漢中市熱島效應變化特征分析

胡江波，孟 茹，徐 鈺

(漢中市氣象局，陜西漢中 723000)

城市熱島是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象，是城市氣候最顯著的特征之一[1-3]。熱島效應一般用兩個代表性測點的氣溫差值(即熱島強度)表示。城市熱島強度與區域氣候、城市化程度、地形等諸多因素有關[4]，因而各地城市熱島效應也呈現出明顯的區域性特征[5-6]。前期很多學者對城市熱島效應進行了大量研究，相關研究區域及成果主要集中在經濟發達，人口密集的大中城市[7-10]，而中小城市，尤其是處于西部地區中小城市熱島效應研究相對較少。漢中市北依秦嶺，南屏巴山，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，是聯合國教科文組織公認的全球同一緯度生態環境最適合人類生存及居住的地方，以良好的生態環境聞名于世。近年來隨著漢中城市化進程的加快、城鎮企業迅速發展以及人口密度的快速增加，導致城鄉溫度差異增大，城市熱島效應日益嚴重，對城市發展及人居生活環境造成一定的影響。本文利用2009—2018年城區站及郊區站的氣溫觀測數據，采用氣溫對比法對漢中市熱島效應變化規律及其氣象影響因子進行了分析，旨在緩解漢中城市熱島效應，建設生態文明綠色環保城市及維持城市可持續發展提供科學依據。

1 資料與方法

所用資料為漢中國家基本氣象站和望江、金寨、漢王、鋪鎮4個鄉村區域站2009—2018年逐時氣溫資料，所有資料記錄連續、質量穩定。漢中國家基本氣象站定義為城區站，該氣象站位于漢中市城區中心，是漢中市人口最密集、建筑物最多、城市化程度最高的區域，臺站所在位置海拔高度509 m。望江、金寨、漢王、鋪鎮4個鄉村區域站定義為郊區站，與漢中站距離為10～18 km。由于漢中市是中小城市，所轄面積較小，該4個郊區站位于郊區鄉村，周邊沒有高大建筑物，人口密度小，植被覆蓋度高，能夠較好代表漢中周邊郊區的特征，海拔高度489～559 m，城區站和郊區站海拔高度相差50 m以內，對氣溫的影響較小，分析時不考慮海拔高度引起的氣溫差異。所選城區站和郊區站均隸屬于同一個氣候區。

在分析漢中城市熱島效應年、季、月、日變化時選取漢中國家基本氣象站氣溫與郊區站氣溫平均值之差代表漢中城市熱島效應強度[11-12]，即T=Tx-Ta，其中，T為城市熱島效應強度；Tx為漢中國家基本氣象站氣溫；Ta為望江、金寨、漢王、鋪鎮4個郊區站氣溫平均值。

2 年平均氣溫變化特征

圖1為2009—2018年漢中及周邊郊區4站年平均氣溫變化情況，根據圖1可見，近10年來，漢中城區站年平均氣溫均高于周邊郊區4站，2012年開始城區站氣溫呈明顯增加趨勢，郊區4站氣溫變化相對平緩，呈緩慢增加趨勢。總體來看，漢中城區站溫度平均每年升高0.12 ℃，郊區站溫度平均每年升高0.04 ℃，即城區站和郊區站均呈增溫趨勢，但城區站增溫幅度明顯大于郊區站，城區站與郊區站在2013年前氣溫變化差距較小，2013年后溫差迅速增大。

圖1 2009—2018年漢中及周邊郊區4站平均氣溫年際變化

3 城市熱島效應強度變化特征

3.1 年變化

漢中市熱島效應強度近10年平均值為0.7 ℃，呈明顯逐年增加趨勢(圖2)，平均每年增加0.07 ℃。近10年，漢中市熱島效應強度最小值為0.3 ℃(2009年)，最大值為1.0 ℃(2017年)，最大與最小熱島效應強度差值達0.7 ℃。2009—2011年熱島效應強度相對較弱，基本在0.5 ℃以下，2012年開始熱島效應強度明顯增加，達到0.7 ℃，2013年稍有回落，降為0.5 ℃，2014年以后熱島效應迅速增加，熱島強度均值在0.8 ℃以上。這可能與近年來漢中市城鄉一體化進程加快和人為活動有關。分析結果與其他大中城市熱島效應強度減弱的趨勢[13]有所差別。

圖2 2009—2018年漢中市熱島效應強度年際變化

3.2 季節變化

漢中市熱島效應強度呈現明顯的季節變化特征。由表1可看出，近10年春、夏、秋、冬四季均存在明顯的熱島效應，季平均強度分別為1.3、0.5、0.8、1.0 ℃，其中春季最強，冬季次之，夏季最弱。前5年(2009—2013年)熱島效應強度表現為冬季最強，春季次之，夏季最弱；后5年(2014—2018年)則是春季明顯較強，達到1.8 ℃，冬季其次，夏季最弱。后5年除夏季熱島效應強度與前5年相比較沒有變化外，春、冬、秋季均有所增加，且春季增加最為明顯。

表1 2009—2018年漢中市熱島效應強度季節變化 單位：℃

3.3 月變化

通過圖3可看出，近10年漢中市熱島效應強度呈現出明顯的月變化特征，各月均存在熱島效應，其強度在0.3～1.4 ℃，其中8月—次年2月熱島效應強度逐漸增強，2月達到最強為1.4 ℃，2—8月逐漸減弱，8月最弱為0.3 ℃。前5年(2009—2013年)和后5年(2014—2018年)熱島效應強度月分布特征同近10年基本一致，除7—8月外，后5年各月熱島效應強度較前5年均有所增加，其中3—5月增加最為明顯。

圖3 2009—2018年漢中市熱島效應強度月變化

3.4 日變化

選取2016—2018年漢中城區站和郊區站代表月1月(最冷月)和7月(最熱月)逐小時平均氣溫資料，計算分析漢中市熱島效應強度日變化。漢中市1月(最冷月)和7月(最熱月)熱島效應的日變化特征大致相似(圖4，以08—19時為白天，20時—次日07時為夜間)，總體表現為夜間強白天弱的特點，但個別時段存在差異。1月12—15時熱島效應消失，出現城區氣溫低于郊區的現象，即“冷島”效應現象，16時以后轉為熱島效應，強度開始快速加強，一直延續到22時，達到峰值(1.3 ℃)，隨后在高位平穩波動，至次日08時后迅速減弱。7月11—14時出現冷島效應，15時開始轉為熱島效應，隨后一直持續到夜間21時達到峰值(1.9 ℃)，此后逐漸減弱，直到次日10時降到最弱。由于城區大氣污染較郊區嚴重，氣溶膠顆粒多，白天對太陽輻射具有一定的削弱作用，從而削弱了氣溫升高的幅度；而郊區空氣質量較好，白天太陽輻射強，地面吸收大量熱量，城市熱島強度減弱，甚至導致郊區氣溫比城區高，即冷島現象。另外，城區夜晚大氣擴散條件相對郊區較差，同時空氣污染物較多，能夠反射更多的地面長波輻射,導致城區夜晚氣溫較高，使得城區和郊區氣溫差大，夜間城市熱島效應明顯。

圖4 2009—2018年漢中市熱島效應強度日變化

4 城市熱島效應強度與氣象因子相關分析

城市熱島效應強度與氣象因子密切相關[13]，氣象因子的變化對熱島效應強度有較大影響。影響漢中城市熱島效應強度的氣象因子主要有氣溫、云量、相對濕度等。研究表明，年平均熱島效應強度與年平均氣溫(圖5a)呈正相關，與年平均低云量(圖5b)和相對濕度(圖5c)呈負相關。年平均熱島效應強度與年平均氣溫、年平均相對濕度的相關關系通過α=0.05的顯著性檢驗；與年平均低云量的相關關系通過了α=0.01的顯著性檢驗；但與年日照時數、年降水量、年平均風速的相關性較小(圖5d、e、f)，未通過顯著性檢驗。

圖5 2009—2018年漢中市年均熱島強度與年平均氣溫(a)、年平均低云量(b)、年平均相對濕度(c)、年日照時數(d)、年降水量(e)和年平均風速(f)變化曲線

5 結論與討論

(1)近10年，漢中城區站年平均氣溫均高于周邊郊區4站，2012年開始城區站氣溫呈明顯逐年增加趨勢，郊區4站呈緩慢增加趨勢，2013年以后城區站與郊區站溫差迅速增大。漢中市熱島效應強度近10年平均值為0.7 ℃，呈明顯逐年增加趨勢，特別是2014年以后熱島效應迅速增加，熱島強度均值在0.8 ℃以上。

(2)漢中市近10年熱島效應強度呈現明顯的季節變化特征，表現為春季最強，冬季次之，夏季最弱。前5年(2009—2013年)熱島效應強度表現為冬季最強、春季次之、夏季最弱，后5年(2014—2018年)則是春季明顯較強，冬季其次，夏季最弱；后5年除夏季與前5年沒有變化外，春、冬、秋季均有所增加，且春季增加最為明顯。

(3)漢中市近10年熱島效應強度呈現出明顯的月變化特征，各月均存在熱島效應，強度在0.3～1.4 ℃之間，其中8月—次年2月熱島效應強度逐漸增強，2月最強，之后逐漸減弱，8月最弱。

(4)漢中市熱島效應的日變化特征明顯，1月(最冷月)和7月(最熱月)熱島效應均表現為夜間強、白天弱的特點。1月12—15時出現冷島效應，16時以后轉為熱島效應，強度開始快速加強，一直延續到22時，隨后在高位平穩波動， 至次日08時后迅速減弱； 7月11—14時為冷島效應，隨后轉為熱島效應一直持續到夜間21時達到峰值，此后逐漸減弱，直到次日10時降到最弱。

(5)漢中市年平均熱島效應強度與年平均氣溫呈顯著正相關，與年平均相對濕度和低云量呈顯著負相關。