近40 a重庆城市热岛特征及其与天气状况的关系

何泽能，张德军，叶勤玉，陈志军，杨世琦，高阳华

（1.重庆市气象科学研究所，重庆 401147；2.重庆市农业气象与卫星遥感工程技术中心，重庆 401147）

引言

城市热岛效应是指由于人类活动使城市人工建筑体、广场、道路等不透水的高蓄热下垫面增加，绿化地面和水体减少，造成城区温度高于周围郊区的一种气候现象。城市热岛效应使高温酷热天气更严重，加剧城市高温灾害［1-7］，加重城市大气污染［8-10］，严重影响居民的生活、生产、出行以及人居环境质量。城市热岛效应是快速城市化带来的重要负面影响之一［11-12］，其变化和分布不仅与城市发展变化密切相关［13-15］，还受城市所在的地理环境和气候带影响，存在较明显的季节差异［16-19］。

改革开放40余年以来，随着社会经济高速发展，我国工业化和城镇化快速推进。重庆自1997年成为直辖市以来，城市化进程加速，城市人口和面积迅速膨胀。2010年6月，国家级开发区“两江新区”的成立使重庆又迎来了新一轮的发展高峰。重庆位于长江上游的丘陵、山地过渡带，气象条件较为复杂且年际间波动较大，夏季高温热浪天气频发［20-21］。以热岛效应为代表的城市热环境变化，越来越引起人们的重视，城市热岛效应研究也不断深入。有关重庆市中心城区城市热岛效应的研究，不少学者通过卫星遥感资料反演［22-25］、气象站点资料计算［26-28］、数值模式模拟［29-30］等方式对城市热岛效应的时空分布、演变规律、局地环流特征以及与下垫面之间的关系等开展研究。研究表明，重庆城市热岛效应与山脉和江河分布、城市下垫面及天气状况等有关，热岛的强度变化和空间分布都比较复杂，并存在城市热岛环流［23，29-30］。由此可见，形成重庆城市热岛效应的因素较多，既有城市化进程的速度与规模等人为因素，又有地理环境等自然因素，还受天气气候条件的影响。因此，对21世纪10年代重庆城市化高速发展新时期城市热岛效应的时空变化特征以及天气状况对城市热岛的影响进一步开展量化研究，有助于趋利避害，为城市规划、建设及城市生态环境调节提供参考。地面气象观测资料具有时间连续的优势，而卫星遥感监测资料具有空间连续的优势，两种资料互为补充。因此，本文利用1980—2019年重庆市中心城区气象站点资料，分析热岛效应变化趋势及不同天气状况对热岛效应的影响，并结合卫星遥感资料对一典型晴热天气状况个例下城市热岛空间分布进行量化分析。

1 资料与方法

气象资料：重庆沙坪坝、渝北、巴南龙洲湾、北碚4个气象站1980—2019年逐日气温数据；2010—2019年逐日日照时数和逐时气温、降水等气象数据。气象站点的气温数据用于计算分析城市热岛效应的强度和变化趋势，位于城区的气象站点气温代表城区气温，位于郊区乡村的气象站点气温代表郊区气温，两者差值可以反映城市热岛效应的强弱，称为基于气温的城市热岛强度。选择计算热岛的气象站点时，一要满足长时间序列的要求，二要代表郊区气温的气象站点不能离城市区域过远，以避免局地气候差异对热岛计算造成影响。根据上述原则，城区内的沙坪坝、巴南龙洲湾和渝北3站周边的城市化水平较高，这3站平均气温可作为城区气温的代表；北碚站位于北碚建成区之外，站点周边的城市化水平较低，且离城市区域距离适中，其气温可作为郊区气温的代表。

重庆地形复杂，各气象站点的海拔高度差别较大，在使用地面气温资料计算热岛强度前必须按气温垂直递减率将温度订正到同一海拔高度。结合重庆地区山地气候，本文采用0.57℃·（100 m）-1的气温垂直递减率，以沙坪坝站海拔高度为基准高度，对其余气象站气温进行订正，然后再计算热岛强度。基于气温的城市热岛强度（urban heat island intensity based on air temperature，UHI）计 算 公式［31］为：

式中：UHI（℃）为基于气温的城市热岛强度；Ts、Tn、Ty、Tb（℃）分别为沙坪坝、巴南龙洲湾、渝北、北碚气象站的气温。上述3个代表城区的气象站点并不位于最繁华的城市核心区，因此计算的热岛强度主要代表整个城市的平均状况，不能直接代表城市局部繁华核心区。

卫星资料：通过卫星遥感数据反演的地表温度反映城市热场分布，可以直观反映城市热岛空间分布状况，称为基于地温的城市热岛，可与用气温资料获得的城市热岛形成互补。由于重庆地区常年多云雾，晴空概率低，很难获得较完整的长时间序列遥感地温资料进行月平均和年平均分析。研究表明，晴热天气状况最利于城市热岛效应的形成［26］，因此本文以2019年8月13日13：58（北京时，下同）MODIS卫星数据反演地表温度，参考降尺度模型［32］对地表温度进行降尺度计算，通过地表温度计算地表热场变异指数（heat index of thermal field，HI），采用阈值法将HI分为6级（表1），以对应城市热岛效应等级［33］。HI计算公式［33］为：

式中：HI为地表热场变异指数；TLST（℃）为遥感反演降尺度的格点地表温度；Tmean（℃）为遥感反演降尺度的中心城区平均地表温度。

表1 基于地表热场变异指数的城市热岛效应等级划分Tab.1 Classification of urban heat island effect levels based on HI

在基于HI的城市热岛效应分级基础上，借鉴赵小峰等［34］对热岛强度的定义，本文基于地温的城市热岛强度（urban heat island intensity based on land surface temperature，LUHI）计算公式为：

式中：LUHIi（℃）为热岛效应等级i所对应区域基于地温的城市热岛强度；Ti（℃）为热岛效应等级i所对应区域的平均地表温度；T0（℃）为无热岛效应区域的平均地表温度。

2 热岛状况时空变化

2.1 年际变化

图1 1980—2019年重庆市中心城区平均热岛强度的年际变化Fig.1 The inter-annual variation of mean heat island intensity in center districts of Chongqing from 1980 to 2019

城市热岛强度的大小受城市发展水平和规模的影响，同时也受气候差异的影响而具有季节变化特征。图1为1980—2019年重庆市中心城区平均热岛强度的年际变化。可以看出，1980—2019年重庆市中心城区平均热岛强度总体呈上升趋势，其上升率为1.03℃·（100 a）-1，2013年平均热岛强度最高，为0.66℃。其中，20世纪80年代平均热岛强度缓慢增强；20世纪90年代初有所减弱，其后，热岛效应逐渐增强；特别是21世纪00年代中期至10年代初期上升明显，之后有所回落。这一时期大致对应重庆市成为直辖市以后社会经济和城市发展最迅速的阶段，城市热岛效应受城市扩张的影响较明显，与城市快速扩张变化趋势基本一致，热岛强度升势明显。21世纪10年代中期以后，随着海绵城市建设和生态文明建设的不断推进，城市热环境格局得以优化改善，热岛强度有所减弱。按年代将重庆的城市热岛变化大致分为4个主要阶段，20世纪80年代缓慢上升，20世纪90年代又有所下降，21世纪00年代缓慢上升，21世纪10年代迅速增强后回调。各年代中，21世纪10年代平均热岛强度最强，为0.50℃，其中2010年最弱（0.35℃），2013年最强（0.66℃），2019年平均热岛强度为0.49℃，与21世纪10年代的平均值基本持平。

2.2 月际变化

从1980—2019年不同时段重庆市中心城区热岛强度月际变化（图2）看出，各年代热岛强度的季节变化规律大体一致，基本都是初春（3月）、盛夏至初秋（7—9月）热岛强度偏强，而仲春至初夏（4—6月）、仲秋（10月）热岛强度偏弱。这与重庆地区的雨季和旱季分布密切相关。初春（3月左右）天气回暖，降水量少，春旱出现频率高；盛夏至初秋（7—9月）气温高，降水也偏少，出现夏、秋伏旱的频率高。干旱少雨的天气状况有利于城市热岛效应的产生和增强。仲春至初夏（4—6月）进入雨季，阴雨天气较多，仲秋（10月）阴雨天气也较多，阴雨天气不利于城市热岛效应的产生。

图2 1980—2019年不同时段重庆市中心城区热岛强度的月际变化Fig.2 The monthly variation of heat island intensity in central districts of Chongqing in different periods from 1980 to 2019

由于各年代的城市发展速度差异较大，特别是1997年重庆成为直辖市以来，城市建设发展速度越来越快，城市热岛效应问题逐渐凸显。与其他年代相比，21世纪10年代的热岛强度最强，最能反映重庆城市热岛目前的状况，这对城市规划建设、生态园林城市创建等具有重要参考意义。21世纪10年代重庆市的城市热岛效应明显存在初夏弱盛夏强、初春强仲春弱等季节内差异。其中盛夏季节（7、8月）的热岛效应最强（0.66、0.68℃），初春3月次之，平均为0.60℃，仲春至初夏最弱，6月最低为0.33℃。

2.3 日变化

为更清楚的了解热岛的日变化特征，本文以热岛效应最强的21世纪10年代不同季节日变化（图3）来分析。重庆市中心城区热岛强度存在明显的白天弱夜间强的日变化特征，总体上与北京等地区热岛强度日变化趋势相似［18］，最小值出现在下午17：00左右，随后热岛强度迅速增大，到夜间23：00左右达到最大值，之后又缓慢减小，至次日上午09：00开始热岛强度减幅明显。各季节热岛强度的日变化规律基本一致，夏季热岛强度的日变化幅度最大，秋季日变化幅度最小。城市热岛强度日变化的产生主要由城、郊热量收支状况不同引起。白天，楼宇、广场和道路等城区的硬化人工下垫面比郊区的土壤、植被等自然下垫面吸收存储了更多热量。夜晚，由于城区储存的热量较多，下垫面长波辐射加热近地层空气而维持较高的气温；而郊区储存的热量少，下垫面长波辐射加热近地层空气的能力相对偏弱，近地层气温下降较快，从而引起热岛强度不断增大，到午夜左右达到最大值。随后，随着城区储存热量的消耗，下垫面长波辐射加热近地层空气的能力减弱，热岛强度也开始减小。

图3 21世纪10年代重庆市中心城区不同季节平均热岛强度的日变化Fig.3 The diurnal variation of mean heat island intensity in central districts of Chongqing in different seasons in 2010s

2.4 空间分布

为了从空间上直观了解重庆热岛分布特点，以2019年8月13日为例，利用MODIS卫星资料分析城市热岛的空间分布。图4为MODIS卫星遥感数据反演和降尺度计算的重庆市中心城区热岛强度分布。可以看出，城市热岛空间分布，大致沿着中梁山、铜锣山、南山呈东北、西南向分布。强热岛区域主要分布在人口密集的传统老城区、商业区、车站、广场、工业园及城市新区。根据公式（3）对基于地温的城市热岛进行计算表明，热岛区域面积占中心城区总面积为46.2%，平均热岛强度为5.7℃。其中，极强热岛区域占比为7.4%，平均热岛强度为11.5℃；强热岛区域占比为5.8%，平均热岛强度为8.2℃；较强热岛区域占比为6.6%，平均热岛强度为6.4℃；中热岛区域占比为9.5%，平均热岛强度为4.6℃；弱热岛区域占比为16.9%，平均热岛强度为2.7℃。

图4 2019年8月13日13：58 MODIS反演和降尺度计算的重庆市中心城区热岛效应等级分布Fig.4 The distribution of heat island effect grades by MODIS data retrieval and downscaling calculation in central districts of Chongqing at 13：58 BST on 13 August 2019

2019年重庆市城市热岛的主体分布格局与罗小波等［35］研究基本一致，但在礼嘉、悦来、大学城、龙兴等新兴区域城市热岛明显增强。城市热岛效应的分布与土地利用/覆盖类型分布密切相关。图5为2015年重庆市中心城区土地利用分类。对照图4和图5进行计算，得到城乡居民用地和其他建设用地的平均热场变异指数（HI）分别为0.181和0.166，整体属于强热岛，其中较强级别以上的热岛面积分别占对应类的74.1%、75.8%。整体来看，较强级别以上的热岛分布与城乡居民用地和其他建设用地密切相关，城乡居民用地较集中的片区，其热岛均相对较强；其他建设用地由于土地建设开发的类型差别较大，对热岛的影响也各不相同，其分布与热岛分布的关联性稍弱，这体现在该区域的平均HI比城乡居民用地的略低。

图5 2015年重庆市中心城区土地利用/覆盖分类Fig.5 Land use/cover classification in central districts of Chongqing in 2015

3 天气状况对城市热岛的影响

研究表明，天气状况与城市热岛效应关系密切，雨天最不利于热岛效应的形成，阴天次之；晴天最有利于热岛效应的形成和增强，多云天次之［26］。重庆市天气气候复杂，每年的天气状况变化较大，天气状况对热岛效应影响各不相同。为了解天气状况对重庆热岛的影响，本文选取热岛效应最强的10 a（2010—2019年）来分析。将天气类别简化分为雨天、阴天、多云天和晴天，其年日数的变化对年平均热岛强度的影响可以反映天气状况与城市热岛效应的关系。图6为21世纪10年代重庆市中心城区各年不同天气状况与热岛强度的散点图。可以看出，雨天日数距平、阴天日数距平与年平均热岛强度呈负相关性，均为城市热岛的负向驱动因素；多云天日数距平、晴天日数距平与年平均热岛强度呈正相关性，均为城市热岛的正向驱动因素。雨天日数距平、阴天日数距平、多云天日数距平、晴天日数距平与年平均热岛强度的相关系数分别为-0.628、-0.295、0.457、0.425，其中，雨天相关系数最强，且通过α＝0.1的显著性检验，阴天相关系数最弱。由于阴天条件下，受云层的影响，地表接收的太阳辐射能变化较大，影响热岛生成的能量来源也变动较大，简单以阴天日数的变化来分析热岛的变化，其规律性相对差一些。

图6 21世纪10年代重庆市中心城区各年不同天气状况因素与年平均热岛强度的散点图（a）雨天日数、（b）阴天日数、（c）多云天日数、（d）晴天日数Fig.6 The scatterdiagram between different annual weather conditions and heat island intensity in central districts of Chongqing in 2010s(a)number of rainy days,(b)number of cloudy days,(c)number of partly cloudy days,(d)number of sunny days

表2列出21世纪10年代重庆市中心城区不同天气状况下平均热岛强度。可以看出，21世纪10年代雨天、阴天、多云天、晴天时的平均热岛强度分别为0.19、0.52、0.69、0.76℃；各年的热岛强度均为雨天最弱，晴天最强，其中大部分年份多云时热岛强度总体略低于晴天，但2010年和2019年多云天气热岛强度略大于晴天。

根据表2选取2010—2019年平均热岛强度差异最大的2 a（2010年和2013年）为代表年份，分析天气状况对城市热岛的影响。2010年重庆市中心城区雨天日数比21世纪10年代平均值偏多7.2 d，阴天日数偏多7.7 d，多云天日数偏少0.2 d，晴天日数偏少14.9 d（表略）。正向驱动因素的作用中，多云天日数略微减少，晴天日数大幅减少；负向驱动因素的作用中，雨天日数有明显增加，阴天日数也有明显增加，2010年的天气状况总体不利于城市热岛效应，城市热岛强度在同年代中最低。2013年重庆市中心城区雨天日数比21世纪10年代平均值偏少15.8 d，阴天日数偏少10.3 d，多云天日数偏多4.8 d，晴天日数偏多21.1 d（表略）。正向驱动因素的作用中，多云天日数增加，晴天日数大幅增加；负向驱动因素的作用中，雨天日数大幅减少，阴天日数也明显减少，2013年的天气状况总体有利于城市热岛效应，城市热岛强度在同年代中最高。由此可见，城市热岛效应受天气状况的影响，2010年的天气状况不利于城市热岛的形成和发展，热岛强度在同年代中最低；2013年的天气状况有利于城市热岛的形成和发展，热岛强度在同年代中最高。

表2 21世纪10年代重庆市中心城区不同天气状况下平均热岛强度Tab.2 The average heat island intensity under different weather conditions in central districts of Chongqing in 2010s单位：℃

4 结论

（1）20世纪90年代中期以来，重庆市中心城区基于气温的热岛强度总体呈明显增强趋势，其中21世纪10年代最高，平均热岛强度为0.50℃。21世纪10年代初期热岛强度升势明显，中后期热岛强度略有下降。热岛效应的长期变化与城市发展密切相关，并受生态文明建设等政策的影响。

（2）21世纪10年代，重庆市中心城区基于气温的热岛强度，具有白天弱夜间强的日变化特征；各月中，8月平均热岛强度最强为0.68℃，6月最弱为0.33℃；还存在较明显的初夏弱盛夏强、初春强仲春弱的季节内差异，其中盛夏季节最强，初春次之，仲春至初夏最弱。

（3）重庆市中心城区城市热岛呈东北、西南向分布，其分布受土地利用/覆盖类型影响较大，强热岛区域主要集中在人口密集的传统老城区、商业区、广场、车站、工业园及城市新区等区域。2019年8月13日强热岛级别以上的热岛面积为13.2%。

（4）城市热岛效应受天气状况的影响，雨天、阴天是城市热岛的负向驱动因素，多云天、晴天是城市热岛的正向驱动因素。21世纪10年代，雨天、阴天、多云天、晴天时的平均热岛强度分别为0.19、0.52、0.69、0.76℃。其中2010年的天气状况不利于城市热岛的形成和发展，热岛强度在同年代中最低；2013年的天气状况有利于城市热岛的形成和发展，热岛强度在同年代中最高。