不同天氣條件下沈陽城市熱島特征

李麗光,梁志兵,王宏博,李昌杰,王笑影,趙先麗

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,遼寧沈陽110016;2.喀左縣氣象局,遼寧喀左122300)

0 引言

在全球氣候變暖的大背景下,人類活動對氣候變化的影響越來越受到重視。由于人類活動對氣候的影響在城市中表現(xiàn)最為突出(黃雅麗等,2008),因此,城市熱島效應(yīng)成為氣候研究關(guān)注的重點。城市熱島效應(yīng)的研究始于19世紀初,在方法上已經(jīng)從最初的城郊氣溫對比法(Bejarán and Camilloni,2003;林學(xué)椿和于淑秋,2005;季崇萍等,2006)發(fā)展到利用便攜式溫度測定儀定點觀測(焦緒娟等,2007;倪黎等,2007)、通過遙感影像反演溫度(Aniello et al.,1995;Streutker,2002;江樟焰等,2006;楊英寶和江南,2009;楊沈斌等,2010;)以及利用氣象模式模擬(Oke,1982;Atkinson,2003;Priyadarsini et al.,2008)等。在城市熱島分布特征的研究中,從最初的日、月、季、年及年代等時間分布特征(Acker man,1985;Park,1986;Jauregui,1997;Kaz imierz and Krzysztof,1999;Montavez et al.,2000;石春娥等,2005;鄭祚芳等,2006;郝麗萍等,2007;戎春波等,2009),發(fā)展到利用氣象鐵塔獲取的資料進行垂直方向的城市熱島分布特征(李興榮等,2008)以及利用遙感資料進行的空間特征分析(Aniello et al.,1995;Streutker,2002;張佳華等,2005;王桂玲等,2007;黃一凡等,2009;朱炎和朱蓮芳,2009),尤其是自2009年以來,利用中國氣象局加密自動站的氣象資料進行城市熱島效應(yīng)的研究也見報道(王清川等,2009a,2009b;余永江等,2009)。同時,利用氣象模式對城市熱島特征進行模擬(Oke,1981;Priyadarsini et al.,2008),并分析其形成機理(李興榮等,2007)。隨著對城市熱島效應(yīng)研究的深入,各種減緩城市熱島的措施也被提出,如增加城市綠地面積(周紅妹等,2002;王勇等,2008;Ihara,et al.,2008;唐羅忠等,2009)、減少人為熱排放(肖榮波等,2007)以及合理規(guī)劃城市布局(Bottyan and Unger,2003;Sasaki et al.,2008)等。此外,大量研究探討了城市化對城市熱島效應(yīng)的影響(丁淑娟等,2008;趙志敏,2008)。

隨著中國氣象局加密自動站的建設(shè),使得針對不同天氣條件下城市熱島特征的研究成為可能,因此相關(guān)報道增加。如王清川等(2009a)對廊坊城市熱島研究表明,晴朗無風(fēng)時城市平均熱島強度最大,為1.25℃,陰雨天氣下平均熱島強度最小,僅為0.10℃。余永江等(2009)指出,福州城市熱島強度隨著降水量的增加逐步減弱,風(fēng)速在1 m/s左右時最有利于福州城市熱島的維持與發(fā)展,城市熱島強度也最大;隨著風(fēng)速增大,城市熱島強度減弱,風(fēng)速超過7 m/s時城市熱島很難再維持。

目前對沈陽地區(qū)城市熱島的研究,主要是利用城郊溫度差法進行城市熱島特征分析,其中以沈陽氣象站代表城市站,而以4個郊縣氣象站的平均氣溫代表郊區(qū)站(李麗光等,2009)。也有利用NOAA遙感資料進行城市熱島特征分析的報道(紀瑞鵬等,2000)。由于沈陽地區(qū)4個郊縣站距城市站均較遠,制約著不同天氣條件下沈陽城市熱島特征的研究。因此,本文利用長時間序列氣候資料,以相距34.1 km的兩個氣象站分別代表城郊氣溫,對不同天氣條件下的城市熱島效應(yīng)特征進行分析,為城市精細天氣預(yù)報以及更好地研究城市熱島效應(yīng)和合理規(guī)劃城市布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與不同天氣的定義

1.1 站點的選擇

沈陽位于中國東北地區(qū)南部、遼寧省中部,屬溫帶半濕潤大陸性氣候,降水集中,溫差較大,四季分明,年平均氣溫為6.7～8.4℃,年平均降水量為600～800 mm,年無霜期為150～170 d(張云海等,2008)。沈陽市及周邊地區(qū)時間序列超過10 a的氣象站共有6個,位于市區(qū)內(nèi)的沈陽站可代表城市氣象站,其余5站中,根據(jù)距沈陽站的距離、建站時間、站點位置(表1和圖1)以及沈陽行政分區(qū),確定新城子站代表郊區(qū)氣象站。

1.2 資料與方法

選取1992—2008年沈陽站和新城子站每日4個時次的氣溫、風(fēng)速、降水量、云量和能見度資料。所有資料均來自沈陽區(qū)域氣候中心資料室。沈陽站代表城市,新城子站代表郊區(qū)。城市熱島強度是指城市與郊區(qū)氣溫的差值(ΔTUHI=T沈陽-T新城子)。

1.3 不同天氣定義

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》(中國氣象局,2003)規(guī)定,晴朗無風(fēng)天氣是指總云量少于兩成、無低云、風(fēng)速小于等于2m/s的天氣。降水天氣是指08時—次日08時降水量大于等于0.1mm的天氣,按降水量(r)大小可分為小雨(0.1mm≤r≤5mm),中雨(5mm＜r≤25mm),大雨(25mm＜r≤50 mm)和暴雨(r＞50mm)。霧日是指水平能見度小于等于1km的天氣,根據(jù)水平能見度可分為強濃霧(能見度小于等于0.05km)、濃霧(能見度為0.05～0.5km)和霧(能見度為0.5～1.0km)。根據(jù)日平均風(fēng)速,將風(fēng)力分為7級,即0級(風(fēng)速為0～0.2 m/s),1級(風(fēng)速為0.3～1.5m/s),2級(風(fēng)速為1.6～3.3m/s),3級(風(fēng)速為3.4～5.4m/s),4級(風(fēng)速為5.5～7.9m/s),5級(風(fēng)速為8.0～10.7 m/s)和6級及6級以上(風(fēng)速大于10.8m/s)。在沈陽站和新城子站兩站中只要有一個站符合上述的天氣條件,就定義為一個這種天氣條件進行統(tǒng)計,最后統(tǒng)計出不同天氣條件下的日數(shù),并計算不同天氣條件下的城市熱島強度,同時在不同天氣條件下,按春、夏、秋、冬季分別進行城市熱島強度的統(tǒng)計。四季的劃分標準為,3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—翌年2月為冬季。

表1 沈陽地區(qū)氣象站的基本狀況Table 1 Basic information of meteorological stations in Shenyang region

圖1 沈陽地區(qū)氣象站分布Fig.1 Distribution of weather stations in Shenyang region

2 結(jié)果分析

2.1 城市熱島強度的一般特征

1992年1月1日至2008年12月31日,合計總樣本數(shù)為6 210個。沈陽城市熱島強度從02時到08時再到14時呈遞減趨勢,而后上升(圖2)。四個時次的情況相比可見,20時城市熱島強度最強(0.99℃),02時城市熱島強度次強,14時城市熱島強度最弱(0.30℃),08時城市熱島強度次弱。夜間城市熱島強度(02時和20時平均,下同)高于白天(08時和14時平均,下同),這與北京(張佳華等,2005;鄭祚芳等,2006;L iu et al.,2007;李興榮等,2008)、鄭州(鄭敬剛等,2005)等地的研究結(jié)論一致。沈陽夜晝城市熱島強度差為0.41℃(表2)。夜間兩個時次城市熱島強度差為0.37℃,而白天兩個時次城市熱島強度差為0.19℃,表明夜間城市熱島強度變化較大。

四季相比(表3)可知,城市熱島強度分別以冬、秋、春、夏的順序遞減,這與已有的研究結(jié)論(孫石陽等,2007;黃雅麗等,2008)一致。沈陽四季城市熱島強度以冬季最強(0.91℃),夏季最弱(0.41℃)。日內(nèi)四個時次城市熱島強度相比,春、夏、秋、冬季均表現(xiàn)為14時最低,20時最高,其中14時最低值為春季的0.17℃,20時最高值為冬季的1.30℃。夜間兩個時次的差值以秋季最大(0.64℃),春季最小(0.22℃),而白天兩個時次的差值以冬季最大(0.28℃),夏季最小(0.13℃)。

圖2 1992—2008年沈陽城市熱島強度的日變化Fig.2 Diurnal variation of UH I intensity in Shenyang from 1992to2008

表2 不同天氣條件下城市熱島強度的晝夜變化Table 2 Diurnal variation of UHI intensity under different weather conditions℃

表3 不同天氣條件下四季城市熱島強度Table 3 Seasonal variation of UH I intensity under different weather conditions℃

2.2 不同天氣條件下的城市熱島特征

2.2.1 晴朗無風(fēng)

晴朗無風(fēng)天氣條件的樣本數(shù)為704個。由圖3a可見,城市熱島強度從02時到20時呈先降后升的趨勢,14時城市熱島強度最弱(0.32℃),20時最強(1.24℃)。夜間城市熱島強度高于白天,其城市熱島強度差為0.73℃(表2),遠高于所有天氣類型統(tǒng)計中的差值0.41℃,表明晴朗無風(fēng)的天氣容易形成城市熱島,其強度較強。夜晝城市熱島強度差較大,原因可能是白天由于太陽輻射的存在,使得城區(qū)和郊區(qū)熱量收支相差不大,因此城市熱島強度變化不大;夜間,由于城市下墊面導(dǎo)熱率和熱容量比郊區(qū)大,蓄熱能力比郊區(qū)高,在日落后郊區(qū)因白天下墊面儲熱量小,通過長波凈輻射,下墊面溫度和近地層氣溫下降速度較快,而城區(qū)下墊面溫度和近地面氣溫的下降速度比較慢;此外,由于城市中建筑物參差錯落,這種具有“立體”特征的建筑群在白天可通過墻壁之間的多次反射和吸收,儲存更多的太陽能量。在夜間的能量交換中,市區(qū)除了有來自大氣的逆輻射,還有來自墻壁之間的向下長波輻射(周淑貞和束炯,1994),從而造成夜間城郊溫差加大,城市熱島強度增強。夜間兩個時次城市熱島強度差為0.35℃,而白天兩個時次相差僅為0.03℃。城市熱島強度的變化幅度在晴朗無風(fēng)時呈現(xiàn)晝?nèi)跻箯姟?4時最低的特點,與O ke(1981)認為的“理想狀態(tài)”下城市熱島強度的晝夜變化特征是一致的。

冬季晴朗無風(fēng)的樣本最多,達53.3%,而夏季僅為4.3%。四季城市熱島強度以冬、春、秋、夏的順序遞減(表3),冬季最強(0.82℃),夏季最弱(0.48℃)。這可能與沈陽冬季取暖有關(guān),由于取暖產(chǎn)生了大量的人為熱,并且在城區(qū)不易散失,從而造成冬季城郊溫差加大,城市熱島強度增強。日內(nèi)四個時次城市熱島強度相比,春夏秋冬四季均表現(xiàn)為20時最高,而最低值在冬春為14時,在夏秋則為08時,尤其是秋季08時甚至表現(xiàn)為冷島效應(yīng)(即城市氣溫低于郊區(qū)氣溫)。其中20時最高值為秋季的1.40℃,最低值為秋季08時的-0.08℃。夜間兩個時次的差值以秋季最大(0.73℃)、冬季最小(0.13℃),而白天兩個時次的差值在秋季最大(-0.30℃)、春季最小(0.03℃)。

2.2.2 降水

圖3 不同天氣條件下沈陽地區(qū)城市熱島強度的日變化 a.晴朗無風(fēng);b.不同強度霧;c.不同雨強;d.不同風(fēng)力Fig.3 D iurnal variation of UHI intensity under different weather conditions in Shenyang region a.clear and calm w ind;b.different fog intensity;c.different rainfall intensity;d.differentw ind force

降水天氣條件的樣本數(shù)為1 638個,其中小雨、中雨、大雨和暴雨的樣本數(shù)分別為1 417個、131個、67個和23個。4種降水類型的城市熱島強度變化均表現(xiàn)為從02時到08時變化不大,但14時城市熱島強度明顯降低,然后再回升,至20時達最強(圖3c),暴雨的變化規(guī)律與其他三種類型有所差異,這可能與暴雨持續(xù)時間短、強度大有關(guān)。研究表明,降水分布、降水起止時間和局地強對流降水等因素對城市熱島效應(yīng)影響較大(王清川等,2009a)。隨著降水量的增加,城市熱島強度逐漸減弱(圖3),表明降水對城市熱島有明顯的減弱作用,余永江等(2009)也得出相似結(jié)論。其原因可能是降水時大量的云阻擋了太陽直接輻射,在僅有散射輻射時,城郊下墊面氣溫差別不大,所以城市熱島強度較低。晝夜城市熱島強度相比,4種降水類型均為夜間城市熱島強度大,晝夜差大雨時最小,小雨時最大(表2)。夜間兩個時次城市熱島強度差以中雨最大(0.42℃),然后依次為小雨(0.30℃)、大雨(0.24℃),暴雨最小(0.02℃)。白天兩個時次城市熱島強度差以大雨最大(0.39℃),中雨和小雨均為0.37℃,暴雨最小(0.27℃)。

小雨、中雨和大雨均在夏季樣本最多,分別為38.5%、53.4%和76.1%,其次是春秋季。四季城市熱島強度相比(表3),小雨和中雨均以冬、秋、春、夏的順序遞減,而暴雨則為夏季最強,然后是秋春季,冬季無樣本。日內(nèi)四個時次城市熱島強度相比,無論小雨、中雨還是大雨,四季均表現(xiàn)為20時最高,14時最低。其中20時最高值的小雨和中雨均出現(xiàn)在冬季,而大雨為夏季,最低值的小雨和大雨為春季,而中雨為夏季。小雨時,夜間兩個時次的差值以秋季最大(0.54℃)、冬季最小(0.19℃),而白天兩個時次的差值以冬季最大(1.02℃)、夏季最小(0.13℃);中雨時,夜間兩個時次的差值以冬季最大(0.58℃)、春季最小(0.24℃),而白天兩個時次的差值以冬季最大(1.58℃)、夏季最小(0.32℃);大雨時,夜間兩個時次的差值以夏季最大(0.31℃),白天兩個時次的差值以春季最大(0.47℃)。

2.2.3 霧

霧日的樣本數(shù)為155個,由于強濃霧樣本只有3個,無統(tǒng)計學(xué)意義,因此未對其規(guī)律進行分析。城市熱島強度在08時最弱(圖3b),20時最強,尤其是濃霧條件下,08時城市熱島強度低至0.04℃,這可能與霧出現(xiàn)和消散的時間有關(guān)。研究表明,沈陽主要為輻射霧,69%的霧出現(xiàn)在02—08時(邢江月等,2009)。霧出現(xiàn)時,太陽輻射減弱,氣溫明顯下降,城郊氣溫差降低,城市熱島強度減弱。隨著霧的強度變大,城市熱島強度逐漸減弱,表明霧對熱島存在明顯的減弱作用。這是因為霧的存在,阻擋了太陽直接輻射,在僅有散射輻射時,城郊下墊面溫差減小,因此城市熱島強度減弱。在霧和濃霧天氣條件下,夜間城市熱島強度均高于白天,晝夜城市熱島強度差分別為0.37℃和0.40℃(表2);夜間兩個時次的差分別為0.53℃和0.43℃,白天兩個時次的差分別為-0.57℃和0.20℃。

秋冬季霧日樣本較多,霧和濃霧在秋冬季分別為77.9%和69.7%。四季城市熱島強度相比(表3),霧以秋、冬、春、夏季的順序遞減,而濃霧以冬、秋、夏、春的順序遞減。日內(nèi)四個時次城市熱島強度相比,濃霧條件下,春、夏、秋、冬季均表現(xiàn)為20時最高,08時最低(冬季02時最低),春、夏、秋季08時均表現(xiàn)為冷島效應(yīng)。其中20時最高值為冬季的1.22℃,最低值為夏季08時的-1.02℃。霧天氣條件下,春、秋、冬季均為20時最高,而夏季14時最高。濃霧條件下,夜間兩個時次的差值以春季最大(0.82℃)、夏季最小(0.35℃),而白天兩個時次的差值與其他天氣條件下不同,在春夏秋季均為負值,并且夏季的差值最大。霧天氣條件下,夜間兩個時次的差值以春季最高(1.77℃)、夏季最低(-0.18℃),而白天夏、冬季均為負值,即08時城市熱島強度低于14時,而春秋季則為正值。

2.2.4 風(fēng)速

不同風(fēng)速天氣條件的樣本數(shù)為6 210個,其中1～3級風(fēng)占風(fēng)日總樣本的95.7%。所統(tǒng)計的7個級別的風(fēng)中,6級和6級以上風(fēng)資料只有1個樣本,沒有統(tǒng)計學(xué)意義,未進行分析。各級風(fēng)力中,城市熱島強度均表現(xiàn)為14時最弱(圖3d)、20時最強(5級風(fēng)02時最強)。各級風(fēng)力相比,城市熱島強度隨風(fēng)速的增加逐漸減弱(表4),表明風(fēng)速對城市熱島為減弱作用。其原因可能是當(dāng)風(fēng)速達到一定強度時,空氣層結(jié)不穩(wěn)定,城郊之間空氣的水平和垂直方向的混合作用較強,地面風(fēng)可以帶走城市熱量和城市氣體,起到減小城市熱島效應(yīng)的作用。各級風(fēng)力條件下均表現(xiàn)為夜間城市熱島強度高于白天,夜晝城市熱島強度差以1級風(fēng)最大,為0.57℃(表2)。夜間和白天兩個時次的差最大值分別為2級風(fēng)的0.46℃和5級風(fēng)的0.86℃。

表4 不同風(fēng)力條件下城市熱島強度的變化Table 4 Variation of UH I intensity under differentw ind speed conditions

四季相比,1～2級風(fēng)春夏秋冬四季所占比例相差不大,3～4級風(fēng)主要出現(xiàn)在春季。四季城市熱島強度相比(表3),0～5級風(fēng)力均以冬、秋、春、夏季的順序遞減。日內(nèi)四個時次城市熱島強度相比,1～3級風(fēng)春、夏、秋、冬四季均表現(xiàn)為20時最高、14時最低。其中20時最高值為1級風(fēng)冬季的1.39℃,最低值為1級風(fēng)春季14時的0.16℃。其他級別的風(fēng)力沒有相似規(guī)律。0～5級風(fēng)夜間兩個時次的差值以1級風(fēng)秋季最大(0.57℃)、1級風(fēng)夏季最小(0.15℃),而白天兩個時次的差值以0級風(fēng)冬季最大(0.70℃)、3級風(fēng)冬季最小(0.13℃)。

3 結(jié)論與討論

1)不同天氣條件下,城市熱島強度是不同的。除霧和濃霧天氣條件下,沈陽城市熱島強度08時最弱外,其他天氣條件下均表現(xiàn)為20時最強,14時最弱;不同天氣條件下,夜間城市熱島強度均高于白天;晴朗無風(fēng)條件下晝夜城市熱島強度差最大,為0.73℃。四季相比,除霧條件下秋季城市熱島強度最強外,其他均為冬季最強;除大雨條件下春季城市熱島強度最弱外,其他均為夏季最弱。沈陽城市熱島強度隨降水量的增加而減弱,隨能見度的降低而減弱,隨著風(fēng)速的增加而減弱。白天和夜間兩個時次的差值以1～3級風(fēng)夜間變化幅度大于白天,0級和4～5級風(fēng)速有相反規(guī)律,其他天氣條件下無明顯規(guī)律。

2)目前利用城郊溫差值法對城市熱島的研究最多。由于我國自動氣象站較少,尤其在沈陽用于城市熱島研究的理想站點更少,導(dǎo)致資料的代表性較差,制約著對城市熱島的研究。利用遙感資料可以解決城郊站點代表性的問題,但其時間的不連續(xù)性同樣限制著城市熱島研究。加密自動站站點眾多,分布均勻(沈陽市內(nèi)及郊區(qū)每隔3～4km分布一個加密自動站),但由于建站時間較短(沈陽自2006年下半年數(shù)據(jù)正常傳輸)以及建站初期時儀器不穩(wěn)定等原因使許多資料無法使用,使得可用于不同天氣條件的統(tǒng)計樣本較少,研究結(jié)果不具有統(tǒng)計學(xué)意義。因此,本文盡管只用一個郊區(qū)氣象站代表郊區(qū)氣溫,但這種長時間序列由于樣本眾多,使得對不同天氣條件下沈陽城市熱島的分析具有較高的可信度。在未來的研究中,如果將沈陽加密自動站資料(時間序列至少達到5a)與現(xiàn)有的長時間序列氣象站資料相結(jié)合,同時利用遙感資料,將會使城市熱島的研究更完善。

3)鑒于目前自動氣象站點分布不均以及數(shù)量較少,無法對不同天氣條件下城市不同方向(如城市東南西北方向)以及不同水平梯度(如沈陽環(huán)城高速內(nèi)外)城市熱島效應(yīng)進行研究,即無法對城市熱島進行精細化研究。因此,如何利用加密自動站站點眾多且分布均勻的特點,以城市中心站為城區(qū)代表,分別對不同方向、不同位置的城市熱島效應(yīng)進行精細化研究是未來需要探討的問題。同時,結(jié)合加密自動站資料進行的城市熱島研究結(jié)果如何為城市精細化天氣預(yù)報、城市建設(shè)和城市長遠規(guī)劃服務(wù),也是未來研究的重點。

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