西北中等城市熱島效應變化特征——以天水市為例

蒲禹君，蒲金涌

1.中聯西北工程設計研究院，陜西 西安 710073

2.天水市氣象局，甘肅 天水 741000

城市熱島效應(urban heat island effect)是一種由于城市建筑及人類活動導致熱量在城區空間范圍內聚集的現象。自19世紀初Lake Hovanu首次發現倫敦城市的熱島現象以來，許多學者對城市熱島效應特征作了大量研究［1-4］，20世紀末Szged城熱島效應強度達到3.1℃［5］，紐約的熱島效應最高達8.04 ℃［6］，1961—2000年北京城、郊日平均氣溫差達3.3 ℃［7］，上海高達 7.4 ℃［8］。伴隨著城市化進程的繼續，熱島效應將持續加劇，直接影響著能源利用、人居環境及社會生活的方方面面［9-11］。對城市規劃、建筑設計等提出了新的挑戰。甚至有學者認為，城市化增暖現象已經對自然氣候信號構成嚴重干擾，成為氣候變暖的主要關注因子之一［12］。

現有研究證明，人口變化是檢驗城市化發展對氣候影響的一個理想指標［13-15］。Karl等［14］通過對美國的溫度資料研究發現，在美國即使1萬人的小城鎮也存在著明顯的熱島效應。中國近30年來經濟快速發展，城市化速度明顯提高。人口規模及城市建筑規模不斷擴大，城市熱島現象將成為人們普遍關注的問題之一。由于中國人口密度分布不均，100萬人口以上的城市主要分布在100°E以東地區，有關城市熱島效應研究主要集中在東部的大型城市及西部省會城市［16］。而對西部中等城市的熱島現象研究較少。過去由于缺乏24 h連續觀測的自動氣象站資料，研究工作也多運用日平均資料，在很大程度上影響了研究工作廣泛深入的進行。目前有關西部中等城市及24 h城、郊溫度變化的研究報道極少。2004年以來自動氣象站的普遍建立為深入研究城市熱島現象提供了可能。筆者以天水市為例，探討研究了西北中等城市的城、郊溫度變化及其城市增熱效應現象。

1 研究資料及方法

1.1 研究站點分布概況

天水市政府所在的秦州城區，位于藉河谷地，城市面積30 km2，人口約30萬，是天水市主要城市區。天水國家一般氣象站(34.75°N，105.75°E;海拔1141.7 m)位于城市中心區。麥積國家基本氣象站位于城市郊區(34.55°N，105.88°E;海拔 1085.2 m)，四周3 km以內全部為農田或者果園。兩氣象站直線距離為13 km，海拔高度差56.5 m。經、緯度及海拔高度所造成的溫度差異可以忽略，研究城市熱島效應的環境比較理想［17］。

平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、地面溫度、地面最高溫度、地面最低溫度及10，20和40 cm處地溫等資料取自2004—2010年天水國家一般氣象站及麥積國家基本氣象站逐時測量值，氣溫測量儀器同為HMP45D型，地溫測量儀器同為CAWS-BS01型。

1.2 研究方法

城市熱島現象的研究方法決定了城市熱島研究的具體目標和內容［18］。其中氣象站法是利用氣象站觀測數據，結合相應的數據統計和分析技術，研究城市熱島的年相、季相、日相變化特征，分析城市熱環境演變規律，是較常用的方法［19］。城市熱島強度計算方法目前尚無統一的標準。多數學者應用的是Oke［17］提出的計算方法，即將城區氣溫減去同時刻同高度附近郊區氣溫所得差值定義為城市熱島強度(UHI)。

研究中以天水國家一般氣象站的資料代表城市中心的溫度，麥積國家基本氣象站的資料代表郊區。UHI為正，表明城區為“熱島”;反之，表明城區為“涼島”。

2 結果與討論

2.1 城、郊氣溫差的月、年變化特征

表1列出了2004—2010年天水城、郊平均氣溫差(UHI)。由表1可見，天水城市熱效應比較明顯，年平均氣溫UHI為0.3～0.5℃，平均為0.4℃。氣溫較高年份，UHI較大。年平均最高氣溫 UHI為-0.3～-0.1℃。年平均最低氣溫UHI為0.9～1.4℃。UHI明顯程度依次為平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫。城區熱容量大，氣溫的升高速度比郊區慢，最高氣溫低于郊區，UHI為負值。熱容量大，城區氣溫降低速度比郊區慢，城區最低氣溫比郊區高，UHI為正。在研究年份中，年平均最低氣溫、平均氣溫及平均最高氣溫UHI變化基本一致。2009年上述3種溫度指標值UHI均較大，2004年均較小。

一年之中，9月的城市熱島現象最為明顯(表2)，UHI可達1.4℃，7—8月城市熱島現象最弱，UHI只為0.2℃。冬季UHI最大，其次為秋季及春季，最小為夏季。這與束炯等對上海、北京等地的研究結果基本一致［8，20-22］。城區的月平均最低氣溫全年都高于郊區，年內變化為雙峰雙谷型，較高值出現在4—6月(1.3～1.8℃)和10—12月(1.2～1.7℃)，較低值出現在7月(0.7℃)及3月(0.8℃)。月平均最高氣溫只有7—8月城區高于郊區，其余各月郊區溫度高于城區。最高、最低氣溫差非對稱變化比較明顯，其原因還有待于進一步研究。

表1 天水市2004―2010年城、郊平均氣溫差(UHI)Table 1 Variation of UHI(air temperature)in 2004-2010 in Tianshui city ℃

表2 各月日平均城、郊氣溫差(UHI)Table 2 Variation of UHI(air temperature)in every month ℃

2.2 城、郊溫度差的晝夜變化特征

城、郊溫度變化具有明顯的晝夜性(表3)，00:00—07:00(北京時間，下同)，郊區因地面開闊空曠，輻射冷卻比城區大，氣溫較低，UHI在06:00達到最大(1.5℃)。07:00日出以后，郊區增溫比城區快，湍流增強，風速逐漸增大，城、郊間水平和地、空間垂直方向混合增強，溫差迅速減少［20］。10:00以后太陽高度角增大，地面吸收太陽輻射增多，熱量交換增強，郊區風速比城區大，郊區的氣溫反高于城區，城區成了“涼島”。最大溫差出現在14:00—17:00，郊區比城區的氣溫高0.3℃。18:00以后，城區下墊面白天蓄積熱量多，地面長波輻射和湍流顯熱提供給大氣的熱量也多，城區氣溫又開始高于郊區，UHI逐漸增大［20］。在平均狀態下，城區一般白天為“涼島”，晚間或太陽高度角較低的時候為“熱島”。熱島持續的時間為16 h，占全天時間的2/3;涼島持續的時間為8 h，占全天的1/3。熱島效應強度遠大于涼島效應強度。

表3 天水市24 h城、郊溫度UHI變化Table 3 Daily variation of UHI in Tianshui city ℃

20:00—10:00城區最高氣溫高于郊區，最大溫差出現在05:00—07:00(0.9℃)，11:00—19:00城區低于郊區，最大溫差出現在16:00(-0.4℃);最低氣溫19:00—12:00城區高于郊區，最大溫差出現在07:00(1.7℃);03:00—18:00城區低于郊區，最大溫差出現在15:00—17:00(-0.3℃)。地面平均溫度、地面最低溫度及地面最高溫度的城、郊溫差時空變化與平均氣溫、最高氣溫及最低氣溫的變化趨勢一致，只是城區地面溫度高于郊區地面溫度的時間比氣溫延長了1 h。

2.3 各季節城、郊溫差晝夜變化特征

各季節城、郊溫差在一日內的變化并不完全一致(圖1)。春季，11:00—19:00城區平均氣溫低于郊區，UHI為負，溫差最大為0.3℃，出現在14:00—16:00;20:00—10:00 UHI為正，最大值為1.5℃，出現在06:00，城區熱島持續時間為15 h。夏季，09:00—16:00城區平均氣溫低于郊區，UHI為負，溫差最大為0.3℃，出現在11:00;17:00—08:00 UHI為正，最大值為1.3℃，出現在06:00，城區熱島持續時間為15 h。秋季，11:00—18:00城區平均氣溫低于郊區，UHI為負，溫差最大為0.5℃，出現在15:00;19:00—10:00UHI為正，最大值為1.4℃，出現在06:00，城區熱島持續時間為 15 h。冬季，12:00—18:00城區平均氣溫低于郊區，UHI為負，溫差最大為0.5℃，出現在17:00—18:00;19:00—11:00 UHI為正，最大值為1.9℃，出現在05:00—06:00，城區熱島持續時間為16 h。城區熱島效應最強的季節在冬季，涼島效應最強的季節為秋季，夏季城、郊氣溫最為相近，熱島、涼島效應強度都比較弱。

圖1 2004—2010年不同季節晝夜城、郊平均氣溫差(UHI)的變化Fig.1 Variation of average UHI(air temperature)during day and night in 2004-2010

2.4 不同季節城、郊地面溫差晝夜變化特征

城、郊地表溫差變化與氣溫有所差別(圖2)，春季地面平均溫度城區高于郊區的時間比氣溫多1 h(19:00—10:00)，UHI最大值為1.9 ℃(07:00);白天郊區地面溫度高于城區的最大值為0.7℃。夏季地面平均溫度城區高于郊區的時間比平均氣溫少5 h(22:00—08:00)，UHI最大值為1.4℃(07:00);白天郊區地面溫度高于城區的最大值為1.5℃。秋季地面平均溫度城區高于郊區的時間比平均氣溫多3 h(17:00—09:00)，UHI最大值為1.7℃(07:00);白天郊區地面溫度高于城區的最大值為0.6℃。冬季地面平均溫度城區高于郊區的時間比平均氣溫多3 h(16:00—11:00)，UHI最大值為2.1℃(07:00);白天郊區地面溫度高于城區的最大值為0.3℃。與氣溫相比，地面溫度的城、郊差別更大。熱、涼島效應更加明顯，冬季城區的溫度高于郊區的時間達20 h，熱島效應強度較大;夏季城區涼島持續時間達14 h，UHI的絕對值也大于氣溫。

圖2 2004—2010年不同季節城、郊平均地面溫度差(UHI)的晝夜變化Fig.2 Variation of average UHI(surface temperature)during day and night2004-2010

2.5 城、郊地溫差的年際變化特征

城、郊地溫差值變化與地面深度有關(圖3)。一年之中，UHI基本上呈一正拋物線，最低值出現在5—7月。隨著深度的增加，城區地溫大于郊區的溫度月數增多，小于郊區的月數減少。10 cm處地溫城區11—2月高于郊區，3—10月郊區高于城區;20 cm處地溫城區8—5月高于郊區，6—9月郊區高于城區;深度達到40 cm，城區的地溫全年都在郊區之上。

圖3 不同深度城、郊地溫差(UHI)的月變化Fig.3 Annual variations of UHI(ground temperature)at different depth

2.6 幾種特殊氣候事件的城、郊氣溫差變化特征

2.6.1 降雪日的UHI變化特征

2008年1月15日，天水市出現了降雪天氣，日降雪量城區達2.0 mm，郊區為2.1 mm。00:00—17:00，城、郊氣溫差較小(圖4)。UHI正值持續2 h(08:00—10:00)，最大值為0.7℃;負值持續22 h，除18:00—19:00 UHI絕對值大于1.0℃外，其余時間絕對值均小于1.0℃。降雪日無日照，太陽直接輻射為0，散射輻射減弱，大氣逆輻射被阻擋，城區與郊區的熱量收支相差不大，溫度比較相近，郊區高于城區，強度較弱。

2.6.2 強降溫天氣下的UHI變化特征

2006年4月1日，天水出現了強降溫天氣，24 h城區降溫達10.3℃，郊區降溫達9.1℃。00:00—05:00 UHI基本為負值(圖5)，最大達到-0.8℃，06:00—07:00為正，最大值1.0℃。08:00—23:00城、郊氣溫相差很小。冷平流是引起大范圍低溫寒流天氣的主要因子，城、郊地理環境對溫度的影響有限，故溫差偏小。

圖4 降雪日城、郊氣溫差(UHI)的變化(2008年1月15日)Fig.4 Variation of UHI(air temperature)under snowy day(January 15，2008)

圖5 2006年4月1日強降溫天氣下城、郊氣溫差(UHI)的變化Fig.5 Variation of UHI(air temperature)under strong temperature reduction April 1，2006

2.6.3 連陰雨天氣下的UHI變化特征

2007年9月21—27日出現了連續7日的連陰雨天氣，連陰雨期間城、郊的日照時數均為0。連陰雨初期(21—22日)，城、郊氣溫差變化基本上與平均狀態一致(圖6)，即UHI白天為負，夜間為正。隨著陰雨天的持續，城、郊氣溫差愈來愈小，23日以后基本上整天全為負值，各固定時刻UHI的絕對值均小于0.5℃，25日以后，UHI負值又開始變大。在無日照或直接輻射較弱，持續時間較長的天氣狀況下，城區的熱島效應會逐漸減弱乃至停止，而涼島效應卻逐漸增強。

圖6 2007年9月21—27日連陰雨天氣下的城、郊氣溫差(UHI)變化Fig.6 Variation of UHI under long range rainfall days from September 21 to 27，2007

3 討論與結論

(1)西部中等城市熱島現象比較顯著。天水市最低氣溫差異最為明顯，最高氣溫郊區高于城區，但差異不大。熱島效應以冬季最強，夏季最弱，最高、最低氣溫的城、郊差異存在著較為明顯的不對稱性。同北京、上海等大型城市相比，熱島時間變化規律比較相似，但熱島強度遠低于東部大型城市。

(2)城、郊溫度差存在著明顯的晝夜差別。白天城區溫度稍低于郊區，城區成為“涼島”;夜間或太陽輻射較弱的時段，城區溫度高于郊區，城區成為“熱島”，城區熱、涼島持續時間為2∶1。不同季節城、郊溫差變化差異較大，冬季是城區熱島效應最強的季節，秋季是城區涼島效應最強的季節，夏季城、郊溫度差最小，熱、涼島效應都比較弱。同一季節熱島效應的強度及持續時間均大于涼島效應。

(3)地溫的城、郊差異變化基本上與氣溫一致。春、秋、冬三季的熱島效應及夏季的涼島效應比氣溫更加明顯，隨著深度的增加，城區地溫大于郊區的月份逐漸增多，40 cm以下，城區地溫全年都大于郊區。

(4)在降雪日、連陰雨日等無直接輻射的天氣下，城區一般為涼島，在寒潮強降溫天氣下，城、郊氣溫變化基本一致，無明顯差異。

(5)目前雖然西部中等城市的城市熱島現象的強度仍遠低于東部大城市，但城市增熱現象在城市氣候研究中仍不容忽視。區分城市建設規模及人口密度所引起的城市增熱程度，將是未來城市氣候研究的關注點之一。

［1］SHOBHAKAR D H.The urban heat environment and urban sustainability［M］//FRED M，KEISUKE H，PERER B.Future cities:dynamincs and sustainability.London:Kluwer Academic Publishers，2002:172-179.

［2］GRILLIES R R，CARLSON T N.Thermal remote sensing of surface soil water content with partial vegetation cover for incorporation into climate models［J］.J Applied Meteorology，1995，34:745-756.

［3］UNGER J，SUMEGHY Z，ZOBOKI J.Temperature cross-section features in an urban area［J］.Atmos Res，2001，58(2):117-127.

［4］KIDDER S Q，ESSENWANGER O M.The effect of clouds and wind on the difference in nocturnal cooling rates between urban and rural areas［J］.J Applied Meteorology，1995，34:2440-2448.

［5］BOTTYAN Z，UNGER J.A multiple liner statistical model for estimating the mean maximum urban heat island［J］.Theoretical and Applied Climatology，2003，75(3/4):233-243.

［6］GEDZELMAN S D，AUSTIN S，CERMAK R，et al.Mesoscale aspects of the Urban Heat Island around New York City［J］.Theoretical and Applied Climatology，2003，75(1/2):29-42.

［7］宋艷玲，張尚印.北京市近40年城市熱島效應研究［J］.中國生態農業學報，2003，11(4):126-129.

［8］束炯，江田漢.上海城市熱島效應的特征分析［J］.上海環境科學，2000，19(11):532-534.

［9］鄭敬剛，張景光，李有.鄭州市熱島效應研究與人體舒適度評價［J］.應用生態學報，2005，26(10):1838-1842.

［10］肖榮波，歐陽云志，李偉峰，等.城市熱島的生態環境效應［J］.生態學報，2005，25(8):2055-2060.

［11］薛志成.城市熱島效應威脅人類健康［J］.安全與健康，2002(7):15-16.

［12］KUKLA G，GAVIN J，KARL T R.Urban warming［J］.J Climate Applied Meteorology，1986，25:1265-1270.

［13］曾昭美.我國城市化增暖與人口、能源消耗工業總產值的關系［J］.南京大學學報，1994，30(1):238-246.

［14］KARL T R，DIAZ H F，KUKLA G.Urbanization:its detection and effect in the United States climate record［J］.J Climate，1988，1(11):1099-1123.

［15］鄭艷，潘家華，吳向陽.影響北京城市增溫的主要社會經濟因子分析［J］.氣候變化研究進展，2006，2(4):188-192.

［16］華麗娟，馬柱國，曾昭美.中國東部地區大城市和小城鎮極端溫度及日較差變化對比分析［J］.大氣科學，2006，30(1):80-92.

［17］OKE T R.The energy basis of the urban heat island［J］.Quart J Roy Meteor Soc，1982，108:1-24.

［18］肖榮波，歐陽志榮，張兆明，等.城市熱島效應監測方法研究進展［J］.氣象，2005，31(11):3-6.

［19］盧曦.城市熱島效應的研究模型［J］.環境技術，2003(5):43-46.

［20］謝莊，崔繼良，陳大剛，等.北京城市熱島效應的晝夜變化特征分析［J］.氣候與環境研究，2006，11(1):71-75.

［21］陳劍鋒，方漢杰，宋健.杭州城市熱島特征的初步分析［J］.浙江氣象，2004，25(1):29-31.

［22］丁金才，張志凱.上海市夏季高溫的分布及熱島效應的研究［J］.大氣科學，2002，26(3):412-420. ?