朝阳市1965年～2020年热岛效应强度变化特征分析

郭佰汇，高 宇，吴 丹

(1.朝阳市气象局，辽宁 朝阳 122000；2.兴安盟气象局，内蒙古 兴安盟 137400；3.龙城区气象局，辽宁 朝阳 122000)

城市热岛(Urban Heat Island，UHI) 是指城区温度高于周边郊区的一种温度差异的现象，最早由英国科学家 Howard 提出[1]，随后受到广泛关注。城市热岛效应对城市气候、人居环境等有着重要影响。多年来，许多学者就城市热岛效应的时空演变、环境影响等方面开展了大量的研究工作。如刘宇峰等[2]研究了西安城区城市热岛效应强度变化趋势及影响因素，结果表明人口因素与热岛强度的关系最为密切，常住人口数、常住人口密度和建成区面积是影响热岛强度变化最为直接的因素；如孟凡超等[3]研究了天津城市热岛强度的精细化时空分布特征，结果表明市中心六区为热岛强度最强区域，并由强热岛区向四周辐射，市中心的绿地和水体对热岛强度的增强具有一定的缓解作用；张菊等[4]基于Landsat遥感数据研究了上海市城市热岛效应时空变化分析，结果表明上海市城市热岛效应十分显著，城市热岛有进一步扩张的趋势。但诸多学者对热岛效应的研究主要聚焦在北京、上海等大城市[5-9]，较少涉及对中小城市的热岛效应的研究，本研究以中小型城市朝阳市为对象，研究朝阳市1965年以来城市热岛强度的时空变化特征。

1 资料与方法

笔者选用位于朝阳市城区的朝阳县国家基准站和位于朝阳郊区羊山镇的羊山气象观测站。朝阳站和羊山站相距41km，两站均位于蒙古高原向沿海平原过渡地带，海拔接近，地形差异较小，故由此造成的影响可忽略不计。朝阳城区的气温用朝阳站的气温观测值表示，郊区的气温用羊山站气温观测值表示，城市热岛强度以城区和郊区的温差来表示，温差值越大，强度越强，反之亦然。

文中数据选取1965年1月1日～2020年12月31日的逐日的气温观测资料，2008年～2020年的逐小时的气温观测资料，数据来源于国省统一的CIMISS气象数据服务接口。

2 年平均气温变化特征

本研究利用线性拟合的方法分析朝阳地区年平均气温的变化趋势，图1为1965年～2020年朝阳市城区代表站朝阳县站和郊区代表站羊山站年平均温度变化曲线，可以看出1965年～2020年朝阳地区年平均气温呈现波动上升的态势，朝阳县站年平均气温总体增幅明显高于羊山站。主要可分为两段，1965年～1992年两站年平均气温变化趋势及幅度相差无几；1993年～2020年朝阳县站年平均气温升幅较羊山站明显偏高，2005年、2010年～2012年期间两站年平均气温均呈明显的波谷形态。

图1 朝阳市年平均气温年际变化

3 城市热岛效应强度变化特征

3.1 热岛强度年际变化

本研究利用线性拟合的方法分析热岛强度的年变化趋势，从图2中可以看出朝阳市热岛效应的形成始于1990年，进入1995年开始逐步加剧，至2003年热岛强度呈激增的趋势，2005年～2012年热岛强度缓慢减弱，2013年开始显著增强，随后呈现平稳趋势，至近两年热岛强度出现了小幅下降趋势。另按年代际划分，计算得出，20世纪90年代、21世纪初热岛强度呈激增趋势。而近10年热岛强度增幅放缓，平均为0.81℃。对比朝阳地区热岛强度和年平均气温的年度变化，可以发现热岛强度缓慢减弱与年平均气温明显偏低有一定的对应关系。

图2 朝阳市热岛强度年际变化

3.2 热岛强度月季变化

通过对热岛强度年变化的分析，朝阳市热岛效应形成于1990年，因此对1990年～2020年间逐月热岛强度变化进行分析。由图3可以看出，朝阳市全年各月均存在热岛效应，其中1月热岛强度最强为1.1℃，2月、9月、12月次之，4月热岛强度最弱为0.4℃。按季节进行划分，朝阳市热岛强度存在明显的季节性变化，冬季(12月～次年2月)热岛强度最强，秋季(9月～11月)次之，春季(3月～4月)热岛强度最弱。

图3 朝阳市热岛强度逐月变化

3.3 热岛强度日变化

分析2008年～2020年逐小时热岛强度见图4，发现其具有明显的日变化特征，日间一般为负值，夜间为正值，即日间弱、夜间强，10时～17时期间甚至出现“冷岛”的现象。由图4分析可知，朝阳市热岛强度7时～10时迅速减小，并在10时～17时热岛强度为负值，即城区比郊区气温低，出现“冷”的现象，其中12时达到最低-0.36 ℃；17时～20时热岛强度迅速增大，随后呈平稳态势，早7时热岛强度达到最大1.43℃。

图4 朝阳市热岛强度日变化

对不同月份和年份朝阳市热岛强度的日变化进行分析，由图5a可知，不同月份或季节热岛强度的日变化基本一致，均呈现日间弱、夜间强的特征，除夏季外，其他季节日间均有热岛强度负值时段，其中春季热岛强度日间开始出现负值的时间最早，冬季最晚。但冬季热岛强度日变化最为显著，早间有一个正值中心，6时～7时达到最强；中午则存在负值中心；最大正负值中心均出现在1月。

图5 朝阳市热岛强度日变化分析(a.逐月日变化；b.逐年日变化)

由图5b可知，不同年份热岛强度的日变化也基本呈现日间弱、夜间强的特征，近5年日间热岛强度负值时段有一定缩短，其中2016年热岛强度日变化有一个显著突变，热岛强度最强时段出现在8时～10时，较其他年份强度明显偏强，时间后推了2h～3h；热岛强度最弱时段出现在18时，较其他年份明显偏弱，后推了4h左右。

4 结论

①朝阳市热岛效应的形成始于1990年，20世纪90年代、21世纪初热岛强度呈激增趋势，近10年热岛强度增幅放缓，平均为0.81 ℃。热岛强度缓慢减弱与年平均气温明显偏低有一定的对应关系。②热岛强度存在明显的季节性变化，冬季热岛强度最强，春季最弱。全年各月均存在热岛效应，其中1月最强，4月最弱。③热岛强度具有明显的日变化特征，日间弱、夜间强，日间甚至出现“冷岛”的现象，早7时热岛强度达到最大。且日变化特征随季节和年份变化也表现出一定特点，冬季热岛强度日变化最为显著，有明显的正值中心和负值中心，近5年日间热岛强度负值时段有一定缩短。