北京市朝陽區熱島效應特征分析

戴高菊，李 艷，張子曰

(北京市朝陽區氣象局，北京 朝陽區 100016)

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北京市朝陽區熱島效應特征分析

戴高菊，李 艷，張子曰

(北京市朝陽區氣象局，北京 朝陽區 100016)

利用1961—2014年朝陽、密云、上甸子3個站氣溫地面觀測數據，對朝陽區與郊區溫度年際變化、熱島強度年際變化進行了分析，并利用衛星反演數據分析了熱島效應的空間分布特征，得到以下主要結論：① 朝陽區在20世紀70年代末城市熱島效應不太明顯，之后城市熱島效應開始顯現，熱島強度逐年增強，80年代末到90年代初略有減弱，2000年以后熱島強度有明顯增強。② 朝陽與郊區平均溫差達1.5℃左右，為強熱島效應。熱島效應增強使得夏季高溫日數增加，冬季低溫日數減少。冬季為一年中熱島強度最強的季節。③ 朝陽區的熱島效應表現為西強東弱，熱島強度逐漸有向東、向南發展的趨勢。強熱島區域集中在三環以內的城區。弱熱島區域集中在奧林匹克森林公園等下墊面多為大面積的水體和植被的地區。

北京朝陽區；熱島效應；年際變化

1 引言

近年來，大城市規模化發展迅速，城市建成區內高樓大廈、柏油路面、鋼筋水泥建筑日益增多，造成地表長波輻射狀況較自然地面顯著變化，城市下墊面狀況及城市熱環境分布發生了巨大改變，加之工業、交通、商業等人類活動產生的熱量，使城市氣溫比周圍的環境氣溫高，從而產生城市熱島效應。城市內的氣溫上升、高溫頻發與城市熱島效應關系非常密切。城市熱島效應是人類活動對氣候系統產生的最顯著的城市氣候效應[1]。

20世紀末以來，熱島效應研究也逐漸受到我國科學領域和各級政府的重視，越來越多的學者開展城市熱島效應方面的研究工作，對城市熱島效應工作中的熱點問題做了許多研究和討論[2]。壽亦萱等[3]對城市熱島效應的研究歷史進行了系統地回顧，重點對與城市熱島關系最密切的城市邊界層、熱島環流與復雜地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果進行了總結和評述。白楊等[4]研究指出，隨著城市規模的高速發展和城市人口的急劇膨脹，因城市下墊面的急劇變化和城市人為熱排放的迅速增加所引起的城市熱島效應已逐漸成為嚴重影響城市居住環境和居民健康的重要因素。周淑貞[5]對城市熱島效應形成機制進行了多方面研究，呂云峰[6]、肖榮波[7]等相繼探討了熱島效應的監測方法。張艷等[8]對超大城市熱島效應的季節變化特征及年際變變化差異進行了分析，宮阿都[9]、張兆明[10]等利用TM數據對北京市熱島狀況進行了近似反演，并分析了熱島分布特征與時間變化特征。王郁等[11]對1993—2003年10 a來北京地區氣象臺站7、8月的溫度資料進行分析，指出北京夏季城市熱島的水平范圍擴大到近郊區和遠郊區的通州，分布特征由“單中心”轉變為“多中心”；平均熱島強度呈逐漸增強趨勢。張本志等[12]對北京中心商務區夏季近地面氣溫進行分析，發現商務中心區存在附加熱島效應。

目前針對北京市朝陽區熱島效應與城市進程方面的研究較少，因此利用現有觀測數據，對朝陽區城市熱島時空特征進行研究，為緩解城市熱島效應，建設生態文明綠色環保城市，提高人民的生活質量，維持城市可持續發展具有重要意義。筆者利用1961—2014年共計54 a朝陽、密云、上甸子3個站氣溫觀測數據，對朝陽區與郊區溫度年際變化、熱島強度年際變化進行了分析，并利用衛星反演數據分析了熱島效應的時空分布特征。

2 資料與方法

采用1961—2014年，共54 a朝陽、密云、上甸子3個站一天4個時次的地面觀測數據。定義城區與郊區站的氣溫差為熱島強度，即：

UHI=Tu-Ts

其中Tu為城市觀測站溫度，Ts為郊區觀測站溫度。文章選取密云站和上甸子站作為郊區站，其中密云站為北京氣候基準氣象站，上甸子高山站為國家大氣本底站，可視該地區溫度變化受人類活動影響較少，可反映氣溫的自然變化；朝陽站作為市區站，主受人類活動影響，反映城市的氣溫變化。

同時，利用Landsat/TM衛星影像資料處理方法，按照葉彩華[1]地表熱島強度計算法來估算城市地表熱島強度，即：

其中，UHIIi為圖象上第i個象元所對應的熱島強度，Ti為地表溫度，n為郊區農田內的有效象元數，Tcrop為郊區農田地表溫度。利用北京市1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年Landsat/TM地表溫度按上式計算出朝陽區城市熱島強度。并按熱島強度值的大小，將熱島強度劃分為7級：強冷島、較強冷島、弱冷島、無熱島、弱熱島、較強熱島和強熱島等。

3 結果分析

3.1 朝陽區熱島強度變化

3.1.1 年際變化 圖1為54 a朝陽、密云、上甸子各站平均氣溫年際變化。3個站的年平均氣溫變化相關性較好，總體呈上升趨勢，但朝陽站自2000年后升溫速率明顯高于郊區2站。3個站的年平均氣溫增速有所不同(虛線)，上甸子增溫速率最慢，每10 a升高約0.07℃；密云站每10 a增溫速率為0.16℃；朝陽站增溫最快，每10 a升高近0.31℃。上甸子為高山站，54 a間測站周圍基本沒有建設以及較大范圍的人類活動，其溫度變化最能反映自然氣候的變化；密云縣受城市發展影響增溫速率略高于上甸子，但其城市規模，人口密度相對于朝陽區發展較緩慢。

圖1 朝陽、密云、上甸子平均氣溫年際變化和趨勢(單位：℃)

計算朝陽區熱島強度時，需考慮因海拔高度對溫差造成的影響。通常情況下氣溫隨高度直減率為6℃/km，根據上甸子和密云站與朝陽站海拔高度差，可得出朝陽站與上甸子站溫差約為1.5℃，與密云站溫差為0.2℃。從朝陽區熱島強度年際變化(圖2)可以看出，朝陽站與密云站溫差、朝陽站與上甸子站溫差年際變化雖略有波動，但總體呈上升趨勢，利用多項式擬合法對朝陽站與密云站溫差、朝陽站與上旬子站溫差平均值進行擬合，得到趨勢線(虛線)可知，2004年后溫度差上升趨勢明顯增大。朝陽站與密云站溫差(紅線)從20世紀60年代初0.3℃左右增加到2014年的1.5℃左右；而朝陽站與上甸子站溫差(藍線)由之前0℃左右增加到2014年的1.25℃左右。在20世紀70年代末以前朝陽地區的環境較好，城市熱島不太明顯，70年代末以后城市熱島效應開始顯現，熱島強度逐步增強，并在2000年后熱島強度有明顯增強的趨勢。

通過朝陽區熱島強度年際變化趨勢可看出，20世紀60年代朝陽區熱島強度基本不變，60年代末到80年中期有增強趨勢，80年代中期到90年代末相對平穩略有減弱。而2000年以后，朝陽區城市建設和人口規模有較大幅度的增加，熱島強度也較大幅度的增強。

3.1.2 氣溫的季節和極端變化 對朝陽區四季溫度進行平均并作圖(圖略)，其中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季9—11月，冬季為12—次年2月。結果表明四季溫度年際變化整體呈上升趨勢，其中春、冬兩季增溫趨勢最為明顯，約為每10 a增溫0.4℃，夏、秋兩季變化略小，為每10 a增溫0.2℃。

圖3為朝陽區四季的熱島強度(朝陽站與上甸子站溫差)年際變化，冬季熱島強度明顯強于其他3個季節。春、夏、秋季熱島強度2003年以前波動較大，有明顯的季節差異，自2003年以后波動減小，季節性差異逐漸減弱。2003年前后開始各季節熱島強度變化趨勢有所加強。

圖3 朝陽區四季熱島強度年際變化(單位：℃)

對朝陽站與密云站年極端氣溫變化進行比較(圖4a)，朝陽站與密云站年平均極端最高溫度差異較小，朝陽站年平均極端最高溫度為37.3℃，密云為36.8℃。朝陽站極端最高溫度年際變化可知，20世紀60年代末到90年代初，極端最高溫呈下降趨勢，而90年代中后期到2010年總體呈上升趨勢。年極端最低溫度朝陽與密云差異較大(圖4b)，朝陽為-14.9℃，密云為-18.6℃。20世紀60—80年代中期，極端最低氣溫變化相對平穩，80年代中后期極端最低氣溫有增暖趨勢。從極端最高、最低溫差(圖4c)可知，極端最高溫差年際變化幅度較小，而極端最低溫差變化略呈上升趨勢。

基于語料庫的二語構式創新用法教學 …………………………………………………… 陳松松 程文華（3.61）

圖4 朝陽站與密云站年極端氣溫年際變化

3.1.3 高、低溫日數年際變化 統計1961—2014年高溫(≥35℃)日數年際變化(圖5)，從高溫日數年際變化趨勢線可知，高溫日數略呈上升趨勢，但每年高溫日數變化也較為明顯。2000年為高溫日數發生最多年，為23 d，而1970年、1976年、1977年、1985年、1995年均無高溫日出現。同時看到，1961—1965年、1997—2005年這兩個時間段為高溫日數連續出現較多的年份，尤其2000年前后高溫日數出現偏多。

同樣對低溫日數年際變化也進行統計(圖略)，發現低溫日數(≤9℃)在逐年減少，20世紀80年代后期低溫日數有明顯減少趨勢，1990年以前年平均低溫日數為36.8 d，而1990年以后平均僅為18.8 d，其中1969年低溫日數達到極值，為63 d，而2007年僅出現4 d。20世紀90年代起年均低溫日數逐漸減少，而至2000年后年均高溫日數增多。

圖5 1961—2014年高溫(≥35℃)

3.2 朝陽區城市熱島的時空分布

由于部分年份資料缺失，因此選取1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年城市用地面積衛星反演圖分析朝陽區城市建設情況。從這幾年的變化(圖6)可以看出，朝陽區城鎮用地面積從1986—2011年明顯擴大，城鎮由1986年分布在朝陽區西部逐漸向東部擴展。農田從1986年約占全區60%以上面積，縮減至幾乎消失。通過對朝陽區1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年的Landsat/TM地表溫度計算，得熱島強度監測(圖7)結果，對比發現朝陽區強熱島區域與城市用地區域基本一致。朝陽區熱島強度經歷了由弱到強再變弱再變強的發展歷程，其中2001年達到次高峰，這可能是因為申奧成功后奧運村附近大規模的綠化改造，使得強度有所減弱。

以2012年朝陽區年平均氣溫空間分布(圖8)為例進行分析。最高與最低溫度相差1.6℃。較高溫度區主要分布在北京中央商務區、京通快速沿線以及西部安貞、和平街街道等中心城區，這些區域人員和車輛密集，地表硬化程度高，植被相對較少。而較低溫度分布在西北部奧林匹克公園、西北部金盞鄉、東南部以及中部朝陽公園附近。這與之前分析熱島分布特征相一致。綜上所述，有大范圍植被覆蓋的地表和水體周圍溫度明顯低于其他地方。

圖6 城市用地面積衛星反演圖(a、b、c、d、e、f依次為1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年)

圖7 朝陽區城市熱島變化圖(a、b、c、d、e、f依次為1987年、1992年、2001年、2005年、2008年、2011年)

圖8 2012年朝陽區平均氣溫空間分布(單位：℃)

4 結論

本文利用1961—2014年朝陽、密云、上甸子3個站氣溫觀測數據，對朝陽區與郊區溫度年際變化、熱島強度年際變化進行了分析，并利用衛星反演數據分析了熱島效應的時空分布特征，得到以下主要結論：

② 朝陽區與郊區平均溫差達1.5℃左右，為強熱島效應。熱島效應增強使得夏季高溫日數增加，冬季低溫日數減少。冬季是一年中熱島強度最強的季節。

③ 空間上朝陽區的熱島效應表現為西強東弱，熱島強度逐漸有向東、向南發展的趨勢。強熱島區域集中在三環以內的城區。弱熱島區域集中在奧林匹克森林公園，等下墊面多為大面積的水體和植被的地區。

[1] 葉彩華，劉勇洪，劉偉東，等.城市地標熱環境遙感監測指標研究及應用[J].氣象科技，2011，39(1)：95-101.

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[4] 白楊，王曉云，姜海梅，等.城市熱島效應研究進展[J].氣象與環境學報，2013，29(2)：101-106.

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貴州省氣象學會嚴正聲明

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Urban heat island effect characteristics of Chaoyang District， Beijing

DAI Gaoju， LI Yan， ZHANG Ziyue

(Chaoyang Meteorological Bureau of Beijing，Beijing 10016)

This study investigates the historical inter-annual variabilities of urban heat island(UHI) effect over the Chaoyang distract and its suburb regionsin Beijing.The observed surface air temperaturedata during 1961—2014 from three observatories，namely Chaoyang，Miyun and Shangdianzi，is further used to analyze the impact of UHI to the frequency of extreme temperature.We also apply the satellite retrieval data to analyze the spatial distribution of UHI effect.The results show an increased trend in UHI effect during the last 54 years.The UHI signal is comparatively weak before the late 1970 s and tends to be intensified since the early 1980 s.However，a period of relatively weak UHI is also found duringthe late 1980s to the early 1990 s.The difference in temperature between the Chaoyangdistrict and its outer suburbs is 1.5℃，indicating a strong UHI effect.With increased UHI，the resultshows an increase in high temperature days of summer and decrease in low temperature days of winter as well.The seasonality of UHI intensity shows that the most intenseUHI tends to occur in winter.The spatial climatology shows that the UHI over the west Chaoyangdistrict tent to be stronger than the east.The UHI effect over the Beijing inner core area(e.g.area within the 3rd Ring Road)is found to be stronger as compared with the outer area of Beijing(e.g.the Olympic forest park).This is considered as the result of the high coverage of water and vegetation in the outer Beijing that brings relatively great contrasts to the land surfaceproperty.

Chaoyang District of Beijing；Heat island effect； Interannual variation

2015-10-26

戴高菊(1987—)，女，助工，主要從事城市氣象方面研究工作。

北京市朝陽區科技計劃項目“朝陽區熱島效應監測和商務中心區氣象節能措施研究”( KC1103)

1003-6598(2015)06-0013-06

P458.1+21

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