基于EOF的南京氣溫變化特征及熱島效應研究

王佐鵬，張穎超,2，熊 雄，潘 霄，陳 昕

(1.南京信息工程大學自動化學院，南京 210044； 2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044)

城市熱島(urban heat island，UHI)效應，即城市的城區氣溫高于郊區氣溫的現象。研究城市熱島效應演變可為城市的可持續發展提供一定的理論指導，為我國城市規劃和決策部門提供一定的借鑒[1]。國內外有許多學者對不同城市和地區的熱島效應做了很多研究，早在19世紀初，Howard(英國人)對倫敦進行的觀測研究發現了城區氣溫比郊區氣溫高的現象[2]。近年來，王娟敏利用衛星遙感技術對西安市城市熱島的空間分布特征以及城市熱島與土地利用/覆蓋變化的關系進行了分析研究[3]；李星敏通過對西安市的城市化發展和熱島效應進行研究，發現熱島效應主要成因來自城市化發展[4]。南京市是中國的大型城市，2010年第六次全國人口普查顯示，其常住總人口已突破800萬，比2000年增長28.31%，全市城鎮人口所占比例即城鎮化率為78.5%，城市的快速發展對氣候變化有著直接而現實的作用[5]。利用國家級地面氣象數據，對南京市氣溫數據進行EOF模態分解，通過分析后尋找出城市站點和郊區站，再利用城、郊氣溫差值法分析南京市的熱島特征。

1 數據和方法

1.1 數據

研究數據采用南京市1961—2016年6區的地面氣象站6 h一次的氣溫數據(02時、08時、14時、20時)，6區的站點分別為六合站(站號：58235)、浦口站(站號：58237)、南京站(站號：58238)、江寧站(站號：58333)、高淳站(站號：58339)、溧水站(站號：58340)。這些數據均經過三級質量控制，去除了粗大誤差。

1.2 方法

經驗正交函數分析方法(empirical orthogonal function，EOF)，是一種提取數據主要特征的方法，現已廣泛用于氣象學研究之中[6]。EOF將時空數據分解為空間模態(EOF)和其對應的時間系數(PC)。為了保證各模態之間相互獨立，利用North檢驗計算特征值誤差范圍來進行顯著性檢驗，特征值的誤差范圍

(1)

N為樣本的數量；λi為第i個特征值，當相鄰的特征值滿足λi+1-λi≥ei時，則表明通過顯著性檢驗，兩個特征值對應的模態是有價值的數據。

城市熱島強度定義為城市站點平均氣溫減去郊區站平均氣溫的差值[7](城、郊氣溫差值法)，即

(2)

其中m為城市站數，n為郊區站數。

2 平均氣溫年際變化

根據IPCC第五次評估報告，近130年(1880—2012)來全球平均氣溫升高了0.85 ℃[8]。在全球變暖的大背景下，有必要分析南京年平均氣溫年際變化特征。首先利用6 h一次的氣溫數據計算1961—2016年南京市6站的年均氣溫。各站56 a的年平均氣溫變化見圖1，由圖1可看出，1961—1993年南京6站年平均氣溫在15.5 ℃上下波動，1993年以后各區和全市的年平均氣溫都有了明顯的上升，1994—2016年全市年平均氣溫上升約1.5 ℃，說明南京市在這23 a里明顯變暖。

圖1 1961—2016年南京市6站年平均氣溫變化

3 年均氣溫距平的EOF模態分解

3.1 EOF空間分布特征

對南京市1961—2016年6站年均氣溫的距平數據進行EOF模態分解，并利用North顯著性檢驗對其特征值進行檢驗，尋找有價值的空間場模態。如表1所示，前三個特征向量的特征值的累積貢獻率超過99%，但是只有前兩個特征值的誤差范圍沒有重疊，因此只有前兩個特征值通過North顯著檢驗，且累積貢獻率超過98%。這兩個特征值可以很好地描述南京市1961—2016年氣溫的兩種分布類型。

EOF第一模態的方差貢獻率超過96%，遠高于其它模態，該空間場為南京市的氣溫場的主要分布類型，其空間分布如圖2a(第33頁)所示。

表1 1961—2016年南京市年平均氣溫經過EOF分解的前三個模態方差貢獻率和誤差范圍

由圖2a可見南京全市的特征值均為正值，這表明1961—2016年間全市的溫度變化趨勢整體是一致的，即全市呈要么整體偏高，要么整體偏低的氣溫分布特點。高值中心在市中心，低值中心在六合區的最北部，表明南京市中心區域氣溫變化活躍程度遠高于周邊地區。EOF第二模態的方差貢獻率超過1.6%，也是南京市氣溫場分布的一個較為典型的類型，其空間分布如圖2b所示。特征值負值中心處于江寧接近市中心部分，正值分布在南北兩端，溧水區為正值中心，呈現中部(南京站、江寧站)和南北兩端(溧水站、六合站)反向的分布模式。

3.2 EOF時間分布特征

各個模態分解得到的時間系數代表其對應模態的時間變化特征，其正負代表模態的方向，正號表示與該模態同向，負號表示與該模態異向，其絕對值越大，這種模態越典型。從EOF第一模態所對應的時間系數(圖3)可以看出：1994年之前絕大部分年份的時間系數為負值，因此可以得出1961—1993年南京全市處于氣溫偏低狀態；1994年以后，時間系數開始上升，并幾乎全部為正值，說明在1994—2016年氣溫屬于氣溫偏高狀態。縱觀56 a，南京全市氣溫在1994—2016年有明顯的升溫趨勢。從EOF第二模態的時間系數看：1961—1980年時間系數為下降趨勢，但是幾乎均為正值， 這段時間里中部地區的氣溫低于南北兩端的氣溫；1981—2005年EOF第二模態時間系數呈現下降趨勢，整體為負值，反應在此期間中部氣溫高于南北兩端氣溫；2006—2013年EOF第二模態時間系數盡管呈現下降趨勢，但是均為正值，說明在此期間城市中部氣溫低于南北兩端氣溫；2014—2016年EOF第二模態的時間系數為負值并呈下降趨勢，此期間中部氣溫再次高于南北兩端。

圖3 南京1961—2016年氣溫EOF第一、第二模態時間系數年際變化曲線

綜合EOF第一、第二模態及其各自的時間系數，南京全市的年均氣溫在20世紀90年代快速升高。根據EOF模態分解得到的空間場和時間場，可以看出南京市中心即南京站和江寧站增溫快于南京的其他地區，因此，可以認為南京站和江寧站是南京市的熱島站點。

4 熱島強度分析

根據以往作者的研究，城市熱島中心氣溫與同時間、同高度城市郊區的氣溫差值Tu表示熱島強度，并且將城市熱島強度的等級分為無、弱、中等、強和極強五個等級(溫差分別為Tu≤0.5 ℃，0.5 ℃3.5 ℃)[9]。

為了進一步研究南京1961—2016年熱島強度和出現熱島效應的頻率，從上文的EOF分解結果可知南京站和江寧站屬于熱島中心，因此將這兩個站作為城區站。由于高淳站相距城區大約70 km，遠遠超過其他郊區站與城區站的距離，甚至達到浦口站與城區站距離的3倍，因此郊區站只選擇浦口、六合、溧水3個站點。利用城區站、郊區站氣溫差值法分別計算1961—2016年每天4個時刻(02時、08時、14時、20時)的Tu。定義：一天中只要有一個時刻的Tu大于0.5 ℃，則表示這一天有熱島現象，計為一個熱島日。為此分時段統計出現熱島日數并計算熱島日出現的頻率[10]，再計算這些熱島日氣溫差值的平均值，即為平均熱島強度。統計結果見表2。從表2可看出：20世紀60—70年代出現熱島現象的頻率低于50%，平均熱島強度小于0.94 ℃；20世紀80年代到進入21世紀后，各時期熱島日出現頻率高于50%，平均熱島強度均在0.94 ℃以上，且隨著時段推移，逐漸增高，在2001—2016年達最高值0.980 ℃。

表2 1961—2016年南京熱島出現頻率及平均熱島強度

為了進一步研究南京熱島強度的強弱，統計熱島日的熱島強度等級。若一天內出現不同等級的熱島強度，則選取最高的熱島強度等級作為當日熱島強度等級，結果如表3所示。從表3可看出：對于任何時段而言，弱熱島強度出現頻率均為最大，說明目前南京市屬于弱熱島階段；但是隨著時間推移，其頻率總體上在減小。中等熱島出現頻率在增大，特別是進入20世紀80年代以后，這也是80年代以后平均熱島強度均高于60—70年代的主要原因。南京強熱島、極強熱島出現頻率較小，且變化不明顯。

表3 1961—2016年南京熱島強度等級出現頻率 %

為了進一步探究白天和夜晚熱島強度的變化，將熱島強度最強的時期(1991—2016年)每天02時和20時的熱島強度求平均作為夜平均熱島強度，08時和14時的熱島強度求平均作為晝平均熱島強度，將夜平均熱島強度減去晝平均熱島強度求夜、晝熱島強度差值。圖4為夜間和晝間熱島強度及夜、晝熱島強度差值的年際變化曲線。從圖4可見，南京市的夜熱島強度略強于晝熱島強度，在2011年出現夜、晝熱島強度差值的峰值，在2016年出現谷值；但是夜、晝熱島差異沒有明顯的時間變化特征規律，1991—2016年夜、晝熱島強度差值的平均值為0.015 ℃。

圖4 1991—2016年南京夜、晝熱島強度及夜、晝熱島強度差值曲線

5 結論

基于南京市1961—2016年6區的地面氣溫資料，利用經驗正交函數分解以及城、郊氣溫差值法對南京氣溫變化特征及熱島效應進行分析，得到以下結論。

(1)1961—2016年南京6區的年平均氣溫變化基本一致，總體呈上升趨勢。其中1961—1993年年平均氣溫在15.5 ℃上下波動，1993年以后各區和全市升溫趨勢明顯；通過EOF第二模態分解，發現主城區為熱島中心，增溫和氣溫變化活躍程度遠高于周邊地區。

(2)20世紀60年代和70年代熱島現象出現頻率相對較低，強度也較弱；而80年代以后各時期熱島出現頻率明顯增大，且熱島強度呈明顯的上升趨勢，其中2001—2016年間為熱島強度最高時期。

(3)目前南京市的熱島主要為弱熱島強度，但是中等熱島出現頻率逐漸加劇；盡管南京市熱島效應有晝夜差異，但是并不明顯，具體表現為夜晚熱島略強于白晝。

圖1 河池市雷電災害風險區劃(文見第28頁4)

圖2 南京1961—2016年氣溫EOF第一模態(a)和第二模態(b)空間場(文見第30頁3.1)