何澤能，張德軍，葉勤玉，陳志軍，楊世琦，高陽華

（1.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147；2.重慶市農業(yè)氣象與衛(wèi)星遙感工程技術中心，重慶 401147）

引言

城市熱島效應是指由于人類活動使城市人工建筑體、廣場、道路等不透水的高蓄熱下墊面增加，綠化地面和水體減少，造成城區(qū)溫度高于周圍郊區(qū)的一種氣候現(xiàn)象。城市熱島效應使高溫酷熱天氣更嚴重，加劇城市高溫災害［1-7］，加重城市大氣污染［8-10］，嚴重影響居民的生活、生產、出行以及人居環(huán)境質量。城市熱島效應是快速城市化帶來的重要負面影響之一［11-12］，其變化和分布不僅與城市發(fā)展變化密切相關［13-15］，還受城市所在的地理環(huán)境和氣候帶影響，存在較明顯的季節(jié)差異［16-19］。

改革開放40余年以來，隨著社會經濟高速發(fā)展，我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速推進。重慶自1997年成為直轄市以來，城市化進程加速，城市人口和面積迅速膨脹。2010年6月，國家級開發(fā)區(qū)“兩江新區(qū)”的成立使重慶又迎來了新一輪的發(fā)展高峰。重慶位于長江上游的丘陵、山地過渡帶，氣象條件較為復雜且年際間波動較大，夏季高溫熱浪天氣頻發(fā)［20-21］。以熱島效應為代表的城市熱環(huán)境變化，越來越引起人們的重視，城市熱島效應研究也不斷深入。有關重慶市中心城區(qū)城市熱島效應的研究，不少學者通過衛(wèi)星遙感資料反演［22-25］、氣象站點資料計算［26-28］、數(shù)值模式模擬［29-30］等方式對城市熱島效應的時空分布、演變規(guī)律、局地環(huán)流特征以及與下墊面之間的關系等開展研究。研究表明，重慶城市熱島效應與山脈和江河分布、城市下墊面及天氣狀況等有關，熱島的強度變化和空間分布都比較復雜，并存在城市熱島環(huán)流［23，29-30］。由此可見，形成重慶城市熱島效應的因素較多，既有城市化進程的速度與規(guī)模等人為因素，又有地理環(huán)境等自然因素，還受天氣氣候條件的影響。因此，對21世紀10年代重慶城市化高速發(fā)展新時期城市熱島效應的時空變化特征以及天氣狀況對城市熱島的影響進一步開展量化研究，有助于趨利避害，為城市規(guī)劃、建設及城市生態(tài)環(huán)境調節(jié)提供參考。地面氣象觀測資料具有時間連續(xù)的優(yōu)勢，而衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料具有空間連續(xù)的優(yōu)勢，兩種資料互為補充。因此，本文利用1980—2019年重慶市中心城區(qū)氣象站點資料，分析熱島效應變化趨勢及不同天氣狀況對熱島效應的影響，并結合衛(wèi)星遙感資料對一典型晴熱天氣狀況個例下城市熱島空間分布進行量化分析。

1 資料與方法

氣象資料：重慶沙坪壩、渝北、巴南龍洲灣、北碚4個氣象站1980—2019年逐日氣溫數(shù)據(jù)；2010—2019年逐日日照時數(shù)和逐時氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)。氣象站點的氣溫數(shù)據(jù)用于計算分析城市熱島效應的強度和變化趨勢，位于城區(qū)的氣象站點氣溫代表城區(qū)氣溫，位于郊區(qū)鄉(xiāng)村的氣象站點氣溫代表郊區(qū)氣溫，兩者差值可以反映城市熱島效應的強弱，稱為基于氣溫的城市熱島強度。選擇計算熱島的氣象站點時，一要滿足長時間序列的要求，二要代表郊區(qū)氣溫的氣象站點不能離城市區(qū)域過遠，以避免局地氣候差異對熱島計算造成影響。根據(jù)上述原則，城區(qū)內的沙坪壩、巴南龍洲灣和渝北3站周邊的城市化水平較高，這3站平均氣溫可作為城區(qū)氣溫的代表；北碚站位于北碚建成區(qū)之外，站點周邊的城市化水平較低，且離城市區(qū)域距離適中，其氣溫可作為郊區(qū)氣溫的代表。

重慶地形復雜，各氣象站點的海拔高度差別較大，在使用地面氣溫資料計算熱島強度前必須按氣溫垂直遞減率將溫度訂正到同一海拔高度。結合重慶地區(qū)山地氣候，本文采用0.57℃·（100 m）-1的氣溫垂直遞減率，以沙坪壩站海拔高度為基準高度，對其余氣象站氣溫進行訂正，然后再計算熱島強度?；跉鉁氐某鞘袩釐u強度（urban heat island intensity based on air temperature，UHI）計 算 公式［31］為：

式中：UHI（℃）為基于氣溫的城市熱島強度；Ts、Tn、Ty、Tb（℃）分別為沙坪壩、巴南龍洲灣、渝北、北碚氣象站的氣溫。上述3個代表城區(qū)的氣象站點并不位于最繁華的城市核心區(qū)，因此計算的熱島強度主要代表整個城市的平均狀況，不能直接代表城市局部繁華核心區(qū)。

衛(wèi)星資料：通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的地表溫度反映城市熱場分布，可以直觀反映城市熱島空間分布狀況，稱為基于地溫的城市熱島，可與用氣溫資料獲得的城市熱島形成互補。由于重慶地區(qū)常年多云霧，晴空概率低，很難獲得較完整的長時間序列遙感地溫資料進行月平均和年平均分析。研究表明，晴熱天氣狀況最利于城市熱島效應的形成［26］，因此本文以2019年8月13日13：58（北京時，下同）MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度，參考降尺度模型［32］對地表溫度進行降尺度計算，通過地表溫度計算地表熱場變異指數(shù)（heat index of thermal field，HI），采用閾值法將HI分為6級（表1），以對應城市熱島效應等級［33］。HI計算公式［33］為：

式中：HI為地表熱場變異指數(shù)；TLST（℃）為遙感反演降尺度的格點地表溫度；Tmean（℃）為遙感反演降尺度的中心城區(qū)平均地表溫度。

表1 基于地表熱場變異指數(shù)的城市熱島效應等級劃分Tab.1 Classification of urban heat island effect levels based on HI

在基于HI的城市熱島效應分級基礎上，借鑒趙小峰等［34］對熱島強度的定義，本文基于地溫的城市熱島強度（urban heat island intensity based on land surface temperature，LUHI）計算公式為：

式中：LUHIi（℃）為熱島效應等級i所對應區(qū)域基于地溫的城市熱島強度；Ti（℃）為熱島效應等級i所對應區(qū)域的平均地表溫度；T0（℃）為無熱島效應區(qū)域的平均地表溫度。

2 熱島狀況時空變化

2.1 年際變化

圖1 1980—2019年重慶市中心城區(qū)平均熱島強度的年際變化Fig.1 The inter-annual variation of mean heat island intensity in center districts of Chongqing from 1980 to 2019

城市熱島強度的大小受城市發(fā)展水平和規(guī)模的影響，同時也受氣候差異的影響而具有季節(jié)變化特征。圖1為1980—2019年重慶市中心城區(qū)平均熱島強度的年際變化。可以看出，1980—2019年重慶市中心城區(qū)平均熱島強度總體呈上升趨勢，其上升率為1.03℃·（100 a）-1，2013年平均熱島強度最高，為0.66℃。其中，20世紀80年代平均熱島強度緩慢增強；20世紀90年代初有所減弱，其后，熱島效應逐漸增強；特別是21世紀00年代中期至10年代初期上升明顯，之后有所回落。這一時期大致對應重慶市成為直轄市以后社會經濟和城市發(fā)展最迅速的階段，城市熱島效應受城市擴張的影響較明顯，與城市快速擴張變化趨勢基本一致，熱島強度升勢明顯。21世紀10年代中期以后，隨著海綿城市建設和生態(tài)文明建設的不斷推進，城市熱環(huán)境格局得以優(yōu)化改善，熱島強度有所減弱。按年代將重慶的城市熱島變化大致分為4個主要階段，20世紀80年代緩慢上升，20世紀90年代又有所下降，21世紀00年代緩慢上升，21世紀10年代迅速增強后回調。各年代中，21世紀10年代平均熱島強度最強，為0.50℃，其中2010年最弱（0.35℃），2013年最強（0.66℃），2019年平均熱島強度為0.49℃，與21世紀10年代的平均值基本持平。

2.2 月際變化

從1980—2019年不同時段重慶市中心城區(qū)熱島強度月際變化（圖2）看出，各年代熱島強度的季節(jié)變化規(guī)律大體一致，基本都是初春（3月）、盛夏至初秋（7—9月）熱島強度偏強，而仲春至初夏（4—6月）、仲秋（10月）熱島強度偏弱。這與重慶地區(qū)的雨季和旱季分布密切相關。初春（3月左右）天氣回暖，降水量少，春旱出現(xiàn)頻率高；盛夏至初秋（7—9月）氣溫高，降水也偏少，出現(xiàn)夏、秋伏旱的頻率高。干旱少雨的天氣狀況有利于城市熱島效應的產生和增強。仲春至初夏（4—6月）進入雨季，陰雨天氣較多，仲秋（10月）陰雨天氣也較多，陰雨天氣不利于城市熱島效應的產生。

圖2 1980—2019年不同時段重慶市中心城區(qū)熱島強度的月際變化Fig.2 The monthly variation of heat island intensity in central districts of Chongqing in different periods from 1980 to 2019

由于各年代的城市發(fā)展速度差異較大，特別是1997年重慶成為直轄市以來，城市建設發(fā)展速度越來越快，城市熱島效應問題逐漸凸顯。與其他年代相比，21世紀10年代的熱島強度最強，最能反映重慶城市熱島目前的狀況，這對城市規(guī)劃建設、生態(tài)園林城市創(chuàng)建等具有重要參考意義。21世紀10年代重慶市的城市熱島效應明顯存在初夏弱盛夏強、初春強仲春弱等季節(jié)內差異。其中盛夏季節(jié)（7、8月）的熱島效應最強（0.66、0.68℃），初春3月次之，平均為0.60℃，仲春至初夏最弱，6月最低為0.33℃。

2.3 日變化

為更清楚的了解熱島的日變化特征，本文以熱島效應最強的21世紀10年代不同季節(jié)日變化（圖3）來分析。重慶市中心城區(qū)熱島強度存在明顯的白天弱夜間強的日變化特征，總體上與北京等地區(qū)熱島強度日變化趨勢相似［18］，最小值出現(xiàn)在下午17：00左右，隨后熱島強度迅速增大，到夜間23：00左右達到最大值，之后又緩慢減小，至次日上午09：00開始熱島強度減幅明顯。各季節(jié)熱島強度的日變化規(guī)律基本一致，夏季熱島強度的日變化幅度最大，秋季日變化幅度最小。城市熱島強度日變化的產生主要由城、郊熱量收支狀況不同引起。白天，樓宇、廣場和道路等城區(qū)的硬化人工下墊面比郊區(qū)的土壤、植被等自然下墊面吸收存儲了更多熱量。夜晚，由于城區(qū)儲存的熱量較多，下墊面長波輻射加熱近地層空氣而維持較高的氣溫；而郊區(qū)儲存的熱量少，下墊面長波輻射加熱近地層空氣的能力相對偏弱，近地層氣溫下降較快，從而引起熱島強度不斷增大，到午夜左右達到最大值。隨后，隨著城區(qū)儲存熱量的消耗，下墊面長波輻射加熱近地層空氣的能力減弱，熱島強度也開始減小。

圖3 21世紀10年代重慶市中心城區(qū)不同季節(jié)平均熱島強度的日變化Fig.3 The diurnal variation of mean heat island intensity in central districts of Chongqing in different seasons in 2010s

2.4 空間分布

為了從空間上直觀了解重慶熱島分布特點，以2019年8月13日為例，利用MODIS衛(wèi)星資料分析城市熱島的空間分布。圖4為MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演和降尺度計算的重慶市中心城區(qū)熱島強度分布?？梢钥闯?，城市熱島空間分布，大致沿著中梁山、銅鑼山、南山呈東北、西南向分布。強熱島區(qū)域主要分布在人口密集的傳統(tǒng)老城區(qū)、商業(yè)區(qū)、車站、廣場、工業(yè)園及城市新區(qū)。根據(jù)公式（3）對基于地溫的城市熱島進行計算表明，熱島區(qū)域面積占中心城區(qū)總面積為46.2%，平均熱島強度為5.7℃。其中，極強熱島區(qū)域占比為7.4%，平均熱島強度為11.5℃；強熱島區(qū)域占比為5.8%，平均熱島強度為8.2℃；較強熱島區(qū)域占比為6.6%，平均熱島強度為6.4℃；中熱島區(qū)域占比為9.5%，平均熱島強度為4.6℃；弱熱島區(qū)域占比為16.9%，平均熱島強度為2.7℃。

圖4 2019年8月13日13：58 MODIS反演和降尺度計算的重慶市中心城區(qū)熱島效應等級分布Fig.4 The distribution of heat island effect grades by MODIS data retrieval and downscaling calculation in central districts of Chongqing at 13：58 BST on 13 August 2019

2019年重慶市城市熱島的主體分布格局與羅小波等［35］研究基本一致，但在禮嘉、悅來、大學城、龍興等新興區(qū)域城市熱島明顯增強。城市熱島效應的分布與土地利用/覆蓋類型分布密切相關。圖5為2015年重慶市中心城區(qū)土地利用分類。對照圖4和圖5進行計算，得到城鄉(xiāng)居民用地和其他建設用地的平均熱場變異指數(shù)（HI）分別為0.181和0.166，整體屬于強熱島，其中較強級別以上的熱島面積分別占對應類的74.1%、75.8%。整體來看，較強級別以上的熱島分布與城鄉(xiāng)居民用地和其他建設用地密切相關，城鄉(xiāng)居民用地較集中的片區(qū)，其熱島均相對較強；其他建設用地由于土地建設開發(fā)的類型差別較大，對熱島的影響也各不相同，其分布與熱島分布的關聯(lián)性稍弱，這體現(xiàn)在該區(qū)域的平均HI比城鄉(xiāng)居民用地的略低。

圖5 2015年重慶市中心城區(qū)土地利用/覆蓋分類Fig.5 Land use/cover classification in central districts of Chongqing in 2015

3 天氣狀況對城市熱島的影響

研究表明，天氣狀況與城市熱島效應關系密切，雨天最不利于熱島效應的形成，陰天次之；晴天最有利于熱島效應的形成和增強，多云天次之［26］。重慶市天氣氣候復雜，每年的天氣狀況變化較大，天氣狀況對熱島效應影響各不相同。為了解天氣狀況對重慶熱島的影響，本文選取熱島效應最強的10 a（2010—2019年）來分析。將天氣類別簡化分為雨天、陰天、多云天和晴天，其年日數(shù)的變化對年平均熱島強度的影響可以反映天氣狀況與城市熱島效應的關系。圖6為21世紀10年代重慶市中心城區(qū)各年不同天氣狀況與熱島強度的散點圖?？梢钥闯觯晏烊諗?shù)距平、陰天日數(shù)距平與年平均熱島強度呈負相關性，均為城市熱島的負向驅動因素；多云天日數(shù)距平、晴天日數(shù)距平與年平均熱島強度呈正相關性，均為城市熱島的正向驅動因素。雨天日數(shù)距平、陰天日數(shù)距平、多云天日數(shù)距平、晴天日數(shù)距平與年平均熱島強度的相關系數(shù)分別為-0.628、-0.295、0.457、0.425，其中，雨天相關系數(shù)最強，且通過α＝0.1的顯著性檢驗，陰天相關系數(shù)最弱。由于陰天條件下，受云層的影響，地表接收的太陽輻射能變化較大，影響熱島生成的能量來源也變動較大，簡單以陰天日數(shù)的變化來分析熱島的變化，其規(guī)律性相對差一些。

圖6 21世紀10年代重慶市中心城區(qū)各年不同天氣狀況因素與年平均熱島強度的散點圖（a）雨天日數(shù)、（b）陰天日數(shù)、（c）多云天日數(shù)、（d）晴天日數(shù)Fig.6 The scatterdiagram between different annual weather conditions and heat island intensity in central districts of Chongqing in 2010s(a)number of rainy days,(b)number of cloudy days,(c)number of partly cloudy days,(d)number of sunny days

表2列出21世紀10年代重慶市中心城區(qū)不同天氣狀況下平均熱島強度。可以看出，21世紀10年代雨天、陰天、多云天、晴天時的平均熱島強度分別為0.19、0.52、0.69、0.76℃；各年的熱島強度均為雨天最弱，晴天最強，其中大部分年份多云時熱島強度總體略低于晴天，但2010年和2019年多云天氣熱島強度略大于晴天。

根據(jù)表2選取2010—2019年平均熱島強度差異最大的2 a（2010年和2013年）為代表年份，分析天氣狀況對城市熱島的影響。2010年重慶市中心城區(qū)雨天日數(shù)比21世紀10年代平均值偏多7.2 d，陰天日數(shù)偏多7.7 d，多云天日數(shù)偏少0.2 d，晴天日數(shù)偏少14.9 d（表略）。正向驅動因素的作用中，多云天日數(shù)略微減少，晴天日數(shù)大幅減少；負向驅動因素的作用中，雨天日數(shù)有明顯增加，陰天日數(shù)也有明顯增加，2010年的天氣狀況總體不利于城市熱島效應，城市熱島強度在同年代中最低。2013年重慶市中心城區(qū)雨天日數(shù)比21世紀10年代平均值偏少15.8 d，陰天日數(shù)偏少10.3 d，多云天日數(shù)偏多4.8 d，晴天日數(shù)偏多21.1 d（表略）。正向驅動因素的作用中，多云天日數(shù)增加，晴天日數(shù)大幅增加；負向驅動因素的作用中，雨天日數(shù)大幅減少，陰天日數(shù)也明顯減少，2013年的天氣狀況總體有利于城市熱島效應，城市熱島強度在同年代中最高。由此可見，城市熱島效應受天氣狀況的影響，2010年的天氣狀況不利于城市熱島的形成和發(fā)展，熱島強度在同年代中最低；2013年的天氣狀況有利于城市熱島的形成和發(fā)展，熱島強度在同年代中最高。

表2 21世紀10年代重慶市中心城區(qū)不同天氣狀況下平均熱島強度Tab.2 The average heat island intensity under different weather conditions in central districts of Chongqing in 2010s單位：℃

4 結論

（1）20世紀90年代中期以來，重慶市中心城區(qū)基于氣溫的熱島強度總體呈明顯增強趨勢，其中21世紀10年代最高，平均熱島強度為0.50℃。21世紀10年代初期熱島強度升勢明顯，中后期熱島強度略有下降。熱島效應的長期變化與城市發(fā)展密切相關，并受生態(tài)文明建設等政策的影響。

（2）21世紀10年代，重慶市中心城區(qū)基于氣溫的熱島強度，具有白天弱夜間強的日變化特征；各月中，8月平均熱島強度最強為0.68℃，6月最弱為0.33℃；還存在較明顯的初夏弱盛夏強、初春強仲春弱的季節(jié)內差異，其中盛夏季節(jié)最強，初春次之，仲春至初夏最弱。

（3）重慶市中心城區(qū)城市熱島呈東北、西南向分布，其分布受土地利用/覆蓋類型影響較大，強熱島區(qū)域主要集中在人口密集的傳統(tǒng)老城區(qū)、商業(yè)區(qū)、廣場、車站、工業(yè)園及城市新區(qū)等區(qū)域。2019年8月13日強熱島級別以上的熱島面積為13.2%。

（4）城市熱島效應受天氣狀況的影響，雨天、陰天是城市熱島的負向驅動因素，多云天、晴天是城市熱島的正向驅動因素。21世紀10年代，雨天、陰天、多云天、晴天時的平均熱島強度分別為0.19、0.52、0.69、0.76℃。其中2010年的天氣狀況不利于城市熱島的形成和發(fā)展，熱島強度在同年代中最低；2013年的天氣狀況有利于城市熱島的形成和發(fā)展，熱島強度在同年代中最高。