周義昌，袁業(yè)溶，袁微，李丹丹

（1.肇慶市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東肇慶 526040；2.肇慶市高要區(qū)氣象局，廣東肇慶 526100）

城市熱島效應(yīng)是指城市化發(fā)展到一定程度，市區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)的特殊現(xiàn)象。目前大部分研究認(rèn)為，人類活動(dòng)、城市下墊面的改變、人工熱源和大氣污染等綜合因素是造成城市熱島效應(yīng)的主要原因。城市熱島效應(yīng)對(duì)城市氣候有著重要影響，已經(jīng)成為研究城市氣候的重要研究對(duì)象［1-8］。國內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)不同規(guī)模城市的城郊?xì)鉁剡M(jìn)行了大量的對(duì)比觀測和熱島效應(yīng)的深入研究，都發(fā)現(xiàn)不同規(guī)模城市普遍出現(xiàn)了城市熱島現(xiàn)象，特別是國內(nèi)專家學(xué)者在對(duì)珠三角城市的熱島效應(yīng)研究工作中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)越活躍的地區(qū)，城市熱島效應(yīng)越顯著，如廣州、深圳等發(fā)達(dá)城市比其他城市的熱島強(qiáng)度更強(qiáng)［9-17］。

肇慶是珠三角9市之一，地處廣東中西部，近年來更是融入到粵港澳大灣區(qū)城市群的發(fā)展中，發(fā)展速度加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。肇慶日益加快的城市化進(jìn)程，不可避免改變周邊自然環(huán)境，對(duì)城市氣候產(chǎn)生重要影響，研究肇慶城市熱島效應(yīng)對(duì)了解肇慶城市氣候的基本特征具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

本研究數(shù)據(jù)選取端州區(qū)文明路舊氣象局站和鼎湖區(qū)肇慶農(nóng)校站2009年3月到2019年2月近10年的逐日、逐時(shí)的氣溫觀測資料。日平均氣溫由24 h逐時(shí)資料算術(shù)平均得到，日最高氣溫為日逐時(shí)最高氣溫，日最低氣溫為日逐時(shí)最低氣溫。

對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究關(guān)鍵在于選取具有代表性的市區(qū)站和郊區(qū)站［3］，市區(qū)站和郊區(qū)站需要滿足同等的區(qū)域性氣候變化，距離合適，在研究期間選取的站點(diǎn)周邊環(huán)境的變化較小，站點(diǎn)的資料長度需要保持一致且能明顯反映出市區(qū)和郊區(qū)的氣溫差異。

另外，人口也是選取市郊站的重要參考因素，華麗娟等［2］將人口總數(shù)達(dá)50萬的地區(qū)作為大城市站，人口少于10萬的地區(qū)作為郊區(qū)站，不同專家學(xué)者對(duì)郊區(qū)站人口的設(shè)定范圍不同，但是介于10萬到20萬。據(jù)2018年肇慶統(tǒng)計(jì)年鑒可知，2017年端州區(qū)常住人口約50.42萬，鼎湖區(qū)常住人口約17.56萬。本研究根據(jù)肇慶市郊的實(shí)際情況，結(jié)合行政區(qū)域劃分和人口數(shù)據(jù)，市區(qū)站選取G2679即端州區(qū)文明路舊氣象局站，郊區(qū)站選取G2673即鼎湖區(qū)肇慶農(nóng)校站。端州城區(qū)僅G2679符合市區(qū)站的選址要求，其處于市中心位置，自建站以來周圍已完全城市化；G2673位于鼎湖山下，周圍環(huán)境符合郊區(qū)要求，距離市區(qū)站G2679約15 km，且兩個(gè)自動(dòng)站的儀器為同一型號(hào)，故分別選取G2679和G2673作為市區(qū)站和郊區(qū)站是非常合適的。因?yàn)閮烧镜暮０胃叨认嗖钶^大（37 m），故采用平均氣候背景氣溫直減率，將兩個(gè)站點(diǎn)的平均氣溫按照上升100 m氣溫下降0.65℃的氣溫直減率訂正到海平面高度。

根據(jù)兩站的建站時(shí)間和數(shù)據(jù)的完備性考慮，本研究的時(shí)間長度為2009年3月至2019年2月。

1.2 分析方法

本研究均用日平均氣溫研究肇慶的城市熱島效應(yīng)，其熱島強(qiáng)度定義為同期市區(qū)站與郊區(qū)站的日平均氣溫差Δt：

其中，tu表示市區(qū)站日平均氣溫（℃）；tr表示郊區(qū)站日平均氣溫（℃）。

定義日平均氣溫變化率Δθ：

即n＋1時(shí)刻的日平均氣溫減去n時(shí)刻的日平均氣溫，其中0≤n≤23。

定義熱島強(qiáng)度變化率Δtu-r：

即n＋1時(shí)刻的熱島強(qiáng)度減去n時(shí)刻的熱島強(qiáng)度，其中0≤n≤23。

季節(jié)劃分以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季。晝夜劃分以06：00—18：00（北京時(shí)，下同）為日間，19：00—次日05：00為夜間。

2 熱島強(qiáng)度的基本特征

2.1 日變化

熱島強(qiáng)度具有明顯的日變化特征，日間一般為負(fù)值，夜間為正值，即日間弱、夜間強(qiáng)，日間甚至出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象。由圖1分析可知，肇慶城市熱島強(qiáng)度00：00—06：00（北京時(shí)，下同）緩慢減小，隨后07：00—09：00迅速減小，并在09：00—16：00熱島強(qiáng)度為負(fù)值，即市區(qū)比郊區(qū)氣溫低，出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象，其中11：00和13：00達(dá)到最低-0.28℃；17：00—19：00熱島強(qiáng)度迅速增大，其中19：00和20：00達(dá)到最高1.43℃，即熱島強(qiáng)度達(dá)到最大；隨后21：00—23：00熱島強(qiáng)度再次緩慢減小。

圖1 肇慶熱島強(qiáng)度的日變化（a）及市郊熱島強(qiáng)度的逐時(shí)變化率（b）

進(jìn)一步分析市區(qū)和郊區(qū)的氣溫逐時(shí)變化率可知，市郊逐時(shí)氣溫變化趨勢大體一致。市郊在08：00—13：00顯著增溫（增溫幅度 ＞0.5℃／h），市區(qū)在11：00增溫幅度最大，達(dá)0.78℃／h；郊區(qū)在09：00增溫幅度最大，達(dá)1.25℃／h。市區(qū)在18：00—19：00顯著降溫（降溫幅度 ＞0.5℃／h），降溫幅度最大，達(dá)0.55℃／h；郊區(qū)在17：00—21：00顯著降溫，郊區(qū)在18：00降溫幅度最大，達(dá)1.22℃／h。郊區(qū)無論升溫還是降溫都比市區(qū)劇烈。熱島強(qiáng)度也是在07：00—10：00減小較為明顯，其中09：00減小的最快，降幅達(dá)0.61℃／h；16：00—19：00增加的較為明顯，其中18：00增加的最快，增幅達(dá)0.67℃／h。

肇慶的熱島強(qiáng)度日變化與廣州［9］、深圳［10］等城市相似。這是由于市郊下墊面的熱力差異和人工熱源每天向外排放大量熱量，導(dǎo)致市區(qū)氣溫比郊區(qū)高。另外市區(qū)人類活動(dòng)頻繁，高樓林立，機(jī)動(dòng)車尾氣排放，路面揚(yáng)塵多，近地面層顆粒懸浮物多，在一定程度上起到保溫作用。日間太陽短波輻射，減弱升溫，市區(qū)升溫明顯比郊區(qū)慢，導(dǎo)致熱島強(qiáng)度減小，甚至出現(xiàn)“冷島”現(xiàn)象；但是隨著太陽高度角的升高，中午到下午，近地面層垂直湍流逐漸加強(qiáng)，市郊溫差逐漸減小，熱島強(qiáng)度略有增大，但仍為負(fù)值；夜間到凌晨，市區(qū)近地面層的顆粒懸浮物阻擋地面長波輻射向外發(fā)散，導(dǎo)致市區(qū)降溫速率比郊區(qū)慢，從而熱島強(qiáng)度較大。夜間至凌晨由于熱島效應(yīng)的存在，市區(qū)比郊區(qū)氣溫高，市區(qū)較暖空氣上升到達(dá)一定高度后向四周輻散，在市區(qū)上空形成弱輻散，郊區(qū)空氣較冷下沉并沿地面向市區(qū)輻合，市區(qū)近地面層形成弱輻合，最終形成熱島環(huán)流。

2.2 熱島強(qiáng)度的月和季節(jié)變化

研究熱島強(qiáng)度的逐月變化時(shí)，分別用月平均、月最高和月最低氣溫計(jì)算熱島強(qiáng)度。

由圖2可以看出，1—3月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)高，但4—12月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)低。1—12月市區(qū)月最低氣溫和月平均氣溫都比郊區(qū)高，且月最低氣溫和月平均氣溫變化趨勢大體一致，且呈同位相升高的趨勢，市區(qū)月最低氣溫的增溫幅度比郊區(qū)大。由此可以得出，肇慶市區(qū)通過影響最低氣溫的降溫來形成熱島效應(yīng)，月最低氣溫對(duì)城市熱島效應(yīng)有著非常重要影響。

圖2 肇慶月平均氣溫、月最高氣溫和月最低氣溫?zé)釐u強(qiáng)度的月變化

由圖3可知，在不同月份或季節(jié)，肇慶城市熱島強(qiáng)度的日變化基本一致，有明顯的日間“冷島”而夜間“熱島”的特征，與胡文志等［3］對(duì)香港城市熱島的研究結(jié)果相近。秋季熱島強(qiáng)度最大、春季熱島強(qiáng)度最小，具體月份為10月熱島強(qiáng)度最大、4月熱島強(qiáng)度最小。夏秋季熱島強(qiáng)度有非常明顯的正值中心和負(fù)值中心，最大正值中心出現(xiàn)在10月的夜間，最大負(fù)值中心出現(xiàn)在8月的日間。夏季熱島強(qiáng)度日間為負(fù)值的時(shí)間最長、秋季次之、冬季最短，且冬季熱島強(qiáng)度日間開始出現(xiàn)負(fù)值的時(shí)間最晚。秋冬季最大熱島強(qiáng)度的出現(xiàn)時(shí)間比春夏季更早，秋冬季在19：00熱島強(qiáng)度達(dá)到最大，春夏季偏遲1 h，在20：00達(dá)到最大。這可能與太陽輻射的季節(jié)變化有關(guān)，夏秋季日出時(shí)間比春冬季早，日間夏秋季郊區(qū)升溫快，且其太陽輻射時(shí)間較春冬季時(shí)間長，導(dǎo)致日間夏秋季出現(xiàn)熱島強(qiáng)度較強(qiáng)的負(fù)值中心，夜間正好相反。

圖3 肇慶熱島強(qiáng)度的季節(jié)變化（單位：℃）

肇慶位于珠三角的西北側(cè)，其城市熱島強(qiáng)度季節(jié)變化特征可以用曾俠等［13］的研究結(jié)果解釋，秋季主要受副熱帶高壓控制，地面風(fēng)速較小且天氣大多晴好少云，熱島強(qiáng)度最大；春季冷空氣活動(dòng)頻繁，地面風(fēng)速較大，云量增多，熱島強(qiáng)度最小。

2.3 熱島強(qiáng)度的年際變化

本研究利用線性擬合的方法分析熱島強(qiáng)度的年變化趨勢（圖4），可以看出肇慶熱島效應(yīng)常年穩(wěn)定存在，熱島強(qiáng)度呈緩慢增加的趨勢，但整體波動(dòng)性較大，2009—2012年熱島強(qiáng)度逐年減弱，2013年顯著增強(qiáng)，隨后繼續(xù)逐年減弱并在2017年熱島強(qiáng)度再次增強(qiáng)。另外計(jì)算得到，近10年平均熱島強(qiáng)度為0.61℃。

圖4 肇慶熱島強(qiáng)度的年際變化

3 結(jié)論

1）肇慶城市熱島強(qiáng)度具有明顯的日變化、月和季節(jié)變化特征，一般日間出現(xiàn)“冷島”而夜間出現(xiàn)“熱島”，春季最小秋季最大，10月熱島強(qiáng)度最大，4月熱島強(qiáng)度最小。

2）市郊逐時(shí)氣溫變化趨勢大體一致，郊區(qū)無論升溫還是降溫都比市區(qū)劇烈。熱島強(qiáng)度變化最劇烈一般出現(xiàn)在09：00和18：00，其中09：00減小的最快，降幅達(dá)0.61℃／h；18：00增加的最快，增幅達(dá)0.67℃／h。

3）1—3月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)高，但4—12月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)低。肇慶市區(qū)通過影響最低氣溫的降溫來形成熱島效應(yīng)，月最低氣溫對(duì)城市熱島效應(yīng)有著非常重要影響。

4）城市熱島效應(yīng)在肇慶城市化進(jìn)程中常年穩(wěn)定存在，熱島強(qiáng)度呈緩慢增加的趨勢，近10年平均熱島強(qiáng)度為0.61℃。