南京夏季城市局地氣溫時空變化特征

楊小山，姚靈燁，金濤，姜之點，彭立華，葉燕華

(1. 南京工業大學 建筑學院，南京 211816；2. 華南理工大學 建筑學院，廣州 510641)

城市熱島效應(Urban Heat Island Effect)是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象，對城市居民的生活和工作及社會經濟發展有著重要影響。傳統的城市熱島研究方法是分析“城市”與“郊區(鄉村)”之間的氣溫差異特征。Stewart等[1]對大量的城市熱島研究文獻梳理分析后指出，傳統的“城鄉二元法”研究城市熱島現象過于簡單和模糊，一方面是對測點位置的選擇無統一標準且通常缺乏對測點周圍環境以及天氣條件的詳細描述；另一方面是無法科學深入地解釋城市因子與熱島強度之間的關系。對此，他們針對城市氣溫研究建立了一套客觀、標準、通用的城市局地熱氣候分區(Local Climate Zone, LCZ)體系。

根據文獻[1]，一個LCZ分區定義為最小半徑200～500 m的區域，該區域內的物理特征(下墊面、空間形態、材料構造及人類活動等)應基本一致且分布均勻，在晴朗、微風、少云的天氣條件下，同類局地氣候分區表現出相似的氣溫特征。與傳統的“城鄉二元法”相比，LCZ分區方法定義清晰明確，劃分標準規范統一，更有利于理清城市各物理因子與氣溫時空分布之間的關系。LCZ分區方法已在歐洲、北美、日本、印度等地的多個城市得到檢驗和應用[2-4]，但這些城市在規模、形態、下墊面等方面與中國城市有較大不同。中國基于LCZ體系的城市熱島研究尚處于起步階段。林中立等[5]基于LCZ分類體系，結合衛星遙感數據對福州城市地表溫度進行歸類分析；劉琳等[6]利用LCZ方法對深圳華僑城的局地氣候進行觀測，分析不同城市地表形態對局地熱氣候的影響。以上研究結果初步表明，各LCZ分區的熱氣候與地塊特征參數有較強的相關性，顯示了LCZ方法的基本合理性及其在城市熱氣候研究方面的應用潛力。本文嘗試將LCZ分區方法應用于南京，檢驗其合理性與適用性，并分析在夏季少云、弱風的典型天氣條件下，南京城市局地氣溫時空變化特征。

1 研究方法

1.1 基于LCZ的南京城市氣溫觀測

南京(E 118°48′，N 32°49′)是長三角地區特大城市，城區面積860 km2，人口超過800萬。氣候特征為夏熱冬冷，全年日平均溫度在28.6 ℃(7月)至2.2 ℃(1月)之間[7]。南京地形包括山、丘陵、平原、河流和湖泊。長江流經城區的西側和北側；市區內面積較大的水體有玄武湖、莫愁湖和秦淮河；主要城區位于長江南側，地勢較平坦，海拔在3～21 m之間，多為密集建筑區；城市周邊主要為平坦的農業用地[8]。

局地氣候分區(LCZ)的基本類型包含10個建成環境型(built types，LCZ 1～10)和7個自然環境型(land cover types，LCZ A～G)，共17類LCZ類型[1]。結合定性和定量兩方面內容來判斷一個地塊所屬的LCZ類型。定性方面是指通過檢視衛星影像和實景照片及實地調查等方法分析地塊的形態和功能；定量方面是根據地塊特征參數值所處的范圍劃分LCZ類型，特征參數包括：天空視角系數、高寬比、平均建筑高度、地表粗糙等級、建筑密度、透水/不透水地面面積比、地表熱導納、地表反射率、人為熱通量這10個與地塊熱環境密切相關的指標，分別表征了地塊的空間形態、地表覆蓋、材料構造和人類活動等物理屬性。

LCZ地塊的挑選過程分為兩步：1)根據文獻[1]的示例，通過查看衛星影像、實景照片及實地調查等方法，初步選出若干LCZ地塊，各地塊的空間形態、下墊面、建筑功能、材料構造和植被覆蓋情況等作為LCZ分類的補充信息；2)計算出所選各地塊的特征參數值，確定各地塊的LCZ類型。地塊各特征參數計算方法如下：基于文獻[9]的方法，利用Google Earth影像中的建筑陰影長度來推算建筑高度；街谷高寬比、建筑密度、透水/不透水地面面積比例等通過在高分辨率衛星影像上手動描圖并統計獲得；天空視角系數(Sky View Factor, SVF)利用德國三維微氣候軟件ENVI-met[10]對地塊建模計算得出；樹高通過現場抽樣測量計算。地表熱導納、反射率、人為熱通量這3個參數由于缺少數據未能得出。

通過上述方法，選擇了12個不同類型的LCZ地塊進行長期氣溫觀測。所選12個LCZ地塊分布于南京中心城區至郊區。表1列出所選12個LCZ地塊的類型、衛星圖像、實地照片及特征參數值。其中：有3個地塊的空間形態和特征參數值未完全符合任何單一LCZ類型的標準，根據文獻[1]中LCZ主類組合子類的分類方法，將這3個地塊分別命名為LCZ 2E、LCZ 32和LCZ 65(下標代表次級LCZ類型)。

在每個LCZ地塊的核心區(半徑100 m范圍內)設置3個固定觀測點，每個測點安裝一個帶原裝防輻射罩的HOBO溫濕度自記儀(型號U23-001，精度±0.2 ℃，產地：美國)。自記儀固定于路燈桿上，距地2.3～2.7 m。自記儀采樣頻率為1次/h，數據存儲在儀器內存中，每隔數月去測點現場下載數據。為更準確全面地反映地塊的空間溫度值，以每個LCZ地塊核心區3個測點的平均溫度值作為該LCZ地塊的溫度代表值。現階段已有的數據時段為2016-07-21至2016-09-15，涵蓋南京主要夏季時段。

表1 所選LCZ地塊的城市形態和特征參數值Table 1 Values of geometric and surface cover properties for the selected local climate zones

續表1

注：aH/W為街谷或建筑間的平均高寬比；SVF為地面平均天空視角系數(Sky View Factor)；BSF為建筑密度(Building Surface Fraction)；ISF為不透水地面面積比(Impervious Surface Fraction)；HRE為建筑按投影面積加權的平均高度(Height of Roughness Elements)。*該值偏離對應LCZ類型給定的特征參數值范圍。

1.2 典型氣象日選取

少云弱風的天氣條件適合城市熱島效應的發展。采用Oke提出的天氣因子ΦW(weather factor)[11]來甄選出具有少云、弱風天氣特征的典型氣象日

ΦW=u-1/2(1-kn2)

(1)

式中：u為風速，m/s；n為云量，%；系數k根據云的種類取值[12]。ΦW=0代表無熱島效應，ΦW=1表明有最大的熱島效應。逐時風速來源于國家南京氣象站，逐時云量和云的種類數據來源于中國氣象局氣象數據中心[13]。甄選標準：1)排除降雨日及其后2 d(消除降雨的影響)；2)計算夜間時段(18:00—06:00)每小時的ΦW值，再求其平均值，選取ΦW≥0.7的天數[2]。對于研究時段(7月21日—9月15日)，共有17 d符合甄選標準(7月5 d，8月7 d，9月5 d)。

2 結果分析

在結果分析前，進行以下概念界定：1)將代表典型郊區形態的地塊LCZ D(低矮植被區)作為比較基準，將熱島強度定義為其他LCZ類型與LCZ D之間的氣溫差，例如ΔTLCZ 1-D表示LCZ 1(緊湊高層建筑區)與LCZ D之間的氣溫差；2)以下分析中的一日是指08:00—07:00(次日)，原因是該時段涵蓋了一個完整的“白天升溫-夜間降溫”熱過程。

2.1 熱島強度日變化特征

前人研究顯示[12]：在少云弱風的天氣條件下，城市熱島強度一般在日落后迅速增加，日落后3～5 h達到最大值，然后減小，日出后熱島效應逐漸消失，甚至會出現“弱冷島”現象。選取2016年8月29日—31日期間LCZ 1、4、9、G地塊來觀察熱島強度及氣溫的日變化特征(見圖1)。該時段天氣特征為晴朗弱風，天氣因子平均值是0.8，是適合熱島效應發展的典型氣象日。從12個LCZ地塊中選擇LCZ 1、4、9、G地塊進行分析的原因是：LCZ 1、4、9地塊分別代表了城市化強度由高到低的水平(由緊湊高層建筑區到稀疏建筑區)；LCZ G-水體則通常被認為是可以緩解熱島效應的因素。

圖1 2016年8月29—31日，LCZ 1、4、G地塊的逐時熱島強度

由圖1(a)可知，所選地塊在19:00—07:00期間均出現了熱島現象，在10:00—17:00期間均出現了冷島現象，熱島強度明顯大于冷島強度，日變化規律清晰。

在19:00—07:00期間，各地塊熱島強度變化規律與前人的研究結論[12]一致，即日落后迅速增加，日落后3～5 h達到最大值，然后逐漸減小。其中，LCZ 1(緊湊高層建筑區)的最大熱島強度達5.2 ℃，大多數時刻LCZ 1的熱島強度顯著高于LCZ 4(開敞高層建筑區)，反映了城市化強度越高則熱島效應越強的規律。值得注意的是，LCZ G(水域區)在19:00—07:00期間也出現了明顯的熱島現象，最大熱島強度達2.7 ℃。其原因是：水的比熱容大，熱穩定性高，日落后水體表面溫度的下降速度較慢，使得鄰近空氣的溫度下降亦較慢，從而形成熱島效應。Yang等[14]在廣州的夏季實測結果間接說明了這一點：日落后水體表面溫度開始高于草地表面溫度，0:00后水體表面溫度開始高于空氣溫度(即向鄰近空氣輸出熱量)，上述狀態持續至第2天日出。

在10:00—17:00期間，地塊LCZ 1、4、G的冷島強度先逐漸增加，在午間達到最大值，然后逐漸減小。其中，LCZ G的冷島強度高于其余兩個地塊，最大冷島強度達2.4 ℃，說明水體白天的降溫效果顯著。有研究也報告了與地塊LCZ 1、4類似的“城市日間冷島現象”[15-16]，并將形成這一現象的可能原因歸結為街谷的遮陰作用[17]；有研究[18]從大氣邊界層的角度提出另一個可能原因：城區大氣邊界層的厚度通常顯著大于郊區，上午升溫過程中城區所需加熱的邊界層大氣總體積量大于郊區，從而導致城區比郊區升溫慢，形成冷島效應。總的來說，與城市熱島研究相比，對城市冷島的形成原因和機理研究仍相對較少，有待進一步深入研究。

從圖1(a)可以看出，從日落到日出后約2 h期間，各地塊之間的氣溫差異明顯，LCZ 1的氣溫最高，LCZ G的氣溫與LCZ 4相近，LCZ 9和LCZ D的氣溫接近并最低；日出后2 h到日落期間，各地塊的氣溫差異相對較小。值得注意的是，LCZ 9(稀疏建筑區)與LCZ D(低矮植被區)全天氣溫均相近，這是因為LCZ 9的物理特征參數值與LCZ D接近(見表1)，這與LCZ分區理論中“相近或同類局地氣候分區應表現出相似的氣溫特征”這一規律相符。

2.2 平均熱島強度

從熱島強度日變化特征可以看出，熱島效應一般在夜間0:00前后1～2 h的時段內較顯著，冷島效應一般在午間12:00前后1～2 h的時段內較顯著，故分別分析夜間22:00—02:00和日間10:00—14:00這兩個時段內各LCZ地塊的平均熱島(冷島)強度。

圖2 南京夏季(2016-07-21—2016-09-15)17個典型氣象日的平均熱島強度(ΔTLCZ X-D)箱線圖Fig. 2 Box plots of mean heat island magnitudes

圖2(a)為所選17個典型氣象日各LCZ地塊的夜間(22:00—02:00)平均熱島強度(ΔTLCZ X-D)箱線圖。由圖可知：各LCZ地塊的夜間熱島強度差異明顯，緊湊建筑區(LCZ 1、2E、32)的熱島強度趨于最高，平均為3.3～3.4 ℃；其次是開敞建筑區和大型低層建筑區(LCZ 4、5、8)，熱島強度平均值為2.1～2.8 ℃；開敞且綠地率較高的地塊(LCZ 65、9)的熱島強度相對較小，平均為0.4～1.2 ℃；LCZ 10(重工業區)由于石化廠生產時釋放大量廢熱，造成該地塊的夜間熱島強度較大，平均為3.1 ℃，接近LCZ 1的熱島強度水平；LCZ A(稠密樹木區)的夜間平均熱島強度為-0.1 ℃，并沒有表現出較強的冷島效應，原因是夏季濃密樹冠對地面長波輻射的遮擋以及稠密樹林帶來的通風不暢一定程度地降低了夜間冷卻速率；LCZ G(水域區)的夜間熱島效應顯著，平均熱島強度為2.2 ℃，原因見上節分析。

圖2(b)為所選17個典型氣象日各LCZ地塊的午間(10:00—14:00)平均熱島強度(ΔTLCZ X-D)箱線圖。觀察到屬于城市形態的各LCZ地塊(LCZ 1～10)的熱島效應不顯著，平均強度最大值為1.2 ℃(LCZ 32)，各地塊之間的差異也較小；LCZ A與LCZ G在午間有一定的降溫效果，均出現了弱冷島現象，平均熱島強度均為-0.5 ℃。

2.3 日最高/最低溫度差異

圖3 南京夏季(2016-07-21—2016-09-15)17個典型氣象日期間各LCZ地塊與LCZ D的日最高/最低氣溫差值箱線圖Fig. 3 Box plots of differences in daily maximum

圖3為所選17個典型日各LCZ地塊與LCZ D之間的日最高/最低氣溫差值(ΔTmaxLCZ X-D/ΔTminLCZ X-D)。由圖可知：各LCZ地塊與LCZ D之間的日最低氣溫差異顯著高于日最高氣溫差異。除LCZ A外其余各LCZ地塊與LCZ D的平均日最低氣溫差異在0.9～3.0 ℃之間，其中LCZ 1、2E、32(緊湊建筑區)以及LCZ 10與LCZ D的平均日最低氣溫差值最大；需要注意的是LCZ G與LCZ D的平均日最低氣溫差異達2.0 ℃。日最低氣溫反映的是一個地塊該日最終可冷卻到的程度。代表郊區形態的LCZ D具有開敞度高(SVF>0.9)、透水地面面積比例高(>90%)、通風順暢(均為低矮植物)等特征，這些特征從長波輻射散熱、被動蒸發降溫和大氣平流等物理過程均強化了夜間降溫效果。與之相反，代表城市形態的各LCZ地塊的物理特征越不利于以上降溫過程，則日最低氣溫越高；水域區則由于其高熱穩定性導致日最低氣溫亦較高。各LCZ地塊與LCZ D的平均日最高氣溫差異較小，在-0.4～1.3 ℃之間，說明在白天氣溫較高時段，城區與郊區的差異不大；LCZ A和G表現出一定的降低日最高氣溫的效果。

2.4 升溫/冷卻率差異

城市熱島(冷島)效應本質上是由于城區-郊區之間的升溫/冷卻率差異引起的[12]，類似的，不同LCZ類型的升溫/冷卻率也存在差異，進而引起局地氣溫的變化差異。圖4為所選17個典型氣象日期間LCZ 1、4、9、G、D地塊的平均逐時冷卻率。

圖4 南京夏季(2016-07-21—2016-09-15)17個典型氣象日期間LCZ 1、4、9、D、G地塊的平均逐時(08:00—07:00)冷卻率Fig. 4 Diurnal variation of the mean hourly cooling ratesfor LCZ 1, 4, 9, D, G for the 17 ideal

日升溫/冷卻率總體變化規律總結如下：1)氣溫上升階段:上午06:00—09:00期間，升溫率迅速增加，氣溫上升速度快；10:00—15:00期間，升溫率逐漸降低到接近0 ℃/h，氣溫逐步上升達到日最大值；2)氣溫下降階段:16:00—19:00期間，冷卻率迅速增加，氣溫下降速度快；20:00—06:00冷卻率逐漸降低到接近0 ℃/h，氣溫逐步降低至日最低值。

從各LCZ地塊之間的升溫/冷卻率差異來看，存在兩個差異較大的時段：第1個差異較大的時段是07:00—10:00,這一時段LCZ 1、4、G的升溫率顯著小于LCZ D，產生的后續影響是這3個LCZ地塊的氣溫開始低于LCZ D，形成冷島效應；第2個差異較大的時段是18:00—21:00,這一時段LCZ 1、4、G的冷卻率顯著小于LCZ D，產生的后續影響是這3個地塊的氣溫逐漸高于LCZ D，形成熱島效應并逐漸增強。總的來說，相較于其他LCZ地塊，LCZ D升溫快降溫也快。

圖4所展現的各LCZ地塊升溫/冷卻率差異日變化特征與圖1所展示的熱島強度日變化特征形成了清晰的對應關系，一定程度地解釋了熱島強度日變化規律，但更深層次的物理過程和機制仍有待進一步探索。LCZ 9(稀疏建筑區)的升溫/冷卻率全天與LCZ D相近，這是因為兩個地塊的物理特征參數值相近。

3 討論

如何緩解熱島效應是城市規劃與城市設計的重要內容之一，這需要加強城市氣候研究與規劃設計實踐之間的聯系[19]。LCZ分區方法初步建立了地塊特征參數(空間形態、地表特征、材料構造、人為熱等)與局地熱環境之間的明確聯系，為城市氣候對接規劃設計提供了新思路。現根據上一節的分析結果，嘗試提出一些針對城市規劃、城市設計以及城市更新改造的思考。

1)可將LCZ分區方法應用于城市環境氣候圖的繪制。通過觀測發現，不同LCZ類型的地塊可形成穩定、規律的熱島強度變化特征，與其他學者[2-4]在歐洲、北美、日本等地應用LCZ方法得出的研究結論基本一致。因此，可將LCZ分區方法應用于城市環境氣候圖的繪制，輔助評估城市設計、小區規劃、街區更新對局地熱島強度的影響，為制定相應的緩解措施提供參考。

2)可從提高地塊的透水下墊面比例和開敞度這兩個方面來降低局地熱島強度。研究結果表明，地塊的建筑群緊湊度和不透水下墊面比例越高，則熱島效應越強，例如：緊湊建筑區(LCZ 1、2E、32)的熱島強度平均大于3 ℃；開敞建筑區(LCZ 4、5)的熱島強度平均大于2 ℃；開敞且綠地率較高的地塊(LCZ 65、9)的熱島強度相對較小，平均為0.4～1.2 ℃。故對于高硬地面比例的緊湊建成區，在進行更新改造時，應考慮通過采用透水鋪裝、發展屋頂綠化等方式增加地塊的透水面積比，此外，應盡量開辟一定數量的小公園和小廣場并分散布置，以提高地塊的平均開敞度。

3)可將LCZ分區方法與城市通風設計相結合。研究結果表明，不同類型LCZ地塊的夜間熱島強度差異顯著，且地塊特征差異越大則氣溫差值也越大。由于空氣總是從冷的區域向熱的區域流動且溫差俞大流動驅動力俞強，在城市規劃時可考慮將特征差異較大的地塊相鄰或交錯布置，以加強城市內部不同地塊之間的空氣交換效率，改善通風，充分利用熱島強度較低的LCZ類型的夜間冷卻效應。

4)應綜合全面考慮水體的熱效應。通常水體被視為緩解城市熱島效應的有利元素，觀測結果則表明水域區(LCZ G)白天降溫效果較好但夜間熱島效應明顯，因此，在規劃設計時需綜合全面地考慮水體的熱效應，以便更加合理地布置水體。

4 結論

城市局地氣候分區(Local Climate Zone, LCZ)是一套用于城市氣溫研究的客觀、標準、通用的局地熱氣候分類方法。根據LCZ分區方法，選取分布于南京中心城區至郊區的12個不同類型的LCZ地塊進行氣溫觀測，初步檢驗了LCZ方法的合理性與適用性。對南京夏季晴朗、少云、弱風的典型天氣條件下所選LCZ地塊的局地氣溫時空變化特征進行了分析，分析內容包括熱島強度日變化特征、平均熱島強度、日最高/最低溫度差異和地塊升溫/冷卻率差異，得出結論如下：

1)各LCZ地塊的熱島強度在日落后迅速增加，日落后3～5 h達到最大值，然后逐漸減小，變化規律與前人的研究結論一致；午間時段，各LCZ地塊出現弱冷島效應；各LCZ地塊的日最低氣溫差異顯著高于日最高氣溫差異，反映出各地塊該日最終可冷卻到的程度存在較大差異；各LCZ地塊的熱島強度及氣溫日變化規律與地塊的升溫/冷卻率變化特征相吻合。

2)不同類型LCZ地塊的夜間平均熱島強度差異明顯，地塊的建筑群緊湊度和不透水下墊面比例越高則熱島效應越強，強度值與地塊物理特征有較強的相關性。其中，緊湊建筑區(LCZ 1、2E、32)的熱島強度趨于最高，平均大于3 ℃；其次是開敞建筑區和大型低層建筑區(LCZ 4、5、8)，平均大于2 ℃，開敞且綠地率較高的地塊(LCZ 65、9)熱島強度較小，平均為0.4～1.2 ℃；LCZ 10(重工業區)的熱島強度與LCZ 1(緊湊高層建筑區)相當。

3)水體和樹林一般被視為緩解城市熱島效應的有利元素，觀測結果表明：水域區(LCZ G)在白天有較好的降溫效果，但夜間熱島效應顯著；稠密樹木區(LCZ A)在全天均有一定的降溫效果。