長江中游水網(wǎng)地區(qū)城市熱島效應(yīng)研究
——以岳陽為例

朱 浩，蔣 帥，肖 平

(湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000)

0 引言

城市熱島效應(yīng)(UHI)是指在城市化進(jìn)程中，由于城市下墊面性質(zhì)改變、區(qū)域人類活動加劇導(dǎo)致城市與郊區(qū)熱量分布差異而引發(fā)的一種城市氣候現(xiàn)象,廣泛存在于世界上不同緯度區(qū)域、不同規(guī)模的城市中[1-6]，是城市氣候最顯著的特征之一。雖然熱島效應(yīng)本身不會像暴雨、雷雨大風(fēng)等極端性天氣那樣直接造成重大的自然災(zāi)害，但往往會通過改變局地的能量平衡、污染物傳播和擴(kuò)散規(guī)律乃至整個城市的微小氣候，從而對人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生間接危害。對北京[7-8]、上海[9]、武漢[10]、成都[11]等地的研究發(fā)現(xiàn)，這些大型城市中心均具有很強(qiáng)的熱島效應(yīng)，且隨著城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展與汽車、空調(diào)的大量使用，城市能耗劇增，能源消耗所產(chǎn)生的熱量和環(huán)境污染使得城市熱島效應(yīng)日益顯著[12-13]。

岳陽市位于長江中游、洞庭湖東北側(cè)，其城區(qū)地處洞庭湖平原、長江和洞庭湖的交匯處，地勢平坦、河湖密布，城區(qū)面積約110 km2，常住人口81萬人，是長江中游水網(wǎng)地區(qū)典型的中等規(guī)模城市。從氣候上看，岳陽屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，城區(qū)年平均氣溫為17.2 ℃，年降水量1 331 mm。作為洞庭湖—鄱陽湖河湖平原氣候關(guān)鍵區(qū)的代表性地市級城市，受河湖水網(wǎng)下墊面影響，岳陽城區(qū)空氣濕度常年保持在80%左右，夏季高溫高濕，冬季潮濕陰冷，具有典型的夏熱冬冷高濕的城市氣候特征[14]。長期氣候監(jiān)測資料顯示，岳陽所在的洞庭湖區(qū)氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢[15]，特別是近年來，隨著岳陽城區(qū)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城區(qū)面積和城建規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市熱島效應(yīng)及其強(qiáng)度變化將給岳陽城市環(huán)境和微氣候造成何種影響引起了社會公眾的廣泛關(guān)注和政府的高度重視。但目前，國內(nèi)對城市熱島效應(yīng)的研究多集中在大城市，對中小城市卻鮮有涉及。本文從氣象學(xué)角度來分析和研究岳陽城市熱島效應(yīng)及其變化規(guī)律，為岳陽城市規(guī)劃建設(shè)、人居環(huán)境改善、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市綠色發(fā)展提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料和方法

所用資料來源于湖南省氣象局氣象信息中心，選取時間序列連續(xù)、資料較為完整、下墊面環(huán)境較為一致的岳陽國家基本氣象站近66 a(1953—2018年)和岳陽市城區(qū)10個區(qū)域氣象站近3 a(2016—2018年)逐小時氣溫資料，氣象站點(diǎn)分布及岳陽城區(qū)地形見圖1。根據(jù)《城市熱島效應(yīng)評估技術(shù)指南》和氣象部門相關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)范，對上述站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制并訂正為離地面1.5 m高度的氣溫值，采用氣候傾向率、M-K突變分析、克里格差值法等方法分析岳陽市城區(qū)氣溫的時空分布特征，進(jìn)而評估其熱島效應(yīng)強(qiáng)度和變化規(guī)律，相關(guān)數(shù)據(jù)處理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的具體原理和方法見參考文獻(xiàn)[16]。

圖1 岳陽城區(qū)氣象站點(diǎn)分布及地形示意圖

2 城區(qū)氣溫的變化特征

2.1 長期變化特征

城區(qū)和郊區(qū)氣溫?zé)崃Σ町愂钱a(chǎn)生城市熱島效應(yīng)最直接的因素。岳陽國家基本氣象站長序列氣溫統(tǒng)計(jì)資料顯示，近66 a來岳陽市城區(qū)年平均氣溫呈顯著上升趨勢(圖2a)，其氣候傾向率為0.23 ℃/10 a(通過信度0.001的顯著性檢驗(yàn))，高于洞庭湖區(qū)24個國家氣象站0.20 ℃/10 a的平均增溫水平[17]。Mann-Kendall突變分析結(jié)果表明，岳陽市城區(qū)的這種突變性增溫是在1994年開始的，并在進(jìn)入21世紀(jì)后變得尤為顯著(圖2b)。

圖2 岳陽城區(qū)近66 a氣溫變化趨勢(a)及突變分析(b)

2.2 季變化特征

從表1可以看出，除夏季氣溫變化不明顯外，岳陽城區(qū)春、秋、冬三個季節(jié)的平均氣溫均隨時間的推移呈顯著上升趨勢，各季氣溫的氣候傾向率分別為0.35 ℃/10 a、0.04 ℃/10 a、0.21 ℃/10 a、0.32 ℃/10 a，冬、春季氣溫的氣候傾向率均高于年平均傾向率，由此可見，岳陽城區(qū)的氣候變暖主要是由冬半年增溫造成的。

表1 岳陽市城區(qū)各季氣溫變化氣候傾向率值

3 熱島強(qiáng)度的時空分布

3.1 基本特征

利用岳陽市中心城區(qū)11個氣象站點(diǎn)近3 a(2016—2018年)逐時氣溫資料，采用克里格插值方法，繪制了岳陽城區(qū)年平均氣溫空間分布圖(圖3)。由圖3可見，岳陽市城區(qū)年平均氣溫空間分布不均，總體表現(xiàn)出自東北部、西南部郊區(qū)向中心城區(qū)遞增的空間分布特征，高值區(qū)位于城區(qū)中西部的東茅嶺—楓橋湖片區(qū)，低值區(qū)為城區(qū)東北部的梅溪鄉(xiāng)紅光片區(qū)，次低值區(qū)為市區(qū)南部的湖濱片區(qū)。

圖3 岳陽城區(qū)年平均氣溫空間分布圖

根據(jù)《城市熱島效應(yīng)評估技術(shù)指南》(第1版)，以位于中心城區(qū)的修防處區(qū)域氣象站為城區(qū)代表站、位于近郊的梅溪鄉(xiāng)紅光片區(qū)內(nèi)的駕考中心區(qū)域氣象站作為郊區(qū)代表站，計(jì)算岳陽城市年平均熱島效應(yīng)強(qiáng)度，其計(jì)算公式為：Ht=Tc-Ts，其中Ht為城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度(℃)、Tc為城區(qū)氣溫、Ts為郊區(qū)氣溫。將熱島效應(yīng)強(qiáng)度Ht劃分為5個等級(Ht≤0.5，0.53.5)，對應(yīng)的表述是無、弱、中等、強(qiáng)、極強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果表明，2016—2018年岳陽城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度為2.1 ℃，為中等強(qiáng)度，其城區(qū)的熱島強(qiáng)度空間分布特征與圖3所示年平均氣溫的空間分布特征是一致的(圖略)。

3.2 季節(jié)變化特征

前述研究已經(jīng)表明，岳陽城區(qū)的氣溫具有顯著的季節(jié)變化特征。熱島強(qiáng)度直接反映了城郊之間氣溫的差異，其季節(jié)變化特征見表2。從表2可以看出，岳陽城市秋、冬季熱島效應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)，平均熱島強(qiáng)度為2.3 ℃，春季次之，夏季最弱，為1.9 ℃。熱島強(qiáng)度的季節(jié)差異并不明顯，四季熱島效應(yīng)均為中等強(qiáng)度，各季節(jié)的熱島強(qiáng)度貢獻(xiàn)率(∑該季逐時熱島強(qiáng)度/∑全年逐時熱島強(qiáng)度)也極為接近，位于22%～28%之間。各季節(jié)最大熱島強(qiáng)度相差甚微，但最小熱島強(qiáng)度的季節(jié)性差異卻很明顯，秋冬兩季達(dá)1.4 ℃，春季為1.1 ℃，夏季則僅有0.8 ℃。因此，在熱島強(qiáng)度貢獻(xiàn)率和最大熱島強(qiáng)度各季節(jié)基本相同的情況下，岳陽城區(qū)熱島強(qiáng)度的季節(jié)差異主要表現(xiàn)為最小熱島強(qiáng)度的顯著季節(jié)性變化，即夏季的熱島強(qiáng)度振幅最大，秋冬季的熱島強(qiáng)度振幅最小。

表2 岳陽市城區(qū)熱島效應(yīng)強(qiáng)度表

3.3 日變化特征

國內(nèi)外的許多研究表明城市的熱島效應(yīng)具有晝夜增暖的不對稱性，但這種不對稱性地域差異很大[18-20]。鄧蓮堂[21]研究指出，上海白天的城市熱島變化趨勢與夜間熱島的發(fā)展趨勢存在較大差異，熱島強(qiáng)度在18—19時達(dá)到峰值；陳朝暉[22]對長沙城市熱島效應(yīng)的分析結(jié)果顯示，長沙熱島效應(yīng)夜強(qiáng)晝?nèi)?，熱島最強(qiáng)時段主要集中在午夜前后，在某些正午，甚至出現(xiàn)熱島強(qiáng)度為負(fù)值的“冷島”現(xiàn)象?？梢娂词故峭谥芯暥鹊貐^(qū)，城市大小以及所處區(qū)域不同，其熱島強(qiáng)度的日變化特征也存在較大差異。

分析岳陽城區(qū)平均熱島強(qiáng)度的逐時變化可知，其具有顯著的夜強(qiáng)晝?nèi)跆卣鳎瑫r存在穩(wěn)定—突變—穩(wěn)定的周期變化，相對于日平均熱島強(qiáng)度而言表現(xiàn)出良好的對稱性(圖4)。11—17時的熱島強(qiáng)度相對穩(wěn)定且全部低于均值；18—22時為突變上升時段，熱島強(qiáng)度自20時升至平均線以上后一路攀升，并于01時左右達(dá)到最大值；23—次日06時的熱島強(qiáng)度穩(wěn)定并維持在較高區(qū)間，07—10時熱島強(qiáng)度又進(jìn)入突變下降時段；兩個突變時段的熱島強(qiáng)度變幅高達(dá)0.4 ℃/h。值得注意的是，各季節(jié)傍晚突變上升的進(jìn)程基本一致，但早晨熱島強(qiáng)度突變下降的起始時間卻有明顯差異，其中夏季最早，在06時即開始突變下降，冬季最晚，08時左右熱島強(qiáng)度才開始出現(xiàn)突變，春、秋兩季突變時間則均在07時。

圖4 岳陽城區(qū)平均熱島強(qiáng)度逐時變化

4 地形對熱島強(qiáng)度的影響

從岳陽城區(qū)夏季和冬季熱島效應(yīng)強(qiáng)度分布圖(圖5)可見，雖然夏季(5a)和冬季(5b)岳陽城區(qū)熱島強(qiáng)度的空間分布總體都呈現(xiàn)出郊區(qū)向城區(qū)遞增的形態(tài)，但相較于夏季，冬季的熱島強(qiáng)度大值區(qū)(UHI≥1.5 ℃)的范圍更大，尤其是在夏季屬于相對低值區(qū)的南湖以南區(qū)域(湖濱、郭鎮(zhèn))，在冬季卻成為了相對大值區(qū)。與夏季乃至全年分布特征截然不同的是，岳陽冬季的熱島強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的西高東低分布，亦即離城區(qū)西南部的洞庭湖距離越遠(yuǎn)，其熱島強(qiáng)度越低。究其原因，這可能源于岳陽城區(qū)濱臨洞庭湖而建，由于湖、陸下墊面差異，在冬季，洞庭湖水體為相對熱源，產(chǎn)生水體熱效應(yīng)，減緩了沿湖城區(qū)氣溫下降特別是夜間氣溫下降速度，加大了城郊之間的溫差；而在夏季，洞庭湖水體為相對冷源，水體冷效應(yīng)抑制沿湖城區(qū)氣溫上升特別是夏季午后的氣溫上升速度，使得岳陽夏季成為了一年四季中城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度最弱的季節(jié)。

圖5 岳陽市城區(qū)夏季(a)、冬季(b)熱島強(qiáng)度空間分布圖

5 結(jié)論

①岳陽城區(qū)平均熱島效應(yīng)強(qiáng)度為2.1 ℃，為中等強(qiáng)度?？傮w表現(xiàn)出自東北部、西南部郊區(qū)向中心城區(qū)遞增的空間分布特征，城區(qū)中西部的東茅嶺—楓橋湖片區(qū)是熱島強(qiáng)度中心。

②岳陽城市熱島效應(yīng)具有季節(jié)差異和晝夜增暖的對稱性，其熱島強(qiáng)度具有冬強(qiáng)夏弱、夜強(qiáng)晝?nèi)醯奶卣?，且存在穩(wěn)定—突變—穩(wěn)定的周期性日變化，早、晚兩個突變時段的熱島強(qiáng)度變幅高達(dá)0.4 ℃/h。