黃群芳 顏敏

(江蘇第二師范學院 城市與資源環(huán)境學院，南京210013)

引 言

城市熱島效應及其強度是城市氣候、城市環(huán)境和城市生態(tài)的基本特征和表征指標。由于城市規(guī)模不斷擴張、人口日益聚集、人為熱排放迅速增長、城市密度不斷增加、城市建筑物猛增和城市空氣污染日益加劇等， 城市熱島現(xiàn)象已從一般氣象問題變?yōu)槌鞘幸?guī)劃、景觀布局以及城市環(huán)境與生態(tài)研究的重要指標，例如城市布局、空氣污染治理和城市植被物候研究中都要充分考慮城市熱島效應的影響[1-4]。因此，闡明城市熱島效應的時空變化特征，揭示其形成機制并提出適應性對策成為了氣候變化和城市化研究的核心和熱點問題[5-6]，引起了各學科專家的密切關注。

以往許多研究均表明，城市熱島存在時、日、月、年等不同時間尺度變化特征和城市空間形態(tài)、土地利用格局等空間尺度變化特征[7-10]。由于逐時氣象觀測數(shù)據(jù)和地面溫度遙感數(shù)據(jù)獲取相對比較困難，因此相比于城市熱島的月、季節(jié)、年和年代際變化特征[11-14]，城市熱島的逐時變化特征研究相對較少。已有研究存在研究時段過短(數(shù)天到數(shù)月等)，氣象觀測數(shù)據(jù)頻次過低(12 h、6～2 h等)等問題[15-17]，無法精細地刻畫城市熱島效應短時間尺度變化特征，也不利于成因機制揭示和城市熱島減緩的適應性管理對策的提出。特別是大部分研究往往關注城市熱島強度平均態(tài)變化[18-19]，較少關注典型和極端氣象條件下的逐時變化特征[20]，因此很難獲得極端條件下的日變化特征。實際上，未來氣候變化主要表現(xiàn)為極端天氣氣候事件頻次和強度增加，破壞力增強，因此有必要討論極端氣象條件下城市熱島效應逐時變化特征。

上海是長三角城市群的核心，對我國社會經濟發(fā)展和全方位改革開放起著舉足輕重的作用，上海人口和生產生活活動密集、建筑空間形態(tài)多樣且變化劇烈、城市熱島強度顯著[21-23]，是城市熱島效應研究的理想場所。因此，本文基于上海市一個典型城市站(徐家匯站)和3個典型鄉(xiāng)村站(青浦、奉賢和崇明站)2017年1月1日00時—12月31日23時(北京時，下同)全年逐時氣象觀測數(shù)據(jù)，詳細分析和深入闡述年平均和典型氣象條件下(晴朗微風、大風、強降水事件、極端高溫)上海市逐時城市熱島強度變化特征。通過分析上海市微風、大風和極端高溫等氣象事件長期變化特征，討論了城市熱島效應未來變化趨勢。

1 數(shù)據(jù)與方法

研究中使用的逐時平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、風速和降水等數(shù)據(jù)均來自于中國氣象局下(CMA)的中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。目前能從該網(wǎng)站下載到最近7 d的逐時觀測數(shù)據(jù)，為開展城市熱島強度的逐時變化特征研究，從2017年1月1日—12月31日每隔7 d從該網(wǎng)站上下載一次數(shù)據(jù)，形成全年數(shù)據(jù)集，包括上海11個氣象站點的相關數(shù)據(jù)?？紤]到城市站和鄉(xiāng)村站的代表性和典型性，本文選取上海市徐家匯、青浦、奉賢和崇明站4個站點的逐時氣象觀測數(shù)據(jù)進行分析。為分析風速和氣溫長期變化趨勢，從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)收集下載了1961年以來逐日氣象觀測數(shù)據(jù)。

上海市的熱島強度定義為城市站徐家匯站(站號為58367，位于31°12′N，121°26′E，海拔4.6 m)和3個鄉(xiāng)村站青浦(站號58461，位于 31°08′N，121°07′E，海拔4.0 m)、奉賢(站號58463，位于30°53′N，121°30′E，海拔4.6 m)和崇明(站號58366，位于31°38′N，121°24′E，海拔4.5 m)(圖1a)氣溫平均值的差值。其中徐家匯站位于上海市高度城市化的歷史、文化和商業(yè)中心區(qū)，周邊高樓大廈環(huán)繞，人口集中，土地利用全部以工業(yè)和城市用地為主，是典型的城市站(圖1)。青浦、奉賢和崇明站分布在距離徐家匯50 km范圍內，位于開闊的農村地區(qū)，人口密度較低，土地利用以農田為主(圖1)，屬典型鄉(xiāng)村站。在以往上海城市熱島研究中也有類似城市和鄉(xiāng)村站的劃分[23]。由于4個站點海拔高度接近，無需對觀測到的氣溫數(shù)據(jù)進行海拔校正，可直接計算城市熱島強度。

圖1 上海市土地利用和氣象站(a)以及人口密度(b)分布

通過Matlab軟件對數(shù)據(jù)完整性進行檢驗和匯總，全年8 760行數(shù)據(jù)中由于觀測原因出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的占比不到1%，數(shù)據(jù)缺失對整體結果的影響可以忽略。為探討微風和大風出現(xiàn)天數(shù)的長期變化，本文定義日平均風速≤2 m·s-1為微風條件，日平均風速≥ 6 m·s-1為大風條件。此外，本文參考中國氣象局的規(guī)定和《氣象災害預警信號圖標GB/T 27962—2011》[24]，將日最高氣溫≥35 ℃定義為極端高溫。

數(shù)據(jù)的平均值、最低值、最高值以及典型氣象條件下數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析均采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行，數(shù)據(jù)圖表采用ArcGIS和Origin 8.5軟件繪制。

2 結果與討論

2.1 年平均城市熱島強度逐時變化

圖2給出2017年全年平均逐時熱島強度變化曲線?？芍殡S日出日落城市熱島強度呈現(xiàn)出快速降低—穩(wěn)定低值—快速增加—穩(wěn)定高值周期性日變化特征，晝夜特征非常明顯。06時日出后郊區(qū)增溫比城區(qū)快，06—10時城區(qū)和郊區(qū)溫差逐漸縮小，城市熱島強度呈現(xiàn)快速下降趨勢。10—16時城市熱島強度維持在一個較為穩(wěn)定的低值，平均、最高和最低氣溫城市熱島強度均值分別為0.46、0.43、0.46 ℃。16—21時，由于太陽高度角減小， 郊區(qū)空曠，有效輻射逐漸減少， 大氣失熱逐漸加快， 而城區(qū)由于地面溫度高，加之建筑物存儲熱量不斷釋放和人為熱釋放，導致城區(qū)散熱慢，因此城市熱島強度快速增加至全天最大值。21—次日05時，城區(qū)由于白天蓄積的熱量多、夜間散熱慢，而郊區(qū)在21時之前白天蓄積的熱量基本上已全部散完，因此城市熱島強度較高且相對比較穩(wěn)定，平均、最高和最低氣溫城市熱島強度均值分別為1.82、1.74、1.88 ℃，為10—16時低值的3.96、4.05、4.09倍。對比已有的城市熱島強度逐時變化結果，其晝夜變化趨勢整體上較為一致[25-26]，但不同城市城市熱島強度及各個階段起始和結束時間會有稍許差異。

圖2 年平均城市熱島強度逐時變化

2.2 晴朗微風和強風條件下城市熱島強度逐時變化

圖3給出2月12—14日典型冬季晴朗微風條件下城市熱島強度的逐時變化，其與年平均城市熱島強度逐時變化曲線較為類似。不同之處是冬季晴朗弱風條件下城市熱島強度要明顯高于全年平均值，日內最大城市熱島強度與最小城市熱島強度差值也要明顯高于全年平均。21—次日05時城市熱島強度可以達5 ℃以上，相反10—16時城市反而有時會成為冷島，城市熱島強度為負值，最小值為-1.37 ℃，最大和最小城市熱島強度相差近7 ℃。盡管部分時段城市熱島強度會出現(xiàn)負值，但平均來看城市熱島效應仍不容忽視。晴朗微風條件下城市熱島強度比較大，在夜間逐時的熱島強度可以高達5～6 ℃，日平均城市熱島強度則在1～2 ℃。圖3顯示冬季微風和靜風條件非常有利于城市熱島的形成，這也證實了以往許多其他類似的研究，并且圖3還顯示2月12日和14日風速低于13日，對應的城市熱島強度則要大于13日。

圖3 典型晴朗微風條件下城市熱島強度和徐家匯城市站風速逐時變化

圖4則給出2月19—20日典型強風條件下城市熱島強度的逐時變化?？芍?，強風條件下城市熱島強度的逐時變化規(guī)律不明顯，與年平均熱島強度和晴朗靜風條件下城市熱島強度變化曲線存在較大差異，峰谷特征不顯著，熱島強度值也明顯要低得多。相比于晴朗微風，大風的氣象條件非常不利于城市熱島的形成，在強風條件下逐時的熱島強度和日平均城市熱島強度一般只有0.5 ℃左右(圖4)。對比圖3、4可知，風速對城市熱島強度逐時變化影響非常顯著。除了風速短期變化影響城市熱島外，區(qū)域性的湖陸風對城市熱島也會產生明顯影響[27]。

圖4 典型強風條件下城市熱島強度和徐家匯城市站風速逐時變化

2.3 強降水條件下城市熱島強度逐時變化

跟強風條件一樣，降水多云也不利于城市熱島的形成，因此強降水條件下城市熱島強度的逐時和晝夜變化特征不明顯，有時甚至出現(xiàn)相反的變化特征，如8月20日13—15時逐時城市熱島強度明顯高于其他時間段，而8月21日13—15時逐時城市熱島強度則明顯低于其他時間段，甚至為負值，城市熱島強度可以達到-5 ℃左右。分析對應時段的降水數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)城市熱島強度之所以表現(xiàn)出完全相反的異?，F(xiàn)象主要是由于城市和鄉(xiāng)村站不對稱降水所致，8月20日13—15時強城市熱島強度主要是由于鄉(xiāng)村站出現(xiàn)一次強降水過程，而城市站降水非常有限；8月21日13—14時城市站有一次強降水過程，總降水量高達58.4 mm，而鄉(xiāng)村站則沒有出現(xiàn)降水過程，進而致使城市地表氣溫顯著低于鄉(xiāng)村地表氣溫，造成城區(qū)出現(xiàn)城市冷島(圖5)。以往研究也發(fā)現(xiàn)，暴雨條件下北京也曾觀測到城市熱島強度為負值、出現(xiàn)城市冷島現(xiàn)象[25]。

圖5 典型強降水事件城市熱島強度以及城市和鄉(xiāng)村站降水量逐時變化

2.4 極端高溫條件下城市熱島強度逐時變化

圖6則給出7月20日和25日極端高溫條件下城市熱島強度的逐時變化，對應的逐時最高氣溫分別可以高達39.0 ℃和40.5 ℃。從逐時熱島強度來看，夜間最高熱島強度超過3.0 ℃，跟北京報道的結果較為接近[28]，遠遠超過上海年平均城市熱島強度最高值2.1 ℃(圖2)，說明極端高溫條件下夜間城市熱島強度能達到非常高的水平。夏季極端高溫期間城市熱島強度逐時變化也表現(xiàn)出與年平均城市熱島強度不一致的逐時變化特征，主要體現(xiàn)在夜間和白天城市熱島強度差異不大，由于全天溫度非常高，郊區(qū)散熱也比較緩慢致使夜間高的城市熱島強度持續(xù)時間比較短暫并且明顯延遲，出現(xiàn)在01—04時之間(圖6)。并且，最低氣溫對應的城市熱島強度與平均氣溫和最高氣溫對應的城市熱島強度逐時變化特征存在明顯的錯位，最低溫城市熱島強度峰值明顯遲于最高溫城市熱島強度峰值(圖6)。相比于夜間，白天高溫期間城市熱島強度仍維持在較高值，某種程度上加劇了高溫熱浪天氣對城市居民生產生活和身體健康的不利影響。以前也有很多研究發(fā)現(xiàn)城市熱島加劇了城區(qū)高溫熱浪及其人體健康的不利影響[23，29-30]，如研究結果發(fā)現(xiàn)1998—2004年上海市中心城區(qū)非正常死亡率與城市熱島強度間存在顯著正相關，特別高溫熱浪嚴重的1998和2003年尤為明顯[23]。

圖6 典型夏季極端高溫條件下城市熱島強度(a)和徐家匯城市站氣溫(b)逐時變化

2.5 城市熱島強度未來變化趨勢

前文分析表明，在晴朗微風無云和極端高溫天況條件下容易形成城市和鄉(xiāng)村間顯著溫度差，城市熱島強度較大。因此本文繼續(xù)探討過去40 a微風和極端高溫出現(xiàn)天數(shù)的長期變化趨勢，可以推測城市熱島強度未來變化趨勢。圖7給出城市站和鄉(xiāng)村站日平均風速≤2 m·s-1和日最高氣溫≥ 35 ℃以及兩者組合情況下天數(shù)的長期變化趨勢。可知，日平均風速≤2 m·s-1的微風天數(shù)呈現(xiàn)極顯著增加，其中徐家匯城市基本遵循Logistic曲線增長，在1995—2010年間呈現(xiàn)快速增加至全年基本維持在350 d以上，也就是說上海市中心全年日平均風速基本上都≤2 m·s-1，相伴隨的是鄉(xiāng)村站微風天數(shù)呈現(xiàn)線性增加趨勢，每年有近一半的天數(shù)日平均風速≤2 m·s-1，非常有利于城市熱島的形成。與此同時，日最高氣溫≥ 35 ℃以及風速≤2 m·s-1并且日最高氣溫≥ 35 ℃的極端高溫天數(shù)也在顯著增加，表明高溫熱浪事件持續(xù)增加，進一步加劇了城市熱島的形成和不利影響?？梢酝茰y隨著全球氣候變暖和城市化的進一步發(fā)展，未來上海的城市熱島強度還會進一步強化，迫切需要采取適應性的應對策略和措施。

圖7 上海城市和鄉(xiāng)村站日平均風速≤2 m·s-1(a、b)和日最高氣溫≥ 35 ℃(c、d)以及兩者組合(e、f)情況下天數(shù)的長期變化趨勢

3 結論

(1)上海市年平均熱島強度在午夜和日出呈現(xiàn)峰值，白天午后呈現(xiàn)谷值，呈現(xiàn)出快速降低—穩(wěn)定低值—快速增加—穩(wěn)定高值周期性的日變化特征。

(2)晴朗微風或者靜風條件最有利于城市熱島的形成，城市熱島強度可以高達7 ℃，空間分布不均的強降水事件會造成城市熱島強度出現(xiàn)相反的變化特征，既城市熱島強度出現(xiàn)顯著的負值。

(3)長期氣象觀測事實顯示上海市風速呈現(xiàn)明顯降低趨勢，而氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢，致使微風和極端高溫天氣日數(shù)呈現(xiàn)快速增加趨勢，其勢必會加劇上海市城市熱島強度。