烏魯木齊城市熱島強度的日變化和季節特征

瓦力江·瓦黑提，任國玉，孫秀寶

（1.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京 210044;2.中國地質大學（武漢）大氣科學系，湖北 武漢 430070;3.國家氣候中心，北京 100081）

城市熱島效應是城市氣候的最重要特征之一，也是城市化影響氣候的最主要表現形式。對于城市熱島效應的研究，一般將城鄉間地面氣溫的差值定義為城市熱島強度（UHII）[1-2]。研究城市熱島強度的時空分布規律，對于認識城市氣候基本特點，有針對性地開展天氣預報和預警服務，以及對于城市發展規劃，都具有重要的理論和實際意義。

在我國東部濕潤地區，人們對若干特大城市的城市熱島效應進行了大量研究，取得了系列成果[3-9]。這些研究主要發現，東部季風區我國特大城市熱島效應時空分布具有相近的特點，盡管南北方仍存在一定差異，但多數表現為季節上秋冬季熱島強度較大，日內夜晚熱島強度比白天大。

對于我國內陸西北干燥區城市熱島效應的研究，總體上比較缺乏。陳榛妹[10]分析了蘭州市城市熱島效應，識別出3個不同強度的熱島分布區；董妍等[11]研究了西安城市熱島時空特征，發現熱島強度的日變化呈現雙峰分布，分別出現在北京時間05時和21時左右，最低值出現在11時；李珍等[12]分析了近40多年來烏魯木齊城市地面氣溫相對郊區的變化情況，發現春季、夏季和秋季最高氣溫具有明顯的下降趨勢，城區比郊區反而變得更涼爽；張愛英等[13]在研究全國各個地區城市化對城鎮站地面氣溫變化的影響時指出，城市化對北疆地區國家基準站和基本站平均氣溫和夏季氣溫變化具有明顯的變涼效應，認為應該是“綠洲化”效應的反映。另外，李景林等[14]發現，近33 a來烏魯木齊—昌吉地區城市化對城市地面平均氣溫具有顯著影響，氣溫隨年代遞增率城市大于農村；姚玉龍[15]研究指出，1980—2013年，烏魯木齊地表氣溫變化特征經歷了弱-強-弱-強的變化過程，城市熱島效應明顯，但并未削弱綠洲“冷島效應”。

先前針對西北地區的研究，多集中在城市化對城市地面氣溫長期變化的影響方面，對于干燥區特大城市熱島效應氣候學特征的分析還十分欠缺。烏魯木齊作為我國內陸干燥區典型特大城市，人口超過300萬，深處歐亞大陸腹地，坐落在天山腳下。由于特殊的氣候條件和地理位置，研究烏魯木齊城市熱島強度時空分布特征，有助于加深人們對于城市氣候特別是干燥區特大城市氣候形成和演化的認識，具有明顯的理論意義，同時對城市發展規劃和天氣、氣候預報預警服務，也有一定參考價值。

1 資料和方法

1.1 研究區域

烏魯木齊地處我國西北天山山脈北麓，地形起伏較大，三面環山，山地面積占總面積的50%以上，轄區地勢由東南向西北降低，市區平均海拔800 m左右。市區和郊區的氣象觀測站點的海拔高度存在一定差異（圖1）。烏魯木齊市屬溫帶內陸干旱、半干旱氣候，全年降水少，氣溫季節變化明顯，夏季炎熱干燥，冬季寒冷漫長且存在逆溫層，晝夜溫差大。

圖1 烏魯木齊地區所在位置（a）和氣象觀測站海拔高度（b）

1.2 資料和方法

烏魯木齊地區自2004年開始建立自動氣象觀測網，經過10多年的建站和發展，已經形成了空間上較為密集的自動氣象觀測網。截至2016年，已有自動氣象觀測站63個，其中區域站57個，國家站6個。本文所用資料來源于新疆氣象局信息中心提供的2012—2015年烏魯木齊地區63個自動氣象站逐小時的氣溫資料。通過質量控制和篩選，選取缺測最少（缺測率小于1%）的年份和自動站，并參考楊萍等[16]的方法，對缺測很少的連續缺測值進行剔除，對單獨缺測值進行同一時次相鄰站點的插值，最終選取2013年和2014年28個自動氣象站點氣溫資料作為研究的依據（圖2）。

圖2 研究區域和所有自動站位置的空間分布

參考地理位置（距離城市建成區較遠），周邊環境（周邊是農田或者戈壁和山區）和人口數量（附近人口密度較小，或者村鎮人口不足一萬人），選出20個自動站作為郊區站。位于城市建成區中的8個自動站作為城市站。其中城市站平均海拔高度869.5 m，郊區站平均海拔高度899.8m。城市站和郊區站平均海拔高度相差僅30 m，而且郊區站分別位于城市市區東南西北各個方位，基本可以消除海拔高度對平均氣溫的影響（圖3）。

圖3 烏魯木齊城市建成區范圍（粗黑色線）和自動氣象站（紅色和黑色）分布

熱島強度UHII（Urban heat island intensity）被定義為城市站地面氣溫和郊區站地面氣溫的差值（ΔTu-r）。本文中城市站地面氣溫為8個城市站地面氣溫的平均值Tu，郊區站地面氣溫為20個郊區站地面氣溫的平均值Tr，則

本文所有時次均為北京時間。因為烏魯木齊位于我國西北地區，和東部沿海地區距離偏遠，存在2 h左右的時差。對最高、最低氣溫等表征日變化特征出現時間的概率分布，利用出現頻率（出現次數/總次數）來表征日最高（低）氣溫在各時次出現的概率，分析城市環境對氣溫日變化的影響。

分季節研究中，選取各季節典型月份4月、7月、10月、1月分別代表當年春、夏、秋、冬四季。逐年和2 a候平均是指從1月1日起算的5日平均值。部分月份最后一候日數不足或超過5 d，則采用4 d或6 d的數據平均值。

2 結果分析

2.1 日最高最低氣溫出現時間

最高（最低）氣溫出現時間的概率可以更清晰的表征氣溫日變化形態的分布特征。圖4給出了城區和郊區所有站點平均最高（最低）氣溫出現頻率的逐小時變化情況。可以看出，城區日最高氣溫最大出現頻率的時次為17時，達20%以上；城區日最低氣溫最大出現頻率時次為08時，達到30%以上。郊區日最高氣溫最大出現頻率的時次也為17時，為25%左右；郊區日最低氣溫最大出現頻率的時次也是08時，與城區相類似，頻率也在30%左右。在烏魯木齊地區，17時是城市和郊區最高氣溫出現最頻繁的時次，最高氣溫出現時間上城郊沒有差別，但郊區頻率略大。08時是城市和郊區最低氣溫出現最多的時次，城郊在最低氣溫出現時間上也保持一致，但城市區域頻率略高于郊區。此外，烏魯木齊城區年最高氣溫出現的頻率，在13—15時比郊區站要高，但16—19時又比郊區站要低；最低氣溫出現頻率城、郊更趨于一致。這可能和烏魯木齊城市區域夏秋季綠地面積影響有關，值得進一步研究。

圖5和圖6分別給出了城（郊）區最高、最低氣溫逐小時出現頻率的各季節代表月平均狀況。各季節代表月最高氣溫出現頻率的分布特征盡管有差異，但基本形態和年平均分布情況類似。最高氣溫頻率開始快速上升的時間，夏季、秋季、冬季城區偏早于郊區，但除冬季外最高值都在同一時次，冬季城區在14時最高氣溫出現頻率最高，而郊區則滯后2 h，在16時達到最大。此外，除了冬季，其他三季城（郊）區最高氣溫出現的時間都較為集中，冬季則比較分散，最大出現頻率城區不到20%，郊區也不到25%。

圖4 城市和郊區年最高氣溫（a）和最低氣溫（b）出現頻率的逐小時變化

最低氣溫出現時間，除了冬季，其它三季特征也比較一致（圖6a～6d），城區和郊區最低氣溫出現的時間都較為集中，冬季則依然比較分散，最大出現頻率城區不到20%，郊區更低，分布更為分散。但最低氣溫出現時間城區滯后于郊區。在季節上，最低氣溫最大出現頻率對應的時次夏季最早，城區和郊區都在07時，其他三季在08時達到最大。冬季城（郊）區最高、最低氣溫出現時間之所以分散，并且城市的特征曲線比郊區更加分散，可能和冬季取暖排放和逆溫作用增加了氣溶膠效應有關。

圖5 各季節城區和郊區四季最高氣溫出現頻率逐小時變化

圖6 各季節城市和郊區四季最低氣溫出現頻率逐小時變化

2.2 平均氣溫日變化特征

圖7是城、郊年平均小時氣溫日內變化曲線。可以看出，城市逐時平均氣溫值恒在郊區站平均之上，表明城市地面氣溫在一天所有時間都高于郊區，表現出明顯的城市熱島效應。城、郊氣溫差異在夜晚較大，07時左右達到最大，相差1.5℃以上；城、郊溫差白天差距較小，16時左右達到最小，僅相差0.3℃左右。城市和郊區最高氣溫都在16時，最低氣溫都出現在07時。城市和郊區在最高、最低氣溫出現時間上差異不大。

圖7 城區和郊區年平均小時氣溫日變化（單位：℃）

圖8 給出了不同季節烏魯木齊城、郊區的逐時氣溫日變化特征。除了夏季和秋季代表月的個別時間段，其他季節一天內所有時間城市平均氣溫均高于郊區，表明具有較明顯的城市熱島效應。夏季從16—20時，以及秋季從15—19時，城郊氣溫差異很小，甚至秋季出現郊區略高于城區的情況。由于城、郊環境的不同，不僅在氣溫值上存在明顯差異，而且日最高（最低）氣溫的出現時間也有所不同。除了冬季，其他季節城、郊日最高氣溫出現時間較為一致，但是春季是在17時，夏季和秋季在16時。冬季日最高氣溫的出現時間郊區較城區滯后1 h。日最低氣溫出現時間各季差異也較明顯；春季和夏季城、郊最低氣溫都出現在07時，秋季則都出現在08時，而冬季郊區滯后城區1 h，日最低氣溫出現時間郊區為09時，城區為08時。因此，日極值氣溫的出現時間存在著城、郊差異和季節差異。

圖8 城區和郊區季節平均氣溫日變化

圖9表示烏魯木齊城市熱島強度日變化情況。城區逐小時熱島強度可以分為3個階段：08—17時為下降時期，小時平均熱島強度從高于1.00℃到不足0.30℃；17—22時為迅速上升時期，小時平均熱島強度從一天最低點上升到大于1.20℃；22℃—次日08時為穩定強熱島時期，小時平均熱島強度穩定維持在1.10～1.25℃。與北京城市逐小時熱島強度[9]對比發現（圖10），北京可分為明確的4個階段，多出一個穩定維持的低熱島強度階段。烏魯木齊與北京時差相差近2 h，所以2個城市強熱島時期開始時間（22時，21時）和迅速下降時間（08時，06時）基本一致，而且穩定強熱島時期都在晚上，大概21時—次日06時，兩個城市主要區別在于烏魯木齊缺乏一個穩定的弱熱島時期，08時以后熱島強度一直處于減弱過程。對于出現這一不同日內變化特點的原因，還需要進一步研究。

圖9 烏魯木齊年平均城市熱島強度日內逐小時變化

圖10 和表1給出了烏魯木齊市平均熱島強度的年變化情況。烏魯木齊市熱島強度在冬季比較高，夏季和春季、秋季比較低，但由于只有2 a資料，熱島強度受冷空氣入侵等天氣過程影響比較明顯，候際之間波動比較大，初冬季節尤為突出。最大熱島強度發生在年終的第72候即12月末，為1.53℃，年初第1候為次高值；最小熱島強度發生在第67候，也就是12月6—10日，為0.33℃，說明從晚秋開始進入隆冬是熱島強度最大的時期。夏季，烏魯木齊城市熱島效應不很明顯，最大熱島強度為0.84℃，發生在第48候，正是夏末秋初時刻，熱島強度波動也比較小。春季和秋季熱島強度相近，最大熱島強度都為1.20℃，最小為0.42℃。

圖10 烏魯木齊市逐候城市熱島強度變化

表1 烏魯木齊市年和四季代表月份平均城市熱島強度/℃

圖11表示烏魯木齊市平均熱島強度的小時-候平均剖面。冬、春季晚上熱島強度較強且維持時間較長，而白天熱島強度較弱；夏季晚上和白天熱島強度都較弱，白天弱熱島持續時間較長，整體上夏季最弱；秋季晚上熱島強度最強且強熱島持續時間較長，但白天熱島強度最弱，甚至在白天的部分時刻（15—18時）出現了負值，說明在一天的氣溫最高階段，城市氣溫反而低于郊區氣溫。秋季和晚夏季節出現這種負熱島強度，可能與烏魯木齊市位于干燥區、是荒漠中的綠洲有關，白天城市內樹木和草地的蒸騰和蒸發作用消耗了熱量，致使地面氣溫相對變涼，出現所謂“綠洲效應”；冬季白天和晚上熱島強度都比較強，是四季里熱島強度最強的季節。烏魯木齊市冬季綠色植物枯萎，潛熱通量減少，感熱通量增加，加之人為取暖釋放熱量等因素，致使城區熱島強度增大。這種相對強的冬季城市熱島效應，與北方其他城市十分相似。

圖11 烏魯木齊城市熱島強度的年內和日內變化剖面（單位：℃）

3 結論

本文采用2013—2014年28個自動氣象站的逐小時氣溫觀測資料，分析了烏魯木齊地區氣溫的日變化特征及季節特征。得到以下主要結論：

（1）烏魯木齊城、郊區年以及春、夏、秋三季最高和最低氣溫出現時間基本一致，冬季最高、最低氣溫頻率分布比較分散，且城區最高、最低氣溫出現時間一般早于郊區。

（2）年平均城市熱島強度在夜晚較大，07時左右達到最大，白天較小，16時左右最小；城市熱島強度日內變化可以分為3個階段：08—17時為下降時期，17—22時為迅速上升時期，22時次日8時為穩定的強熱島時期；一年內候平均城市熱島強度冬季較大，夏季和秋季、春季較小，最大值一般發生在年末前后。

（3）烏魯木齊城市在各季節的代表月的城市熱島為，冬（1月）、春（4月）季晚上較強，夏季（7月）晚上和白天都較弱，白天最弱，秋季（10月）晚上最強，但白天最弱，甚至白天的部分時刻（15—18時）出現了負值。

由于高質量自動站資料還比較缺乏，資料質量有待提高，所以本文僅依據2013年、2014年2 a質量較好的觀測記錄進行了初步分析，其結果還存在一定不確定性，需要今后進一步研究驗證。但本文的初步結果對于開展精細化城市天氣預報、氣候服務和城市建設規劃，均具有一定參考意義。

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