黃群芳 顏敏

(江蘇第二師范學(xué)院 城市與資源環(huán)境學(xué)院，南京210013)

引 言

城市熱島效應(yīng)及其強(qiáng)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(biāo)。由于城市規(guī)模不斷擴(kuò)張、人口日益聚集、人為熱排放迅速增長(zhǎng)、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(wèn)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(biāo)，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(yīng)的影響[1-4]。因此，闡明城市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化特征，揭示其形成機(jī)制并提出適應(yīng)性對(duì)策成為了氣候變化和城市化研究的核心和熱點(diǎn)問(wèn)題[5-6]，引起了各學(xué)科專家的密切關(guān)注。

以往許多研究均表明，城市熱島存在時(shí)、日、月、年等不同時(shí)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(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面溫度遙感數(shù)據(jù)獲取相對(duì)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(shí)變化特征研究相對(duì)較少。已有研究存在研究時(shí)段過(guò)短(數(shù)天到數(shù)月等)，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)頻次過(guò)低(12 h、6～2 h等)等問(wèn)題[15-17]，無(wú)法精細(xì)地刻畫城市熱島效應(yīng)短時(shí)間尺度變化特征，也不利于成因機(jī)制揭示和城市熱島減緩的適應(yīng)性管理對(duì)策的提出。特別是大部分研究往往關(guān)注城市熱島強(qiáng)度平均態(tài)變化[18-19]，較少關(guān)注典型和極端氣象條件下的逐時(shí)變化特征[20]，因此很難獲得極端條件下的日變化特征。實(shí)際上，未來(lái)氣候變化主要表現(xiàn)為極端天氣氣候事件頻次和強(qiáng)度增加，破壞力增強(qiáng)，因此有必要討論極端氣象條件下城市熱島效應(yīng)逐時(shí)變化特征。

上海是長(zhǎng)三角城市群的核心，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生活活動(dòng)密集、建筑空間形態(tài)多樣且變化劇烈、城市熱島強(qiáng)度顯著[21-23]，是城市熱島效應(yīng)研究的理想場(chǎng)所。因此，本文基于上海市一個(gè)典型城市站(徐家匯站)和3個(gè)典型鄉(xiāng)村站(青浦、奉賢和崇明站)2017年1月1日00時(shí)—12月31日23時(shí)(北京時(shí)，下同)全年逐時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析和深入闡述年平均和典型氣象條件下(晴朗微風(fēng)、大風(fēng)、強(qiáng)降水事件、極端高溫)上海市逐時(shí)城市熱島強(qiáng)度變化特征。通過(guò)分析上海市微風(fēng)、大風(fēng)和極端高溫等氣象事件長(zhǎng)期變化特征，討論了城市熱島效應(yīng)未來(lái)變化趨勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)與方法

研究中使用的逐時(shí)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速和降水等數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)氣象局下(CMA)的中國(guó)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(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為開展城市熱島強(qiáng)度的逐時(shí)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(gè)氣象站點(diǎn)的相關(guān)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(gè)站點(diǎn)的逐時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為分析風(fēng)速和氣溫長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)收集下載了1961年以來(lái)逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

上海市的熱島強(qiáng)度定義為城市站徐家匯站(站號(hào)為58367，位于31°12′N，121°26′E，海拔4.6 m)和3個(gè)鄉(xiāng)村站青浦(站號(hào)58461，位于 31°08′N，121°07′E，海拔4.0 m)、奉賢(站號(hào)58463，位于30°53′N，121°30′E，海拔4.6 m)和崇明(站號(hào)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(nèi)，位于開闊的農(nóng)村地區(qū)，人口密度較低，土地利用以農(nóng)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(gè)站點(diǎn)海拔高度接近，無(wú)需對(duì)觀測(cè)到的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行海拔校正，可直接計(jì)算城市熱島強(qiáng)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(guò)Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行檢驗(yàn)和匯總，全年8 760行數(shù)據(jù)中由于觀測(cè)原因出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的占比不到1%，數(shù)據(jù)缺失對(duì)整體結(jié)果的影響可以忽略。為探討微風(fēng)和大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)的長(zhǎng)期變化，本文定義日平均風(fēng)速≤2 m·s-1為微風(fēng)條件，日平均風(fēng)速≥ 6 m·s-1為大風(fēng)條件。此外，本文參考中國(guó)氣象局的規(guī)定和《氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)圖標(biāo)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(jì)分析均采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)圖表采用ArcGIS和Origin 8.5軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 年平均城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化

圖2給出2017年全年平均逐時(shí)熱島強(qiáng)度變化曲線。可知，伴隨日出日落城市熱島強(qiáng)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(shí)日出后郊區(qū)增溫比城區(qū)快，06—10時(shí)城區(qū)和郊區(qū)溫差逐漸縮小，城市熱島強(qiáng)度呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。10—16時(shí)城市熱島強(qiáng)度維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的低值，平均、最高和最低氣溫城市熱島強(qiáng)度均值分別為0.46、0.43、0.46 ℃。16—21時(shí)，由于太陽(yáng)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(chǔ)熱量不斷釋放和人為熱釋放，導(dǎo)致城區(qū)散熱慢，因此城市熱島強(qiáng)度快速增加至全天最大值。21—次日05時(shí)，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(shí)之前白天蓄積的熱量基本上已全部散完，因此城市熱島強(qiáng)度較高且相對(duì)比較穩(wěn)定，平均、最高和最低氣溫城市熱島強(qiáng)度均值分別為1.82、1.74、1.88 ℃，為10—16時(shí)低值的3.96、4.05、4.09倍。對(duì)比已有的城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化結(jié)果，其晝夜變化趨勢(shì)整體上較為一致[25-26]，但不同城市城市熱島強(qiáng)度及各個(gè)階段起始和結(jié)束時(shí)間會(huì)有稍許差異。

圖2 年平均城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化

2.2 晴朗微風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化

圖3給出2月12—14日典型冬季晴朗微風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度的逐時(shí)變化，其與年平均城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化曲線較為類似。不同之處是冬季晴朗弱風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度要明顯高于全年平均值，日內(nèi)最大城市熱島強(qiáng)度與最小城市熱島強(qiáng)度差值也要明顯高于全年平均。21—次日05時(shí)城市熱島強(qiáng)度可以達(dá)5 ℃以上，相反10—16時(shí)城市反而有時(shí)會(huì)成為冷島，城市熱島強(qiáng)度為負(fù)值，最小值為-1.37 ℃，最大和最小城市熱島強(qiáng)度相差近7 ℃。盡管部分時(shí)段城市熱島強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，但平均來(lái)看城市熱島效應(yīng)仍不容忽視。晴朗微風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度比較大，在夜間逐時(shí)的熱島強(qiáng)度可以高達(dá)5～6 ℃，日平均城市熱島強(qiáng)度則在1～2 ℃。圖3顯示冬季微風(fēng)和靜風(fēng)條件非常有利于城市熱島的形成，這也證實(shí)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(fēng)速低于13日，對(duì)應(yīng)的城市熱島強(qiáng)度則要大于13日。

圖3 典型晴朗微風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度和徐家匯城市站風(fēng)速逐時(shí)變化

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

圖4 典型強(qiáng)風(fēng)條件下城市熱島強(qiáng)度和徐家匯城市站風(fēng)速逐時(shí)變化

2.3 強(qiáng)降水條件下城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化

跟強(qiáng)風(fēng)條件一樣，降水多云也不利于城市熱島的形成，因此強(qiáng)降水條件下城市熱島強(qiáng)度的逐時(shí)和晝夜變化特征不明顯，有時(shí)甚至出現(xiàn)相反的變化特征，如8月20日13—15時(shí)逐時(shí)城市熱島強(qiáng)度明顯高于其他時(shí)間段，而8月21日13—15時(shí)逐時(shí)城市熱島強(qiáng)度則明顯低于其他時(shí)間段，甚至為負(fù)值，城市熱島強(qiáng)度可以達(dá)到-5 ℃左右。分析對(duì)應(yīng)時(shí)段的降水?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)城市熱島強(qiáng)度之所以表現(xiàn)出完全相反的異常現(xiàn)象主要是由于城市和鄉(xiāng)村站不對(duì)稱降水所致，8月20日13—15時(shí)強(qiáng)城市熱島強(qiáng)度主要是由于鄉(xiāng)村站出現(xiàn)一次強(qiáng)降水過(guò)程，而城市站降水非常有限；8月21日13—14時(shí)城市站有一次強(qiáng)降水過(guò)程，總降水量高達(dá)58.4 mm，而鄉(xiāng)村站則沒有出現(xiàn)降水過(guò)程，進(jìn)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(cè)到城市熱島強(qiáng)度為負(fù)值、出現(xiàn)城市冷島現(xiàn)象[25]。

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

2.4 極端高溫條件下城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)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(qiáng)度的逐時(shí)變化，對(duì)應(yīng)的逐時(shí)最高氣溫分別可以高達(dá)39.0 ℃和40.5 ℃。從逐時(shí)熱島強(qiáng)度來(lái)看，夜間最高熱島強(qiáng)度超過(guò)3.0 ℃，跟北京報(bào)道的結(jié)果較為接近[28]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上海年平均城市熱島強(qiáng)度最高值2.1 ℃(圖2)，說(shuō)明極端高溫條件下夜間城市熱島強(qiáng)度能達(dá)到非常高的水平。夏季極端高溫期間城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化也表現(xiàn)出與年平均城市熱島強(qiáng)度不一致的逐時(shí)變化特征，主要體現(xiàn)在夜間和白天城市熱島強(qiáng)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(qiáng)度持續(xù)時(shí)間比較短暫并且明顯延遲，出現(xiàn)在01—04時(shí)之間(圖6)。并且，最低氣溫對(duì)應(yīng)的城市熱島強(qiáng)度與平均氣溫和最高氣溫對(duì)應(yīng)的城市熱島強(qiáng)度逐時(shí)變化特征存在明顯的錯(cuò)位，最低溫城市熱島強(qiáng)度峰值明顯遲于最高溫城市熱島強(qiáng)度峰值(圖6)。相比于夜間，白天高溫期間城市熱島強(qiáng)度仍維持在較高值，某種程度上加劇了高溫?zé)崂颂鞖鈱?duì)城市居民生產(chǎn)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?zé)崂思捌淙梭w健康的不利影響[23，29-30]，如研究結(jié)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(qiáng)度間存在顯著正相關(guān)，特別高溫?zé)崂藝?yán)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(qiáng)度(a)和徐家匯城市站氣溫(b)逐時(shí)變化

2.5 城市熱島強(qiáng)度未來(lái)變化趨勢(shì)

前文分析表明，在晴朗微風(fēng)無(wú)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(qiáng)度較大。因此本文繼續(xù)探討過(guò)去40 a微風(fēng)和極端高溫出現(xiàn)天數(shù)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，可以推測(cè)城市熱島強(qiáng)度未來(lái)變化趨勢(shì)。圖7給出城市站和鄉(xiāng)村站日平均風(fēng)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(zhǎng)期變化趨勢(shì)。可知，日平均風(fēng)速≤2 m·s-1的微風(fēng)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(zhǎng)，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(shuō)上海市中心全年日平均風(fēng)速基本上都≤2 m·s-1，相伴隨的是鄉(xiāng)村站微風(fēng)天數(shù)呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，每年有近一半的天數(shù)日平均風(fēng)速≤2 m·s-1，非常有利于城市熱島的形成。與此同時(shí)，日最高氣溫≥ 35 ℃以及風(fēng)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?zé)崂耸录掷m(xù)增加，進(jìn)一步加劇了城市熱島的形成和不利影響。可以推測(cè)隨著全球氣候變暖和城市化的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)上海的城市熱島強(qiáng)度還會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化，迫切需要采取適應(yīng)性的應(yīng)對(duì)策略和措施。

圖7 上海城市和鄉(xiāng)村站日平均風(fēng)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(zhǎng)期變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

(1)上海市年平均熱島強(qiáng)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(fēng)或者靜風(fēng)條件最有利于城市熱島的形成，城市熱島強(qiáng)度可以高達(dá)7 ℃，空間分布不均的強(qiáng)降水事件會(huì)造成城市熱島強(qiáng)度出現(xiàn)相反的變化特征，既城市熱島強(qiáng)度出現(xiàn)顯著的負(fù)值。

(3)長(zhǎng)期氣象觀測(cè)事實(shí)顯示上海市風(fēng)速呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，而氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，致使微風(fēng)和極端高溫天氣日數(shù)呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，其勢(shì)必會(huì)加劇上海市城市熱島強(qiáng)度。