泰安市熱島效應與降水關系研究

楊熙昊　羅小青　敖艷龍　何孜妍　蔣乙弘　陳予洋　朱霞

摘要 城市熱島是城市地區溫度高于周邊農村地區的一種現象，也是城市氣候研究中最為關注的熱點之一。目前國內外學者對城市熱島問題進行了廣泛研究，但研究對象主要集中在大城市或特大城市，對于中小城市研究偏少，基于此，以泰安市為例，對中等城市熱島時空演變及其影響因素進行分析。冠層熱島具有顯著的日變化和季節變化特征，其強度與城市發展、下墊面粗糙度息息相關。主要采用山東省泰安市2016—2020年5年逐日地面氣象觀測資料，選取代表城市的5個站點（財源、東湖、上高、泰安二中、泰山區），以及代表郊區的6個站點（夏張、滿莊、房村、馬莊、良莊、顏謝壩）的平均氣溫和降水資料，并采用統計方法研究了泰安城市熱島年際變化特征及其與降水的關系，發現城市熱島效應強度與降水的負相關關系。

關鍵詞 泰安;熱島效應;降水

中圖分類號：X16 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0126–03

早在1833年，英國氣候學家Lake Howard就對倫敦城市中心溫度比郊區高的現象進行了文字記載[1]。而現今所有的城市熱島的概念，則是由Manley于1958年提出，即城市熱島效應（Urban heat island effect，UHI）的名詞性概念，指城市因大量的人工發熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市“高溫化”，城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象[2]。

根據張樹欽等[3]研究表明，“雨島效應”與“熱島效應”密切相關，“熱島效應”造成城區空氣輻合上升，有利于對流云的形成，易導致城區局地降水增強而形成“雨島效應”。而根據其關于汕頭的研究，“雨島效應”主要出現在5—6月，集中分布于夏季，7月“雨島效應”最強。由于夏季水汽充沛，城區和郊區氣溫差最大，“熱島環流”較強，有利于城區局部對流的發展，易形成熱雷暴和超級單體風暴等強對流天氣，給城區帶來短時強降水，有利于“雨島效應”的形成。

王喜全等[4]研究了城市化進程對北京地區冬季降水分布的影響可知，城市化緩慢期與快速期對北京不同地區年均降水量的影響程度不大，城市所處的氣候區對城市氣候的影響要大于城市化的影響。

Jauregui等[5]認為，熱島效應增強了城市的局地對流，從而引發對流性降水。孫繼松等[6]研究了北京城市 熱島效應的年際變化及其對降水的影響，結果表明：熱島效應對降水量、降水日數的影響在冬夏季及城市不同區域表現出不同特征。周健康等[7]的研究指出，受城市化影響，南京地區發生大雨、暴雨的頻率及年降水量有增加的趨勢。孟秀敬等[8]的研究顯示，河西走廊的氣溫在過去57年呈顯著上升趨勢，年降水量也呈顯著增加趨勢， 總體向暖濕化發展。王建鵬等[9]的研究表明，由于城市規模不斷擴大，西安在冬夏季均形成了以西安為中心的明顯“熱島”，由熱島效應和季節性變化的環境風場間相互作用，降水的季節空間分布差異是由冬夏盛行風變化引起的。以上研究均表明氣象要素（氣溫、降水）的分布因城市熱島效應而發生改變。

1 資料選取以及其處理

1.1 臺站選取

小組采用了山東泰安2016—2020年11個區域站（其中“泰安二中”站由于其建站時間較遲，本小組采用其2017年后的數據）的平均溫度和降水進行研究（表1）。

1.2 資料處理

歸納整合數據，求取每個站點的逐月平均氣溫和降水量，再對各站點所處地區進行分類整合，分為郊區（夏張、滿莊、房村、馬莊、良莊、顏謝壩）和城區（財源、東湖、上高、泰安二中、泰山區）兩個大類，分別求取郊區和城區平均降水量、平均氣溫。并以此為基礎，求出每個月的城市冠層熱島強度，計算公式見公式（1）。

T熱島強度=T城區-T郊區? ? ? ? ? ?（1）

2 結果分析

由表2可以看出，熱島強度最強是2020年9月，熱島強度為2.97，而降水總量只有45.27 mm.

根據所得的結果，繪制了近年來的雨季冠層熱島效應強度的散點圖，并添加趨勢線（圖2）。

根據已有數據和已知山東泰安的氣候特點，泰安市地處魯中山區，屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，四季分明，寒暑適宜，光溫同步，雨熱同季。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季晴和氣爽，冬季寒冷少雪。降水時空分布不均，年際變化大。雨季出現在6—9月份，其中7月份降水量最多，經常出現暴雨、大暴雨，全區年平均暴雨日數2.5 d。春季降水量較少，秋季常有連陰雨天氣出現。

根據圖3和圖4可知，隨著年份的增加，城市化的加劇，城區的雨季降水總量大體呈上升趨勢，且由于山東泰安處于季風區，降水受夏季風的狀態影響較大，降水總量隨年份出現上下浮動的現象。

擬合降水總量和冠層熱島強度的比較分析曲線，從趨勢線可以看出城郊降水和冠層熱島強度呈一定的負相關關系（圖5），為證明這一點的真實性，選取2020年8月4—7日的降水及熱島強度關系，并繪制曲線（圖6）。兩者的相關系數為-0.925 620 25，從利用標準值所畫出的圖來看，可以看出兩者強烈的負相關關系。

3 結論與展望

隨著城市規模的不斷擴大，“城市熱島效應”也逐漸成為各氣象科研工作者重視的議題。國內外許多研究表明，城市熱島效應的研究方法具有階段性，起源是利用城市和郊區氣溫、降水觀測資料，研究城市熱島時空變化過程;前沿是利用衛星遙感資料反演地表溫度，結合3S技術或氣象模型進行模擬與分析，研究城市熱島特征及其環境效應。研究視角從單純對城市熱島的描述性研究逐步發展為對城市熱島發生原因和發展機制的研究、模型量化與模擬的 研究以及相關對策的研究，并逐漸將3S技術、景觀學理論和生態學理論等新工具、新視角運用到城市熱島現象的研究中。城市熱島會利于城市降水的產生，尤其對城市下風方向降水影響顯著。本研究則從熱島強度入手，建立其與降水的關系，從而得到了上述的結論。

參考文獻

[1] 劉施含，曹銀貴，賈顏卉，等.城市熱島效應研究進展[J].安徽農學通報，2019， 25（23）：117-121.

[2] 許睿，董家華，王鳳蘭.城市熱島效應的影響因素、研究方法及緩解對策研究進展[J].仲愷農業工程學院學報，2020，33 （4）：65-70.

[3] 張樹欽，黃哲帆，唐若瑩，等.廣東汕頭市近十年來城市熱島效應分析[J/OL].中國海洋大學學報（自然科學版），2021，51（8）：1-4.（2021-12-18）[2021-08-26].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1414.P.20210825.1646.002.html.

[4] 王喜全，王自發，齊彥斌，等.城市化進程對北京地區冬季降水分布的影響[J].中國科學（D輯：地球科學），2008，38（11）： 1438-1443

[5] Jauregui E， Romales E. Urban effects on convective precipitation in Mex? ico city[J]. Atmospheric Environment，1996（20）：3383-3389.

[6] 孫繼松，舒文軍.北京城市熱島效應對冬夏季降水的影響研究[J].大氣科學， 2007，31（2）：311-320.

[7] 周建康，黃紅虎，唐運憶，等.城市化對南京市區域降水量變化的影響[J].長江科學院院報，2003，20（4）：44-46.

[8] 孟秀敬，張士鋒，張永勇.河西走廊57年來氣溫和降水時空變化特征[J].地理學報，2012，67（11）：1482-1492.

[9] 王建鵬，孫繼松，王式功，等.盆地地形下西安城市熱島效應對周邊降水的影響[J].干旱氣象，2011，29（2）：168-181.

責任編輯：黃艷飛

Study on the Relationship Between Heat Island Effect and Precipitation in Tai’an City

YANG Xihao et al（Guangdong Ocean University College of Oceanography and Meteorology， Zhanjiang， Guangdong 524000）

Abstract Urban heat island was a phenomenon that the temperature in urban areas was higher than that in surrounding rural areas. It was also one of the most concerned topics in urban climate research. At present， scholars at home and abroad had conducted extensive research on Urban Heat Island， but the research objects were mainly concentrated in large cities or mega cities， and there was little research on small and medium-sized cities. Based on this， this paper takes Tai’an city as an example to analyze the temporal and spatial evolution of heat island and its influencing factors in medium-sized cities. Canopy heat island had significant diurnal and seasonal variation characteristics， and its intensity was closely related to urban development and underlying surface roughness. Based on the daily surface meteorological observation data of Tai’an city in Shandong province from 2016 to 2020， the average temperature and precipitation data of 5 stations representing the city （Caiyuan， East Lake， Shanggao， Tai’an No. 2 middle school and Taishan District） and 6 stations representing the suburbs （Xiazhang， manzhuang， Fangcun， Mazhuang， Liangzhuang and yanxieba） were selected， and the interannual variation characteristics of urban heat island in Tai’an and its relationship with precipitation were studied by statistical methods， It was found that the intensity of urban heat island effect was negatively correlated with precipitation.

Key words Tai’an; Heat island effect; Precipitation