瓦力江·瓦黑提，任國玉，孫秀寶

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044;2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）大氣科學(xué)系，湖北 武漢 430070;3.國家氣候中心，北京 100081）

城市熱島效應(yīng)是城市氣候的最重要特征之一，也是城市化影響氣候的最主要表現(xiàn)形式。對于城市熱島效應(yīng)的研究，一般將城鄉(xiāng)間地面氣溫的差值定義為城市熱島強度（UHII）[1-2]。研究城市熱島強度的時空分布規(guī)律，對于認識城市氣候基本特點，有針對性地開展天氣預(yù)報和預(yù)警服務(wù)，以及對于城市發(fā)展規(guī)劃，都具有重要的理論和實際意義。

在我國東部濕潤地區(qū)，人們對若干特大城市的城市熱島效應(yīng)進行了大量研究，取得了系列成果[3-9]。這些研究主要發(fā)現(xiàn)，東部季風區(qū)我國特大城市熱島效應(yīng)時空分布具有相近的特點，盡管南北方仍存在一定差異，但多數(shù)表現(xiàn)為季節(jié)上秋冬季熱島強度較大，日內(nèi)夜晚熱島強度比白天大。

對于我國內(nèi)陸西北干燥區(qū)城市熱島效應(yīng)的研究，總體上比較缺乏。陳榛妹[10]分析了蘭州市城市熱島效應(yīng)，識別出3個不同強度的熱島分布區(qū)；董妍等[11]研究了西安城市熱島時空特征，發(fā)現(xiàn)熱島強度的日變化呈現(xiàn)雙峰分布，分別出現(xiàn)在北京時間05時和21時左右，最低值出現(xiàn)在11時；李珍等[12]分析了近40多年來烏魯木齊城市地面氣溫相對郊區(qū)的變化情況，發(fā)現(xiàn)春季、夏季和秋季最高氣溫具有明顯的下降趨勢，城區(qū)比郊區(qū)反而變得更涼爽；張愛英等[13]在研究全國各個地區(qū)城市化對城鎮(zhèn)站地面氣溫變化的影響時指出，城市化對北疆地區(qū)國家基準站和基本站平均氣溫和夏季氣溫變化具有明顯的變涼效應(yīng)，認為應(yīng)該是“綠洲化”效應(yīng)的反映。另外，李景林等[14]發(fā)現(xiàn)，近33 a來烏魯木齊—昌吉地區(qū)城市化對城市地面平均氣溫具有顯著影響，氣溫隨年代遞增率城市大于農(nóng)村；姚玉龍[15]研究指出，1980—2013年，烏魯木齊地表氣溫變化特征經(jīng)歷了弱-強-弱-強的變化過程，城市熱島效應(yīng)明顯，但并未削弱綠洲“冷島效應(yīng)”。

先前針對西北地區(qū)的研究，多集中在城市化對城市地面氣溫長期變化的影響方面，對于干燥區(qū)特大城市熱島效應(yīng)氣候?qū)W特征的分析還十分欠缺。烏魯木齊作為我國內(nèi)陸干燥區(qū)典型特大城市，人口超過300萬，深處歐亞大陸腹地，坐落在天山腳下。由于特殊的氣候條件和地理位置，研究烏魯木齊城市熱島強度時空分布特征，有助于加深人們對于城市氣候特別是干燥區(qū)特大城市氣候形成和演化的認識，具有明顯的理論意義，同時對城市發(fā)展規(guī)劃和天氣、氣候預(yù)報預(yù)警服務(wù)，也有一定參考價值。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域

烏魯木齊地處我國西北天山山脈北麓，地形起伏較大，三面環(huán)山，山地面積占總面積的50%以上，轄區(qū)地勢由東南向西北降低，市區(qū)平均海拔800 m左右。市區(qū)和郊區(qū)的氣象觀測站點的海拔高度存在一定差異（圖1）。烏魯木齊市屬溫帶內(nèi)陸干旱、半干旱氣候，全年降水少，氣溫季節(jié)變化明顯，夏季炎熱干燥，冬季寒冷漫長且存在逆溫層，晝夜溫差大。

圖1 烏魯木齊地區(qū)所在位置（a）和氣象觀測站海拔高度（b）

1.2 資料和方法

烏魯木齊地區(qū)自2004年開始建立自動氣象觀測網(wǎng)，經(jīng)過10多年的建站和發(fā)展，已經(jīng)形成了空間上較為密集的自動氣象觀測網(wǎng)。截至2016年，已有自動氣象觀測站63個，其中區(qū)域站57個，國家站6個。本文所用資料來源于新疆氣象局信息中心提供的2012—2015年烏魯木齊地區(qū)63個自動氣象站逐小時的氣溫資料。通過質(zhì)量控制和篩選，選取缺測最少（缺測率小于1%）的年份和自動站，并參考楊萍等[16]的方法，對缺測很少的連續(xù)缺測值進行剔除，對單獨缺測值進行同一時次相鄰站點的插值，最終選取2013年和2014年28個自動氣象站點氣溫資料作為研究的依據(jù)（圖2）。

圖2 研究區(qū)域和所有自動站位置的空間分布

參考地理位置（距離城市建成區(qū)較遠），周邊環(huán)境（周邊是農(nóng)田或者戈壁和山區(qū)）和人口數(shù)量（附近人口密度較小，或者村鎮(zhèn)人口不足一萬人），選出20個自動站作為郊區(qū)站。位于城市建成區(qū)中的8個自動站作為城市站。其中城市站平均海拔高度869.5 m，郊區(qū)站平均海拔高度899.8m。城市站和郊區(qū)站平均海拔高度相差僅30 m，而且郊區(qū)站分別位于城市市區(qū)東南西北各個方位，基本可以消除海拔高度對平均氣溫的影響（圖3）。

圖3 烏魯木齊城市建成區(qū)范圍（粗黑色線）和自動氣象站（紅色和黑色）分布

熱島強度UHII（Urban heat island intensity）被定義為城市站地面氣溫和郊區(qū)站地面氣溫的差值（ΔTu-r）。本文中城市站地面氣溫為8個城市站地面氣溫的平均值Tu，郊區(qū)站地面氣溫為20個郊區(qū)站地面氣溫的平均值Tr，則

本文所有時次均為北京時間。因為烏魯木齊位于我國西北地區(qū)，和東部沿海地區(qū)距離偏遠，存在2 h左右的時差。對最高、最低氣溫等表征日變化特征出現(xiàn)時間的概率分布，利用出現(xiàn)頻率（出現(xiàn)次數(shù)/總次數(shù)）來表征日最高（低）氣溫在各時次出現(xiàn)的概率，分析城市環(huán)境對氣溫日變化的影響。

分季節(jié)研究中，選取各季節(jié)典型月份4月、7月、10月、1月分別代表當年春、夏、秋、冬四季。逐年和2 a候平均是指從1月1日起算的5日平均值。部分月份最后一候日數(shù)不足或超過5 d，則采用4 d或6 d的數(shù)據(jù)平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 日最高最低氣溫出現(xiàn)時間

最高（最低）氣溫出現(xiàn)時間的概率可以更清晰的表征氣溫日變化形態(tài)的分布特征。圖4給出了城區(qū)和郊區(qū)所有站點平均最高（最低）氣溫出現(xiàn)頻率的逐小時變化情況?？梢钥闯?，城區(qū)日最高氣溫最大出現(xiàn)頻率的時次為17時，達20%以上；城區(qū)日最低氣溫最大出現(xiàn)頻率時次為08時，達到30%以上。郊區(qū)日最高氣溫最大出現(xiàn)頻率的時次也為17時，為25%左右；郊區(qū)日最低氣溫最大出現(xiàn)頻率的時次也是08時，與城區(qū)相類似，頻率也在30%左右。在烏魯木齊地區(qū)，17時是城市和郊區(qū)最高氣溫出現(xiàn)最頻繁的時次，最高氣溫出現(xiàn)時間上城郊沒有差別，但郊區(qū)頻率略大。08時是城市和郊區(qū)最低氣溫出現(xiàn)最多的時次，城郊在最低氣溫出現(xiàn)時間上也保持一致，但城市區(qū)域頻率略高于郊區(qū)。此外，烏魯木齊城區(qū)年最高氣溫出現(xiàn)的頻率，在13—15時比郊區(qū)站要高，但16—19時又比郊區(qū)站要低；最低氣溫出現(xiàn)頻率城、郊更趨于一致。這可能和烏魯木齊城市區(qū)域夏秋季綠地面積影響有關(guān)，值得進一步研究。

圖5和圖6分別給出了城（郊）區(qū)最高、最低氣溫逐小時出現(xiàn)頻率的各季節(jié)代表月平均狀況。各季節(jié)代表月最高氣溫出現(xiàn)頻率的分布特征盡管有差異，但基本形態(tài)和年平均分布情況類似。最高氣溫頻率開始快速上升的時間，夏季、秋季、冬季城區(qū)偏早于郊區(qū)，但除冬季外最高值都在同一時次，冬季城區(qū)在14時最高氣溫出現(xiàn)頻率最高，而郊區(qū)則滯后2 h，在16時達到最大。此外，除了冬季，其他三季城（郊）區(qū)最高氣溫出現(xiàn)的時間都較為集中，冬季則比較分散，最大出現(xiàn)頻率城區(qū)不到20%，郊區(qū)也不到25%。

圖4 城市和郊區(qū)年最高氣溫（a）和最低氣溫（b）出現(xiàn)頻率的逐小時變化

最低氣溫出現(xiàn)時間，除了冬季，其它三季特征也比較一致（圖6a～6d），城區(qū)和郊區(qū)最低氣溫出現(xiàn)的時間都較為集中，冬季則依然比較分散，最大出現(xiàn)頻率城區(qū)不到20%，郊區(qū)更低，分布更為分散。但最低氣溫出現(xiàn)時間城區(qū)滯后于郊區(qū)。在季節(jié)上，最低氣溫最大出現(xiàn)頻率對應(yīng)的時次夏季最早，城區(qū)和郊區(qū)都在07時，其他三季在08時達到最大。冬季城（郊）區(qū)最高、最低氣溫出現(xiàn)時間之所以分散，并且城市的特征曲線比郊區(qū)更加分散，可能和冬季取暖排放和逆溫作用增加了氣溶膠效應(yīng)有關(guān)。

圖5 各季節(jié)城區(qū)和郊區(qū)四季最高氣溫出現(xiàn)頻率逐小時變化

圖6 各季節(jié)城市和郊區(qū)四季最低氣溫出現(xiàn)頻率逐小時變化

2.2 平均氣溫日變化特征

圖7是城、郊年平均小時氣溫日內(nèi)變化曲線。可以看出，城市逐時平均氣溫值恒在郊區(qū)站平均之上，表明城市地面氣溫在一天所有時間都高于郊區(qū)，表現(xiàn)出明顯的城市熱島效應(yīng)。城、郊氣溫差異在夜晚較大，07時左右達到最大，相差1.5℃以上；城、郊溫差白天差距較小，16時左右達到最小，僅相差0.3℃左右。城市和郊區(qū)最高氣溫都在16時，最低氣溫都出現(xiàn)在07時。城市和郊區(qū)在最高、最低氣溫出現(xiàn)時間上差異不大。

圖7 城區(qū)和郊區(qū)年平均小時氣溫日變化（單位：℃）

圖8 給出了不同季節(jié)烏魯木齊城、郊區(qū)的逐時氣溫日變化特征。除了夏季和秋季代表月的個別時間段，其他季節(jié)一天內(nèi)所有時間城市平均氣溫均高于郊區(qū)，表明具有較明顯的城市熱島效應(yīng)。夏季從16—20時，以及秋季從15—19時，城郊氣溫差異很小，甚至秋季出現(xiàn)郊區(qū)略高于城區(qū)的情況。由于城、郊環(huán)境的不同，不僅在氣溫值上存在明顯差異，而且日最高（最低）氣溫的出現(xiàn)時間也有所不同。除了冬季，其他季節(jié)城、郊日最高氣溫出現(xiàn)時間較為一致，但是春季是在17時，夏季和秋季在16時。冬季日最高氣溫的出現(xiàn)時間郊區(qū)較城區(qū)滯后1 h。日最低氣溫出現(xiàn)時間各季差異也較明顯；春季和夏季城、郊最低氣溫都出現(xiàn)在07時，秋季則都出現(xiàn)在08時，而冬季郊區(qū)滯后城區(qū)1 h，日最低氣溫出現(xiàn)時間郊區(qū)為09時，城區(qū)為08時。因此，日極值氣溫的出現(xiàn)時間存在著城、郊差異和季節(jié)差異。

圖8 城區(qū)和郊區(qū)季節(jié)平均氣溫日變化

圖9表示烏魯木齊城市熱島強度日變化情況。城區(qū)逐小時熱島強度可以分為3個階段：08—17時為下降時期，小時平均熱島強度從高于1.00℃到不足0.30℃；17—22時為迅速上升時期，小時平均熱島強度從一天最低點上升到大于1.20℃；22℃—次日08時為穩(wěn)定強熱島時期，小時平均熱島強度穩(wěn)定維持在1.10～1.25℃。與北京城市逐小時熱島強度[9]對比發(fā)現(xiàn)（圖10），北京可分為明確的4個階段，多出一個穩(wěn)定維持的低熱島強度階段。烏魯木齊與北京時差相差近2 h，所以2個城市強熱島時期開始時間（22時，21時）和迅速下降時間（08時，06時）基本一致，而且穩(wěn)定強熱島時期都在晚上，大概21時—次日06時，兩個城市主要區(qū)別在于烏魯木齊缺乏一個穩(wěn)定的弱熱島時期，08時以后熱島強度一直處于減弱過程。對于出現(xiàn)這一不同日內(nèi)變化特點的原因，還需要進一步研究。

圖9 烏魯木齊年平均城市熱島強度日內(nèi)逐小時變化

圖10 和表1給出了烏魯木齊市平均熱島強度的年變化情況。烏魯木齊市熱島強度在冬季比較高，夏季和春季、秋季比較低，但由于只有2 a資料，熱島強度受冷空氣入侵等天氣過程影響比較明顯，候際之間波動比較大，初冬季節(jié)尤為突出。最大熱島強度發(fā)生在年終的第72候即12月末，為1.53℃，年初第1候為次高值；最小熱島強度發(fā)生在第67候，也就是12月6—10日，為0.33℃，說明從晚秋開始進入隆冬是熱島強度最大的時期。夏季，烏魯木齊城市熱島效應(yīng)不很明顯，最大熱島強度為0.84℃，發(fā)生在第48候，正是夏末秋初時刻，熱島強度波動也比較小。春季和秋季熱島強度相近，最大熱島強度都為1.20℃，最小為0.42℃。

圖10 烏魯木齊市逐候城市熱島強度變化

表1 烏魯木齊市年和四季代表月份平均城市熱島強度/℃

圖11表示烏魯木齊市平均熱島強度的小時-候平均剖面。冬、春季晚上熱島強度較強且維持時間較長，而白天熱島強度較弱；夏季晚上和白天熱島強度都較弱，白天弱熱島持續(xù)時間較長，整體上夏季最弱；秋季晚上熱島強度最強且強熱島持續(xù)時間較長，但白天熱島強度最弱，甚至在白天的部分時刻（15—18時）出現(xiàn)了負值，說明在一天的氣溫最高階段，城市氣溫反而低于郊區(qū)氣溫。秋季和晚夏季節(jié)出現(xiàn)這種負熱島強度，可能與烏魯木齊市位于干燥區(qū)、是荒漠中的綠洲有關(guān)，白天城市內(nèi)樹木和草地的蒸騰和蒸發(fā)作用消耗了熱量，致使地面氣溫相對變涼，出現(xiàn)所謂“綠洲效應(yīng)”；冬季白天和晚上熱島強度都比較強，是四季里熱島強度最強的季節(jié)。烏魯木齊市冬季綠色植物枯萎，潛熱通量減少，感熱通量增加，加之人為取暖釋放熱量等因素，致使城區(qū)熱島強度增大。這種相對強的冬季城市熱島效應(yīng)，與北方其他城市十分相似。

圖11 烏魯木齊城市熱島強度的年內(nèi)和日內(nèi)變化剖面（單位：℃）

3 結(jié)論

本文采用2013—2014年28個自動氣象站的逐小時氣溫觀測資料，分析了烏魯木齊地區(qū)氣溫的日變化特征及季節(jié)特征。得到以下主要結(jié)論：

（1）烏魯木齊城、郊區(qū)年以及春、夏、秋三季最高和最低氣溫出現(xiàn)時間基本一致，冬季最高、最低氣溫頻率分布比較分散，且城區(qū)最高、最低氣溫出現(xiàn)時間一般早于郊區(qū)。

（2）年平均城市熱島強度在夜晚較大，07時左右達到最大，白天較小，16時左右最小；城市熱島強度日內(nèi)變化可以分為3個階段：08—17時為下降時期，17—22時為迅速上升時期，22時次日8時為穩(wěn)定的強熱島時期；一年內(nèi)候平均城市熱島強度冬季較大，夏季和秋季、春季較小，最大值一般發(fā)生在年末前后。

（3）烏魯木齊城市在各季節(jié)的代表月的城市熱島為，冬（1月）、春（4月）季晚上較強，夏季（7月）晚上和白天都較弱，白天最弱，秋季（10月）晚上最強，但白天最弱，甚至白天的部分時刻（15—18時）出現(xiàn)了負值。

由于高質(zhì)量自動站資料還比較缺乏，資料質(zhì)量有待提高，所以本文僅依據(jù)2013年、2014年2 a質(zhì)量較好的觀測記錄進行了初步分析，其結(jié)果還存在一定不確定性，需要今后進一步研究驗證。但本文的初步結(jié)果對于開展精細化城市天氣預(yù)報、氣候服務(wù)和城市建設(shè)規(guī)劃，均具有一定參考意義。

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