超大城市熱島效應的季節變化特征及其年際差異

張 艷，鮑文杰，余 琦，馬蔚純

復旦大學環境科學與工程系，上海 200433

超大城市熱島效應的季節變化特征及其年際差異

張 艷，鮑文杰，余 琦，馬蔚純＊

復旦大學環境科學與工程系，上海 200433

本文以超大城市上海為例，分析了近50年四季城郊溫差的總體變化趨勢，同時利用城市化進程中4個年份（1987、1990、1997和2004年）9個氣象站的氣溫數據，重點研究了上海地區熱島效應的季節變化特征及年際差異.結果表明，近50年來上海城郊溫差逐年顯著增長，年平均熱島天數頻率為86.0%，年平均熱島強度為1.17℃，秋季熱島頻率和強度高于其他季節，累積熱島強度也最大.不同時刻熱島的特征表明，夜間熱島（2∶00，20∶00時刻）累積強度在四季都較大，在春、夏季14∶00時刻熱島累積強度較大，而在秋、冬季8∶00時刻熱島累積強度較大.進一步分析表明，熱島效應的四季差異主要在于較強熱島和強熱島出現頻率的差異；秋季大氣最穩定的F類型比例較高可能是熱島效應更加顯著的原因之一.四個年份對比分析表明，1997年之前的三個年份，熱島效應的四季差異比較顯著.之后，隨著年代的推移，四季累積熱島強度逐漸趨于均化，并且夏季低強度熱島有向中強熱島和強熱島轉化的趨勢，一定程度上反映了夏季人為熱的貢獻.

熱島效應，熱島累積強度，季節及年際差異，上海

1 引 言

城市熱島效應是在城市化地區的人為因素和局地氣象條件共同作用下形成的，城市熱島的研究不僅對于認識城市熱量平衡以及一系列邊界層現象具有重要意義，而且在城市環境保護與規劃、城市建筑設計、生態城市建設、能源利用以及居民保健等方面都有實際應用價值.1999年在芝加哥和2003年在印度，過高的氣溫導致了人群死亡率的增加，對居民健康造成不利的影響［1］.此外，由于城市區域氣溫升高而造成的能源浪費也不容忽視，根據估計，美國因熱島效應而在空調等方面多花費的能源費用，每年就達200億美元［2］.

在熱島研究中，最常見的就是利用氣象資料，用城區平均氣溫減去郊區平均氣溫，以其差值衡量熱島強度的大小［3］.對熱島影響因素的研究發現，建成區面積1）、不同土地利用類型、人口密度等因素影響著城市熱島強度［4－5］.

20世紀80年代以來，我國城市化迅速發展，北京、上海、廣州等大城市熱島效應的研究引起了學者們的廣泛重視.

在對氣溫和熱島效應長期變化規律的研究中，江志紅等以年均氣溫為指標，考察了較長時間尺度下，上海氣溫的變化趨勢.研究結果表明，近百年上海氣候變暖主要表現為三次突然增暖，分別位于20世紀一二十年代，三四十年代和八九十年代［6］.林學椿等發現隨著城市化的發展，熱島強度也出現了躍變式的增強［7］.這些研究揭示出氣候和熱島效應長時間尺度的總體發展趨勢，但未對其進行季節變化和日變化的分析.在熱島效應的日變化研究中，楊玉華等在北京的研究中發現18∶00開始，熱島迅速增強，到午夜0∶00熱島強度達到最大，從早晨7∶00開始，熱島強度迅速減弱［8］.從北京熱島強度的日變化振幅來看，冬季最大，夏季最小［9］.鄧蓮堂等研究認為上海的熱島可根據熱島強度日變化曲線形態，“大致分為兩種類型：A類熱島強度大，日變化明顯，經常出現兩個極大值；B類熱島強度稍弱，日變化趨勢比較平緩，變化幅度較小”［10］.

在對熱島效應的季節差異研究中，鄧蓮堂等利用Davis自動氣象觀測站，采集了426天的氣象數據，分析發現，“上海市全年各月熱島平均強度以秋冬季節較強，夏季較弱.夜間熱島強度以秋冬季節最強，晚春和夏季為最弱”，白天熱島在春季和初夏相對較強，而在秋季則減弱到最低［10］.江田漢等選取了1999年1—3月以及1999年7—9月自動氣象觀測站數據，研究上海城市熱島效應的小波特征，認為上海城市熱島明顯呈多時間尺度結構，由各種尺度的熱島疊加而成.冬季熱島的尺度結構比較單一，夏季熱島的尺度結構比較復雜［11］.這些研究借助自動氣象觀測站數據點較密集的優勢，對熱島效應的季節差異進行了研究，但時間跨度和監測天數較少，沒有揭示出四季差異隨年份推移的變化規律.

綜上所述，以往的研究有的以長時間序列的熱島強度變化作為研究重點，而未考慮四季差異，有的以日變化特點為研究重點，而未考慮熱島強度日變化在不同季節和年代的差異.所以，基于長時間序列的熱島強度及其日變化的四季差異，還缺乏更多的實證研究.

鑒于此，本文采用1987、1990、1997和2004年4年上海地區9個氣象站逐日4次的觀測數據，并結合其中2個站點1960—2006逐年季平均氣溫數據，研究上海地區熱島累積強度的四季差異和不同季節熱島出現的規律與特征，并探討不同季節影響城市熱島的主要因素.

2 研究區域和數據來源

2.1 研究區域

近20年來，上海經歷了快速的城市化過程，1984年上海市建成區面積僅為176km2，到1997年已達421km2，到2004年則高達781km2.伴隨經濟增長和城市化進程，上海市人口穩步增長，且人口密度的城郊差異增大，到2007年底，上海市常住人口數為1858萬，屬于城區的黃浦區人口密度高達42055人／km2，而屬于郊區的青浦、奉賢、金山等區人口密度只有1100人／km2左右.

2.2 數據來源和研究方法

本文首先選用1960—2006年徐家匯（S1）、奉賢（S8）2個站點季平均氣溫數據研究上海市氣溫季節變化的總體趨勢.在此基礎上，選取快速城市化進程中的四個年份1987、1990、1997、2004年作為代表，研究熱島效應的年代差異.數據時間跨度為17年，涵蓋了上海市氣溫出現躍變的時段——20世紀80年代末至90年代初［12］.所選用數據為，上海市11個氣象站點4年逐日4次（2∶00，8∶00，14∶00，20∶00）的氣溫觀測數據.11個站點分別為徐家匯（S1）、閔行（S2）、嘉定（S3）、南匯（S4）、金山（S5）、青浦（S6）、松江（S7）、奉賢（S8）、川沙（S9）、崇明（S10）和寶山（S11）.

11個站點中，崇明站由于地處被水域包圍的島嶼上，且站點離水域較近，作為陸域郊區氣溫的代表性較差，因此在計算時不考慮該站.寶山站位于城郊結合部，在較早的年代可以代表郊區狀況，但由于近年來城市化進程加快，寶山站在20世紀90年代初以后就可被看作城區的代表，為了防止歸類不清帶來的誤差，計算熱島強度時，也不考慮寶山站.

參與熱島強度計算的9個站點中，除金山站外，其余站點的地址遷移都較小，最大不超過3′（約6km）.其中，徐家匯站位于市區，其數據可代表城區氣溫.其余8個站點可代表郊區氣溫.金山站在2003年有較大位置遷移，但氣象站在遷移前后都位于城市化程度較低的郊區，其數據可代表郊區的氣溫.所有站點的高程差很小，無需作氣溫的垂直校正.

城市熱島強度（UHI）的大小用城區氣溫與郊區平均氣溫的差值來衡量，即ΔTu－r＝S1－［（S2＋S3＋S4＋S5＋S6＋S7＋S8＋S9）／8］.若ΔTu－r＞0.5℃，則認為存在熱島效應，如果一天四個時刻中任一時刻出現了熱島，就認為這一天存在熱島效應.在一段時間內挑選出所有出現熱島效應的時刻，計算其熱島強度之和，即為熱島累積強度，可用公式表示為［10，13］

式中：s表示某一季節，即第s個季節，k為該季節中第k次熱島，Ts，k表示第s個季節第k次熱島的強度.

圖1 氣象站點位置示意圖Fig.1 The locations of meteorological stations

3 近50年上海城郊溫差的季節變化

近50年來，上海城區和郊區氣溫都呈現明顯的上升態勢，徐家匯和奉賢站點的增溫率分別為0.5和0.2℃／10a［12］.徐家匯站點為建筑物密布的城市中心，奉賢站點周圍為大片農田，兩站點氣溫差值可代表城郊溫差，圖2給出了近50年上海四季平均城郊溫差的變化.從圖2可見，總體上說，各季城郊溫差呈波動上升態勢；分季節來看，春夏秋冬四季城郊溫差增加率分別為0.29、0.28、0.33、0.26℃／10a.隨著年份的演變，2000年以后，秋季的城郊溫差增加趨勢最顯著，城郊溫差的增加幅度大于其他季節，也暗示著秋季更容易出現熱島.同時，春夏兩季城郊溫差的變化趨于一致.

圖2 近50年上海四季平均城郊溫差（徐家匯—奉賢）的年際變化（徐家匯站：代表城區；奉賢站：代表郊區）Fig.2 Differences in seasonal averaged temperatures between Xujiahui and Fengxian district in past 50years

4 熱島效應的季節變化特征

4.1 熱島季節變化的總體特征

采用4年（1987、1990、1997、2004年）的氣溫資料，依據2.2節確定的計算方法和篩選條件，統計得到上海出現熱島的天數頻率為86.0%，這與其他研究者得出的熱島出現頻率為85.13%的結論［14］一致.春夏秋冬四季出現熱島的天數頻率分別為83.7%、84.9%、90.2%和85.3%，年平均熱島強度為1.17℃.上海4年內四季熱島的平均出現頻率和平均強度統計如表1所示.

表1 上海四季熱島平均出現頻率和平均強度Table 1 Seasonal average frequencies andmagnitudes of UHIs in Shanghai

從表1可見，上海地區城郊溫差幾乎常年存在，熱島出現頻率維持在一個較高水平.熱島效應的四季差異主要體現在兩個方面：

（1）熱島出現頻率的差異.秋季熱島頻率高于其他季節，為90.2%，春季則最低，為83.7%，秋、春季熱島頻率之比為1.08.若統計強度大于1℃的熱島，則出現頻率的季節差異更加明顯，秋季頻率最高，為71.2%，夏季最低，為51.6%，秋、夏季熱島頻率之比為1.38.

（2）熱島強度的差異.總體上說，熱島強度的差異性規律與熱島頻率季節差異的規律相對應，秋季熱島強度最大，達1.31℃，夏季最小，為1.04℃；秋季熱島強度高于年平均熱島強度，而其他三個季節的熱島強度均低于或等于年平均值.因此，從4年平均狀況來看，上海秋季的熱島出現次數最多，強度也最大，熱島效應最明顯.

為進一步研究四季熱島的差異，用一天4次（2∶00，8∶00，14∶00，20∶00）的氣溫觀測數據進行熱島強度和頻率的統計.對每一次出現的熱島進行強度等級劃分，并定義熱島強度0.5～1.0℃為低強度熱島，1.0～1.5℃為中強度熱島，1.5～2.0℃為較強熱島，2.0℃以上為強熱島.計算各季節各強度等級熱島出現的次數，分別除以四個季節的觀測次數，統計得到各季節各強度等級熱島的出現頻率（圖3）.

圖3 不同強度等級熱島四季出現頻率的差異Fig.3 Frequency differences of different level UHIs among four seasons

從圖3可見，在平均熱島強度最大的秋季，中、低強度熱島出現頻率與其他季節相當，而較強熱島和強熱島出現的頻率則明顯高于其他季節.平均熱島強度最小的夏季，中、低強度熱島出現的頻率也與其他季節相當，但較強熱島和強熱島的出現頻率則明顯少于其他季節.因此，上海地區熱島的四季差異主要是由較強和強熱島出現頻率的差異引起的.

4.2 熱島季節變化的各時刻差異

圖4 四季不同時刻熱島累積強度Fig.4 Seasonal accumulated UHIs at different times of day

利用1987、1990、1997和2004年逐日4個時刻（2∶00，8∶00，14∶00，20∶00）的氣溫觀測數據，討論逐時熱島效應的四季差異.圖4分季節給出了不同時刻的熱島累積強度.

四個季節2∶00和20∶00時的熱島累積強度都較大，表明上海地區存在典型的夜間熱島特征.這是由于城區下墊面熱慣量大于郊區，能存儲較多的熱量［15］，在夜間，當能量以長波輻射的形式向城區大氣傳遞時，能夠減緩城區氣溫的下降，而郊區氣溫則下降較快，從而出現熱島效應.同時，城市熱島強度與近地層大氣穩定度密切相關，穩定的大氣層結有利于熱島的形成［16］，由于夜間大氣相對較穩定，因此，城市熱島通常在夜間較顯著［10，17］.上海地區2∶00與20∶00時刻熱島效應顯著的特征與此相符.

而秋、冬兩季8∶00時刻熱島累積強度也較大.8∶00時刻熱島出現在夜間和白天的過渡時間，一定程度上可以看作是夜間熱島的延續.秋、冬季大氣穩定度較高，長波輻射對大氣的加溫被積累，城郊間熱量交換受到抑制，有利于夜間熱島的形成.同時，由于晚秋和冬季夜長晝短，在夜間熱島持續時間較長的情況下，日出之后，在太陽輻射的影響下，城區和郊區的溫差比日出前有所增加，而8∶00時的大氣層結也較穩定，有利于城郊溫差的保持，因此秋、冬季兩季8∶00時熱島累積強度較其他季節大.

春、夏兩季白天14∶00時熱島強度較大.一般來說，白天大氣對流活躍，風速較大，城、郊間水平和垂直方向的大氣混合較強，因城、郊下墊面對太陽輻射吸收程度不同而產生的溫差，在較強的太陽輻射下，達到一定的強度，形成熱島效應.因此，14∶00時典型的白天熱島在太陽輻射強烈的夏季更容易出現.

4.3 熱島季節變化的年際差異

表2分季節統計了1987、1990、1997、2004年這4年的熱島累積強度.從表中可見，除了1990年與1987年相比，冬季熱島累積強度減小之外，其他各年代間，四季的熱島累積強度呈逐年增加趨勢.前3個年份，熱島累積強度的季節差異明顯，秋季強度最大，夏季強度較小.但從1997年到2004年，季節差異顯著減小，四季分布趨向于平均.如1987年，春、夏兩季熱島累積強度均為該年平均值的77%左右，秋、冬季則分別為平均值的134%和112%，但到了2004年，春、夏兩季熱島累積強度均上升到平均值的95%左右，秋、冬季則分別下降到平均值的109%和100%.

表2 逐年熱島效應累積強度季節特征Table 2 Seasonal variations of accumulated UHI magnitude in different years

熱島累積強度取決于熱島出現頻次和熱島強度兩個因素.表3以一日四次的氣溫觀測資料為依據，統計了各年份各季節熱島出現頻次.1987—1997年間，熱島頻次的四季差異較明顯，秋季熱島頻次明顯高于其他季節.1987、1990和1997年，秋季熱島頻次分別高于四季平均熱島頻次的25%、25%和30%.而夏季熱島頻次則分別低于四季平均頻次的14%、1%和24%.但到了2004年，四季熱島頻次趨于均化，秋季頻次低于四季平均值的6%，而夏季頻次則高于四季平均頻次的2%.從熱島頻次來看，隨著年份變化，春夏兩季的頻次變化較為顯著，這是導致2004年四季熱島頻次均化的直接原因.

表3 逐年熱島出現頻次的四季差異Table 3 Seasonal variations of the times that UHI occurred in different years

表4統計了1987—2004年各年份的四季平均熱島強度.與累積強度變化類似，總體上說，四季熱島強度均有明顯的逐年增強的趨勢.1987—1997年間，平均熱島強度的四季差異比較顯著.從1997年到2004年，四季間的強度差異顯著減小，這種差異減小的趨勢主要由夏季熱島強度的增加而引起.在1997年和2004年，夏季平均熱島強度比四季平均熱島強度分別低18%、6%，總體上呈現出明顯的上升，而秋季平均熱島強度與四季平均值相比，則分別比其高13%、16%，變化較為穩定.

表4 逐年熱島強度的四季差異Table 4 Seasonal variations of average UHI magnitude in different years

總體來說，四個年份對比分析表明，夏、秋兩季在熱島出現頻次上的變化，以及夏季在熱島強度上的變化，造成了四季累積熱島強度趨于平均.因此進一步分析夏季熱島出現頻次和強度上的變化特征.以4.1節中給出的熱島強度等級劃分為依據，統計夏季每一強度等級的熱島各年份的出現頻次，結果如圖5.

圖5 不同強度等級夏季熱島出現次數變化趨勢Fig.5 Variations of the times that summer UHI of different levels occurred in different years

從圖5中可見，低強度熱島出現次數在1990年以后逐步減少，與此同時，中強和各型強熱島出現次數逐年增加，尤其是中強熱島出現的次數顯著增加.由此可以推斷，隨著年代的推進，低強度熱島有向中強熱島和強熱島轉化的趨勢，夏季熱島總體上趨于增強.而正是這種趨勢導致了各季節的熱島差異逐漸減少.

5 熱島效應季節變化的成因初探

影響熱島強度的因素主要有氣象條件和人為因素兩大類.氣象條件主要包括天氣形勢、風速、云量、大氣穩定度等；人為因素主要包括下墊面的改變、人為熱、大氣污染等.

5.1 氣象條件

上海屬于中亞熱帶季風氣候，氣象條件的季節變化明顯.大量觀測事實證明，風速小、氣壓梯度小的穩定天氣形勢有利于熱島的生成［18］.以帕斯奎爾－特納爾穩定度分類法（P－T分類法）計算上海市大氣穩定度，統計2004年四季中各穩定度出現的頻率（圖6）.

P－T分類法中，A類極不穩定，B類不穩定，C類弱不穩定，D類中性，E類弱穩定，F類穩定.從圖6可見，在秋季，最穩定的F類天氣出現頻率達35%左右，高于其他三個季節，在這樣的天氣條件下，城市和郊區間的大氣混合作用較弱，有利于熱島的出現和發展，并且強度更強，這可能是秋季熱島比其他季節更加顯著的原因之一.

圖6 上海市大氣穩定度出現頻率的四季差異Fig.6 Seasonal variations of atmospheric stability in Shanghai

5.2 人為因素

熱島強度與一個地區的GDP、人口、建成區面積以及人為熱的排放等人為因素密切相關［19－20］.由于GDP、人口、建成區面積季節差異不明顯，而就目前所知，人為熱排放的季節差異比較明顯，故夏季熱島強度增強，并從低強度向中高強度轉化，很可能與近年來上海夏季人為熱排放增加有關.

隨著上海產業結構的調整，第三產業產值在總產值中的比例逐年增加，同時，隨著人民生活條件的改善，上海城區居民空調擁有量持續上升（圖7）.在上海，包括金融業、商業、餐飲業等的第三產業主要集中于城區，這些行業空調使用而導致的人為熱排放也必然集中于城區.同時，我們注意到，城區人口密度遠大于郊區，且城區居民空調平均擁有量高于郊區居民，因此，由于居民家庭使用空調而排放的人為熱也主要集中于城區.目前，上海的空調使用存在明顯的季節差異，夏季使用率較高，近年來，夏季用電負荷中空調用電增長迅速即可說明這一點［21］.可見，在上海，由于空調使用而產生的人為熱排放主要集中在城區并集中于夏季，因此推測，20世紀90年代后期空調使用量的迅速增加可能是導致夏季城郊溫差增大的重要原因，并使夏季的熱島效應由低強度向中、高強度轉化.

圖7 上海市第三產業所占比重及每百戶城市居民空調擁有量變化Fig.7 Variations of tertiary industry percentage and the air－conditioning inventory in Shanghai

6 結 論

本文利用上海地區多個站點較長時間序列的氣溫觀測數據，以統計方法研究了上海熱島效應的特點，重點研究了熱島效應的四季差異.研究發現，近50年來上海城郊溫差的增長趨勢較顯著，各季城郊溫差呈波動上升態勢；2000年以后，秋季的城郊溫差增加趨勢最顯著.從1987、1990、1997和2004年四個年份平均來看，熱島效應在超大城市上海地區常年存在，其出現的天數頻率達86.0%.上海地區熱島效應的四季差異也較顯著：秋季熱島現象最明顯，夏季熱島效應相對較弱，冬春兩季介于秋、夏之間.從熱島出現的時刻來看，上海地區2∶00和20∶00時刻的熱島，即夜間熱島在四季均較顯著；14∶00時刻的熱島作為典型的白天熱島，在太陽輻射較強的春、夏季容易出現；8∶00時刻的熱島作為夜間熱島的延續，則在大氣較穩定的秋、冬季更顯著.隨著年代的變化，尤其從1997年到2004年間，春夏兩季熱島頻次的增長較為顯著，夏季熱島中，低強度熱島有向中、高強度熱島轉化的趨勢，使得四季的累積熱島強度趨于均化，熱島的四季差異趨于減小.這種變化可能是由于近年來上海城區空調使用導致的人為熱在夏季顯著增加所造成的.

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Study on seasonal variations of the urban heat island and its interannual changes in a typical Chinese megacity

ZHANG Yan，BAO Wen－Jie，YU Qi，MA Wei－Chun＊
Department of Environmental Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China

The differences between the urban and rural temperatures in the past 50years were analyzed based on the seasonal averaged data from 1960to 2006at two meteorological stations in Shanghai megacity.Moreover，the characteristics of the urban heat island（UHI）in Shanghai for the last two decades were studied based on air temperatures measured four times per day at nine stations in 1987，1990，1997and 2004in urbanization process.The corresponding seasonal variations of UHI in Shanghai were discussed.The results showed that the temperature differences between urban area and suburb were increasing in fluctuations，UHI occurred in 86.0%days of a year with an average magnitude of 1.17℃，and the frequency and magnitude of UHI in autumn were higher than those in other seasons，with the highest accumulated UHI.The accumulated intensities of night－time UHI（2∶00，20∶00）were significant in all four seasons，but that at 14∶00were more significant in spring and summer，and that at 8∶00is more evident in autumn and winter.It can be inferred that the seasonal variations could mainly be attributed tothe frequency difference between mid－intensity UHI and high－intensity UHI.Besides，the F－level stability condition occurred more frequently in autumn，which could account for the enhancement of autumn UHIs.Also the differences among 4years were discussed.The accumulated intensity of UHI was the strongest in autumn，while weakest in summer before 1997.However，the accumulated intensities of UHI of four seasons tended to be equalized during 1997—2004.In summer，low－intensity UHI tended to change into mid－magnitude and high－magnitude UHI，which could be caused by anthropogenic heating in some degree.

Urban heat island，Accumulated intensity of UHI，Seasonal and annual variation，Shanghai

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.007

P423

2010－10－04，2012－03－01收修定稿

國家自然科學基金（41005076）資助.

張艷，講師，研究方向為氣象學、大氣環境.E－mail：yan＿zhang＠fudan.edu.cn

＊通訊作者馬蔚純，男，1969年生，副教授，研究方向為城市氣候學、大氣環境、地理信息系統等.E－mail：wcma＠fudan.edu.cn

張艷，鮑文杰，余琦等.超大城市熱島效應的季節變化特征及其年際差異.地球物理學報，2012，55（4）：1121－1128，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.007.

Zhang Y，Bao W J，Yu Q，et al.Study on seasonal variations of the urban heat island and its interannual changes in a typical Chinese megacity.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1121－1128，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.007.

1）建成區是指一個市政區范圍內經過征用的土地和實際建設發展起來的非農業生產建設的地段，包括市區集中連片的部分以及分散在近郊區域與城市有密切聯系，具有基本完善的市政公用設施的城市建設用地（如機場、污水處理廠等市政設施）.

（本文編輯 何 燕）