西安夏季和冬季城市熱島的多時間尺度變化特征

胡張保,俞炳豐,秦臨香

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院,西安 710049;2.西安市氣象局業務處,西安710016)

城市化導致城市中存在大面積諸如建筑物、人工路面等的下墊面,相對于郊區下墊面來說,它們更易于吸收、儲存太陽輻射熱,并向空氣散熱,加上大量人為熱及溫室氣體的排放,造成城區空氣溫度高于郊區,形成所謂的“城市熱島效應”[1-2]。城市熱島效應總的來說弊遠遠大于利,開展城市熱島效應的研究對于控制能耗、改善城市人居環境質量、實現城市可持續發展等都有重要的指導意義。多年來各國學者利用氣象觀測資料[3-5]、人工布點測量[6-7]、流動測量[8-9]及衛星遙感技術[10-11],對城市熱島的形成機制、時空分布特征、危害及緩解對策進行了廣泛的研究。盡管國內外學者對城市熱島效應做了大量的研究工作,但也存在有不足之處,比如在研究城市熱島的周期性變化特征時,都是預先主觀選定某一城市熱島變化周期(如年、周、日等),而后再做統計分析,不能揭示出所有客觀存在的城市熱島變化周期及它們的變化特征。近年來,小波分析理論得到了快速發展,它是從傅立葉變換發展起來的,其核心是多時間尺度(變化周期)分析。小波分析通過伸縮和平移等運算功能,可以對一維的時間函數或信號進行分解,提取出其中存在的時間尺度或頻率成分,從而能反映出函數或信號所存在的變化周期或頻率的總體特征[12],將小波分析理論應用于城市熱島周期性變化特征研究可以很好地彌補目前研究方法所存在的局限性。

西安作為西北地區規模最大的中心城市,城市熱島效應已經十分明顯,并且在不斷加劇[9]。該文以西安為研究對象,利用自動氣象站逐時氣溫觀測資料,采用小波分析的方法來研究夏季和冬季城市熱島的多時間尺度變化特征,并利用小波方差來診斷各熱島周期振蕩的強度,以期揭示出在短時間尺度上城市熱島詳細的尺度結構,并深入分析所存在的主熱島周期的形成機制。

1 資料與研究方法

1.1 資料

圖1示出了西安周圍6個區縣相對于西安市區的地理位置分布,在這6個區縣中,長安、戶縣、臨潼及藍田與西安市區的地理位置最為接近,它們與西安市區的區域氣候條件相似,由大區域氣候因子所引起的自然氣候變化對城市熱島的影響相一致。因此,選取這4個區縣作為郊區參考點,即取西安市區氣溫與這4個區縣同一時刻平均氣溫之差作為衡量該時刻城市熱島強度的指標。根據收集到的西安市區及這4個區縣自動氣象站2008年逐時氣溫觀測資料,選取1月和7月(分別代表冬季和夏季)的逐時氣溫資料作為研究對象,數據資料中缺測(由于觀測儀器出現故障)的氣溫值,對其進行線性插值。由此建立了西安市夏季和冬季逐時熱島強度時間序列,樣本長度都為744(31 d),數據量可以滿足小波分析的要求。

1.2 研究方法

對于任意函數 f(t)∈L2(R)的連續小波變換為[13]：式中：W f(a,b)為小波變換系數;ψ為子小波函數;是ψ的共軛;a為尺度因子;b為平移因子是為了保證小波伸縮前后其能量不變而引入的歸一化因子。由于研究中熱島強度時間序列為離散信號,所以需要把式進行離散化,這樣對于任意離散信號f(t)∈L2(R)(t=1,2,3,…,N)的連續小波變換為：

式中：N為樣本數;Δt為采樣間隔,文中為1 h。

在一維離散信號的小波分析中,比較常用的小波母函數有M exh小波、M orlet小波、復 M orlet小波等。其中,復M orlet小波是復數形式的小波,其實部和虛部相位相差,可以消除實數形式小波變

換系數模的振蕩。此外,通過實驗對比了Mexh小波和復M orlet小波在城市熱島多時間尺度變化特征研究中的效果,發現復M orlet小波要優于Mexh小波。因此,選取復M orlet小波作為母小波,其表達式為：

式中：fb為帶寬參數,fb=1.5;fc為小波中心頻率,fc=1.0。

為了減少小波變換過程中產生的邊界效應影響,在進行小波變換之前,對熱島強度時間序列進行了對稱、雙向延拓邊界處理,即將資料向前和向后各延伸一個樣本長度,變換后再將前后延拓部分舍棄,只保留中間部分。在研究中,尺度因子a的最大周期取資料長度的約1/3,即240 h。對于給定尺度a,b域上小波系數的方差定義為：

式中：Wf(a)為尺度a上小波系數的平均值。小波方差可以用來診斷所存在的主熱島周期。

2 結果與分析

圖2和圖5分別示出了夏季和冬季的逐時熱島強度時間序列,圖3-4和圖6-7分別是夏季和冬季城市熱島強度復M orlet小波變換系數的實部在時間-尺度相平面上的等值線圖及其相應的小波方差圖,圖中正的小波系數對應強熱島,小波系數為負表示弱熱島,標注有H的為強熱島中心,標注有L的為弱熱島中心。

圖2 西安夏季(7月)逐時熱島強度時間序列

圖3 西安夏季(7月)城市熱島復M orlet小波變換結果

圖4 西安夏季(7月)城市熱島的小波方差

圖5 西安冬季(1月)逐時熱島強度時間序列

圖6 西安冬季(1月)城市熱島復M orlet小波變換結果

圖7 西安冬季(1月)城市熱島的小波方差

2.1 夏季城市熱島的小波特征

由夏季的小波變換圖(圖3)可以看出,在高頻部分,夏季城市熱島的變化明顯存在24 h尺度上的熱島周期,48 h尺度上的熱島周期也同時存在,在月末,這2個熱島周期重疊,演變成為1個介于24 h和48 h之間的熱島周期。在低頻部分,在7月22日之前,96～120 h和168～240 h 2個時間尺度上的熱島周期同時存在,并且隨時間并行發展。7月22日之后,這2個熱島周期演變、合并成為1個狹長的、尺度變化較寬的熱島周期,即120～216 h。圖3還表明,對于96～240 h尺度所代表的熱島強度的周變化,強熱島中心出現在7月 4日、14日、22日及29日,弱熱島中心出現在7月9日、19日及27日,總體來說,周一至周五主要表現為強熱島,周六和周日主要表現為弱熱島。

從夏季城市熱島的小波方差圖(圖4)來看,在整個尺度(0～240 h)域上,96～120 h和24 h尺度上熱島周期的小波方差最大,同為主周期。其次是36～48 h、144～192 h及216～240 h尺度上的熱島周期,它們所反映的小波方差大小比較接近,同為次周期。由此可以看出,日變化和周變化是西安市夏季城市熱島的主要變化周期,但周變化的尺度結構較復雜,包括主周期 96～120 h及次周期 144～192 h和216～240 h。

2.2 冬季城市熱島的小波特征

由冬季的小波變換圖(圖6)可以看出,高頻部分,在1月份的上旬和下旬存在24 h尺度上的熱島周期,正負震蕩強烈,1月中旬該尺度上的熱島周期仍然存在,只是震蕩較弱。在低頻部分,存在144～192 h尺度上的熱島周期,小波變換系數的實部有8個0點,經歷了5次強熱島和4次弱熱島,正負震蕩強烈,并且在整個時間序列內一直存在。此外,在1月的下旬,還并行存在48～72 h和96～144 h 2個熱島周期。總體來說,西安冬季存在的熱島周期都非常有規律性,尺度結構比較簡單。由圖6還可以看出,對于144～192 h尺度所代表的熱島強度的周變化,強熱島中心出現在1月 2日、9日、16日、23日及30日,弱熱島中心出現在1月5日、12日、19日及27日,在周二至周五表現為強熱島,在周六和周日表現為弱熱島。

從冬季城市熱島的小波方差圖(圖7)來看,在整個尺度(0～240 h)域上,144～192 h尺度上熱島周期的小波方差最大,其所對應的周變化為主熱島周期,其次是對應于日變化的24 h尺度上的熱島周期,而48～72 h和96～144 h這2個熱島周期要明顯弱于144～192 h和24 h尺度上的熱島周期。

2.3 分析

在夏季和冬季,城市熱島的日變化特征和周變化特征始終存在,并且表現最為顯著,下面嘗試對這2個主熱島周期的驅動因子及形成機制進行分析。

城市下墊面除少量綠地和水體外,絕大多數為人工鋪砌的道路、廣場、建筑物和構筑物,不透水面積遠比郊區農田綠野大得多。晝間其所獲得的凈輻射用于蒸散的潛熱遠比郊區小,而用于下墊面增溫和通過湍流交換及長波輻射向近地面空氣輸送的顯熱比郊區多,造成城郊氣溫差,形成晝間城市熱島。城市下墊面的導熱率和熱容量都比郊區大,城市下墊面白天可以吸收、儲存更多的太陽輻射熱,加之城市下墊面的天穹可見度比郊區小得多,不利于下墊面夜間通過長波輻射向太空散熱,從而形成夜間城市熱島。另外,城市中排放大量的人為熱也是城市熱島形成的一個重要因子[1,14],城市下墊面性質的改變和人為熱排放是形成晝間和夜間城市熱島效應的主要驅動力。風速、大氣穩定度等外部因素則對晝間和夜間城市熱島的強度有重要影響。白天城市風速一般較大[9],熱量由市區向郊區擴散快,會削弱城市熱島的強度(一些學者認為熱島存在的臨界風速為5m/s)。到了夜間,風速一般要比白天小,其對城市熱島強度的削弱作用也會減弱。白天的大氣層結在地面加熱過程的驅動下是非常不穩定的[15],在垂直方向上空氣混合強烈,近地面熱量向高空的湍流輸送得到強化,這對晝間城市熱島強度的加強是不利的。而夜間,由于下墊面的冷卻作用,在近地層形成逆溫,大氣層結比較穩定,抑制了近地層熱量向高空的湍流輸送,非常有利于夜間熱島強度的加強。晝間和夜間城市熱島是城市下墊面、人為熱、大氣穩定度及風速共同作用的結果。對于城市熱島的日變化,強熱島主要出現在夜間,而弱熱島主要出現在白天(見圖2和圖5),由此可以看出,城市熱島的日變化周期應該是由于這幾方面因素在夜間對城市熱島強度的綜合貢獻度要強于白天的緣故,至于各個因素在其中所占的比重還有待進一步研究。

太陽、地球等天體運動及自然環境變化都不具有以周為周期的變化特征,而城市熱島尤其是冬季卻表現出明顯的周變化特征,并且強熱島主要出現在工作日,而弱熱島主要出現在周末,由此推斷,城市熱島的周變化應該是由規律性的人類活動所引起。在工作日,工廠和機動車等排放的人為熱(主要是指工業生產、辦公用能)和大氣污染物(如 TSP、CO2、H2O、N2O、NO2等)的量要多于周末的排放量,它們綜合作用的結果,致使工作日期間熱島強度相對較大,而非工作日期間熱島強度較弱。

3 結 論

1)在時間-尺度相平面圖上,小波中心隨時間正負震蕩,與城市熱島周期性變化過程中的強熱島中心和弱熱島中心形成很好的一一對應關系,采用復M orlet小波可以清晰地揭示出城市熱島所存在變化周期的總體特征,利用小波方差可以很方便地診斷出存在的主熱島周期。

2)在高頻部分,西安城市熱島在夏季和冬季都存在24 h的主周期,還分別存在36～48 h和48～72 h的次熱島周期;在低頻部分,冬季城市熱島的尺度結構簡單,主要表現為144～192 h,而夏季城市熱島的尺度結構較復雜,表現為96～120 h和168～240 h 2個熱島周期并行存在;強熱島主要出現在工作日,弱熱島主要出現在周末。

3)城市下墊面、人為熱、大氣穩定度及風速對熱島強度的綜合貢獻度夜間強于白天,形成城市熱島的日變化特征,周變化主要是由城市大氣污染物、人為熱排放等人為因素引起。

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