沈 芳，許 敏#，呂宜謙，路漫漫，高清泉

1.廊坊市氣象局，河北廊坊 065000；2.邢臺市氣象局，河北邢臺 054099

城市熱島效應(yīng)是城市氣溫比郊區(qū)氣溫高的一種現(xiàn)象，其形成的原因一方面為人們?nèi)粘Ｉ钏l(fā)出的熱量；另一方面是城市中建筑群密集，城市路面比郊區(qū)的土壤、植被對熱量的反射率小，吸收率大，造成白天城市儲存的太陽能比郊區(qū)多，夜晚城市降溫緩慢，氣溫仍比郊區(qū)高。此時城市中心一股較強的暖氣流上升，而郊外的相對冷的空氣下沉，形成了城郊環(huán)流，各種污染物在此局地環(huán)流下聚集在城市上空，當(dāng)有強冷空氣過境時，污染物才會消散，否則城市的空氣污染會加重，人類生存的環(huán)境被破壞，造成人類各種疾病的發(fā)生，甚至造成死亡[1-2]。

氣候條件的變化是造成熱島效應(yīng)的外因，而城市化才是熱島形成的內(nèi)因。城市熱島形成的原因主要有以下幾點：第一，由于城市中有大量的人工構(gòu)筑物，使得下墊面的熱力屬性反射率小，熱傳導(dǎo)快；第二，工廠生產(chǎn)、交通運輸以及居民生活每天都在向外排放大量熱量；第三，城市中的大氣污染濃度大，會吸收下墊面的熱輻射，起到了保溫作用，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致大氣進(jìn)一步升溫；第四，城市中的綠植、樹木和水體減少導(dǎo)致城市緩解熱島效應(yīng)的能力下降[3-6]。

國內(nèi)近幾年有許多學(xué)者對北京、上海、廣州、成都、寧波等大城市進(jìn)行了城市熱島的成因深入研究。王喜全等[7]利用北京氣象站資料對北京城市熱島現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)在夏季最強，春季最弱，同時冬季夜晚城市熱島呈現(xiàn)較大的波動。許輝熙[8]利用遙感資料獲取城市建成信息和反演亮溫溫度，得出只要城市規(guī)劃科學(xué)合理，城市熱島效應(yīng)也能得到有效緩解。黃鶴樓等[9]對比城區(qū)站、郊區(qū)站和海島站城市化對最高最低氣溫增幅的影響，研究發(fā)現(xiàn)城市化對高溫?zé)崂擞绊懹葹轱@著。鄭有飛等[10]利用NCEP/NCAR 再分析資料和DMSP/OLS衛(wèi)星夜晚燈光數(shù)據(jù)，分析了1961—2010年城市化對長江中下游的地區(qū)溫度變化的影響，結(jié)果表明：城市化對溫度日較差的貢獻(xiàn)率最大。

雖然熱島效應(yīng)現(xiàn)象在一年四季均可出現(xiàn)，但夏季的熱島效應(yīng)較其他季節(jié)對人們生產(chǎn)生活的影響相對較大，尤其是伴隨高溫天氣時。因此，本文利用1995—2020年ERA5地面2 m溫度再分析資料，結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數(shù)據(jù)，對京津冀中部城市的夏季地面溫度變化與城市化進(jìn)程的關(guān)系進(jìn)行分析，對比不同城市化進(jìn)程下城市熱島效應(yīng)的變化情況，以期對廊坊城市的合理規(guī)劃、生態(tài)城市的建設(shè)等提供一定的參考和借鑒。

1 資料和方法

1.1 資料

溫度數(shù)據(jù)來源于1995—2020年ERA5再分析資料中夏季6—8月的地面2 m溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.1°×0.1°。該數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定時間序列與統(tǒng)一的空間序列，適合用作長時間序列的溫度統(tǒng)計。

夜間燈光數(shù)據(jù)1995—2010年采用DMSP/OLS數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，2012年DMSP/OLS數(shù)據(jù)停止更新，被NPP/VIIRS數(shù)據(jù)所取代，所以2010—2020年采用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m，2種數(shù)據(jù)均來自美國國家地理數(shù)據(jù)中心，2種數(shù)據(jù)均排除了亮云與水體的影響，灰度值為0~63。

由于地面2 m溫度數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率不一致，采用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）插值法[11]，選取線性函數(shù)作為基函數(shù)，將溫度場數(shù)據(jù)分別插值到2種不同的夜間燈光數(shù)據(jù)格點上進(jìn)行對比分析。

1.2 方法

1.2.1 溫度等級劃分均值-標(biāo)準(zhǔn)差法利用地表溫度的均值（mean）結(jié)合不同倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差（std）對溫度（T）進(jìn)行分級，能夠很好地對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行有效界定，能夠很好地反映熱場的空間分布[12]。本文將溫度數(shù)據(jù)處理并計算出年平均溫度場，再將溫度場根據(jù)表1進(jìn)行劃分溫度等級。

表1 溫度等級劃分對應(yīng)表

1.2.2 劃分城市區(qū)與非城市區(qū)為了提取城市化進(jìn)程對城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度，程志剛等驗證發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)像元值在35～63之間的區(qū)域可作為建成區(qū)，即為城市區(qū)，其他地區(qū)則為非建成區(qū)，即為非城市區(qū)[13]。

NPP/VIIRS數(shù) 據(jù) 比DMSP/OLS數(shù)據(jù)分辨率更高，具有更強的夜光探測能力，楊任飛發(fā)現(xiàn)2種數(shù)據(jù)之間存在明顯的相關(guān)性，并通過2種數(shù)據(jù)的擬合獲得建成區(qū)的提取，其方法為：

DN=24.06×Radiance0.4782-3.299

其中，DN為擬合后得到的像元灰度值，Radiance表示NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的夜光輻射強度，通過擬合之后，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取建成面積誤差較小，并且保持?jǐn)?shù)據(jù)在比較時的客觀一致性[14]。

1.2.3 城市熱島強度等級劃分為了能夠更好地表示城市熱島強度的年際變化，葛偉強等將熱島強度表示為研究區(qū)域內(nèi)溫度格點值與非城市區(qū)溫度均值之差t[15]，并將熱島強度劃分為7個等級（表2）。采用謝志清等[16]的方法對城市區(qū)熱島效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的定量分析。

表2 熱島強度等級劃分對應(yīng)表

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場的時空變化

將地面2 m溫度場按照均值-標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行等級劃分，可以看出40°N以北的區(qū)域基本都處于中溫區(qū)，低溫區(qū)和次低溫區(qū)均穩(wěn)定位于渤海灣內(nèi)東及西北部地區(qū)，其中中溫區(qū)和次高溫區(qū)的變化較為明顯（圖1）。

1995年次高溫區(qū)主要分布在保定東南部、廊坊中南部以及滄州地區(qū)（圖1a）；2000年次高溫區(qū)向東北方向延伸，新增了北京南部、廊坊北部以及天津大部分地區(qū)（圖1b）；2005年次高溫區(qū)面積向西南方向減小，其中廊坊北部和天津北部轉(zhuǎn)為中溫區(qū)（圖1c）；2010年次高溫區(qū)進(jìn)一步向西減小，導(dǎo)致廊坊東部以及天津大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為中溫區(qū)（圖1d）；2015年次高溫區(qū)面積大幅增加，其中廊坊北部、天津轉(zhuǎn)為次高溫區(qū)（圖1e）；2020年次高溫區(qū)面積較2015年無明顯變化（圖1f）。對比1995年與2020年溫度場分布來看，次高溫區(qū)面積明顯增大，可以看出京津冀中部地區(qū)地面2 m溫度場整體成呈上升趨勢。

圖1 1995—2020年京津冀中部地區(qū)夏季溫度場分布圖

2.2 熱島強度的時空變化

圖2為京津冀中部地區(qū)1995—2020年夏季熱島強度分布圖，可以看出強低溫、次強低溫、弱低溫以及過渡區(qū)位置與面積變化不大，其形狀很好的對應(yīng)了河北山脈的走勢以及渤海灣的形狀，弱熱島的與過渡區(qū)的邊界位置也基本穩(wěn)定，而次強熱島面積變化比較明顯。1995年次強熱島主要分布在保定東南部以及滄州西部地區(qū)（圖2a）；2000年次強熱島向東北部擴展，廊坊、天津、北京南部大部分地區(qū)由弱熱島轉(zhuǎn)為次強熱島（圖2b）；2005年次強熱島略向西南部減弱，廊坊北部和天津北部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱熱島（圖2c）；2010年城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步減弱，天津和廊坊東部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱熱島（圖2d）；2015年城市熱島效應(yīng)明顯，次強熱島地區(qū)進(jìn)一步向東擴展，天津大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為次強熱島（圖2e）；2020年次強熱島區(qū)域繼續(xù)向東北擴展，面積較2015年略有增加（圖2f）。由此可見，城市熱島效應(yīng)并不是一直持續(xù)呈增長趨勢的。2020年城市熱島效應(yīng)分布較1995年有明顯增加，總體來說，城市熱島面積與城市熱島強度有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 1995—2020年京津冀中部地區(qū)地區(qū)夏季城市熱島強度分布圖

2.3 夏季城市熱島效應(yīng)的變化特征

表3統(tǒng)計了逐5年京津冀中部地區(qū)城市夏季熱島強度特征，可以看出整體溫度呈升高的趨勢，1995—2020年整體城市區(qū)溫度上升1.46℃，非城市區(qū)平均溫度上升0.21℃，熱島強度升高0.21℃，城市熱島效應(yīng)對于區(qū)域內(nèi)的增溫貢獻(xiàn)上升0.11℃，平均每5年增溫0.12℃。

表3 1995—2020年逐5年京津冀中部地區(qū)夏季城市熱島效應(yīng)特征統(tǒng)計表

逐5年溫度中2000年溫度整體偏高，并且其熱島強度也最大，究其原因發(fā)現(xiàn)1995—2020年廊坊夏季平均降水量為338.55 mm，而2000年廊坊夏季降水量僅為223.28 mm，是15年內(nèi)降水最少的年份，這可能是導(dǎo)致該年溫度普遍高于其他年份的主要原因。

3 結(jié)論與討論

本文利用ERA5再分析資料結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數(shù)據(jù)對1995—2020年京津冀中部地區(qū)城市化對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）從地面2 m溫度場的分布研究發(fā)現(xiàn)，低溫區(qū)和次低溫區(qū)穩(wěn)定位于海拔較高和渤海灣地區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)主要存在中溫區(qū)向次高溫區(qū)的轉(zhuǎn)換，總體來看，研究區(qū)域中的熱島面積在逐漸增多，當(dāng)然也存在城市熱島效應(yīng)緩解的情況。

（2）從熱島強度的分布研究分析，弱熱島以下的等級位置與面積變化不大，其形狀很好的對應(yīng)了河北山脈的走勢以及渤海灣的形狀，主要存在明顯的弱熱島向次強熱島的轉(zhuǎn)換。城市熱島效應(yīng)明顯增加，但并不是一直持續(xù)呈增長趨勢的。總體來說，城市熱島面積與城市熱島強度有很好的對應(yīng)關(guān)系。

（3）1995—2020年夏季熱島強度增加了0.21℃，城市熱島效應(yīng)對區(qū)域增溫分別貢獻(xiàn)了0.06℃和0.17℃，變化量為0.11℃，平均每5年貢獻(xiàn)0.12℃。說明地面2 m溫度的變化與城市化進(jìn)程密切相關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)降水量對城市熱島效應(yīng)也有一定程度的影響。

本文僅利用了夏季地面2 m溫度場和夜間燈光數(shù)據(jù)，研究城市化對城市熱島效應(yīng)的影響，形成城市熱島效應(yīng)的因素還有很多，還需要結(jié)合其他資料和方法來更深的研究城市熱島效應(yīng)與氣候變化的關(guān)系。同時，倡導(dǎo)節(jié)能減排，合理的規(guī)劃城市，是降低城市熱島效應(yīng)的有效途徑。