關(guān)鍵詞 城市熱島強(qiáng)度； 冠層城市熱島； 氣象條件； 自動(dòng)氣象站； 武漢市

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)展和內(nèi)部建筑密度的持續(xù)增加，城市熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)［1］，并加劇了大氣污染惡化、人體熱舒適下降等諸多城市氣候環(huán)境問(wèn)題［2］。準(zhǔn)確分析城市熱島強(qiáng)度及其時(shí)空變化對(duì)城市熱環(huán)境緩解策略的制定具有重要意義?；跀?shù)據(jù)來(lái)源，城市熱島效應(yīng)評(píng)估主要包含城市地表熱島和城市冠層熱島2 個(gè)層面［3-4］。由于衛(wèi)星反演的陸地表面溫度數(shù)據(jù)無(wú)法有效評(píng)估城市自然及人工要素對(duì)行人層熱環(huán)境的綜合影響，且受過(guò)境時(shí)間限制而無(wú)法開(kāi)展多時(shí)段監(jiān)測(cè)［5-7］。近年來(lái)借助逐步完善的城市氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，研究者們對(duì)城市冠層熱島的時(shí)空分異特征開(kāi)展了相關(guān)研究［3-4， 8-9］，探究城市空間結(jié)構(gòu)對(duì)晝夜冠層熱島空間分布的影響，利用插值分析等技術(shù)識(shí)別城市冠層熱島變化的擴(kuò)張方向及其強(qiáng)度變化。通過(guò)揭示冠層城市熱島特征，相關(guān)研究為科學(xué)地理解城市熱環(huán)境及相關(guān)熱緩解策略制定提供了參考，但冠層城市熱島時(shí)空分異的精細(xì)化分析仍有待進(jìn)一步提升，主要體現(xiàn)在，一是對(duì)日加熱周期間的熱島強(qiáng)度變化關(guān)注不夠［10］，尤其缺少在不同城市建設(shè)環(huán)境下揭示升溫和降溫過(guò)程中的熱島強(qiáng)度變化規(guī)律研究［11-13］；二是相關(guān)研究在評(píng)估過(guò)程中忽視了變化的氣象條件對(duì)觀測(cè)城市熱島的影響［14-16］，影響研究結(jié)果的適用性。

在冠層城市熱島強(qiáng)度（canopy urban heat island in?tensity，CUHII）的計(jì)算方法層面，目前對(duì)城市效應(yīng)的分析多使用城鄉(xiāng)對(duì)比法進(jìn)行［17］，大部分研究主要采用典型城市氣象站與所選單個(gè)或多處鄉(xiāng)村站點(diǎn)的平均氣溫差值作為該城市站代表區(qū)域的城市熱島強(qiáng)度。然而，對(duì)于超大型現(xiàn)代城市，差異化的片區(qū)發(fā)展模式和復(fù)雜的下墊面空間結(jié)構(gòu)不僅加劇了城市熱島問(wèn)題，也導(dǎo)致城市熱島分布特征更加復(fù)雜，且已有學(xué)者指出傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)單的平均計(jì)算可能難以有效反映建成空間對(duì)周邊熱環(huán)境的影響［18］，不利于對(duì)城市內(nèi)部熱島強(qiáng)度的準(zhǔn)確判斷。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究以我國(guó)中部超大型城市武漢市為例，利用城市高密度氣象網(wǎng)絡(luò)的夏季逐時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)，嘗試建立一種考慮城市不同片區(qū)空間發(fā)展?fàn)顩r的冠層熱島強(qiáng)度計(jì)算方法，并結(jié)合基于“城-郊”二分法的傳統(tǒng)算法，在多種氣象條件下評(píng)估和比較片區(qū)算法與傳統(tǒng)算法下的城市冠層熱島時(shí)空分異特征以綜合分析其可行性，旨在為識(shí)別城市熱環(huán)境重點(diǎn)治理及保護(hù)區(qū)域，為城市熱環(huán)境緩解及優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

武漢市地處江漢平原東部，是華中地區(qū)最大、城市化程度最高的城市，其建成區(qū)面積由2000 年的210 km2 擴(kuò)張至如今925 km2，常住人口1 377.4 萬(wàn)人。武漢經(jīng)歷了多個(gè)階段的城市化歷程，高強(qiáng)度的城市擴(kuò)張使得大量自然地表被城市建筑替代，并形成了復(fù)雜多樣的下墊面空間特征。其中，長(zhǎng)江與漢江將武漢市中心區(qū)域劃分為武昌、漢口和漢陽(yáng)3 大片區(qū)。受城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面因素的綜合影響，不同城市片區(qū)的發(fā)展模式各異。武昌片區(qū)在分布大量高密度高層建筑的同時(shí)，還具備東湖、南湖等大型自然水體；漢口片區(qū)集中了眾多商圈和高密度住宅區(qū)，自然斑塊面積較小；漢陽(yáng)片區(qū)則分布有大面積的自然地表且城區(qū)整體開(kāi)發(fā)強(qiáng)度相對(duì)較低?？傮w上，武漢市中心城區(qū)內(nèi)部的不同片區(qū)呈現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性［19］，而城市形態(tài)和發(fā)展模式的差異也使得中心城區(qū)的冠層城市熱島時(shí)空分布高度復(fù)雜化。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及城鄉(xiāng)代表站篩選

所用氣象觀測(cè)資料來(lái)源于武漢市氣象部門(mén)，包括武漢市中心城區(qū)范圍內(nèi)自動(dòng)氣象站（圖1）2022 年夏季（6―8 月）的逐時(shí)氣溫資料，本研究使用的武漢市地圖底圖來(lái)源于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/），審圖號(hào)為GS（2019）1652 號(hào)。為盡可能保證氣象觀測(cè)過(guò)程的準(zhǔn)確性，中心城區(qū)所選氣象站海拔統(tǒng)一為20～30 m，且氣象站數(shù)據(jù)采集的信息丟失率低于0.5%［20］。中心城區(qū)內(nèi)共篩選出34 處城市氣象站，所選站點(diǎn)均具有相對(duì)開(kāi)敞的觀測(cè)條件，以避免鄰近的植被或建筑體對(duì)觀測(cè)過(guò)程產(chǎn)生直接干擾。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)武昌、漢口、漢陽(yáng)片區(qū)各選取5 處郊區(qū)站進(jìn)行熱島強(qiáng)度計(jì)算。其中，所選郊區(qū)站不僅滿足相應(yīng)的下墊面要求，站點(diǎn)間的位置盡可能均勻地分布于對(duì)應(yīng)片區(qū)的外圍從而降低外部來(lái)流條件變化對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響［21］。

1.3 典型氣象日選取

本研究利用3 種天氣條件探討中心城區(qū)的冠層城市熱島特征：第一類是高溫天氣，參照2012 年印發(fā)的《防暑降溫措施管理辦法》及GB /T 27962—2011《氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)圖標(biāo)》，將日最高氣溫≥35 ℃的天氣定義為高溫天氣；第二類是晴朗天氣，定義日最高氣溫lt;35 ℃且少云微風(fēng)的天氣為晴朗天氣；第三類是降水天氣，將最小累計(jì)降水量≥0.1 mm 的天氣定義為降水天氣（表1）。

1.4 城市冠層熱島強(qiáng)度計(jì)算

武漢市位于長(zhǎng)江流域中游，被漢江和長(zhǎng)江分為3個(gè)部分，即武昌、漢口和漢陽(yáng)。隨著多年的城市化發(fā)展，3 個(gè)片區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀有著明顯差異，以往傳統(tǒng)城郊站算法將城市全部郊區(qū)站的均值作為郊區(qū)站溫度，可能無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)出武漢市不同片區(qū)熱島的變化特征，因此引入基于城市片區(qū)的城市冠層熱島強(qiáng)度CUHII 計(jì)算方法，對(duì)武漢市3 個(gè)片區(qū)城市熱島進(jìn)行研究。

1.5 城市冠層熱島強(qiáng)度空間分布插值

克里金空間插值法建立在變異函數(shù)理論結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，可通過(guò)對(duì)空間上已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)加權(quán)后預(yù)測(cè)未知點(diǎn)的值［22-24］。本研究利用該方法通過(guò)有限的氣象觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)武漢市中心城區(qū)范圍內(nèi)的CUHII空間分布特征及其日變化過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)估；基于Arc GIS 平臺(tái)，選用半方差函數(shù)模型對(duì)中心城區(qū)夏季02：00 和14：00 的CUHII 分別進(jìn)行插值計(jì)算并形成CUHII 空間分布圖；為準(zhǔn)確識(shí)別和劃分城市冷熱島中心，結(jié)合城市下墊面特征，將熱島強(qiáng)度低于?1.2 ℃視為冷島低值區(qū)，將熱島強(qiáng)度高于2.4 ℃視為熱島高值區(qū)［25］。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季平均城市冠層熱島強(qiáng)度日變化

由圖2 可知，2 種算法下的城市冠層熱島效應(yīng)具有明顯的“夜強(qiáng)晝?nèi)酢钡娜兆兓?guī)律，不同片區(qū)和中心城區(qū)冠層熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似程度較高：從00：00―06：00 時(shí)開(kāi)始緩慢下降，07：00―09：00 快速下降，10：00―15：00 相對(duì)平坦，16：00―21：00 熱島強(qiáng)度快速增加，后趨于穩(wěn)定。

針對(duì)不同算法，不同片區(qū)冠層熱島強(qiáng)度展現(xiàn)出較大差異。對(duì)于傳統(tǒng)算法，不同片區(qū)和中心城區(qū)冠層熱島強(qiáng)度大小非常接近，差值穩(wěn)定在0.28 ℃以內(nèi)，與之相反，片區(qū)算法下不同片區(qū)的冠層熱島強(qiáng)度大小差異較大，差值最小為0.04 ℃，最大達(dá)1.05 ℃。與傳統(tǒng)算法相比，漢口片區(qū)全天冠層熱島強(qiáng)度的變化趨勢(shì)并未有較大變化，但數(shù)值上整體高出0.2 ℃；漢陽(yáng)片區(qū)晝夜冠層熱島強(qiáng)度差異變小，夜間熱島強(qiáng)度低0.5 ℃左右，晝間未有較大變化；武昌片區(qū)變化最為顯著，主要體現(xiàn)在晝間出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，最大冷島強(qiáng)度達(dá)?0.35 ℃，下降近0.6 ℃，這在傳統(tǒng)算法中并未體現(xiàn)。

2.2 典型氣象條件下城市冠層熱島日變化特征

為探究不同算法是否受氣象影響，對(duì)3 種典型天氣條件下城市冠層熱島強(qiáng)度日變化進(jìn)行分析。由圖3 可知，傳統(tǒng)算法展現(xiàn)的熱島強(qiáng)度曲線總體趨勢(shì)大致相似，而片區(qū)算法展現(xiàn)的熱島強(qiáng)度差異顯著，這種差異在高溫天氣和降水天氣尤其明顯。高溫天氣和晴朗天氣的熱島強(qiáng)度具有鮮明的日變化特征，降水天氣的晝夜變化特征差異較小。

高溫期間城市冠層熱島強(qiáng)度日變化表現(xiàn)出與夏季平均城市熱島強(qiáng)度較為一致的變化特征，主要體現(xiàn)在2 種算法下各片區(qū)的晝夜熱島強(qiáng)度差異較大，晝間熱島強(qiáng)度處于較低水平，夜間熱島強(qiáng)度則較高。傳統(tǒng)算法下，3 個(gè)片區(qū)與中心城區(qū)熱島強(qiáng)度表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，最大差值僅為0.49 ℃（03：00），熱島強(qiáng)度由大到小依次為漢口gt;中心城區(qū)gt;武昌gt;漢陽(yáng)。片區(qū)算法下，3 個(gè)片區(qū)的熱島強(qiáng)度變化差異顯著，熱島強(qiáng)度由大到小依次為漢口gt;武昌gt;漢陽(yáng)（夜間），漢口gt;漢陽(yáng)gt;武昌（晝間）；武昌片區(qū)熱島強(qiáng)度在夜間達(dá)到更高水平，最高達(dá)2.36 ℃，上升0.3 倍；晝間出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，最高達(dá)?0.57 ℃，熱島強(qiáng)度下降4.5倍。傳統(tǒng)算法下漢口片區(qū)晝間熱島強(qiáng)度被低估，2 種算法同時(shí)期相比最大相差0.57 ℃（16：00），上升1 倍；漢陽(yáng)片區(qū)夜間熱島被明顯高估，2 種算法熱島差值最大達(dá)0.54 ℃（00：00），下降0.3 倍。

晴朗條件下2 種算法差異較小。傳統(tǒng)算法下，3個(gè)片區(qū)及中心城區(qū)冠層熱島強(qiáng)度大小排序大致依次為漢口gt;中心城區(qū)gt;漢陽(yáng)gt;武昌（晝間），漢陽(yáng)gt;漢口gt;中心城區(qū)gt;武昌（夜間），最大差值為0.35 ℃（11：00）。片區(qū)算法下，3 個(gè)片區(qū)的熱島強(qiáng)度大小排序?yàn)闈h口gt;漢陽(yáng)gt;武昌（晝間），漢口gt;武昌gt;漢陽(yáng)（夜間）；漢口片區(qū)的熱島強(qiáng)度明顯高于其他2 個(gè)片區(qū)，晝間熱島強(qiáng)度未呈現(xiàn)較大差異，但夜間熱島強(qiáng)度上升0.24 ℃；漢陽(yáng)片區(qū)晝間熱島強(qiáng)度減少0.50 ℃，晝間熱島強(qiáng)度并未發(fā)生明顯變化；武昌片區(qū)熱島強(qiáng)度在2 種算法下則未呈現(xiàn)明顯差異。

降水條件下城市冠層熱島強(qiáng)度晝夜變化特征不穩(wěn)定，表明降水不利于城市熱島的形成，在調(diào)節(jié)熱島效應(yīng)中起至關(guān)重要的作用，這與Cui 等［26］的研究結(jié)果一致。傳統(tǒng)算法下，3 個(gè)片區(qū)及中心城區(qū)熱島強(qiáng)度大小排序依次為漢陽(yáng)gt;武昌gt;中心城區(qū)gt;漢口，且這種排序隨著逐時(shí)變化并不穩(wěn)定。片區(qū)算法下，3 個(gè)片區(qū)的熱島強(qiáng)度大小排序?yàn)闈h口gt;漢陽(yáng)gt;武昌；漢口片區(qū)和武昌片區(qū)的熱島強(qiáng)度變化顯著；漢口片區(qū)熱島強(qiáng)度整體上升，最大差值為1.03 ℃（14：00 和15：00），提高了17 倍；武昌片區(qū)出現(xiàn)明顯的晝夜熱島強(qiáng)度變化規(guī)律，即晝間低，夜間高，晝間出現(xiàn)明顯冷島現(xiàn)象，最大冷島強(qiáng)度達(dá)-0.77 ℃，這在傳統(tǒng)算法中并未體現(xiàn)。

2.3 不同算法下冠層熱島及冷島中心空間分布特征

結(jié)合CUHII 的克里金插值計(jì)算結(jié)果，由圖4 可知，02：00 時(shí)，傳統(tǒng)算法識(shí)別出的冠層熱島中心主要集中在二環(huán)和三環(huán)之間的漢口片區(qū)及漢陽(yáng)片區(qū)居住區(qū)及工業(yè)園區(qū)較密集區(qū)域；片區(qū)算法識(shí)別出的冠層熱島中心范圍更大，呈連續(xù)帶狀橫貫武漢市中心城區(qū)西北部和南部居住及商業(yè)密集區(qū)域，從漢口片區(qū)延續(xù)至武昌片區(qū)。14：00 時(shí)，傳統(tǒng)算法識(shí)別出的冷島區(qū)域共有3 處，呈片狀分散在武漢市中心城區(qū)大型水體附近，其中臨近三環(huán)北部的天興洲附近出現(xiàn)冷島中心；片區(qū)算法識(shí)別出集中在長(zhǎng)江、東湖及南湖等大型藍(lán)色空間附近的連續(xù)大范圍冷島區(qū)域，其中二環(huán)線外東湖南部和北部形成2個(gè)較為顯著的冷島中心。

3 討論

冠層城市熱島由于更易受到復(fù)雜多樣的人工及自然下墊面要素的綜合驅(qū)動(dòng)［27］，使得CUHII 算法的選擇對(duì)于城市熱環(huán)境時(shí)空變化的準(zhǔn)確評(píng)估至關(guān)重要。針對(duì)超大型城市高度異質(zhì)化的空間肌理，本研究提出了基于城市片區(qū)的CUHII 計(jì)算方法，并結(jié)合基于“城-郊”二分法的傳統(tǒng)算法，研究比較2 種算法下的冠層城市熱島日變化及空間分布特征，結(jié)果表明片區(qū)算法有助于在不同城市片區(qū)深入挖掘城市熱島效應(yīng)的內(nèi)部時(shí)空分異，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)算法可能掩蓋的熱島特征。

傳統(tǒng)算法下不同城市片區(qū)的CUHII 日變化趨勢(shì)及強(qiáng)度高度一致，而片區(qū)算法下不同城市區(qū)域的CUHII 差異顯著，且識(shí)別出了具有大型自然空間且建設(shè)強(qiáng)度高的武昌片區(qū)強(qiáng)烈的晝夜熱島差異及晝間持續(xù)的冷島現(xiàn)象。同時(shí)，天氣條件會(huì)進(jìn)一步加劇不同算法下的城市熱島日變化差異，尤其是高溫和降水天氣會(huì)顯著加劇片區(qū)算法中城市不同區(qū)域的CUHII 差異。高溫天氣下，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射導(dǎo)致城市內(nèi)的建筑物和硬質(zhì)表面吸收并儲(chǔ)存了大量熱，并在夜間通過(guò)熱量釋放加劇建成環(huán)境的CUHII 上升［15， 28］。因此，具有大量高密度高層建筑的漢口片區(qū)和武昌片區(qū)的夜間熱島強(qiáng)度顯著高于城市建設(shè)強(qiáng)度較低的漢陽(yáng)片區(qū)。降水條件下，降水過(guò)程會(huì)促進(jìn)污染物擴(kuò)散，這種上升運(yùn)動(dòng)將城市熱量向高空運(yùn)輸，在增強(qiáng)城區(qū)近地面溫度降幅的同時(shí)造成城郊?xì)鉁夭町愊陆担?9］，且部分區(qū)域如武昌片區(qū)建成區(qū)溫度長(zhǎng)時(shí)間低于郊區(qū)溫度并表現(xiàn)出冷島特征。然而，傳統(tǒng)算法很大程度上低估了多種天氣條件下城市不同片區(qū)的CUHII 差異，且各城市片區(qū)保持了相似的CUHII日變化趨勢(shì)及高于0 ℃的熱島強(qiáng)度特征。

空間維度方面，傳統(tǒng)算法識(shí)別的冷熱島中心范圍均較小并集中分布于中心城區(qū)的外圍邊界。與之相反，片區(qū)算法識(shí)別的熱島中心呈帶狀覆蓋城區(qū)中部高密集開(kāi)發(fā)區(qū)，包含武昌片區(qū)中部建設(shè)程度較高且商業(yè)活動(dòng)頻繁的區(qū)域及漢口片區(qū)南部工業(yè)區(qū)域和人口高度密集的中央商務(wù)區(qū)，這與尹杰等［30］的結(jié)論一致。此外，大型生態(tài)空間具有緩解城市熱效應(yīng)的重要作用［31］，但傳統(tǒng)算法并未觀測(cè)到中心城區(qū)內(nèi)的大型湖泊對(duì)周邊環(huán)境的降溫效果?；谄瑓^(qū)算法，本研究發(fā)現(xiàn)在武昌片區(qū)東湖、南湖等大型藍(lán)色空間周邊的建成區(qū)域識(shí)別出了較大范圍的冷源匯集區(qū)，Cheng 等［32］依據(jù)數(shù)值模擬手段同樣發(fā)現(xiàn)了東湖附近存在的強(qiáng)冷島區(qū)域。因而，未來(lái)城市熱緩解工作還需關(guān)注如何隔斷當(dāng)前連續(xù)的城市高溫區(qū)并預(yù)防其向城市南北方向的擴(kuò)張。

綜上所述，基于城市片區(qū)的CUHII 計(jì)算方法是對(duì)傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充，可以更好地捕捉超大型城市內(nèi)部建設(shè)環(huán)境的熱島時(shí)空分異特征，從而可為基于熱環(huán)境改善的規(guī)劃管控策略制定提供參考依據(jù)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，郊區(qū)站與城區(qū)的空間距離也會(huì)潛在地影響CUHII 評(píng)估的準(zhǔn)確性。然而，當(dāng)前有限的站點(diǎn)分布使得目前仍難以將城郊站點(diǎn)間的空間關(guān)系納入到CUHII 的計(jì)算分析。隨著城市氣象站密集化布設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)于更多的超大型城市案例，還可以結(jié)合多種城市分區(qū)情景以進(jìn)一步驗(yàn)證算法的適用性。