天津城市熱島強度的精細化時空分布特征研究

孟凡超，黃鶴*，郭軍，張雷，熊明明，李曉波

1 天津市氣候中心，天津 300074；2 中國氣象局國家氣象信息中心，北京 100081；3 天津市氣象探測中心，天津 300074

城市熱島效應會導致城市大氣環境格局的變化（Zheng et al.，2014），加大城市能源消耗（Kolokotroni et al.，2012；Santamouris et al.，2014），加劇城市大氣污染，引起城市自然災害（Shi et al.，2008），影響居住環境和人體健康，因此需加強對大城市熱島效應的研究。

關于城市熱島效應的研究已開展多年，科學家進行了多方面的研究工作（徐祥德等，2002；王迎春等，2012；趙宗慈等，2012；壽亦萱等，2012；Yang et al.，2013；Ren et al.，2014）。城市熱島強度一般是指城鄉溫度的差值，被認為可在一定程度上消除局地氣候變化的影響，因而可用于反映城市化對城鄉溫度的影響程度（葛榮鳳等，2016）。我國北方的大部分城市熱島都表現為：城市熱島強度（UHII）夜晚大于白天、冬季大于夏季（鄭祚芳等，2006；謝莊等，2006；季崇萍等，2006），整個城市熱島的走向和大小與建城區一致（孫奕敏等，1988），表明這種城市的增溫效應與城市人口數量和城市化進程有關（郭軍等，2009）。城市熱島效應對日最高、最低氣溫等極端氣溫指數均有影響（Zhou et al.，2012；張雷等，2011；劉偉東等，2014），且對日最低氣溫的影響更為顯著（Ren et al.，2014；Bian et al.，2015）。極端氣溫指數變化會影響空氣質量和城市環境，甚至影響居民健康（胡非等，2003）。近年來很多學者（劉樹華等，2009；Miao et al.，2009；Chen et al.，2011）使用數值模式模擬城市下墊面、人為熱源、人為排放物及其與周圍環境的相互作用，開展了城市氣候效應的研究。同時，在微氣候環境的研究中發現，綠地可以降低夏季空氣溫度，并且綠地布局不同對溫度產生的調節作用不同（Lee et al.，2016；章莉等，2019）；軒春怡（2011）研究得出，隨著城市水體面積的增加，無論分散性或集中型布局，都在一定程度上使城市氣溫降低、濕度增加、平均風速增大、熱島強度減弱、空氣污染物擴散能力增強。

值得注意的是，受不同下墊面類型和結構等因素影響，城市內部溫度也存在差異，這種差異甚至比城鄉溫度差異更大（Buyantuyev et al.，2009；Yan et al.，2014）。但是，到目前為止，對于近年來城市內部 UHII的逐時精細化時空變化特征還不完全清楚。造成這種情況的原因主要是觀測資料的不足，特別是只有有限的常規氣象觀測資料，對高密度自動站多年氣象資料的應用還相對較少。

20世紀90年代末，我國開始在臺站布設地面自動氣象站（以下簡稱自動站）（劉小寧等，2008；任芝花等，2007）。目前已建成了高密度自動氣象觀測網，實現了多氣象要素的連續監測，積累的連續多年觀測資料為城市熱島精細化氣候特征研究提供了基礎。天津市作為我國北方重要的工商業繁榮的經濟中心和北方最大的國際港口城市，研究其熱島特點對于揭示我國北方沿海城市熱島變化趨勢很有必要。本文利用天津市自動站逐時氣溫資料，通過相對客觀的標準選取鄉村參考站，分析了近9年來天津市UHII的精細化時空分布特征，并分析了城市熱島效應對日最高、最低和平均氣溫的影響，為城市熱島效應緩解措施制定和城市合理建設規劃提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 研究區與數據

天津市（38°34′—40°15′N，116°43′—118°04′E）位于華北平原東部，西有太行、北依燕山、東臨渤海，其中市中心區（和平區、河西區、河北區、河東區、南開區和紅橋區）是天津市工商業活動密集區，也是城市化進程較快區（圖 1），近年來城市建設向新四區（東麗區、西青區、津南區和北辰區）擴張。

本文所用資料由天津市氣象信息中心提供，包括天津市市區及周邊110個自動氣象站2009—2017年逐時氣溫資料，經過嚴格質控。將每日逐時氣溫的最大值確定為日最高氣溫，將逐時氣溫的最小值確定為日最低氣溫。

1.2 研究方法

1.2.1 鄉村參考站的選取

鄉村參考站的選取對于準確評估 UHII至關重要。首先，根據Ren et al.（2011）和Yang et al.（2013）發展的遙感選站方法，采用2016年1月MODIS衛星遙感反演資料（MOD11A2）繪制陸地表面亮度溫度等值線（圖 2），結合自動氣象站在地表亮度溫度場中的位置，將位于最外圍一條閉合等值線以外的臺站擬作為鄉村參考氣象站。與其他方法相比，該方法不依賴社會和經濟等數據，是一種相對客觀的選站方法。擬定臺頭（Taitou）、蔡公莊（Caigongzhuang）、南王平（Nanwangping）和西堤頭（Xiditou）4個站為備選鄉村參考站（表1）。

采用土地利用/覆蓋類型數據，以擬定參考站為中心，以4 km為半徑生成緩沖區數據，計算該區域城鎮和建筑用地所占百分率。結果表明，Taitou、Caigongzhuang、Nanwangping和 Xiditou 4個站的緩沖區內城鎮和建筑用地所占百分率均在 10%以內，可作為鄉村參考站。土地利用/覆蓋類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心研發的2015年中國大陸土地利用/覆蓋類型數據集（http://www.resdc.cn）。數據集中土地利用/覆蓋類型分為以下6類：（1）耕地（水田、旱地），（2）林地（有林地、灌木林、疏林地和其他林地），（3）草地（高覆蓋、中覆蓋和低覆蓋度草地），（4）水域（河渠、湖泊、水庫坑塘、永久性冰川雪地、灘涂和灘地），（5）城鄉、工礦、居民用地（城鎮用地、農村居民點和其他建設用地），（6）未利用土地（沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質地及其他）（圖3）。

表1 本文選用的鄉村氣象站信息Table 1 Information of the rural weather stations used in this study

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location of the study area

圖2 天津市地表面亮度溫度分布及備選鄉村參考氣象站Fig.2 Distribution of surface temperature and the alternative rural reference weather stations around urban center in Tianjin

圖3 天津市土地利用/覆蓋類型分布圖及備選鄉村參考氣象站Fig.3 Distribution of Land Use/Land Cover and the alternative rural reference weather stations around urban center in Tianjin

結合臺站觀測環境等信息最終確定市中心周圍Taitou、Caigongzhuang、Nanwangping和 Xiditou 4個站作為鄉村參考站（圖 4）。所選參考站位于市中心的不同方位，均處于開闊的自然或人工植被區域，不受高大建筑物和其他人工設施的影響。4個參考站平均海拔高度均為1 m左右，差異很小，無需做高度訂正，能夠確保準確地估算UHII。表1總結了每個參考站的基本信息。

1.2.2 城市熱島強度的定義

圖4 研究區及城市站、鄉村站和自動站示意圖Fig.4 Location of the studied area and the distribution of the urban weather station, rural weather stations and auto-weather stations (black triangle) in Tianjin

城市熱島強度：指由于城市熱島效應等因素引起的城鄉之間氣溫的差異，用 UHII表示。城市熱島強度的表達式為：

其中，tu為城市站的氣溫，tr為參考站的氣溫。

從110個自動站中選出的4個鄉村參考站的氣溫平均值定義為鄉村站氣溫，其余各站點氣溫與鄉村站氣溫的差值定義為各站點的UHII，應用反距離權重（IDW）插值方法將各站點的 UHII插值到整個研究區，獲得 UHII的空間分布；以天津市城市氣候監測站（54517站）為城市站，城市站與鄉村站氣溫的差值定義為城市站的 UHII，用以分析UHII的時間變化。

天津市冬季、春季、夏季、秋季分別定義為12月至次年2月、3—5、6—8、9—11月。

2 結果與分析

2.1 年和四季城市熱島強度的空間分布特征

圖 5給出了 2009—2017年天津市年和四季UHII的空間分布，由圖可知，UHII的高值區與城市建成區分布基本一致，市內六區為 UHII高值中心。在城市內部 UHII高值區，還零星分布著一些低值點，這些點大多位于或靠近綠地和水體，表明城市內部綠地和水體對UHII的升高具有緩解作用。年平均UHII空間分布上，市區UHII達到1.0 ℃以上，具有向南部和東部擴展的趨勢，而市區東北部遠郊則出現負值。從季節上看，城市熱島特征空間形態四季基本一致，但熱島強度表現出春夏弱、秋冬強的特征。春季和夏季市區大部分區域的 UHII在0.5—1.0 ℃范圍內，熱島范圍覆蓋市內六區，部分遠郊地區的 UHII呈負值。秋冬季熱島向東部擴展，市內六區的UHII均在1.5 ℃以上，熱島強度從市中心向四周逐漸減小，強熱島中心最大 UHII可達2.5 ℃以上。

2.2 年和四季城市熱島強度的時間分布特征

圖5 2009—2017年全年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）和冬季（e）UHII的空間分布Fig.5 Spatial distributions of the UHII in annual (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e) from 2009 to 2017

總體來說，全年和春、夏、秋、冬四季平均UHII日變化均表現為：夜間強，白天弱，中午甚至出現負值（圖6）。受太陽輻射的影響，清晨到中午是一日內升溫階段，城市與鄉村溫差也迅速減小，到達中午為最小值；而后，隨著太陽高度角的減小，城市與鄉村的溫差又逐漸加大，到傍晚接近最大值，23:00到次日06:00左右為年平均強熱島時段。這種日變化特征在四季表現的更為明顯，冬季強熱島時段出現在 22:00到次日 09:00左右，秋季是22:00到次日06:00左右，夏季是24:00到次日06:00左右，春季強熱島出現時段與年平均一致。從圖 6中還可以看出，秋冬熱島強度差異主要表現在01:00—09:00的強熱島時段，其他時段兩個季節差異很小。四季中弱熱島時段基本一致，均在 12:00—16:00，表明當太陽高度角較高時，城鄉之間的溫差主要受太陽輻射的影響。全年和四季平均 UHII日變化具有兩個快速變化時段，即16:00—22:00左右為快速上升時段，06:00—12:00為快速下降時段。

圖6 2009—2017年全年、春季、夏季、秋季和冬季平均UHII的日變化Fig.6 Diurnal variation of the UHII in annual, spring, summer,autumn and winter from 2009 to 2017

2.3 城鄉平均、最高和最低氣溫及其差值的變化特征

城市熱島一般是指城鄉平均氣溫的差值，實際上城鄉最高氣溫和最低氣溫也存在差異。本文對城市和鄉村的平均、最高和最低氣溫逐日平均值及城鄉差值進行了對比，如圖7、表2所示。城市和鄉村之間最低氣溫曲線的差別較大，城市站平均最低氣溫始終高于鄉村站，其差值一般在2.0 ℃以上；但二者最高氣溫曲線之間的差別較小，兩條曲線幾近重合；二者平均氣溫曲線之間的差值在1.0 ℃以上，介于最高、最低氣溫之間（圖7），表明最低氣溫的熱島強度最大，平均氣溫的熱島強度次之，最高氣溫的熱島強度最小。秋季和冬季的日平均UHII要明顯高于春季和夏季，其中最低氣溫冬季的UHII最高可達3.1 ℃，夏季僅為1.3 ℃（表2）。

3 討論與結論

3.1 討論

圖7 城市（紅線）和鄉村（藍線）平均、最高和最低氣溫逐日9年（2009—2017年）平均值及其差值（綠線）的變化Fig.7 The 9 a means of daily tmean, tmax, tmin at urban area (red lines), suburban area (blue lines) and their differences (green lines) from 2009 to 2017

表2 2009—2017年城市和鄉村全年及四季平均、最高和最低氣溫及其差值Table 2 The annual and seasonal tmean, tmax, tmin and their differences at urban and suburban areas from 2009 to 2017

綠地和水體對于改善微氣候環境效果顯著，具有明顯的降溫、增濕作用（孔繁花等，2013）。本研究發現，在空間分布上，UHII呈現以天津市內六區為高值中心向四周降低的特點，以向南部和東部擴展更為明顯。在年和四季的熱島空間分布圖的高值中心均可見一些零星分布的低值點，這些低值點大多位于綠地和水體附近，表明綠地和水體具有明顯的緩解城市熱島作用。對北京的研究也有類似發現，指出 2002—2018年期間北京城市植被覆蓋度有所提升，使城市生態環境不斷改善、熱島現象得到緩解（劉勇洪等，2020）。劉丹等（2018）也認為綠地增多改善了城市中心區的熱島現象，并提出在新城區規劃中應重點關注城區植被、水體和建筑用地的比例，增加綠地面積、減小集中連片的建筑用地以期緩解城市熱島效應。

在季節尺度上，本研究結果發現近年來天津UHII的空間分布表現為冬季最強、春季和夏季較弱，這一結果與北京近年來熱島變化的研究結果Yang et al.（2013）基本一致。在晝夜尺度上，熱島強度一般在夜間大于白天，冬季大于夏季（Hu et al.，2016；晏海等，2017；程志剛等，2018）。本研究得出，天津年和四季 UHII日變化曲線特點明顯，夜間強，白天弱，呈現有兩個相對穩定的高、低值時段和兩個變化時段。冬季強熱島時段出現在22:00到次日 09:00左右，而夏季是 24:00到次日 06:00左右，春秋季是23:00（22:00）到06:00左右。產生差別的主要原因是從夏季到冬季，日出晚、日落早，從而產生冬季強熱島出現時間偏早、結束時間偏晚、持續時段最長，秋季和春季次之，夏季最短的特點。對于上海城市熱島日變化的研究（徐偉等，2018）也認為，上海 UHII在白天和夜間時段的變化相對穩定，而在早晨和傍晚兩段時間則升降過于激烈。對北京城市熱島日變化的研究（Yang et al.，2013）得出，熱島相對穩定的高值時段為21:00到次日 06:00，較天津有所延長。這可能與地理位置有關，北京為內陸，天津市位于渤海西岸，這種地理環境特征能使城市熱島環流和海陸風環流相互耦合（劉樹華等，2009），海陸風效應對天津城市熱島效應有一定的削弱作用（東高紅等，2015）。黃利萍等（2013）也認為，海風能使城市降溫。海風削弱了UHII，推遲夜間熱島出現的時間，因此城市熱島高值時段稍有縮短。

徐偉等（2018）研究認為，城市熱島效應對城市日最低氣溫的影響遠遠大于對日最高氣溫的影響，進而減小了城市的氣溫日較差。城市化對于極端氣溫指數的研究也表明，基于日最低氣溫的極端氣溫指數受城市化影響更為顯著（張雷等，2011；Ren et al.，2014）。本研究得出，最低氣溫的UHII不僅高于最高和平均氣溫的UHII，而且其四季變化也有一定規律。總體來講，秋、冬季的日平均UHII要明顯高于春、夏季。四季變化中，最低氣溫的UHII始終最強，在冬季達到峰值3.1 ℃，而最高氣溫最弱。

本文對于城市內部 UHII的精細化時空變化特征進行了分析并獲得了一些初步結果，同時也存在一定的局限性。一是氣象站點的選擇還要進一步研究，城市站的選擇要更具代表性，如果城市站周圍建有公園、綠地和水體等則會對其氣溫產生影響，不能代表城市中心氣溫，從而使 UHII產生偏差。二是影響城市內部熱島的因素復雜，只使用自動氣象站資料很難獲得全面完善的結果，衛星資料分辨率較低不能直接監測城市內部小范圍的城市熱島，未來可以結合衛星資料和自動站資料展開更深入的研究。本文還表明，目前天津自動氣象站網不僅具有為天氣預報和氣象預警服務的能力，還可以用于城市氣候特征的精細化分析研究，對于連續監測跟蹤本地氣候變化具有重要作用。

3.2 結論

本文應用經過質量控制的高密度自動氣象站逐時氣溫資料和遙感方法選取的鄉村參考站，分析了天津市市中心區域及其周圍鄉村近9年來（2009—2017年）UHII的精細化時空變化特征，得到以下結論：

（1）9年來，天津市UHII空間分布明顯，市內六區為 UHII最強區域，由市中心強熱島區向四周擴展，以向南部和東部擴展最為明顯，市區年平均UHII達到1.0 ℃以上，市中心綠地和水體對城市熱島具有一定的緩解作用；四季中，冬季UHII最強，市區達到2.0 ℃以上，秋季次之，夏、春季最弱。

（2）全年和四季 UHII平均日變化曲線均表現為相對穩定的高值、低值時段和兩個快速變化時段，冬季強熱島時段最長（22:00到次日09:00左右）、夏季最短（24:00到次日06:00左右）。高值時段較北京縮短，可能與天津市靠海，海陸熱力差異對近地層氣溫影響有關。海風環流削弱了UHII，推遲夜間熱島出現的時間，縮短了 UHII高值時段。夜間UHII在冬季最強，而在夏季最弱。

（3）城市熱島效應對日最低氣溫的影響遠遠大于對日最高氣溫的影響。城市站和鄉村站之間平均最低氣溫曲線的差別最大、平均最高氣溫曲線差別最小、平均氣溫曲線介于二者之間。