基于数理统计分析对影响广州市热岛效应因素的研究

2010-06-13马敏洋于钦赟许舒婷

科技传播 2010年19期

关键词：热岛人口密度厄尔尼诺

马敏洋，于钦赟，许舒婷

广东省华南师范大学附属中学，广东广州 510630

基于数理统计分析对影响广州市热岛效应因素的研究

马敏洋，于钦赟，许舒婷

广东省华南师范大学附属中学，广东广州 510630

本文采用实地测温的方法开展了对热岛效应的形成因素的实证研究，分析讨论了城市下垫面属性及人口密度等因素对热岛效应的影响。运用数学建模与统计分析的方法，建立了广州市热岛强度分别关于植被覆盖率、人口密度的函数模型，下一步利用该数学模型，探讨城市规模的合适临界点在哪里的问题。以1952年～2008年10月广州市各地的气温数据为基础，建立数学模型，得出了不同时期广州市热岛强度与时间变化的函数关系，并利用这些数学模型对广州市未来的热岛强度进行预测。结合研究了厄尔尼诺现象周期性变化规律与广州热岛强度的变化规律，首次提出了两者存在密切相关性的研究结论。研究采用了先进的数学建模与统计分析方法，运用多学科的研究手段与工具，具体、深入地探究广州市热岛效应，对广州市环境保护、城市建设发展、人与自然的和谐，具有重要的科学价值与实际意义。

城市热岛效应；城市增温；函数模型；厄尔尼诺

0 引言

热岛效应：指城市气温高于郊区的现象；热岛强度：用于表示一座城市的热岛效应强弱的指标，一般用城区气温与郊区气温之差表示；厄尔尼诺现象：是太平洋赤道带大范围内海洋温度升高和大气相互作用后一种气候现象。

1）通过测温实验与数据分析指出了：水域面积越大、植被覆盖率越高、人口密度越低，热岛强度越弱；反之则越强。

（1）广州市热岛强度关于植被覆盖率的函数关系式：得到广州市人口密度与热岛强度的函数关系式为：

（2）通过运用多项式回归法建立数学模型。首次提出了1990年～2008年广州市热岛强度关于时间的函数关系式： y = 4×10-6x6+ 0.0439x5+219.09x4-583071x3+9×108x2-7×1011x +2×1014③

从而预测出2009年10月广州市热岛效应强度约为2.8℃。（3）得出近50年广州市热岛强度关于时间的函数关系式为：

从而更准确地预测2009年10月广州市热岛强度约为1.6℃。本数学模型比上一个更为精确，更具实用性。

2）首次研究厄尔尼诺对广州市热岛效应的影响。得到两者间的关系：

（1）研究与对比1952年～1975年与1990年～2008年10月广州市热岛强度，得出推论：90年代以来广州市10月热岛强度明显大于五六十年代的热岛强度，且前者波动程度较大，但厄尔尼诺年的强度变化有惊人的一致性，这就说明，厄尔尼诺现象对广州市热岛强度有重要影响，并使其出现周期性变化。

（2）研究厄尔尼诺现象对1952年～1975年10月广州气温的影响以及对热岛效应的影响，得出推论：厄尔尼诺现象使整体温度降低，使热岛效应增强。

（3）研究广州市1959年～1975年10月广州市热岛强度与厄尔尼诺现象的关系，得出结论：强厄尔尼诺现象影响到广州气候，使得广州的热岛效应短期增强。

1 走进广州——研究区概况

广州市总面积为7 434.4km2，由十区二市组成。十区的面积为3 718.5km2，二市面积为3 715.9km2。其中市中心的主要区域集中在十区。在市中心，高楼大厦密集，交通要道交错纵横，人口密度大。特别在天河、海珠、越秀、荔湾、黄埔等地区，城市化程度最高，也最易形成热岛效应。

2 基于测温实验的热岛效应成因研究

2.1 测温实验

表1 探究广州地区温度差异与植被、水域、人口密度的关系的实验数据（单位：℃）

2.2 广州市气温、植被、水域、人口密度、气温资料分析

1）广州市植被变化；

以下是广州市1990年～2005年的植被变化：

表2 不同时期中心城区与全市范围植被覆盖率动态变化比较（单位：% ）

2）广州水域分布情况；

3）广州人口密度变化情况。

2.3 建立广州市植被覆盖率、人口密度与热岛强度的数学模型

由2.2的对比可看出，影响广州市热岛强度的3个因素中，人口密度、植被覆盖率是变化最大，也是影响最多的。因此本研究将从这两方面入手建立数学模型研究。

方法：用计算机矩阵实验室（matlab）软件建立广州市植被覆盖率、人口密度与热岛强度之间的三维图象，用excel的多项式回归求函数关系式。

原始数据：1990年～2006年广州市植被覆盖率、人口密度与10月热岛强度。

分析：从三维图（图1）可看出，植被覆盖率与热岛强度成负相关关系，人口密度与热岛强度成正相关关系。而从函数回归的情况看，除了个别偏差值之外，总体来说也符合上述的关系。

得到广州市植被覆盖率与热岛强度的关系式为：得到广州市人口密度与热岛强度的函数关系式为：

图1 广州市1990年～2006年植被覆盖率、人口密度与10月热岛强度对应三维图象

本模型的实际作用：

具体的反映植被覆盖率、人口密度与广州市热岛强度的关系，能通过广州市城市植被覆盖率与人口密度来估算广州市的城市热岛效应强度，为广州的城市建设提历史借鉴以及城市规划的参考价值。具体应用可为：当人口密度、植被覆盖率达某一值时，广州市热岛强度会发展到什么程度，未来将如何发展，政府将如何采取干预等。

3 热岛效应关于时间的数学模型的建立

3.1 建立1990年～2008年广州市热岛强度关于时间的函数模型

目的：得到1990年～2008年10月广州热岛强度变化曲线，用六阶多项式回归法建立函数模型，求出其函数关系式。

工具：软件 Windows Excel

原始数据：1990年～2008年10月广州各区月均气温（表3）

表3 广州市1990年～2008年城区与郊区的10月气温（单位：摄氏度）（资料来源：广州市气象局）

分析：从图2中可以看出，广州市热岛强度并不是单一的与植被覆盖率，水域面积呈负相关关系，与人口密度成正相关关系，还存在着其他的影响因素。广州自1990年以来每年10月热岛强度的变化为：1990年～1994年间热岛强度较高，1995年～2000年热岛强度较小；2001年～2008年热岛强度又变大；而从1992年～1997年热岛强度呈持续下降的现象，从1998年起又开始回升，热岛强度回到较高的水平。从图2中，我们推测：广州市热岛强度随时间会出现一些规律，可能会有周期性变化。因此，通过电脑计算，我们得出这样一条广州市10月热岛强度随时间变化的函数关系式：

从而预测出2009年10月广州市热岛强度为：2.8℃。

图2 1990年～2008年广州市热岛强度变化趋势图

3.2 建立50年代以来广州市10月热岛强度关于时间的函数模型

同上面的探究一样，我们依然采取时间为自变量，热岛强度为因变量，利用Excel软件的三阶回归建立函数关系。本模型将比上一模型更具科学性、准确性。

图3 50年代以来广州市热岛强度变化趋势图

分析：总体上看，随时间的变化，广州市热岛强度随年代的变化而越来越强。从数据散点分布的情况来看，广州市50年代以来的热岛强度存在周期性的变化。我们得出50年代以来广州市10月热岛强度的与时间的函数关系式为：

通过对数据线的趋势预测、以及函数式的计算，我们预测出2009年10月广州市热岛强度约为1.6℃。在此可以看出，本条函数式的预测结果与上一预测结果并不相符。经研究，得出的结论是：该函数模型比上一个更具科学性与实用性。

理由如下：

1）本数学模型所基于的数据基础更坚实，用于回归的数据比上一数学模型多了16个数据点，也就是多了16年的资料，数据横坐标区间更大，因此比上一模型更能体现广州市热岛强度发展的整体趋势。

2）本数学模型预测出的热岛强度与广州市历年的热岛强度平均值1.22℃对比，其差值0.38℃与上一模型预测结果的差值1.56℃对比，可见本次预测误差更小。

3）经过多种函数回归方法的尝试与对各种模型预测结果的分析，本模型最终采用了三阶的多项式回归方法。这种回归方法使模型不会过于受特殊值的影响，也能反映热岛强度的总体变化规律。所以从建模方法上就比上一模型更科学。

4）本模型的自变量采用了以1959为元年进行计算，因此省却了之前由于年份数值过大，计算方面的繁琐与不便。

4 厄尔尼诺现象与热岛效应相关性的研究

从3.1的模型中，我们还发现广州市的热岛效应并不是单纯呈递增趋势，而是存在着周期性的变化，于是我们联系地理学上一个同样存在周期性变化的气候现象——厄尔尼诺现象。两者是否存在着相关性，这将是我们这一阶段的研究重点。

厄尔尼诺现象呈现周期性变化。在1994年～1995年出现过厄尔尼诺现象。中国1998年的高温与洪水也与厄尔尼诺现象有关。（厄尔尼诺现象期间为 1951、1953、1957～1958、1963、1965～1966、1968～1969、1972～1976、1982～1983、1986～1987、1991、1993、1994～1995、1997～1998）

4.1 研究与对比1952年～1975年与1990年～2008年10月广州市热岛强度

图4 广州市1952年～1967年与1990年～2008年广州市热岛强度对比图

分析：总体来看，1959年～1975年10月广州市热岛强度曲线较缓，热岛强度总体偏小，都在1℃以下。而90年代以来10月广州市热岛强度曲线起伏较大，热岛强度总体偏大，平均温差为1.22℃，曲线大部分都在五六十年代曲线的上方。证明90年代以来广州市10月热岛强度明显大于五六十年代的热岛强度，且前者波动程度较大,说明了广州热岛强度一直呈增长趋势。

从图4不难观察到，纵使上世纪五六十年代与90年代的热岛强度数值上来讲差别较大，但其波动性都存在一定的规律。两者的波动性、变化规律非常接近。证明两者的变化可能都受具有相同周期性变化的因素影响。再深入观察，在年份重叠的横坐标点上，1998与1965年、2002与1969年均为厄尔尼诺年。这就说明了，厄尔尼诺现象对广州市热岛强度有重要影响，并使其出现周期性变化。因此，我们下一步将研究厄尔尼诺现象与广州市热岛效应的关系。

4.2 研究厄尔尼诺现象对1952年～1967年广州气温的影响以及对热岛效应的影响

分析：从图表中可发现在1957年～1958年、1965年～1966年这两个厄尔尼诺活动年份，广州的气温是稍微偏低的，而在随后的一年温度却升高了很多。从而得出初步结论：厄尔尼诺现象使整体温度降低，使热岛效应短期增强。

为了验证猜想，我们继续收集数据来分析厄尔尼诺现象对广州热岛强度的影响。

4.3 研究广州市1959年～1975年10月广州市热岛强度与厄尔尼诺现象的关系

为了证实厄尔尼诺现象对广州市热岛效应影响存在普遍性，我们特意把了广州市1952年～1967年10月广州市热岛强度与这段时期厄尔尼诺现象发生时间进行对比。

分析：从60年代的城郊温度变化图像可以看出：非强厄尔尼诺现象期间，广州市中心气温略高于郊区气温；强厄尔尼诺现象期间，广州地区气温与番禺、花都等地温差不大，但与增城、从化两地温差较大，整体热岛效应较明显。从上世纪50年代以来厄尔尼诺年与非厄尔尼诺年热到强度对比，可看出厄尔尼诺年间热岛强度较大。由图中所显示的热岛强度的差异也不是很大，但仍可看出厄尔尼诺现象年间热岛强度较大。这说明了当时强厄尔尼诺现象影响到广州气候，使得广州的热岛效应短期增强。