青島地區城市熱島效應研究＊

董海鷹，侯建偉，劉學忠，郭麗娜，馬 艷

（青島市氣象局，山東 青島266003）

青島地區城市熱島效應研究＊

董海鷹，侯建偉，劉學忠，郭麗娜，馬 艷

（青島市氣象局，山東 青島266003）

選取1978—2007年青島城區和郊區代表站的氣象觀測資料，運用氣候統計等方法，分析了在全球變暖的大背景下，青島地區城市熱島效應的年際和季節變化特征和趨勢，結合衛星遙感資料分析和地理信息應用等研究，總結青島城市熱島效應的時空分布特征，提出緩解城市熱島效應的建議和措施。

城市熱島效應；遙感監測；緩解措施

城市熱島效應是指當城市發展到一定規模，由于城市下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區，形成類似高溫孤島的現象。城市熱島效應是城市化形成的特殊城市氣候，是現代都市的典型氣候特征之一。隨著城市的發展，熱島效應對城市規劃布局、經濟發展及人群健康等許多方面的影響日益突出。各級政府高度重視城市“熱島現象”，努力采取多種辦法減輕其危害程度，還原一個美好的城市環境。從表面來看，城市熱島效應所反映的只不過是一個城鄉之間溫度的差別，但這種效應本身卻是受多種因素影響的，這些因素包括城市綠化率和綠地分布、城市內各種地面性質、建筑布局、城市大氣污染排放和人工熱源等。

19世紀初，英國氣象學家Howard［1］發現倫敦城區氣溫比四周郊區氣溫高。此后，各國學者對不同區域城市熱島的存在、周期性變化、長期變化、垂直結構、影響因子和形成原因，以及城市熱島所產生的影響等開展了大量的研究工作，取得了許多研究成果［2－3］。我國大規模地研究城市熱島效應，開始于20世紀80年代，對上海、廣州和北京等地都組織了規模較大的城、郊氣溫對比觀測和研究，得到了很多有益的結果［4－6］。

青島市地處山東半島東南部，東側為嶗山灣，南面直接瀕臨黃海，西面有膠州灣，處于三面環海的位置，為海濱丘陵城市。自1978年改革開放后，青島進入快速城市化進程中。90年代青島實現城市中心東移和行政區劃重大調整，市區總面積由80年代初的100km2左右增長到1 316.27km2。進入21世紀，隨著在西海岸建設經濟重心的實施和城市社會經濟發展的需要，城鎮范圍逐步擴大，城市熱島效應愈加顯著。在這種形勢下，研究并分析青島市的“熱島效應”特征，總結出反映濱海丘陵城市特點的規律，就顯得更為急迫。

本研究基于自動站資料，選取1978—2007年青島城區代表站——嶗山站（位于李滄區青峰路，為大面積城市建成區所包圍）和青島郊區代表站——平度站（位于平度區淄陽街，屬于青島市的遠郊區）的觀測資料，利用氣候資料、地面觀測、衛星遙感資料、地理信息系統等多學科的知識和研究方法，總結出青島城市熱島效應強度的分布特征，并提出緩解城市熱島效應的建議和措施。

1 城市增溫趨勢

在與氣候有關的研究中，氣溫是重點被關注的氣象要素。談到氣溫的變化，首先必須考慮全球氣候的變化背景。圖1給出了自有溫度計觀測以來全球平均氣溫的變化走勢，圖中每個點的數據均是將當年的平均氣溫減掉一個基準氣溫得到的值，而這個基準氣溫是30a（1961—1990年）氣溫的平均值［7］。

由圖1可見，自1900年以來，全球平均氣溫總體呈現出上升趨勢。這是由于人類活動中溫室氣體的排放，尤其是在化石能源開采和燃燒過程中產生的二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）的排放而造成的。在1900—2000年的100a時間內，全球平均氣溫上升了約0.8℃。在這種大背景下，青島的快速城市化進程，起始于改革開放后的20世紀80年代。與此同時，在1981—2000年，全球平均氣溫上升幅度達到了空前的0.6℃左右。

圖2是近30a來青島2個對比站嶗山站和平度站年平均氣溫變化趨勢，通過2個站數據對比，可以看出城、郊之間升溫趨勢的差異。如果單純將氣溫變化當作一個線性趨勢，則在1978—2007年，城區代表站嶗山站的年平均氣溫增幅達2℃左右，而對比站平度站的年平均氣溫增幅為1.6℃左右，嶗山站的增幅更大，它們在30a的變暖幅度大于全球增溫的平均水平的這一事實，很大程度上應該歸因于青島地區快速的城市化進程，尤其是市區遠快于遠郊區。由氣溫距平數據（圖3）可清楚地看出，從90年代中期至今，2個站氣溫大多較常年偏高，升溫非常顯著。上世紀2個站的平均氣溫相差較小，但從本世紀開始，城區代表站嶗山站與對比站平度站的氣溫差越來越明顯，說明青島地區快速的城市化進程對氣溫的影響變得越來越明顯。

2 青島地區城市熱島效應特征

城市熱島現象是任何現代化城市發展過程中都不能避免的問題，是伴隨著城市化而特有的城市氣候現象。城市熱島強度（UHI）定義為中心城區與郊區的氣溫差值，也是衡量一個城市氣候環境質量的重要參考依據，差值愈大，則表示熱島效應愈強。下面將以嶗山站和平度站為城區和郊區的代表站，分析青島地區熱島強度的變化規律。

2.1 城市熱島強度年際變化特征

從利用青島地區1978—2007年逐年年平均氣溫和最低氣溫計算得到的城市熱島強度變化趨勢（圖4）來看，總體上兩者均呈上升趨勢，且近30a青島地區的平均熱島強度（圖5）UHI最低氣溫（1.78℃）＞UHI平均氣溫（0.62℃）。嶗山站所在地（現屬青島市的李滄區）以前是嶗山縣城，改革開放以前，其發展緩慢，改革開放之后，其城市化發展很快，迅速發展成為城區，其熱島效應（1978—1983年）也發生突變，顯著增強。一般來說，一天中氣溫最低的時候出現在夜間，而夜間的城市由于建筑物之間留存了較多熱量，因此與鄉村地區之間的溫差比白天更為明顯。李滄區在1978—1983年的短時期內發展成為城市環境區，其地表覆蓋的各種屬性（土地利用、建筑密度、人口密度、人為熱源）在短時期內發生較大變化，是其夜間城市熱島效應強度（UHI最低氣溫）在短時間內發生突變的主要原因。從1983年至今，根據平均氣溫或最低氣溫計算的UHI值仍然呈不斷上升的趨勢，表明青島的快速城市化進程正在對局地的熱環境造成日益明顯的影響。

2.2 城市熱島強度季節變化特征

青島地區城市熱島強度隨著不同的季節也有明顯的變化。圖5是城區和郊區各個季節和全年的平均氣溫（最低氣溫）的差值，可以看出，用平均氣溫計算的青島地區UHI的季節變化特征為UHI冬季（1.42℃）＞UHI秋季（1.21℃）＞UHI春季（0.09℃）＞UHI夏季（－0.20℃）；用最低氣溫計算的青島地區UHI的季節變化特征按季節排序，同樣為UHI冬季（2.26℃）＞UHI秋季（2.15℃）＞UHI春季（1.71℃）＞UHI夏季（1.00℃）。可以看出，冬、秋季熱島強度最大，春季次之，夏季熱島強度最小。這種季節變化的規律可能與冬、秋的取暖季節，城市余熱排放有密切關系。

此外，在全球氣候變暖的大背景下，青島氣溫的變化與城市的快速發展有著密切的關系。在“冬無嚴寒，夏無酷暑”的青島市區，近些年夏季悶熱天氣卻越來越多，與之相對應，用于空調的能耗則逐漸升高，城市熱島效應對于青島夏季逐漸增多的高溫悶熱天氣也有一定貢獻。

2.3 城市熱島效應遙感監測特征

“資源衛星”本是用來探測地球資源的人造衛星，因其大面積的涵蓋能力，突顯出衛星遙測的潛力。其中，美國發射的大地衛星（Landsat）系列，得到了廣泛的應用，特別是大地衛星的主題圖（Thematic Maper）影像，即一般研究人員所稱的TM影像，因具有30km的高分辨率，更具應用價值。

本節利用陸地衛星影像得到不同土地利用和土地覆蓋類型，利用Landsat5TM的遙感數據，研究青島市地面溫度的情況，得到城市地表溫度信息，分析不同用地類型與地表溫度和城市熱島強度（UHI）之間的關系。

對比分析2006－10－27T10：00青島市的土地利用類型和地表溫度分布圖（圖6）可以看出：平均地表溫度的空間分布格局均與青島市的建設用地和綠地的分布格局一致。在工業、商業或居住密集區溫度較高，而在綠地、農田、水庫、山林等地區溫度較低。需要說明的是海洋效應會減弱濱海區域的熱島強度，此外，西部山區溫度普遍較低，是由秋季上午10：00太陽高度角較低造成山體陰影面積較大所致，另外，山區植被覆蓋度較高的低溫效應也加大了山區與城區地溫之間的差異。

綜上所述，城市中較大水體和綠地能緩解城市熱島強度，表現為熱島中的低溫中心。從圖6可見，青島市建筑、人口密集的城區為高溫區，市區內低溫區域主要是城市中的水體和植被，它們星羅棋布的分布在中溫區、較高溫區和特高溫區中間，與公園、森林分布區域和水體的所在地相對應。例如森林植物園、中山公園、浮山和嶗山森林風景區等，由于森林和公園內水體、綠地的作用，緩解了熱島強度，在熱紅外圖像上形成了城市熱島效應的不連續現象，受之影響其周圍地域的地面亮溫也比較低，Quattrochi［8］和周紅妹［9］等在分別對亞特蘭大等一些美國城市和上海市的熱島效應進行研究時，也都得出過類似的結論，可見生態保護和綠化建設對青島的熱島效應有顯著的抑制作用，對緩解城市熱島效應有很重要的意義。

3 緩解熱島效應的建議和措施

城市熱島效應與城市下墊面性質和結構、植被覆蓋等有密切關系，為了有效緩解城市熱島效應，最好的辦法是通過各種途徑增加自然下墊面的比例。城市綠地是城市中最主要的自然因素，大力發展城市綠化 ，是減輕熱島影響的關鍵措施。研究表明，城市綠化覆蓋率與熱島強度成反比，綠化覆蓋率越高，熱島強度越低，因此建立規模化的集中綠地是最能直接削弱城市熱島效應的措施。

為了有效緩解城市熱島效應，青島市未來的建筑設計需注重環境負荷建筑容積與高綠地覆蓋率相結合，對現有高建筑容積區需大幅度增加綠地覆蓋率，調節地表輻射溫度。建設綠色屋頂，采用高反射率地表材料，積極推行房頂和墻壁綠化，可以增加汽化、蒸騰量。大力加強城市綠地建設和保護，充分利用土地資源和空間環境，因地制宜地集中建設綠地，見縫插針地增加綠地景觀的連通度，在工業區周邊增設防護林地，在城市邊緣保存開敞的生態地帶形成“城市供氧調溫風道”，提高綠地生態環境效益。風、水面等自然因素也可有效緩解城市的“熱島效應”。風是“熱島效應”的“天敵”，當風刮起來的時候，熱島就失去了存在的理由，通過大氣環流，熱島與周圍地區的空氣進行交換，以此降低自身的溫度。水面不僅構成了城市美麗的景觀，當溫度升高時，它的蒸發作用能冷卻空氣，使環境溫度降低。城市水域的功能不僅在于暢通給水，增加景觀，也是調節城市小氣候的一個“肺葉”，在某種程度上是綠化無法代替的。因此，使建筑低層化和合理分散化，同時在市內構建寬敞的道路，暢通城市的“通風道”，嚴格保護現有水域面積和水質，在有條件地區或生態環境脆弱的重點地區合理增加水體面積，使各種可滲透表面（綠地、水體、農田等）的生態服務功能的降溫效應得到最大程度發揮。

4 結 論

綜上所述，隨著青島地區城市化進程逐漸加快，城市建設規模的擴大、人口的增多、地面的硬化、污染的加重等使城市的氣溫較周圍要高，形成城市熱島。在“冬無嚴寒，夏無酷暑”的青島，近些年夏季悶熱天氣卻越來越多。為此，本文通過研究和分析，得到以下結論：

1）受全球升溫的影響，青島城區和郊區氣溫也加速上升，增溫明顯，城區尤甚。

2）利用青島地區1978—2007年逐年年平均氣溫和最低氣溫計算得到的城市熱島強度變化趨勢來看，兩者總體上均呈上升趨勢。青島地區城市熱島強度隨著不同的季節也有明顯的變化：冬、秋季熱島強度最大，春季次之，夏季熱島強度最小。

3）對比分析2006－10青島市的土地利用類型和衛星遙感地表溫度分布圖可以看出：平均地表溫度的空間分布格局均與青島市的建設用地和綠地的分布格局一致。可見生態保護和綠化建設對青島的熱島效應有顯著的抑制作用，對緩解城市熱島效應有很重要的意義。

4）城市“熱島效應”的成因是多方面的，所以緩解“熱島效應”是一項長期的、綜合性的系統工程，需要各方面的努力和配合。

（References）：

［1］HOWARD L.The climate of London deduced from meteorological observation［M］.London：Harvey and Darton，1833.

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［3］JONES P D.Assessment of urbanization effects in time series of surface air temperatures over land［J］.Nature，1990，347（4）：169－172.

［4］JI C P，LIU W D，XUAN C Y.Impact of urban growth on the heat island in Beijing［J］.Chinese Journal Geophysics，2006，49（1）：69－77.季崇萍，劉偉東，軒春怡.北京城市化進程對城市熱島的影響研究［J］.地球物理學報，2006，49（1）：69－77.

［5］DING J C，ZHANG Z K，XI H，et al.A study of the high temperature distribution and the heat［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2002，26（3）：412－420.丁金才，張志凱，奚紅，等.上海地區盛夏高溫分布和熱島效應的初步研究［J］.大氣科學，2002，26（3）：412－420.

［6］LI C M，CHEN X G，TANG L S，et al.Characteristics of urban heat－island intensity of Guangzhou in 2005［J］.Guangdong Meteorology，2006，11（4）：30－33.李春梅，陳新光，唐力生，等.廣州市2005年熱島強度變化特征［J］.廣東氣象，2006，11（4）：30－33.

［7］WATSON R T，DANIEL L A，IPCC WORKING GROUPⅢ.Climate Change 2001：Synthesis Report［M］.United Kingdom：Cambridge Univesity Press，2002：49.

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［9］ZHOU H M，ZHOU C H，GE W Q，et al.The surveying on thermal distribution in urban based on GIS and remote sensing［J］.Journal of Geographical Sciences，2001，56（2）：189－196.周紅妹，周成虎，葛偉強，等.基于遙感和GIS的城市熱場分布規律研究［J］.地理學報，2001，56（2）：189－196.

Study on the Heat Island Effect in Qingdao City

DONG Hai－ying，HOU Jian－wei，LIU Xue－zhong，GUO Li－na，MA Yan
（Qingdao Meteorological Bureau，Qingdao 266003，China）

Based on the meteorological data of both urban and rural areas from 1978to 2007and using climate statistics，the annual and seasonal variation characteristics of Heat Island Effect in Qingdao City were analyzed.Combing with satellite remote sense data and geographical information，the space－time distribution characters of Heat Island Effect in Qingdao City were obtained and the suggestion and measure for relieving this effect were proposed.

Heat Island Effect；remote sense；relieve measure

October 22，2010

P412.11

A

1671－6647（2012）01－0017－07

2010－10－22

青島市“環灣保護、擁灣發展”戰略研究項目——膠州灣氣象變化和城市規劃關系研究（1392）

董海鷹（1980－），女，山東青島人，碩士，主要研究大氣物理與大氣環境方面研究.E－mail：dhydong＠126.com

（杜素蘭 編輯）