长江中游水网地区城市热岛效应研究<br/>——以岳阳为例

长江中游水网地区城市热岛效应研究
——以岳阳为例

2020-09-02朱浩，蒋帅，肖平

中低纬山地气象 2020年4期

朱浩，蒋帅，肖平

(湖南省岳阳市气象局，湖南岳阳 414000)

0 引言

城市热岛效应(UHI)是指在城市化进程中，由于城市下垫面性质改变、区域人类活动加剧导致城市与郊区热量分布差异而引发的一种城市气候现象,广泛存在于世界上不同纬度区域、不同规模的城市中[1-6]，是城市气候最显著的特征之一。虽然热岛效应本身不会像暴雨、雷雨大风等极端性天气那样直接造成重大的自然灾害，但往往会通过改变局地的能量平衡、污染物传播和扩散规律乃至整个城市的微小气候，从而对人类生产、生活产生间接危害。对北京[7-8]、上海[9]、武汉[10]、成都[11]等地的研究发现，这些大型城市中心均具有很强的热岛效应，且随着城镇化的迅速发展与汽车、空调的大量使用，城市能耗剧增，能源消耗所产生的热量和环境污染使得城市热岛效应日益显著[12-13]。

岳阳市位于长江中游、洞庭湖东北侧，其城区地处洞庭湖平原、长江和洞庭湖的交汇处，地势平坦、河湖密布，城区面积约110 km2，常住人口81万人，是长江中游水网地区典型的中等规模城市。从气候上看，岳阳属亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨量充沛，城区年平均气温为17.2 ℃，年降水量1 331 mm。作为洞庭湖—鄱阳湖河湖平原气候关键区的代表性地市级城市，受河湖水网下垫面影响，岳阳城区空气湿度常年保持在80%左右，夏季高温高湿，冬季潮湿阴冷，具有典型的夏热冬冷高湿的城市气候特征[14]。长期气候监测资料显示，岳阳所在的洞庭湖区气温呈现显著上升趋势[15]，特别是近年来，随着岳阳城区社会经济快速发展，城区面积和城建规模不断扩大，城市热岛效应及其强度变化将给岳阳城市环境和微气候造成何种影响引起了社会公众的广泛关注和政府的高度重视。但目前，国内对城市热岛效应的研究多集中在大城市，对中小城市却鲜有涉及。本文从气象学角度来分析和研究岳阳城市热岛效应及其变化规律，为岳阳城市规划建设、人居环境改善、生态环境保护和城市绿色发展提供科学参考依据。

1 资料和方法

所用资料来源于湖南省气象局气象信息中心，选取时间序列连续、资料较为完整、下垫面环境较为一致的岳阳国家基本气象站近66 a(1953—2018年)和岳阳市城区10个区域气象站近3 a(2016—2018年)逐小时气温资料，气象站点分布及岳阳城区地形见图1。根据《城市热岛效应评估技术指南》和气象部门相关业务技术规范，对上述站点监测数据进行质量控制并订正为离地面1.5 m高度的气温值，采用气候倾向率、M-K突变分析、克里格差值法等方法分析岳阳市城区气温的时空分布特征，进而评估其热岛效应强度和变化规律，相关数据处理和数理统计的具体原理和方法见参考文献[16]。

图1 岳阳城区气象站点分布及地形示意图

2 城区气温的变化特征

2.1 长期变化特征

城区和郊区气温热力差异是产生城市热岛效应最直接的因素。岳阳国家基本气象站长序列气温统计资料显示，近66 a来岳阳市城区年平均气温呈显著上升趋势(图2a)，其气候倾向率为0.23 ℃/10 a(通过信度0.001的显著性检验)，高于洞庭湖区24个国家气象站0.20 ℃/10 a的平均增温水平[17]。Mann-Kendall突变分析结果表明，岳阳市城区的这种突变性增温是在1994年开始的，并在进入21世纪后变得尤为显著(图2b)。

图2 岳阳城区近66 a气温变化趋势(a)及突变分析(b)

2.2 季变化特征

从表1可以看出，除夏季气温变化不明显外，岳阳城区春、秋、冬三个季节的平均气温均随时间的推移呈显著上升趋势，各季气温的气候倾向率分别为0.35 ℃/10 a、0.04 ℃/10 a、0.21 ℃/10 a、0.32 ℃/10 a，冬、春季气温的气候倾向率均高于年平均倾向率，由此可见，岳阳城区的气候变暖主要是由冬半年增温造成的。

表1 岳阳市城区各季气温变化气候倾向率值

3 热岛强度的时空分布

3.1 基本特征

利用岳阳市中心城区11个气象站点近3 a(2016—2018年)逐时气温资料，采用克里格插值方法，绘制了岳阳城区年平均气温空间分布图(图3)。由图3可见，岳阳市城区年平均气温空间分布不均，总体表现出自东北部、西南部郊区向中心城区递增的空间分布特征，高值区位于城区中西部的东茅岭—枫桥湖片区，低值区为城区东北部的梅溪乡红光片区，次低值区为市区南部的湖滨片区。

图3 岳阳城区年平均气温空间分布图

根据《城市热岛效应评估技术指南》(第1版)，以位于中心城区的修防处区域气象站为城区代表站、位于近郊的梅溪乡红光片区内的驾考中心区域气象站作为郊区代表站，计算岳阳城市年平均热岛效应强度，其计算公式为：Ht=Tc-Ts，其中Ht为城市热岛效应强度(℃)、Tc为城区气温、Ts为郊区气温。将热岛效应强度Ht划分为5个等级(Ht≤0.5，0.53.5)，对应的表述是无、弱、中等、强、极强。计算结果表明，2016—2018年岳阳城市热岛效应强度为2.1 ℃，为中等强度，其城区的热岛强度空间分布特征与图3所示年平均气温的空间分布特征是一致的(图略)。

3.2 季节变化特征

前述研究已经表明，岳阳城区的气温具有显著的季节变化特征。热岛强度直接反映了城郊之间气温的差异，其季节变化特征见表2。从表2可以看出，岳阳城市秋、冬季热岛效应强度最强，平均热岛强度为2.3 ℃，春季次之，夏季最弱，为1.9 ℃。热岛强度的季节差异并不明显，四季热岛效应均为中等强度，各季节的热岛强度贡献率(∑该季逐时热岛强度/∑全年逐时热岛强度)也极为接近，位于22%～28%之间。各季节最大热岛强度相差甚微，但最小热岛强度的季节性差异却很明显，秋冬两季达1.4 ℃，春季为1.1 ℃，夏季则仅有0.8 ℃。因此，在热岛强度贡献率和最大热岛强度各季节基本相同的情况下，岳阳城区热岛强度的季节差异主要表现为最小热岛强度的显著季节性变化，即夏季的热岛强度振幅最大，秋冬季的热岛强度振幅最小。

表2 岳阳市城区热岛效应强度表

3.3 日变化特征

国内外的许多研究表明城市的热岛效应具有昼夜增暖的不对称性，但这种不对称性地域差异很大[18-20]。邓莲堂[21]研究指出，上海白天的城市热岛变化趋势与夜间热岛的发展趋势存在较大差异，热岛强度在18—19时达到峰值；陈朝晖[22]对长沙城市热岛效应的分析结果显示，长沙热岛效应夜强昼弱，热岛最强时段主要集中在午夜前后，在某些正午，甚至出现热岛强度为负值的“冷岛”现象。可见即使是同在中纬度地区，城市大小以及所处区域不同，其热岛强度的日变化特征也存在较大差异。

分析岳阳城区平均热岛强度的逐时变化可知，其具有显著的夜强昼弱特征，同时存在稳定—突变—稳定的周期变化，相对于日平均热岛强度而言表现出良好的对称性(图4)。11—17时的热岛强度相对稳定且全部低于均值；18—22时为突变上升时段，热岛强度自20时升至平均线以上后一路攀升，并于01时左右达到最大值；23—次日06时的热岛强度稳定并维持在较高区间，07—10时热岛强度又进入突变下降时段；两个突变时段的热岛强度变幅高达0.4 ℃/h。值得注意的是，各季节傍晚突变上升的进程基本一致，但早晨热岛强度突变下降的起始时间却有明显差异，其中夏季最早，在06时即开始突变下降，冬季最晚，08时左右热岛强度才开始出现突变，春、秋两季突变时间则均在07时。

图4 岳阳城区平均热岛强度逐时变化

4 地形对热岛强度的影响

从岳阳城区夏季和冬季热岛效应强度分布图(图5)可见，虽然夏季(5a)和冬季(5b)岳阳城区热岛强度的空间分布总体都呈现出郊区向城区递增的形态，但相较于夏季，冬季的热岛强度大值区(UHI≥1.5 ℃)的范围更大，尤其是在夏季属于相对低值区的南湖以南区域(湖滨、郭镇)，在冬季却成为了相对大值区。与夏季乃至全年分布特征截然不同的是，岳阳冬季的热岛强度表现出明显的西高东低分布，亦即离城区西南部的洞庭湖距离越远，其热岛强度越低。究其原因，这可能源于岳阳城区滨临洞庭湖而建，由于湖、陆下垫面差异，在冬季，洞庭湖水体为相对热源，产生水体热效应，减缓了沿湖城区气温下降特别是夜间气温下降速度，加大了城郊之间的温差；而在夏季，洞庭湖水体为相对冷源，水体冷效应抑制沿湖城区气温上升特别是夏季午后的气温上升速度，使得岳阳夏季成为了一年四季中城市热岛效应强度最弱的季节。