典型气象条件下城市热岛效应逐时变化特征

2022-07-14黄群芳颜敏

气象科学 2022年3期

黄群芳颜敏

(江苏第二师范学院城市与资源环境学院，南京210013)

引言

城市热岛效应及其强度是城市气候、城市环境和城市生态的基本特征和表征指标。由于城市规模不断扩张、人口日益聚集、人为热排放迅速增长、城市密度不断增加、城市建筑物猛增和城市空气污染日益加剧等，城市热岛现象已从一般气象问题变为城市规划、景观布局以及城市环境与生态研究的重要指标，例如城市布局、空气污染治理和城市植被物候研究中都要充分考虑城市热岛效应的影响[1-4]。因此，阐明城市热岛效应的时空变化特征，揭示其形成机制并提出适应性对策成为了气候变化和城市化研究的核心和热点问题[5-6]，引起了各学科专家的密切关注。

以往许多研究均表明，城市热岛存在时、日、月、年等不同时间尺度变化特征和城市空间形态、土地利用格局等空间尺度变化特征[7-10]。由于逐时气象观测数据和地面温度遥感数据获取相对比较困难，因此相比于城市热岛的月、季节、年和年代际变化特征[11-14]，城市热岛的逐时变化特征研究相对较少。已有研究存在研究时段过短(数天到数月等)，气象观测数据频次过低(12 h、6～2 h等)等问题[15-17]，无法精细地刻画城市热岛效应短时间尺度变化特征，也不利于成因机制揭示和城市热岛减缓的适应性管理对策的提出。特别是大部分研究往往关注城市热岛强度平均态变化[18-19]，较少关注典型和极端气象条件下的逐时变化特征[20]，因此很难获得极端条件下的日变化特征。实际上，未来气候变化主要表现为极端天气气候事件频次和强度增加，破坏力增强，因此有必要讨论极端气象条件下城市热岛效应逐时变化特征。

上海是长三角城市群的核心，对我国社会经济发展和全方位改革开放起着举足轻重的作用，上海人口和生产生活活动密集、建筑空间形态多样且变化剧烈、城市热岛强度显著[21-23]，是城市热岛效应研究的理想场所。因此，本文基于上海市一个典型城市站(徐家汇站)和3个典型乡村站(青浦、奉贤和崇明站)2017年1月1日00时—12月31日23时(北京时，下同)全年逐时气象观测数据，详细分析和深入阐述年平均和典型气象条件下(晴朗微风、大风、强降水事件、极端高温)上海市逐时城市热岛强度变化特征。通过分析上海市微风、大风和极端高温等气象事件长期变化特征，讨论了城市热岛效应未来变化趋势。

1 数据与方法

研究中使用的逐时平均气温、最高气温、最低气温、风速和降水等数据均来自于中国气象局下(CMA)的中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)。目前能从该网站下载到最近7 d的逐时观测数据，为开展城市热岛强度的逐时变化特征研究，从2017年1月1日—12月31日每隔7 d从该网站上下载一次数据，形成全年数据集，包括上海11个气象站点的相关数据。考虑到城市站和乡村站的代表性和典型性，本文选取上海市徐家汇、青浦、奉贤和崇明站4个站点的逐时气象观测数据进行分析。为分析风速和气温长期变化趋势，从中国气象数据网收集下载了1961年以来逐日气象观测数据。

上海市的热岛强度定义为城市站徐家汇站(站号为58367，位于31°12′N，121°26′E，海拔4.6 m)和3个乡村站青浦(站号58461，位于 31°08′N，121°07′E，海拔4.0 m)、奉贤(站号58463，位于30°53′N，121°30′E，海拔4.6 m)和崇明(站号58366，位于31°38′N，121°24′E，海拔4.5 m)(图1a)气温平均值的差值。其中徐家汇站位于上海市高度城市化的历史、文化和商业中心区，周边高楼大厦环绕，人口集中，土地利用全部以工业和城市用地为主，是典型的城市站(图1)。青浦、奉贤和崇明站分布在距离徐家汇50 km范围内，位于开阔的农村地区，人口密度较低，土地利用以农田为主(图1)，属典型乡村站。在以往上海城市热岛研究中也有类似城市和乡村站的划分[23]。由于4个站点海拔高度接近，无需对观测到的气温数据进行海拔校正，可直接计算城市热岛强度。

图1 上海市土地利用和气象站(a)以及人口密度(b)分布

通过Matlab软件对数据完整性进行检验和汇总，全年8 760行数据中由于观测原因出现数据缺失的占比不到1%，数据缺失对整体结果的影响可以忽略。为探讨微风和大风出现天数的长期变化，本文定义日平均风速≤2 m·s-1为微风条件，日平均风速≥ 6 m·s-1为大风条件。此外，本文参考中国气象局的规定和《气象灾害预警信号图标GB/T 27962—2011》[24]，将日最高气温≥35 ℃定义为极端高温。

数据的平均值、最低值、最高值以及典型气象条件下数据统计分析均采用SPSS 18.0统计软件进行，数据图表采用ArcGIS和Origin 8.5软件绘制。

2 结果与讨论

2.1 年平均城市热岛强度逐时变化

图2给出2017年全年平均逐时热岛强度变化曲线。可知，伴随日出日落城市热岛强度呈现出快速降低—稳定低值—快速增加—稳定高值周期性日变化特征，昼夜特征非常明显。06时日出后郊区增温比城区快，06—10时城区和郊区温差逐渐缩小，城市热岛强度呈现快速下降趋势。10—16时城市热岛强度维持在一个较为稳定的低值，平均、最高和最低气温城市热岛强度均值分别为0.46、0.43、0.46 ℃。16—21时，由于太阳高度角减小，郊区空旷，有效辐射逐渐减少，大气失热逐渐加快，而城区由于地面温度高，加之建筑物存储热量不断释放和人为热释放，导致城区散热慢，因此城市热岛强度快速增加至全天最大值。21—次日05时，城区由于白天蓄积的热量多、夜间散热慢，而郊区在21时之前白天蓄积的热量基本上已全部散完，因此城市热岛强度较高且相对比较稳定，平均、最高和最低气温城市热岛强度均值分别为1.82、1.74、1.88 ℃，为10—16时低值的3.96、4.05、4.09倍。对比已有的城市热岛强度逐时变化结果，其昼夜变化趋势整体上较为一致[25-26]，但不同城市城市热岛强度及各个阶段起始和结束时间会有稍许差异。

图2 年平均城市热岛强度逐时变化

2.2 晴朗微风和强风条件下城市热岛强度逐时变化

图3给出2月12—14日典型冬季晴朗微风条件下城市热岛强度的逐时变化，其与年平均城市热岛强度逐时变化曲线较为类似。不同之处是冬季晴朗弱风条件下城市热岛强度要明显高于全年平均值，日内最大城市热岛强度与最小城市热岛强度差值也要明显高于全年平均。21—次日05时城市热岛强度可以达5 ℃以上，相反10—16时城市反而有时会成为冷岛，城市热岛强度为负值，最小值为-1.37 ℃，最大和最小城市热岛强度相差近7 ℃。尽管部分时段城市热岛强度会出现负值，但平均来看城市热岛效应仍不容忽视。晴朗微风条件下城市热岛强度比较大，在夜间逐时的热岛强度可以高达5～6 ℃，日平均城市热岛强度则在1～2 ℃。图3显示冬季微风和静风条件非常有利于城市热岛的形成，这也证实了以往许多其他类似的研究，并且图3还显示2月12日和14日风速低于13日，对应的城市热岛强度则要大于13日。

图3 典型晴朗微风条件下城市热岛强度和徐家汇城市站风速逐时变化

图4则给出2月19—20日典型强风条件下城市热岛强度的逐时变化。可知，强风条件下城市热岛强度的逐时变化规律不明显，与年平均热岛强度和晴朗静风条件下城市热岛强度变化曲线存在较大差异，峰谷特征不显著，热岛强度值也明显要低得多。相比于晴朗微风，大风的气象条件非常不利于城市热岛的形成，在强风条件下逐时的热岛强度和日平均城市热岛强度一般只有0.5 ℃左右(图4)。对比图3、4可知，风速对城市热岛强度逐时变化影响非常显著。除了风速短期变化影响城市热岛外，区域性的湖陆风对城市热岛也会产生明显影响[27]。

图4 典型强风条件下城市热岛强度和徐家汇城市站风速逐时变化

2.3 强降水条件下城市热岛强度逐时变化

跟强风条件一样，降水多云也不利于城市热岛的形成，因此强降水条件下城市热岛强度的逐时和昼夜变化特征不明显，有时甚至出现相反的变化特征，如8月20日13—15时逐时城市热岛强度明显高于其他时间段，而8月21日13—15时逐时城市热岛强度则明显低于其他时间段，甚至为负值，城市热岛强度可以达到-5 ℃左右。分析对应时段的降水数据，发现城市热岛强度之所以表现出完全相反的异常现象主要是由于城市和乡村站不对称降水所致，8月20日13—15时强城市热岛强度主要是由于乡村站出现一次强降水过程，而城市站降水非常有限；8月21日13—14时城市站有一次强降水过程，总降水量高达58.4 mm，而乡村站则没有出现降水过程，进而致使城市地表气温显著低于乡村地表气温，造成城区出现城市冷岛(图5)。以往研究也发现，暴雨条件下北京也曾观测到城市热岛强度为负值、出现城市冷岛现象[25]。

图5 典型强降水事件城市热岛强度以及城市和乡村站降水量逐时变化

2.4 极端高温条件下城市热岛强度逐时变化

图6则给出7月20日和25日极端高温条件下城市热岛强度的逐时变化，对应的逐时最高气温分别可以高达39.0 ℃和40.5 ℃。从逐时热岛强度来看，夜间最高热岛强度超过3.0 ℃，跟北京报道的结果较为接近[28]，远远超过上海年平均城市热岛强度最高值2.1 ℃(图2)，说明极端高温条件下夜间城市热岛强度能达到非常高的水平。夏季极端高温期间城市热岛强度逐时变化也表现出与年平均城市热岛强度不一致的逐时变化特征，主要体现在夜间和白天城市热岛强度差异不大，由于全天温度非常高，郊区散热也比较缓慢致使夜间高的城市热岛强度持续时间比较短暂并且明显延迟，出现在01—04时之间(图6)。并且，最低气温对应的城市热岛强度与平均气温和最高气温对应的城市热岛强度逐时变化特征存在明显的错位，最低温城市热岛强度峰值明显迟于最高温城市热岛强度峰值(图6)。相比于夜间，白天高温期间城市热岛强度仍维持在较高值，某种程度上加剧了高温热浪天气对城市居民生产生活和身体健康的不利影响。以前也有很多研究发现城市热岛加剧了城区高温热浪及其人体健康的不利影响[23，29-30]，如研究结果发现1998—2004年上海市中心城区非正常死亡率与城市热岛强度间存在显著正相关，特别高温热浪严重的1998和2003年尤为明显[23]。

图6 典型夏季极端高温条件下城市热岛强度(a)和徐家汇城市站气温(b)逐时变化

2.5 城市热岛强度未来变化趋势

前文分析表明，在晴朗微风无云和极端高温天况条件下容易形成城市和乡村间显著温度差，城市热岛强度较大。因此本文继续探讨过去40 a微风和极端高温出现天数的长期变化趋势，可以推测城市热岛强度未来变化趋势。图7给出城市站和乡村站日平均风速≤2 m·s-1和日最高气温≥ 35 ℃以及两者组合情况下天数的长期变化趋势。可知，日平均风速≤2 m·s-1的微风天数呈现极显著增加，其中徐家汇城市基本遵循Logistic曲线增长，在1995—2010年间呈现快速增加至全年基本维持在350 d以上，也就是说上海市中心全年日平均风速基本上都≤2 m·s-1，相伴随的是乡村站微风天数呈现线性增加趋势，每年有近一半的天数日平均风速≤2 m·s-1，非常有利于城市热岛的形成。与此同时，日最高气温≥ 35 ℃以及风速≤2 m·s-1并且日最高气温≥ 35 ℃的极端高温天数也在显著增加，表明高温热浪事件持续增加，进一步加剧了城市热岛的形成和不利影响。可以推测随着全球气候变暖和城市化的进一步发展，未来上海的城市热岛强度还会进一步强化，迫切需要采取适应性的应对策略和措施。