示，整个边界层均存在热岛效应，最高i 叮达到 9 0 0 m 以上的高度。同时热岛高度亦有随时间变化，0 l 、0 7 时接个边 界层均存在热岛效应；0 3 时地面热岛强度约为1 5 0 c ，至1 5 0 m 高度 热岛消失，8 8 0 m 重现；0 5 时地面热岛强度约为1 0 0 c ，1 7 0 m 商度消 失，2 1 0 m 高度重现，3 t o m 高度又消失：l l 时从地哂至4 5 0 m 均存在 热岛效应，4 5 0 9 2 0 m 热岛消失，9 2 0 m 以上重现；】3 、1 5 、1 7 、2 1 时 热岛所及高度较低，在2 0 0 m 以下。 2 3 4 北京地区热岛消失的极限风速 在热岛盛行的时刻，当风速增大时，由此引起的动力交换作用也 将增大，这会使得热岛强度减弱。把城区热岛强度小于0 5 0 c 时的水 平风速定为热岛消失的极限风速。资料分析表明，北京地区不同季节 热岛消失的极限风速是不同的。冬季热岛强度最强，热岛消失的风速 也最大：秋季热岛强度比冬季要弱一些，因而热岛消失的极限风速比 冬季略小，夏季的热岛强度在四季中是最弱的，热岛消失的极限风速 也是最小的( 表2 ，3 ) 。 表2 - 3 北京地热岛消火的极限风速 季节热岛消失的风速 春季4 5 米，秒 蔓季2 - 3 米黔 秋季5 米秒 冬季5 - 6 米，秒 2 。3 5 城市热岛对城市的影响 在低、中纬度地区的夏季，城市热岛效应会加重城区高温出现的 频率的高温灾害，并因此带来巨大的经济损失。北京气象局的统计表 北京交通入学硕十学位论文 明，北京全年同最高气温3 0 0 c 的出现f 数，城区比郊区多1 4 4 天； 3 2 0 c 的出现r 数比郊区多1 2 3 天； t 3 5 0 c 的出现h 数比郊区多3 t 3 天。城市热岛效应冬季可以减少采暖燃料用量。但是，夏季为了防暑 降温，利用电风扇和空调致凉( 丌放冷气) ，会消耗大量能量。在欧 美空调丌放冷气所消耗的能量用“度日”计算。度f 1 以同平均气温1 8 0 c 为基数。在空调季节如果r 平均气温1 9 0 c 为诈l 度同，1 7 0 c 为负l 度f 1 。在空调制冷中每j 度r i 所消耗的能量比每1 度f = 1 取暖所耗能量 要多。据美国加州大学伯克来劳伦斯研究所的估计，全美由于城市热 岛效应，防暑降温空调制冷多付出的电费每小时约为1 0 0 儿美元，经 济损失相当大。 城前热岛效应一i 利于大气污染物的扩散，热岛能小范围的改变局 地风场，在城市上空形成类似于海风的闭合环流。热岛环流的存在， 使市区将经受多次污染。因为环流在。f 沉过程中，从城区输送出去的 污染物随气流回到近地层，然后由流向市区的空气携带，再次进入市 区，并在市中心( 热岛中心) 处辐合，加大地面浓度，而上升气流又 将把污染物带到空中向四周辐散。环流对城市起着循环污染的作用， 容易形成大气污染。热岛效应使得空气污染物增加，提供了更多的凝 结核，生成云雾，使能见度变差，影响城市交通运输，雾凇还会影响 电线线路的安全。 城市热岛效应会使城市近郊区上空空气对流加强，从而容易出现 局地大暴雨或强雷暴，在排水不畅的时候容易造成洪涝灾害。强雷暴 会影响飞机起飞和飞行，还会干扰无线电通讯，击毁建筑物，击伤人 畜，甚至引起火灾。 热岛对城市噪声传播也有影响。声音在空气中传播过程是山空气 密度所支配，而这又与气温有关。声波是易于折射和绕射的。垂直的 气温结构决定了音线的弯曲，例如：暖空气在上，冷空气在下，将使 声波向下弯。 但是热岛对冬季中商纬度城市居民生活和城市经济也有有利的 一面，如冬季出现霜冻日数比郊区少，无耩期比郊区长，奋来早，秋 去迟。冬季热岛还能够减少城市积雪频率、积雪时问和积雪深度等等。 2 4 北京市空气污染气象条件简介 第二章北京地区城市环境综述 2 4 1 风向、风速 北京市全年以偏北风为主，四季风频有明显变化，根据北京市气 象台资料统计，全年各季代表月的风频、平均风速等资料见表2 - 4 。 表2 4 北京城区各季风频、风速统计 由表可知，北京城区秋、冬季以偏北风为主，春、夏季以偏南风 为主。2 m s 以下风速占全年5 0 以上，尤其是夏、秋季接近8 0 ，对 污染物扩散不利。 2 4 2 污染系数 四季风频和风速均有变化，污染系数办不同，为了综合反映风向 和风速对其污染程度的影响，引用污染系数的概念： 污染系数= 竿骞盖差 根据北京城区气象统计资料显示北京秋、冬季污染系数最大， 夏、春季较小，但不同方位和不同季节污染系数亦不同，污染系数最 大值为静风和偏北风，次大为偏南风。北京城区各季污染系数统计值 列于表2 ，5 。 表2 - 5 北京城区各季污染系数统计 北京交通大学硕十学位论文 2 4 3 大气稳定度 大气扩散稳定度等级使用修正的帕期奎尔( p a s q u i l l ) 稳定度分类 法，分为强不稳定，不稳定，弱不稳定，中性，较稳定和稳定大级 分别表示为a 、b 、c 、d 、e 、f 。为了统计方便将a b 类，e f 类各 归为一级进行统计。北京地区各季代表月不同稳定度出现频率见表 2 6 。 表2 - 6 北京城阮各季大气稳定度( ) 出表可见，北京全年大气稳定度出现频率d 类最大、e f 类次之。 春、夏季d 类出现频率达4 3 9 、5 8 6 ，秋、冬季e f 类出现频率达 4 8 6 、5 4 1 ，表盟北京秋、冬季大气扩散困难。 2 4