劉壽東，姜潤(rùn)，王成剛，王詠薇

(南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心，江蘇南京210044)

南京夏季城市熱島時(shí)空分布特征的觀測(cè)分析

劉壽東，姜潤(rùn)，王成剛，王詠薇

(南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心，江蘇南京210044)

利用2010年南京夏季城市熱島三維觀測(cè)試驗(yàn)資料，分析了南京夏季典型天氣條件下城市熱島的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，南京夏季高溫晴天日平均熱島強(qiáng)度達(dá)1℃以上，夜間熱島強(qiáng)度穩(wěn)定且強(qiáng)于白天，熱島分布具有方向性特征并與城市土地利用現(xiàn)狀對(duì)應(yīng)較好。白天，城市大氣混合層的發(fā)展速度和高度均大于郊區(qū);夜間，由于城市大氣層結(jié)的不穩(wěn)定及下墊面的粗糙特性，致使城市低空始終存在著一個(gè)對(duì)流混合層，其高度至少有250 m。城市下墊面高熱量?jī)?chǔ)存和強(qiáng)湍流輸送的共同作用形成邊界層內(nèi)熱島，熱島強(qiáng)度總體上隨高度遞減，影響高度在白天約900 m、夜間約300 m。關(guān)鍵詞:城市熱島;城市邊界層;時(shí)空分布;夏季;南京

不同城市的熱島效應(yīng)具有不同的特征，近年來已有許多學(xué)者對(duì)北京(季崇萍等，2006;李興榮等，2006，2008;劉熙明等，2006;王郁和胡非，2006)、天津(韓素芹等，2007)、上海(鄧蓮堂等，2001)、杭州(陳燕等，2004)和重慶(何澤能等，2008)等城市進(jìn)行了大量的觀測(cè)分析和理論研究。南京市是中國(guó)的大型城市，2010年第六次全國(guó)人口普查顯示其常住總?cè)丝谝淹黄?00萬(wàn)，比2000年增長(zhǎng)28.31%，全市城鎮(zhèn)人口所占比重即城鎮(zhèn)化率為78.5%，城市的快速發(fā)展對(duì)氣候變化有著直接而現(xiàn)實(shí)的作用。楊英寶等(2007)認(rèn)為南京市土地利用變化的結(jié)果使得熱島效應(yīng)的空間分布更廣泛。邱新法等(2008)利用四十多年歷史資料得出南京平均熱島強(qiáng)度為0.5℃且有增強(qiáng)趨勢(shì)。劉紅年等(2008)指出南京的熱島存在明顯的日變化和季節(jié)變化，夏季熱島強(qiáng)度略大于冬季。張禮春等(2009)指出南京冬季晴天的熱島效應(yīng)明顯，市區(qū)和郊區(qū)有不同的逆溫和風(fēng)速特征。

迄今對(duì)于城市熱島效應(yīng)的研究主要依靠常規(guī)氣象儀器進(jìn)行定點(diǎn)和流動(dòng)觀測(cè)，通過城郊的氣溫差進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，多局限于熱島的二維平面分布。而熱島應(yīng)該是一個(gè)隨時(shí)間變化的三維結(jié)構(gòu)，胡嘉驄和朱啟疆(2010)將熱島定義延伸至城市冠層和城市邊界層，其成因及變化受到城市立體化下墊面的多重影響。城市的不斷變化發(fā)展也要求對(duì)城市形態(tài)分布和土地利用進(jìn)行細(xì)致識(shí)別。因此，本文擬根據(jù)南京的城市地貌和發(fā)展特征，利用2010年夏季南京城市熱島三維觀測(cè)試驗(yàn)資料，探討南京城市熱島的時(shí)空分布特征及其形成機(jī)制，為南京的氣候評(píng)價(jià)、規(guī)劃建設(shè)、環(huán)境評(píng)估及節(jié)能服務(wù)等提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)布局

試驗(yàn)于2010年7月25日—8月5日在南京市城、郊進(jìn)行。地面氣象觀測(cè)主要為南京市氣象局專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)的48個(gè)自動(dòng)氣象站，同時(shí)設(shè)置中心城區(qū)、城市居民區(qū)和郊區(qū)3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行每日6～8次的系留氣艇探空，配合激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)、自動(dòng)氣象站等儀器進(jìn)行同步觀測(cè)。

郊區(qū)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在南京信息工程大學(xué)的中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)培訓(xùn)實(shí)習(xí)基地(下文簡(jiǎn)稱南信大)，位于南京主城西北盤城鎮(zhèn)，以農(nóng)村低矮房屋及農(nóng)用地為下墊面;中心城區(qū)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在南京市第六中學(xué)(下文簡(jiǎn)稱六中)，位于市中心附近繁華商業(yè)區(qū)，周邊為商業(yè)樓、住宅樓密集包圍;城市居民區(qū)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在小教場(chǎng)氣象站(下文簡(jiǎn)稱小教場(chǎng))，2008年以前曾作為國(guó)家基準(zhǔn)氣象站，位于主城區(qū)東南部，現(xiàn)已從城郊結(jié)合部過渡為城市中低矮樓房居住區(qū);3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)連線排列與南京夏季主導(dǎo)風(fēng)向東南向一致。主要研究區(qū)域?yàn)槟暇┲鞒菂^(qū)及周邊25 km×40 km范圍，有利于精細(xì)研究南京熱島的分布特征。

1.2 觀測(cè)資料與天氣背景

研究所用資料為自動(dòng)氣象站和系留氣艇氣象探空資料。觀測(cè)期間地、空觀測(cè)同步進(jìn)行，觀測(cè)方法及數(shù)據(jù)采集均按照國(guó)家氣象觀測(cè)規(guī)范實(shí)施。自動(dòng)氣象站資料為1 h記錄;3個(gè)低空探空點(diǎn)統(tǒng)一時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)高度在1 500 m以內(nèi)，試驗(yàn)期間共獲得77次有效探空記錄，其中有17個(gè)時(shí)次的3站同步探空資料。系留氣艇攜帶的傳感器在試驗(yàn)前均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，觀測(cè)結(jié)束后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和訂正，剔除野點(diǎn)，以減小儀器誤差。

觀測(cè)試驗(yàn)期間無復(fù)雜天氣過程，除7月29日出現(xiàn)12.3 mm陣性降水外，觀測(cè)期間整體高溫少云，日平均、最低、最高氣溫分別為27.8～33.8、24.3～30.2和31.8～38.0℃，低云量在5.0以下，空氣相對(duì)濕度為62% ～78%，風(fēng)速大多小于3.0 m·s-1，可以作為南京典型的夏季高溫期代表。在觀測(cè)試驗(yàn)期間，7月26日南京受副熱帶高壓控制，地面氣壓場(chǎng)上南京位于高壓后部;7月29日南京高空3層受到大陸高壓與低壓氣旋共同影響，海上低壓向東北方向移動(dòng);7月31日南京高空重新受副高控制，地面受海上高壓控制;8月初期副高強(qiáng)盛，南京地面處于高壓后部，晴朗少云。由于7月末至8月初南京地區(qū)經(jīng)歷了一次天氣系統(tǒng)的調(diào)整，風(fēng)向發(fā)生了東南向轉(zhuǎn)為西南向的明顯變化，因此將7月末和8月初的觀測(cè)試驗(yàn)分為兩個(gè)案例進(jìn)行討論。

2 結(jié)果分析

2.1 地面熱島特征

2.1.1 熱島強(qiáng)度日變化

一般以熱島強(qiáng)度作為城市熱島的考量方式，熱島強(qiáng)度(UHI intensity)定義為城市氣溫與同時(shí)間、同高度的郊區(qū)氣溫差值ΔTu-r(Oke and East，1971)。代表站點(diǎn)的選取對(duì)于熱島效應(yīng)有一定影響，浦口保留了大量的鄉(xiāng)村及農(nóng)田，又毗鄰城市，與市區(qū)同一天氣系統(tǒng)，作為對(duì)比更具有實(shí)際意義。不同測(cè)站有不同的環(huán)境與地形條件，取多站的算術(shù)平均值可以較好反映區(qū)域氣溫特征。以南京市六中、第一中學(xué)、瑞金小區(qū)、光華東街4站的平均氣溫作為城區(qū)氣溫，以浦口的南信大、華能電廠、珠江鎮(zhèn)3站的平均氣溫作為郊區(qū)氣溫，求得2010年7月28日與8月3日的熱島強(qiáng)度及日變化(圖1)。由圖1可以看出，南京夏季城區(qū)自13—17時(shí)(北京時(shí)間，下同)為較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)高溫，體現(xiàn)了城市熱容量大、儲(chǔ)熱量多的熱力特征;熱島強(qiáng)度總體上呈夜高晝低，而由于受人為熱和風(fēng)向改變的影響存在日差異。7月28日主風(fēng)向東南向，城區(qū)午后日最高氣溫達(dá)到34℃以上，但此時(shí)熱島強(qiáng)度不足0.5℃，而夜間熱島強(qiáng)度始終在1.2℃以上，主要是由于城市下墊面的熱釋放和湍流顯熱的輸送;由于疊加了人為熱的作用，熱島強(qiáng)度在07時(shí)和20時(shí)呈高值，這與人為熱日變化的峰值相對(duì)應(yīng);郊區(qū)浦口當(dāng)日處于城市下風(fēng)向，又由于夏季午后城市存在由較強(qiáng)熱力對(duì)流生成的云系覆蓋，從而縮小了城、郊的氣溫差異，全天熱島強(qiáng)度平均達(dá)1.1℃，反映出南京夏季典型高壓晴天的熱島狀態(tài)。在8月3日極高溫天氣下，熱島主要受到城市的輻射過程改變和人為熱作用的影響，白天熱島強(qiáng)度呈起伏波動(dòng)狀，夜間降溫階段主要受城郊下墊面性質(zhì)差異的影響，夜間熱島強(qiáng)度維持在2.3℃以上;由于西南風(fēng)向使浦口受城市氣流影響小，且當(dāng)日風(fēng)速小云量少，對(duì)熱島的形成和發(fā)展有促進(jìn)作用，使得全天熱島強(qiáng)度平均達(dá)到2℃，反映出典型的南京夏季晴天的熱島特征。

2.1.2 晝夜熱島強(qiáng)度差異

熱島效應(yīng)是多種因素共同作用的結(jié)果，晝夜熱島受不同的影響因子作用而表現(xiàn)出不同的特征。根據(jù)單個(gè)城市熱島強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(周明煜等，1980)，同上采用多站平均算法計(jì)算得到觀測(cè)期間單日各整點(diǎn)時(shí)刻熱島強(qiáng)度，細(xì)分日出黎明(04—07時(shí))、白天(08—16時(shí))、日落黃昏(17—20時(shí))、夜間(21時(shí)—次日03時(shí))4個(gè)時(shí)段，統(tǒng)計(jì)出不同熱島強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)的概率(表1)。

表1 熱島等級(jí)的分時(shí)段概率分布Table 1 Probability distribution of UHI grades in different time periods %

圖12010年7月28日(a)和8月3日(b)南京城區(qū)、郊區(qū)氣溫及熱島強(qiáng)度的日變化(單位:℃)Fig.1 Diurnal variation of temperature in urban and rural areas and UHI intensity in Nanjing on(a)July 28 and(b)August 3，2010(units:℃)

由表1可見，強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島主要出現(xiàn)在日落黃昏和夜間時(shí)段，夜間和日出黎明時(shí)段98%出現(xiàn)弱熱島以上等級(jí)，而白天出現(xiàn)弱熱島和無熱島達(dá)到81%。觀測(cè)試驗(yàn)期間，夜間平均熱島強(qiáng)度為1.63℃，白天平均熱島強(qiáng)度為0.98℃，熱島強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的時(shí)刻大多(10 d)在日落黃昏和夜間時(shí)段，熱島強(qiáng)度最小值出現(xiàn)的時(shí)刻有半數(shù)以上(7 d)在午后12—16時(shí)，另有4 d出現(xiàn)在日落的18—19時(shí)。這主要是因?yàn)橄募咎?yáng)短波輻射強(qiáng)，日出后城區(qū)和郊區(qū)同時(shí)迅速升溫，使氣溫差減小;中午太陽(yáng)短波輻射達(dá)到最強(qiáng)，對(duì)流不穩(wěn)定會(huì)增加云量和午后熱雷雨的形成幾率，熱島環(huán)流又使城、郊的湍流混合加強(qiáng)，造成了氣溫差減小。城市白天較郊區(qū)儲(chǔ)存了更多的熱量，日落后，城區(qū)地表長(zhǎng)波輻射比郊區(qū)強(qiáng)，城市街渠、建筑以及CO2等污染氣體在一定程度上阻擋了地面長(zhǎng)波輻射的外逸，夜間城區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)。

圖2 南京2010年7月28日23時(shí)(a)和8月2日23時(shí)(b)的氣溫分布(單位:℃;A:南信大;B:六中;C:小教場(chǎng))Fig.2 Temperature distribution in Nanjing at 23:00 BST on(a)July 28 and(b)August 2，2010(units:℃;A:Nanjing University of Information Science＆Technology;B:No.6 Middle School;C:Xiaojiaochang)

可見，日出時(shí)分是從夜間熱島向白天熱島的過渡階段，午后熱島最弱;日落時(shí)由于短波輻射驟減使得熱島表現(xiàn)多變;熱島特征在夜間最為明顯，并在午夜和凌晨得到發(fā)展和維持。夜間熱島與下墊面性質(zhì)的關(guān)系更為密切，直接體現(xiàn)了城市下墊面性質(zhì)在熱島形成中的作用，表現(xiàn)出穩(wěn)定且強(qiáng)盛的熱島特征。

2.1.3 地面熱島分布特征

城市熱島白天的影響因子較多而難以歸納其一般性特征，夜間熱島強(qiáng)度大且波動(dòng)較小，因此選用夜間城、郊的地面氣溫分布來討論南京熱島的地理分布及其地形因子的影響。7月28日23時(shí)和8月2日23時(shí)南京主城區(qū)及周邊的地面氣溫分布情況見圖2。

由圖2可見，兩天夜間23時(shí)的氣溫分布均呈現(xiàn)出由城區(qū)中心向外遞減的趨勢(shì)，城市高溫區(qū)域廣闊，環(huán)繞城市形成封閉的熱島中心，與南京市土地利用狀況及地形有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3)。高溫中心位于密集的城市化區(qū)域，而城東方向由于玄武湖水體和紫金山林地影響成為低溫中心。中心城區(qū)六中為熱島中心;城市居民區(qū)小教場(chǎng)的人口與住宅密度小于市中心，周邊又有大量小區(qū)綠地，使其氣溫介于中心城區(qū)與郊區(qū)之間;南信大所在的浦口區(qū)與主城區(qū)隔江相望，具有綠地農(nóng)田的典型郊區(qū)下墊面，處于由鄉(xiāng)村向城市邊緣過渡的氣溫陡坡區(qū)。

南京熱島分布具有方向性特征，發(fā)展中的4個(gè)副城板塊在熱島效應(yīng)中的表現(xiàn)各有不同。西部江東的河西新城地理位置最接近城區(qū)，住宅區(qū)建設(shè)速度較快，氣溫較高，已由熱島邊緣區(qū)域向城區(qū)熱中心發(fā)展;南部新城江寧雖離主城較遠(yuǎn)，但近年來發(fā)展迅速，已成為擁有大片商業(yè)區(qū)住宅區(qū)的半城市下墊面，但周邊仍存在大片農(nóng)田植被，使其較主城區(qū)氣溫低2℃左右;東北的仙林副城被紫金山所隔，為住宅與郊野混合下墊面，氣溫低于主城區(qū)約2.5℃;西北浦口副城為長(zhǎng)江所隔，江北沿江狹長(zhǎng)地帶有住宅和工業(yè)區(qū)存在，屬于城郊溫度過渡帶，更遠(yuǎn)至南信大則出現(xiàn)郊區(qū)氣溫低值區(qū)。根據(jù)南京城市發(fā)展規(guī)劃，可以預(yù)見，隨著不斷增加的人口和建筑物，河西和江寧區(qū)將愈發(fā)接近城市特征，強(qiáng)熱島中心區(qū)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大至整個(gè)江南城區(qū)，熱島區(qū)域也會(huì)不斷向外圍拓展。

圖3 南京主城區(qū)及周邊地形(A:南信大;B:六中;C:小教場(chǎng))Fig.3 Terrain of urban areas and the surroundings in Nanjing(A:Nanjing University of Information Science＆Technology;B:No.6 Middle School;C:Xiaojiaochang)

南京熱島分布的方向性差異還可以從實(shí)測(cè)資料中得到證實(shí)。將主城區(qū)4個(gè)代表站的氣溫平均值減去4個(gè)方位的郊區(qū)站氣溫，得到南京熱島的比較強(qiáng)度(表2)。由表2可以看出，東北方向的熱島比較強(qiáng)度較大，主要原因是山體的阻擋作用使主城區(qū)熱量向城東北傳輸少，城東北氣溫相對(duì)更低;而主城區(qū)的熱量向城南傳輸較多，導(dǎo)致了以城東南為基礎(chǔ)的熱島強(qiáng)度在7月30日和8月2日較其他地區(qū)小。

表2 南京城市熱島的比較強(qiáng)度Table 2 Compared UHI intensity in different directions of Nanjing ℃

7月28日和8月2日的熱島特征也不相同。晴朗夏日太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，白天的儲(chǔ)熱差異是熱島形成的關(guān)鍵，8月2日高溫日城市儲(chǔ)存的高熱量在夜間持續(xù)釋放，一定程度上促進(jìn)了夜間熱島強(qiáng)度的增強(qiáng)。7月28日主導(dǎo)風(fēng)向東南向，風(fēng)自城區(qū)東南吹來，城市的熱量、污染與尾氣都向下風(fēng)向浦口輸送，產(chǎn)生一個(gè)增溫場(chǎng)疊加在浦口原來的溫度場(chǎng)上，浦口整個(gè)區(qū)域的氣溫上升，從而導(dǎo)致城區(qū)與郊區(qū)的氣溫差減小，熱島延伸更廣。8月2日主導(dǎo)風(fēng)向西南向，熱島以西南—東北向?yàn)檩S對(duì)稱發(fā)展，此時(shí)城市尾氣向東北向的輸送受山體阻擋，一定程度上造成熱島強(qiáng)度相對(duì)增大，同時(shí)熱島方向性分布較均勻，可見熱島分布與風(fēng)向變化有關(guān)。

2.2 邊界層熱島特征

2.2.1 邊界層發(fā)展

城市化極大地改變了下墊面類型和地表反照率，從而影響了地氣之間動(dòng)量、熱量、物質(zhì)交換以及能量、水分平衡過程，城市下墊面又通過大氣湍流擴(kuò)散過程和局地環(huán)流作用進(jìn)一步影響到城市覆蓋層以及更高的邊界層結(jié)構(gòu)。由7月28日南京主城區(qū)六中與郊區(qū)南信大的位溫廓線(圖4)可以看出，城市夜間熱量易于向上輸送，在低層形成充分混合，02時(shí)混合層高度350 m，06時(shí)經(jīng)過一夜的熱量釋放，混合層高度降低到250 m左右;日出后城市混合層迅速抬升，11時(shí)發(fā)展至800 m高度，午后14時(shí)達(dá)到1 100 m以上，近地層100 m內(nèi)有超絕熱遞減率，大氣層結(jié)不穩(wěn)定;23時(shí)又重新形成了300 m高的不穩(wěn)定混合層。而郊區(qū)02、06時(shí)逆溫層發(fā)展穩(wěn)定;11時(shí)在近地層50 m有不穩(wěn)定超絕熱層，混合層高度500 m，14時(shí)近地層不穩(wěn)定層結(jié)延伸至150 m，混合層伸展至600 m;23時(shí)重新發(fā)展為穩(wěn)定的逆溫層。

城市三維立體建筑物對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)存在擾動(dòng)作用，湍流動(dòng)能中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)增加，形成城市的強(qiáng)湍流交換，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性增大，促使混合層高度增加(陳燕和蔣維楣，2006)。由圖4可見，南京夏季的城區(qū)夜間有動(dòng)力作用產(chǎn)生的對(duì)流混合不穩(wěn)定層結(jié)，發(fā)展一定高度的淺對(duì)流混合層;郊區(qū)則以典型的夜間逆溫層維持低空整層穩(wěn)定，而白天的混合層高度郊區(qū)比城區(qū)低300～500 m，且混合層的發(fā)展速度也遠(yuǎn)不及城區(qū)。

城市低層氣流輻合，垂直速度增加，促進(jìn)了低層水汽向高空輸送。由城區(qū)六中7月28日的比濕廓線(圖5)可以看出，比濕隨高度的直降存在一個(gè)指向混合層頂部的拐點(diǎn)。夜間低層濕度變化較小，比濕拐點(diǎn)在300 m左右出現(xiàn)，此高度以上濕度遞減劇烈;而白天，11時(shí)比濕在800 m高度以上才開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，14時(shí)在1 100 m內(nèi)整層濕度混合較均勻。

圖4 2010年7月28日南京城、郊的位溫廓線(單位:K) a.六中;b.南信大Fig.4 Potential temperature profile in Nanjing urban and rural areas on July 28，2010(units:K) a.No.6 Middle School;b.Nanjing University of Information Science＆Technology

圖5 2010年7月28日南京城區(qū)六中的比濕廓線(單位:g·kg-1) a.02時(shí);b.06時(shí);c.11時(shí);d.14時(shí);e.23時(shí)Fig.5 Specific humidity profile at No.6 Middle School，an urban area in Nanjing on July 28，2010(units:g·kg-1)a.02:00 BST;b.06:00 BST;c.11:00 BST;d.14:00 BST;e.23:00 BST

城市下墊面的高儲(chǔ)熱可以促進(jìn)城市的淺對(duì)流混合并強(qiáng)迫城市邊界層發(fā)展，由位溫和比濕廓線共同確定的2010年夏季南京城市混合層高度夜間可達(dá)300 m高度，白天發(fā)展至1 200～1 300 m高度。陳燕和蔣維楣(2007)的研究表明，1993年南京夜間無混合層、白天混合層高度800 m，2002年夜間、白天的混合層高度分別為150 m和1 300 m?？梢姡鞘谢旌蠈禹敻叨入S城市發(fā)展而不斷抬升，且由于夜間強(qiáng)熱島存在，近年來夜間混合層高度增長(zhǎng)較快。

2.2.2 逆溫層和大風(fēng)區(qū)抬升

城市混合層的劇烈發(fā)展，使得邊界層內(nèi)氣溫和風(fēng)也有特殊表現(xiàn)，Uno et al.(1989)發(fā)現(xiàn)城市建筑產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)力作用對(duì)于夜間城市懸浮逆溫的形成有重要作用。由南京城、郊三測(cè)站日夜氣溫、風(fēng)速廓線(圖6)可以看出，白天14時(shí)，郊區(qū)地面氣溫低于市中心區(qū)和居民區(qū)，但其氣溫垂直遞減率比城市小;到達(dá)一定高度后郊區(qū)氣溫大于城區(qū)，出現(xiàn)交叉效應(yīng)。風(fēng)廓線呈多層結(jié)構(gòu)，在城市覆蓋層頂高度出現(xiàn)屋頂小急流，這是由于街道與房屋阻障產(chǎn)生的渦旋和升降氣流所致。23時(shí)，郊區(qū)近地面100 m內(nèi)出現(xiàn)貼地逆溫，城區(qū)逆溫層則隨著混合層的發(fā)展而抬升，六中在混合層300 m高度之上出現(xiàn)懸浮逆溫，小教場(chǎng)則兼具了城市與郊區(qū)的特性，在100 m高度有貼地逆溫而300 m高度產(chǎn)生懸浮逆溫;夜間邊界層內(nèi)急流大風(fēng)的形成與穩(wěn)定層結(jié)密切配合，急流出現(xiàn)在逆溫層頂部。

卞林根等(2002)對(duì)北京城、郊進(jìn)行的大氣廓線探測(cè)結(jié)果表明，100～200 m高度以下，城、郊的風(fēng)速隨高度分布均出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，表明城區(qū)和郊區(qū)的風(fēng)廓線均受到城市覆蓋層的影響。本項(xiàng)觀測(cè)試驗(yàn)探空資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，白天在城區(qū)和郊區(qū)觀測(cè)有大風(fēng)拐點(diǎn)的概率為73%(27/37)，可見建筑物對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的改變作用普遍存在，郊區(qū)風(fēng)速略大于城區(qū)，而急流高度城區(qū)(平均約200 m)略大于郊區(qū)(平均約140 m)，這與城市建筑物更高、粗糙度更大有一定關(guān)系。由于城市地表的高粗糙度和城市熱島效應(yīng)對(duì)湍流有重要影響，當(dāng)氣流通過動(dòng)力粗糙和熱力不均勻的表面時(shí)，湍流輸送和風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨之改變，覆蓋層頂附近易形成風(fēng)切變層。夜間，逆溫出現(xiàn)的同時(shí)伴有大風(fēng)急流，逆溫層內(nèi)空氣保持著一定的穩(wěn)定性且缺少垂直混合，使得逆溫層頂?shù)募绷骶S持并發(fā)展。觀測(cè)期間較明顯的幾次夜間急流表現(xiàn)見表3。

圖62010 年7 月28 日14 時(shí)(a，b)、23 時(shí)(c，d)三測(cè)站的氣溫(a，c;℃)、風(fēng)速(b，d;m/s)廓線Fig.6 (a，c)Temperature(℃)and(b，d)wind(m/s)profiles at the 3 stations at(a，b)14:00 BST and(c，d)23:00 BST on July 28，2010

由表3可見，中心城區(qū)的急流高度稍大于郊區(qū)和居民區(qū)，且較穩(wěn)定地維持在400 m左右，該高度與夜間城市混合層發(fā)展高度一致，可見夜間城市混合層的發(fā)展是城區(qū)急流抬升的重要原因。急流風(fēng)速郊區(qū)大于市區(qū)，當(dāng)急流在同等高度上發(fā)生時(shí)3站的風(fēng)速差異小;急流風(fēng)向的差異不大，風(fēng)從郊區(qū)經(jīng)過城區(qū)時(shí)隨著街道建筑的走向，會(huì)有一個(gè)風(fēng)向轉(zhuǎn)變的過程，南京城區(qū)改變風(fēng)向約10°～20°，在下風(fēng)向一定距離后重新恢復(fù)至原風(fēng)向。

2.2.3 熱島的垂直分布特征

城市下墊面改變了自然輻射平衡，對(duì)空間能量分配有一定影響。由南京城、郊7月28日三測(cè)站氣溫的垂直剖面(圖7)可以看出，中心城區(qū)六中顯示了熱島中心白天高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、熱量向高空傳輸距離高、高空升溫快且整層降溫緩慢、夜間高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的總體特征;城市居民區(qū)小教場(chǎng)地面高溫的持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，而由于其建筑物密度和高度不及市中心，地面熱量向高空傳遞會(huì)有1 h左右的滯后，影響高度也不及市中心;郊區(qū)南信大則是地面高溫短暫出現(xiàn)，高空同樣短時(shí)受熱增溫，高層氣溫受地面影響較小。由圖7還可以看出，中心城區(qū)六中凌晨有較弱的懸浮逆溫，14—17時(shí)地面高溫對(duì)高空氣溫的影響可達(dá)1 000 m，午后降溫比午前升溫緩慢，22時(shí)200 m高度的氣溫仍維持在30℃以上。城市居民區(qū)小教場(chǎng)雖然高溫的高度和范圍都不及六中，但地面13—16時(shí)較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高溫、午后高空受熱增溫的特征都體現(xiàn)了城市熱島的空間影響力。郊區(qū)南信大夜間存在貼地逆溫，05時(shí)逆溫層發(fā)展最高，逆溫強(qiáng)度0.8℃/(100 m)，白天高溫持續(xù)時(shí)間短。

表3 觀測(cè)期間的夜間急流表現(xiàn)Table 3 The appearance of night jet during the observation

圖72010年7月28日南信大(a)、六中(b)和小校場(chǎng)(c)測(cè)站氣溫的時(shí)間—高度剖面(單位:℃)Fig.7 The height-time cross-section of temperature at the 3 stations on July 28，2010(units:℃) a.Nanjing University of Information Science＆Technology;b.No.6 Middle School;c.Xiaojiaochang

城市熱島強(qiáng)度還具有比較明顯的垂直分布特征。由2010年7月28日熱島強(qiáng)度隨高度的變化(圖8)可見，由于城、郊不同的大氣穩(wěn)定度狀況，高空熱島變化較為復(fù)雜，熱島強(qiáng)度總體隨高度增高而減弱，發(fā)展至高空熱島消失后又轉(zhuǎn)為冷島。02時(shí)熱島發(fā)展至高空230 m消失，06時(shí)熱島在500 m高度消失;白天在500 m高度內(nèi)熱島強(qiáng)度得到維持，11、14時(shí)熱島均在900 m高度消失;23時(shí)在250 m內(nèi)表現(xiàn)出夜間熱島強(qiáng)度隨高度增加而急劇降低的特征，300 m以上高度由于城市懸浮逆溫的存在，熱島效應(yīng)又比較強(qiáng)，直至800 m高度再次出現(xiàn)熱島強(qiáng)度減小的趨勢(shì)?？梢姛釐u隨高度的變化與城市邊界層的發(fā)展密切相關(guān)，同時(shí)夜間逆溫層和大風(fēng)急流的存在對(duì)邊界層內(nèi)熱島產(chǎn)生影響，白天熱島在垂直方向延伸更高，可達(dá)到900 m高度，而夜間熱島主要發(fā)生在城市混合層300 m范圍內(nèi)。

可以認(rèn)為，白天城市的對(duì)流作用增強(qiáng)了混合層中熱量的混合，覆蓋層頂?shù)募绷饔衷鰪?qiáng)了近地層和混合層的相互作用，夜間城市的不穩(wěn)定層結(jié)也在低層維持著一定的湍流交換，城市上空的空氣經(jīng)歷均勻混合易于形成近似等溫的結(jié)構(gòu)。在晴朗夏日高溫天氣下，城市邊界層內(nèi)形成了熱島的垂直分布，這是城市高熱量?jī)?chǔ)存和強(qiáng)湍流輸送的結(jié)果。

圖8 2010年7月28南京日熱島強(qiáng)度隨高度的變化(單位:℃)Fig.8 Variation of UHI intensity with height in Nanjing on July 28，2010(units:℃)

3 結(jié)論與討論

1)南京夏季典型晴天，日平均熱島強(qiáng)度在1℃以上，夜間熱島強(qiáng)度穩(wěn)定且強(qiáng)于白天，觀測(cè)期間夜間平均熱島強(qiáng)度1.63℃、白天0.98℃。夜間形成由城區(qū)中心向外拓展的封閉熱島，熱島強(qiáng)度及其分布與城市土地利用狀況有較好對(duì)應(yīng)。熱島分布有方向性特征，城市南部相對(duì)氣溫較高，而城市西北的郊區(qū)由于處在南京夏季盛行風(fēng)東南風(fēng)下風(fēng)方，會(huì)受到城市尾羽層的影響，使熱島分布向江北浦口延展。

2)白天，城市大氣混合層的發(fā)展速度和高度均大于郊區(qū);夜間，郊區(qū)的近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定，而城市大氣的不穩(wěn)定層結(jié)易于形成混合層。城市的強(qiáng)對(duì)流混合加劇了邊界層發(fā)展，同時(shí)，城市夜間的逆溫層和大風(fēng)區(qū)也隨之抬升，急流出現(xiàn)在逆溫層頂，此高度與夜間混合層的發(fā)展高度一致。2010年夏季南京城市混合層高度夜間300 m、白天1 300 m，有隨城市發(fā)展而抬升的趨勢(shì)，由于夜間強(qiáng)熱島的存在，近年來夜間混合層高度增長(zhǎng)較快。

3)南京中心城區(qū)的熱量在垂直方向傳輸速度快且影響范圍高;城市居民區(qū)地面熱量向高空傳遞有1 h左右的滯后時(shí)間，影響高度也較中心城區(qū)低。高熱量?jī)?chǔ)存和強(qiáng)湍流輸送的共同作用形成邊界層內(nèi)熱島的垂直分布，熱島強(qiáng)度總體上隨高度而遞減。白天熱島在垂直方向延伸更高達(dá)900 m;夜間熱島主要發(fā)生在城市大氣混合層內(nèi)，發(fā)展至300 m高度消失。

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(責(zé)任編輯:張福穎)

Observation analysis on spatial and temporal distribution characteristics of summer urban heat island in Nanjing

LIU Shou-dong，JIANG Run，WANG Cheng-gang，WANG Yong-wei
(Yale-NUIST Center on Atmospheric Environment，NUIST，Nanjing 210044，China)

Using the three dimensional observation test data of urban heat island(UHI)in Nanjing in summer 2010，spatial and temporal distribution characteristics of urban heat island under typical weather conditions were analyzed.The results showed that daily mean UHI intensity on sunny days was over 1℃in Nanjing in summer.UHI intensity was stronger and more stable during nighttime than that in daytime，with UHI distribution displaying directional characteristic and corresponding well to urban land-use conditions.During daytime，mixed layer in urban areas developed faster and was higher than that in the suburbs.During nighttime，there existed a long lasting convective mixed layer at low altitude in the city due to the unstable atmospheric stratification and the roughness of the underlying surface，which was as thick as more than 250 m.Owing to the storage of a large amount of heat and strong turbulent transport in urban underlying surface，heat island came into being in urban boundary layer，with UHI intensity decreasing with height.Heat island in boundary layer extended up to 900 m in daytime and maintained at 300 m at nighttime.

urban heat island;urban boundary layer;spatial and temporal distribution;summer;Nanjing

P461.2

A

1674-7097(2014)01-0019-09

劉壽東，姜潤(rùn)，王成剛，等.2014.南京夏季城市熱島時(shí)空分布特征的觀測(cè)分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，37(1):19-27.

Liu Shou-dong，Jiang Run，Wang Cheng-gang，et al.2014.Observation analysis on spatial and temporal distribution characteristics of summer urban heat island in Nanjing［J］.Trans Atmos Sci，37(1):19-27.(in Chinese)

0 引言

工業(yè)化建設(shè)和城市化興起在帶給人類巨大物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)，也產(chǎn)生了眾多問題，短時(shí)間而大規(guī)模的局地自然特征改變，在很大程度上改變了城市的氣候。城市熱島(urban heat island，UHI)效應(yīng)，即大中型城市的市區(qū)氣溫顯著高于郊區(qū)的現(xiàn)象，是關(guān)系城市生活環(huán)境、城市規(guī)劃發(fā)展、局地氣候變化乃至全球變暖的重大問題，也是當(dāng)今城市氣象研究中的一個(gè)熱點(diǎn)課題(Amfield，2003;Grimmond，2006;Masson，2006)。早在19世紀(jì)初Howard對(duì)倫敦進(jìn)行的觀測(cè)研究就發(fā)現(xiàn)了城區(qū)氣溫比郊區(qū)高的現(xiàn)象(Landsberg，1981)。美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)衛(wèi)星確認(rèn)了全球性熱島的存在且熱島強(qiáng)度有逐年增強(qiáng)的趨勢(shì)。政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的5次評(píng)估報(bào)告，均在氣候變化的科學(xué)問題中將城市熱島列為主題專門探討。

2011-12-20;改回日期:2012-09-22

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目;江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40905004;41005012);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB428501)

劉壽東，教授，研究方向?yàn)槌鞘袣庀髮W(xué)，lsd123123@163.com.