2009—2019年肇慶城市熱島效應變化特征

周義昌，袁業(yè)溶，袁微，李丹丹

（1.肇慶市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東肇慶 526040；2.肇慶市高要區(qū)氣象局，廣東肇慶 526100）

城市熱島效應是指城市化發(fā)展到一定程度，市區(qū)氣溫明顯高于郊區(qū)的特殊現(xiàn)象。目前大部分研究認為，人類活動、城市下墊面的改變、人工熱源和大氣污染等綜合因素是造成城市熱島效應的主要原因。城市熱島效應對城市氣候有著重要影響，已經(jīng)成為研究城市氣候的重要研究對象［1-8］。國內(nèi)外的專家學者對不同規(guī)模城市的城郊氣溫進行了大量的對比觀測和熱島效應的深入研究，都發(fā)現(xiàn)不同規(guī)模城市普遍出現(xiàn)了城市熱島現(xiàn)象，特別是國內(nèi)專家學者在對珠三角城市的熱島效應研究工作中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟活動越活躍的地區(qū)，城市熱島效應越顯著，如廣州、深圳等發(fā)達城市比其他城市的熱島強度更強［9-17］。

肇慶是珠三角9市之一，地處廣東中西部，近年來更是融入到粵港澳大灣區(qū)城市群的發(fā)展中，發(fā)展速度加快，城市規(guī)模不斷擴大。肇慶日益加快的城市化進程，不可避免改變周邊自然環(huán)境，對城市氣候產(chǎn)生重要影響，研究肇慶城市熱島效應對了解肇慶城市氣候的基本特征具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

本研究數(shù)據(jù)選取端州區(qū)文明路舊氣象局站和鼎湖區(qū)肇慶農(nóng)校站2009年3月到2019年2月近10年的逐日、逐時的氣溫觀測資料。日平均氣溫由24 h逐時資料算術平均得到，日最高氣溫為日逐時最高氣溫，日最低氣溫為日逐時最低氣溫。

對城市熱島效應的研究關鍵在于選取具有代表性的市區(qū)站和郊區(qū)站［3］，市區(qū)站和郊區(qū)站需要滿足同等的區(qū)域性氣候變化，距離合適，在研究期間選取的站點周邊環(huán)境的變化較小，站點的資料長度需要保持一致且能明顯反映出市區(qū)和郊區(qū)的氣溫差異。

另外，人口也是選取市郊站的重要參考因素，華麗娟等［2］將人口總數(shù)達50萬的地區(qū)作為大城市站，人口少于10萬的地區(qū)作為郊區(qū)站，不同專家學者對郊區(qū)站人口的設定范圍不同，但是介于10萬到20萬。據(jù)2018年肇慶統(tǒng)計年鑒可知，2017年端州區(qū)常住人口約50.42萬，鼎湖區(qū)常住人口約17.56萬。本研究根據(jù)肇慶市郊的實際情況，結合行政區(qū)域劃分和人口數(shù)據(jù)，市區(qū)站選取G2679即端州區(qū)文明路舊氣象局站，郊區(qū)站選取G2673即鼎湖區(qū)肇慶農(nóng)校站。端州城區(qū)僅G2679符合市區(qū)站的選址要求，其處于市中心位置，自建站以來周圍已完全城市化；G2673位于鼎湖山下，周圍環(huán)境符合郊區(qū)要求，距離市區(qū)站G2679約15 km，且兩個自動站的儀器為同一型號，故分別選取G2679和G2673作為市區(qū)站和郊區(qū)站是非常合適的。因為兩站的海拔高度相差較大（37 m），故采用平均氣候背景氣溫直減率，將兩個站點的平均氣溫按照上升100 m氣溫下降0.65℃的氣溫直減率訂正到海平面高度。

根據(jù)兩站的建站時間和數(shù)據(jù)的完備性考慮，本研究的時間長度為2009年3月至2019年2月。

1.2 分析方法

本研究均用日平均氣溫研究肇慶的城市熱島效應，其熱島強度定義為同期市區(qū)站與郊區(qū)站的日平均氣溫差Δt：

其中，tu表示市區(qū)站日平均氣溫（℃）；tr表示郊區(qū)站日平均氣溫（℃）。

定義日平均氣溫變化率Δθ：

即n＋1時刻的日平均氣溫減去n時刻的日平均氣溫，其中0≤n≤23。

定義熱島強度變化率Δtu-r：

即n＋1時刻的熱島強度減去n時刻的熱島強度，其中0≤n≤23。

季節(jié)劃分以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季。晝夜劃分以06：00—18：00（北京時，下同）為日間，19：00—次日05：00為夜間。

2 熱島強度的基本特征

2.1 日變化

熱島強度具有明顯的日變化特征，日間一般為負值，夜間為正值，即日間弱、夜間強，日間甚至出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象。由圖1分析可知，肇慶城市熱島強度00：00—06：00（北京時，下同）緩慢減小，隨后07：00—09：00迅速減小，并在09：00—16：00熱島強度為負值，即市區(qū)比郊區(qū)氣溫低，出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象，其中11：00和13：00達到最低-0.28℃；17：00—19：00熱島強度迅速增大，其中19：00和20：00達到最高1.43℃，即熱島強度達到最大；隨后21：00—23：00熱島強度再次緩慢減小。

圖1 肇慶熱島強度的日變化（a）及市郊熱島強度的逐時變化率（b）

進一步分析市區(qū)和郊區(qū)的氣溫逐時變化率可知，市郊逐時氣溫變化趨勢大體一致。市郊在08：00—13：00顯著增溫（增溫幅度 ＞0.5℃／h），市區(qū)在11：00增溫幅度最大，達0.78℃／h；郊區(qū)在09：00增溫幅度最大，達1.25℃／h。市區(qū)在18：00—19：00顯著降溫（降溫幅度 ＞0.5℃／h），降溫幅度最大，達0.55℃／h；郊區(qū)在17：00—21：00顯著降溫，郊區(qū)在18：00降溫幅度最大，達1.22℃／h。郊區(qū)無論升溫還是降溫都比市區(qū)劇烈。熱島強度也是在07：00—10：00減小較為明顯，其中09：00減小的最快，降幅達0.61℃／h；16：00—19：00增加的較為明顯，其中18：00增加的最快，增幅達0.67℃／h。

肇慶的熱島強度日變化與廣州［9］、深圳［10］等城市相似。這是由于市郊下墊面的熱力差異和人工熱源每天向外排放大量熱量，導致市區(qū)氣溫比郊區(qū)高。另外市區(qū)人類活動頻繁，高樓林立，機動車尾氣排放，路面揚塵多，近地面層顆粒懸浮物多，在一定程度上起到保溫作用。日間太陽短波輻射，減弱升溫，市區(qū)升溫明顯比郊區(qū)慢，導致熱島強度減小，甚至出現(xiàn)“冷島”現(xiàn)象；但是隨著太陽高度角的升高，中午到下午，近地面層垂直湍流逐漸加強，市郊溫差逐漸減小，熱島強度略有增大，但仍為負值；夜間到凌晨，市區(qū)近地面層的顆粒懸浮物阻擋地面長波輻射向外發(fā)散，導致市區(qū)降溫速率比郊區(qū)慢，從而熱島強度較大。夜間至凌晨由于熱島效應的存在，市區(qū)比郊區(qū)氣溫高，市區(qū)較暖空氣上升到達一定高度后向四周輻散，在市區(qū)上空形成弱輻散，郊區(qū)空氣較冷下沉并沿地面向市區(qū)輻合，市區(qū)近地面層形成弱輻合，最終形成熱島環(huán)流。

2.2 熱島強度的月和季節(jié)變化

研究熱島強度的逐月變化時，分別用月平均、月最高和月最低氣溫計算熱島強度。

由圖2可以看出，1—3月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)高，但4—12月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)低。1—12月市區(qū)月最低氣溫和月平均氣溫都比郊區(qū)高，且月最低氣溫和月平均氣溫變化趨勢大體一致，且呈同位相升高的趨勢，市區(qū)月最低氣溫的增溫幅度比郊區(qū)大。由此可以得出，肇慶市區(qū)通過影響最低氣溫的降溫來形成熱島效應，月最低氣溫對城市熱島效應有著非常重要影響。

圖2 肇慶月平均氣溫、月最高氣溫和月最低氣溫熱島強度的月變化

由圖3可知，在不同月份或季節(jié)，肇慶城市熱島強度的日變化基本一致，有明顯的日間“冷島”而夜間“熱島”的特征，與胡文志等［3］對香港城市熱島的研究結果相近。秋季熱島強度最大、春季熱島強度最小，具體月份為10月熱島強度最大、4月熱島強度最小。夏秋季熱島強度有非常明顯的正值中心和負值中心，最大正值中心出現(xiàn)在10月的夜間，最大負值中心出現(xiàn)在8月的日間。夏季熱島強度日間為負值的時間最長、秋季次之、冬季最短，且冬季熱島強度日間開始出現(xiàn)負值的時間最晚。秋冬季最大熱島強度的出現(xiàn)時間比春夏季更早，秋冬季在19：00熱島強度達到最大，春夏季偏遲1 h，在20：00達到最大。這可能與太陽輻射的季節(jié)變化有關，夏秋季日出時間比春冬季早，日間夏秋季郊區(qū)升溫快，且其太陽輻射時間較春冬季時間長，導致日間夏秋季出現(xiàn)熱島強度較強的負值中心，夜間正好相反。

圖3 肇慶熱島強度的季節(jié)變化（單位：℃）

肇慶位于珠三角的西北側，其城市熱島強度季節(jié)變化特征可以用曾俠等［13］的研究結果解釋，秋季主要受副熱帶高壓控制，地面風速較小且天氣大多晴好少云，熱島強度最大；春季冷空氣活動頻繁，地面風速較大，云量增多，熱島強度最小。

2.3 熱島強度的年際變化

本研究利用線性擬合的方法分析熱島強度的年變化趨勢（圖4），可以看出肇慶熱島效應常年穩(wěn)定存在，熱島強度呈緩慢增加的趨勢，但整體波動性較大，2009—2012年熱島強度逐年減弱，2013年顯著增強，隨后繼續(xù)逐年減弱并在2017年熱島強度再次增強。另外計算得到，近10年平均熱島強度為0.61℃。

圖4 肇慶熱島強度的年際變化

3 結論

1）肇慶城市熱島強度具有明顯的日變化、月和季節(jié)變化特征，一般日間出現(xiàn)“冷島”而夜間出現(xiàn)“熱島”，春季最小秋季最大，10月熱島強度最大，4月熱島強度最小。

2）市郊逐時氣溫變化趨勢大體一致，郊區(qū)無論升溫還是降溫都比市區(qū)劇烈。熱島強度變化最劇烈一般出現(xiàn)在09：00和18：00，其中09：00減小的最快，降幅達0.61℃／h；18：00增加的最快，增幅達0.67℃／h。

3）1—3月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)高，但4—12月市區(qū)月最高氣溫比郊區(qū)低。肇慶市區(qū)通過影響最低氣溫的降溫來形成熱島效應，月最低氣溫對城市熱島效應有著非常重要影響。

4）城市熱島效應在肇慶城市化進程中常年穩(wěn)定存在，熱島強度呈緩慢增加的趨勢，近10年平均熱島強度為0.61℃。