胡張保,俞炳豐,秦臨香

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安 710049;2.西安市氣象局業(yè)務(wù)處,西安710016)

城市化導(dǎo)致城市中存在大面積諸如建筑物、人工路面等的下墊面,相對(duì)于郊區(qū)下墊面來(lái)說(shuō),它們更易于吸收、儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射熱,并向空氣散熱,加上大量人為熱及溫室氣體的排放,造成城區(qū)空氣溫度高于郊區(qū),形成所謂的“城市熱島效應(yīng)”[1-2]。城市熱島效應(yīng)總的來(lái)說(shuō)弊遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利,開(kāi)展城市熱島效應(yīng)的研究對(duì)于控制能耗、改善城市人居環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展等都有重要的指導(dǎo)意義。多年來(lái)各國(guó)學(xué)者利用氣象觀測(cè)資料[3-5]、人工布點(diǎn)測(cè)量[6-7]、流動(dòng)測(cè)量[8-9]及衛(wèi)星遙感技術(shù)[10-11],對(duì)城市熱島的形成機(jī)制、時(shí)空分布特征、危害及緩解對(duì)策進(jìn)行了廣泛的研究。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市熱島效應(yīng)做了大量的研究工作,但也存在有不足之處,比如在研究城市熱島的周期性變化特征時(shí),都是預(yù)先主觀選定某一城市熱島變化周期(如年、周、日等),而后再做統(tǒng)計(jì)分析,不能揭示出所有客觀存在的城市熱島變化周期及它們的變化特征。近年來(lái),小波分析理論得到了快速發(fā)展,它是從傅立葉變換發(fā)展起來(lái)的,其核心是多時(shí)間尺度(變化周期)分析。小波分析通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能,可以對(duì)一維的時(shí)間函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行分解,提取出其中存在的時(shí)間尺度或頻率成分,從而能反映出函數(shù)或信號(hào)所存在的變化周期或頻率的總體特征[12],將小波分析理論應(yīng)用于城市熱島周期性變化特征研究可以很好地彌補(bǔ)目前研究方法所存在的局限性。

西安作為西北地區(qū)規(guī)模最大的中心城市,城市熱島效應(yīng)已經(jīng)十分明顯,并且在不斷加劇[9]。該文以西安為研究對(duì)象,利用自動(dòng)氣象站逐時(shí)氣溫觀測(cè)資料,采用小波分析的方法來(lái)研究夏季和冬季城市熱島的多時(shí)間尺度變化特征,并利用小波方差來(lái)診斷各熱島周期振蕩的強(qiáng)度,以期揭示出在短時(shí)間尺度上城市熱島詳細(xì)的尺度結(jié)構(gòu),并深入分析所存在的主熱島周期的形成機(jī)制。

1 資料與研究方法

1.1 資料

圖1示出了西安周?chē)?個(gè)區(qū)縣相對(duì)于西安市區(qū)的地理位置分布,在這6個(gè)區(qū)縣中,長(zhǎng)安、戶縣、臨潼及藍(lán)田與西安市區(qū)的地理位置最為接近,它們與西安市區(qū)的區(qū)域氣候條件相似,由大區(qū)域氣候因子所引起的自然氣候變化對(duì)城市熱島的影響相一致。因此,選取這4個(gè)區(qū)縣作為郊區(qū)參考點(diǎn),即取西安市區(qū)氣溫與這4個(gè)區(qū)縣同一時(shí)刻平均氣溫之差作為衡量該時(shí)刻城市熱島強(qiáng)度的指標(biāo)。根據(jù)收集到的西安市區(qū)及這4個(gè)區(qū)縣自動(dòng)氣象站2008年逐時(shí)氣溫觀測(cè)資料,選取1月和7月(分別代表冬季和夏季)的逐時(shí)氣溫資料作為研究對(duì)象,數(shù)據(jù)資料中缺測(cè)(由于觀測(cè)儀器出現(xiàn)故障)的氣溫值,對(duì)其進(jìn)行線性插值。由此建立了西安市夏季和冬季逐時(shí)熱島強(qiáng)度時(shí)間序列,樣本長(zhǎng)度都為744(31 d),數(shù)據(jù)量可以滿足小波分析的要求。

1.2 研究方法

對(duì)于任意函數(shù) f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為[13]：式中：W f(a,b)為小波變換系數(shù);ψ為子小波函數(shù);是ψ的共軛;a為尺度因子;b為平移因子是為了保證小波伸縮前后其能量不變而引入的歸一化因子。由于研究中熱島強(qiáng)度時(shí)間序列為離散信號(hào),所以需要把式進(jìn)行離散化,這樣對(duì)于任意離散信號(hào)f(t)∈L2(R)(t=1,2,3,…,N)的連續(xù)小波變換為：

式中：N為樣本數(shù);Δt為采樣間隔,文中為1 h。

在一維離散信號(hào)的小波分析中,比較常用的小波母函數(shù)有M exh小波、M orlet小波、復(fù) M orlet小波等。其中,復(fù)M orlet小波是復(fù)數(shù)形式的小波,其實(shí)部和虛部相位相差,可以消除實(shí)數(shù)形式小波變

換系數(shù)模的振蕩。此外,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了Mexh小波和復(fù)M orlet小波在城市熱島多時(shí)間尺度變化特征研究中的效果,發(fā)現(xiàn)復(fù)M orlet小波要優(yōu)于Mexh小波。因此,選取復(fù)M orlet小波作為母小波,其表達(dá)式為：

式中：fb為帶寬參數(shù),fb=1.5;fc為小波中心頻率,fc=1.0。

為了減少小波變換過(guò)程中產(chǎn)生的邊界效應(yīng)影響,在進(jìn)行小波變換之前,對(duì)熱島強(qiáng)度時(shí)間序列進(jìn)行了對(duì)稱、雙向延拓邊界處理,即將資料向前和向后各延伸一個(gè)樣本長(zhǎng)度,變換后再將前后延拓部分舍棄,只保留中間部分。在研究中,尺度因子a的最大周期取資料長(zhǎng)度的約1/3,即240 h。對(duì)于給定尺度a,b域上小波系數(shù)的方差定義為：

式中：Wf(a)為尺度a上小波系數(shù)的平均值。小波方差可以用來(lái)診斷所存在的主熱島周期。

2 結(jié)果與分析

圖2和圖5分別示出了夏季和冬季的逐時(shí)熱島強(qiáng)度時(shí)間序列,圖3-4和圖6-7分別是夏季和冬季城市熱島強(qiáng)度復(fù)M orlet小波變換系數(shù)的實(shí)部在時(shí)間-尺度相平面上的等值線圖及其相應(yīng)的小波方差圖,圖中正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)強(qiáng)熱島,小波系數(shù)為負(fù)表示弱熱島,標(biāo)注有H的為強(qiáng)熱島中心,標(biāo)注有L的為弱熱島中心。

圖2 西安夏季(7月)逐時(shí)熱島強(qiáng)度時(shí)間序列

圖3 西安夏季(7月)城市熱島復(fù)M orlet小波變換結(jié)果

圖4 西安夏季(7月)城市熱島的小波方差

圖5 西安冬季(1月)逐時(shí)熱島強(qiáng)度時(shí)間序列

圖6 西安冬季(1月)城市熱島復(fù)M orlet小波變換結(jié)果

圖7 西安冬季(1月)城市熱島的小波方差

2.1 夏季城市熱島的小波特征

由夏季的小波變換圖(圖3)可以看出,在高頻部分,夏季城市熱島的變化明顯存在24 h尺度上的熱島周期,48 h尺度上的熱島周期也同時(shí)存在,在月末,這2個(gè)熱島周期重疊,演變成為1個(gè)介于24 h和48 h之間的熱島周期。在低頻部分,在7月22日之前,96～120 h和168～240 h 2個(gè)時(shí)間尺度上的熱島周期同時(shí)存在,并且隨時(shí)間并行發(fā)展。7月22日之后,這2個(gè)熱島周期演變、合并成為1個(gè)狹長(zhǎng)的、尺度變化較寬的熱島周期,即120～216 h。圖3還表明,對(duì)于96～240 h尺度所代表的熱島強(qiáng)度的周變化,強(qiáng)熱島中心出現(xiàn)在7月 4日、14日、22日及29日,弱熱島中心出現(xiàn)在7月9日、19日及27日,總體來(lái)說(shuō),周一至周五主要表現(xiàn)為強(qiáng)熱島,周六和周日主要表現(xiàn)為弱熱島。

從夏季城市熱島的小波方差圖(圖4)來(lái)看,在整個(gè)尺度(0～240 h)域上,96～120 h和24 h尺度上熱島周期的小波方差最大,同為主周期。其次是36～48 h、144～192 h及216～240 h尺度上的熱島周期,它們所反映的小波方差大小比較接近,同為次周期。由此可以看出,日變化和周變化是西安市夏季城市熱島的主要變化周期,但周變化的尺度結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,包括主周期 96～120 h及次周期 144～192 h和216～240 h。

2.2 冬季城市熱島的小波特征

由冬季的小波變換圖(圖6)可以看出,高頻部分,在1月份的上旬和下旬存在24 h尺度上的熱島周期,正負(fù)震蕩強(qiáng)烈,1月中旬該尺度上的熱島周期仍然存在,只是震蕩較弱。在低頻部分,存在144～192 h尺度上的熱島周期,小波變換系數(shù)的實(shí)部有8個(gè)0點(diǎn),經(jīng)歷了5次強(qiáng)熱島和4次弱熱島,正負(fù)震蕩強(qiáng)烈,并且在整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)一直存在。此外,在1月的下旬,還并行存在48～72 h和96～144 h 2個(gè)熱島周期?？傮w來(lái)說(shuō),西安冬季存在的熱島周期都非常有規(guī)律性,尺度結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。由圖6還可以看出,對(duì)于144～192 h尺度所代表的熱島強(qiáng)度的周變化,強(qiáng)熱島中心出現(xiàn)在1月 2日、9日、16日、23日及30日,弱熱島中心出現(xiàn)在1月5日、12日、19日及27日,在周二至周五表現(xiàn)為強(qiáng)熱島,在周六和周日表現(xiàn)為弱熱島。

從冬季城市熱島的小波方差圖(圖7)來(lái)看,在整個(gè)尺度(0～240 h)域上,144～192 h尺度上熱島周期的小波方差最大,其所對(duì)應(yīng)的周變化為主熱島周期,其次是對(duì)應(yīng)于日變化的24 h尺度上的熱島周期,而48～72 h和96～144 h這2個(gè)熱島周期要明顯弱于144～192 h和24 h尺度上的熱島周期。

2.3 分析

在夏季和冬季,城市熱島的日變化特征和周變化特征始終存在,并且表現(xiàn)最為顯著,下面嘗試對(duì)這2個(gè)主熱島周期的驅(qū)動(dòng)因子及形成機(jī)制進(jìn)行分析。

城市下墊面除少量綠地和水體外,絕大多數(shù)為人工鋪砌的道路、廣場(chǎng)、建筑物和構(gòu)筑物,不透水面積遠(yuǎn)比郊區(qū)農(nóng)田綠野大得多。晝間其所獲得的凈輻射用于蒸散的潛熱遠(yuǎn)比郊區(qū)小,而用于下墊面增溫和通過(guò)湍流交換及長(zhǎng)波輻射向近地面空氣輸送的顯熱比郊區(qū)多,造成城郊?xì)鉁夭?形成晝間城市熱島。城市下墊面的導(dǎo)熱率和熱容量都比郊區(qū)大,城市下墊面白天可以吸收、儲(chǔ)存更多的太陽(yáng)輻射熱,加之城市下墊面的天穹可見(jiàn)度比郊區(qū)小得多,不利于下墊面夜間通過(guò)長(zhǎng)波輻射向太空散熱,從而形成夜間城市熱島。另外,城市中排放大量的人為熱也是城市熱島形成的一個(gè)重要因子[1,14],城市下墊面性質(zhì)的改變和人為熱排放是形成晝間和夜間城市熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等外部因素則對(duì)晝間和夜間城市熱島的強(qiáng)度有重要影響。白天城市風(fēng)速一般較大[9],熱量由市區(qū)向郊區(qū)擴(kuò)散快,會(huì)削弱城市熱島的強(qiáng)度(一些學(xué)者認(rèn)為熱島存在的臨界風(fēng)速為5m/s)。到了夜間,風(fēng)速一般要比白天小,其對(duì)城市熱島強(qiáng)度的削弱作用也會(huì)減弱。白天的大氣層結(jié)在地面加熱過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下是非常不穩(wěn)定的[15],在垂直方向上空氣混合強(qiáng)烈,近地面熱量向高空的湍流輸送得到強(qiáng)化,這對(duì)晝間城市熱島強(qiáng)度的加強(qiáng)是不利的。而夜間,由于下墊面的冷卻作用,在近地層形成逆溫,大氣層結(jié)比較穩(wěn)定,抑制了近地層熱量向高空的湍流輸送,非常有利于夜間熱島強(qiáng)度的加強(qiáng)。晝間和夜間城市熱島是城市下墊面、人為熱、大氣穩(wěn)定度及風(fēng)速共同作用的結(jié)果。對(duì)于城市熱島的日變化,強(qiáng)熱島主要出現(xiàn)在夜間,而弱熱島主要出現(xiàn)在白天(見(jiàn)圖2和圖5),由此可以看出,城市熱島的日變化周期應(yīng)該是由于這幾方面因素在夜間對(duì)城市熱島強(qiáng)度的綜合貢獻(xiàn)度要強(qiáng)于白天的緣故,至于各個(gè)因素在其中所占的比重還有待進(jìn)一步研究。

太陽(yáng)、地球等天體運(yùn)動(dòng)及自然環(huán)境變化都不具有以周為周期的變化特征,而城市熱島尤其是冬季卻表現(xiàn)出明顯的周變化特征,并且強(qiáng)熱島主要出現(xiàn)在工作日,而弱熱島主要出現(xiàn)在周末,由此推斷,城市熱島的周變化應(yīng)該是由規(guī)律性的人類活動(dòng)所引起。在工作日,工廠和機(jī)動(dòng)車(chē)等排放的人為熱(主要是指工業(yè)生產(chǎn)、辦公用能)和大氣污染物(如 TSP、CO2、H2O、N2O、NO2等)的量要多于周末的排放量,它們綜合作用的結(jié)果,致使工作日期間熱島強(qiáng)度相對(duì)較大,而非工作日期間熱島強(qiáng)度較弱。

3 結(jié) 論

1)在時(shí)間-尺度相平面圖上,小波中心隨時(shí)間正負(fù)震蕩,與城市熱島周期性變化過(guò)程中的強(qiáng)熱島中心和弱熱島中心形成很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用復(fù)M orlet小波可以清晰地揭示出城市熱島所存在變化周期的總體特征,利用小波方差可以很方便地診斷出存在的主熱島周期。

2)在高頻部分,西安城市熱島在夏季和冬季都存在24 h的主周期,還分別存在36～48 h和48～72 h的次熱島周期;在低頻部分,冬季城市熱島的尺度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要表現(xiàn)為144～192 h,而夏季城市熱島的尺度結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,表現(xiàn)為96～120 h和168～240 h 2個(gè)熱島周期并行存在;強(qiáng)熱島主要出現(xiàn)在工作日,弱熱島主要出現(xiàn)在周末。

3)城市下墊面、人為熱、大氣穩(wěn)定度及風(fēng)速對(duì)熱島強(qiáng)度的綜合貢獻(xiàn)度夜間強(qiáng)于白天,形成城市熱島的日變化特征,周變化主要是由城市大氣污染物、人為熱排放等人為因素引起。

[1]KATO S,YAMAGUCH I Y.Analysis of urban heatisland effect using ASTER and ETM + Data：Separation of anthropogenic heat discharge and natural heat radiation from sensible heat flux[J].Remote Sensing of Environment,2005,99(1/2)：44-54.

[2]荀平,王眾.建筑熱反射研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(1)：31-34.XUN PING,WANG ZHONG.Study on buildings heat reflec tion [J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2007,29(1)：31-34.

[3]VELAZQUEZ-LOZADA A, GONZALEZ J E,WINTER A.U rban heat island effect analysis for San Juan,Puerto Rico[J].A tmospheric Environment,2006,40(9)：1731-1741.

[4]陳志,俞炳豐,胡汪洋,等.城市熱島效應(yīng)的灰色評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(9)：985-988.CHEN ZH I,YU BING-FENG,HU WANG-YANG,et al.G rey assessment and p rediction of the urban heat island effect in city[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2004,38(9)：985-988.

[5]KIM Y H,BA IK JJ.Spatial and tem poral structure of the urban heat island in Seoul[J].Journal of Applied Meteorology,2005,44(5)：591-605.

[6]HIDEK I T,MASAKAZU M.Study on the urban heat island mitigation effect achieved by converting to grasscovered parking[J].Solar Energy,2009,83(8)：1211-1223.

[7]HUANG L M,LIJL,ZH AO D H,etal.A fieldw ork study on the diurnal changes of urban m icroclimate in four types of ground cover and urban heat island of Nanjing,China[J].Building and Environment,2008,43(1)：7-17.

[8]劉加平,林憲德,劉艷峰,等.西安冬季城市熱島調(diào)查研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28(8)：912-917.LIU JIA-PING,LIN XIAN-DE,LIU YAN-FENG,et al.Survey on w inter urban heat island in Xi'an[J].A cta Energiae Solaris Sinica,2007,28(8)：912-917.

[9]陳志.城市熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究及典型小區(qū)微熱環(huán)境的數(shù)值模擬[D].西安：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,2007.

[10]JUSUF S K,WONG N H,HAGER E,et al.The influence of land use on the urban heat island in Singapore[J].H abitat International,2007,31(2)：232-242.

[11]RAJASEKAR U,WENG Q H.U rban heat island monitoring and analysis using a non-parametric model：A case study of Indianapolis[J].Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2009,64(1)：86-96.

[12]PROKOPH A,PA TTERSON R T.App lication of wavelet and regression analysis in assessing temporal and geographic climate variability：Eastern Ontario,Canada as a case study[J].A tmosphere-Ocean,2004,42(3)：201-212.

[13]楊建國(guó).小波分析及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[14]周淑貞,束炯.城市氣候?qū)W[M].北京：氣象出版社,1994.

[15]盛裴軒,毛節(jié)泰,李建國(guó),等.大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2003.