陜西關(guān)中城市群熱島效應(yīng)指標(biāo)初探

董妍，彭艷，李星敏，王繁強(qiáng)，杜川利

陜西省氣象科學(xué)研究所，西安 710014

城市熱島效應(yīng)是城市氣候的基本特征之一[1-7]。隨著經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，城市不斷擴(kuò)張，使得城市熱島效應(yīng)有加劇的趨勢。在城市熱島的熱力作用，使得城市能耗增加，形成了熱島復(fù)合環(huán)流，局地風(fēng)從郊區(qū)吹向市區(qū)，把市區(qū)已擴(kuò)散到郊區(qū)的污染大氣又送回市區(qū)，加劇了城市的大氣污染，使得人居環(huán)境惡化[8]。目前，科研工作者利用氣象資料[9-10]和遙感影像[11-13]以及模型模擬[14-15]等方式開展了城市熱島時(shí)間、空間變化以及不同天氣條件下的城市熱島特征研究，并對城市熱島與城市氣候[16]、城市能耗[17]、城市化進(jìn)程[18]以及應(yīng)對城市熱島的措施[19]等進(jìn)行探討。但對城市群的熱島效應(yīng)研究相對較少，從而制約了人類對大區(qū)域內(nèi)，不同規(guī)模城市群的熱島效應(yīng)的理解和相關(guān)對策的制定。

城市熱島研究對城市規(guī)劃、城市環(huán)境保護(hù)等都有重要的指導(dǎo)作用[20]。大量的研究結(jié)果表明，世界上所有城市，無論規(guī)模大小、緯度高低，是位于沿海還是內(nèi)陸以及地形、環(huán)境如何，均存在城市熱島效應(yīng)[21]。任春艷等[22]通過對西北地區(qū)城市化對城市氣候環(huán)境的影響研究發(fā)現(xiàn)，城市“熱島效應(yīng)”在西北地區(qū)有一定程度的存在。

1 關(guān)中城市群地區(qū)

圖1 研究區(qū)域的地理位置Fig.1 Location of the study area

關(guān)中城市群地區(qū)（圖 1）位于陜西省中部關(guān)中平原，南依秦嶺，北接黃土高原，西起寶雞峽，東到潼關(guān)，東西長約400 km，南北寬30～80 km，隸屬歐亞大陸橋隴海-蘭新線中段，是以西安為核心，包括咸陽、渭南、寶雞、銅川等總共5個(gè)地級市、3個(gè)縣級市和32個(gè)縣，是我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略中歐亞大陸橋經(jīng)濟(jì)帶上綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)的核心支撐區(qū)，并有條件建設(shè)成為實(shí)施我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展第二步戰(zhàn)略的主要支撐主體[23]。區(qū)內(nèi)土地面積5.5×104km2，總?cè)丝?2326.88萬人，分別占全省的 27.0%和62.84%，人均GDP為10819元，是全省平均水平的 1.09倍。關(guān)中地區(qū)不但是我國目前最大的航空航天和國防科技裝備研發(fā)與制造基地，而且是我國傳統(tǒng)工業(yè)最密集的地區(qū)，已經(jīng)形成了紡織、電子、煤炭、石油化工、機(jī)械裝備、旅游、能源等較為完備的產(chǎn)業(yè)體系，其裝備工業(yè)一直是國家投入的重點(diǎn)區(qū)域。旅游業(yè)得天獨(dú)厚，對境外游客有很強(qiáng)的吸引力[24]。但是值得關(guān)注的是關(guān)中平原地處亞洲夏季風(fēng)邊緣，屬西北生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，對全球變化和環(huán)境要素的改變十分敏感[25]。因此，開展對關(guān)中城市群熱島效應(yīng)的研究，對于我們了解該地區(qū)城市氣候、對城市環(huán)境的保護(hù)和提高人文居住環(huán)境十分必要。

2 資料與方法

2.1 資料的選取

采用1970—2009年關(guān)中地區(qū)12個(gè)地面氣象觀測站觀測的逐月平均最高、最低和平均氣溫資料，使用最小二乘法對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？紤]到陜西地區(qū)城鎮(zhèn)的發(fā)展情況，選取關(guān)中地區(qū)6個(gè)人口相對密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較快速的城市和與它們距離較近的6個(gè)規(guī)模相對小的城鎮(zhèn)進(jìn)行比較研究，見表1。

2.2 溫度變化計(jì)算

計(jì)算溫度變化線性趨勢系數(shù)時(shí)，采用增長系數(shù)的方法進(jìn)行表示，增長系數(shù)反映序列樣本發(fā)展趨勢，避免人為造成的誤差，能夠?qū)夂蜃兓厔葑龀稣_判斷分析。采用時(shí)間（x）作為自變量，氣溫（氣象要素）作為因變量（y）建立一元趨勢方程，即可反映因變量發(fā)展趨勢。建立的一元趨勢方程為：

式中：y、x分別為因變量和自變量，n序列樣本數(shù)，c為常數(shù)，m即為序列趨勢系數(shù)。公式中的m，c可由最小二乘法求得。

2.3 熱島強(qiáng)度計(jì)算

一般使用氣溫資料進(jìn)行熱島強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，都是按照自然季節(jié)的劃分，計(jì)算各季、年平均溫度變化的線性趨勢和城市熱島效應(yīng)的增溫率。

定義十倍的線性趨勢系數(shù)為 10年際增溫率，定義城市站與鄉(xiāng)村站增溫率之差為區(qū)域熱島增溫率，即為城市熱島強(qiáng)度。單位是/10a℃。定義不同季節(jié)的城市熱島強(qiáng)度指標(biāo)：

式中：1B為指標(biāo)1；DGB表示大城市站最高氣溫線性趨勢；XGB表示小城市站同月的最高氣溫線性趨勢。

式中：2B為指標(biāo) 2；DDB為大城市站最低氣溫線性趨勢；XDB為小城市站同月的最低氣溫線性趨勢。

式中：3B為指標(biāo) 3；DMB為大城市站平均氣溫線性趨勢；XMB為小城市同月的平均氣溫線性趨勢。

3 基于單站點(diǎn)城郊溫度對比的熱島強(qiáng)度指標(biāo)

曾俠等[26]指出，廣東省沿海大部分氣象站受城市熱島效應(yīng)影響，并存在明顯的季節(jié)變化，熱島強(qiáng)度秋、冬季大于春、夏季。張?jiān)坪５萚27]研究指出，沈陽城市熱島強(qiáng)度冬季最強(qiáng)，且年際變化增加趨勢明顯。前人的普遍研究認(rèn)為冬季是熱島效應(yīng)表現(xiàn)最明顯的季節(jié)，因此表2給出了關(guān)中城市群中，典型的6個(gè)城市及其周邊鄰近的小城市的10年尺度冬季最高、最低和平均溫度直線趨勢和基于單站點(diǎn)城郊溫度對比的熱島強(qiáng)度指標(biāo)。

表2可見，研究區(qū)域內(nèi)6組大-小城市中，3個(gè)熱島強(qiáng)度指標(biāo)差別很大，其中西安、寶雞、渭南和咸陽市的熱島強(qiáng)度基本為正值，說明這四個(gè)城市比鄰近小城市的氣溫高，存在熱島效應(yīng)。而銅川和華陰的熱島強(qiáng)度指標(biāo)為負(fù)值，說明銅川市和華陰市比臨近的白水縣和潼關(guān)縣氣溫變化趨勢還小，顯然，這種現(xiàn)象很難用城市熱島現(xiàn)象來解釋。

表2 大、小城市冬季最高、最低和平均氣溫直線趨勢和熱島強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Linear trends of winter maximum, minimum and mean temperature, and HUI intensity indices for the eighteen cities in eastern in Shanxi℃/10a

表1 關(guān)中主要城市群基本信息Table 1 Basic information of city of Guanzhong in Shanxi

從表2比較發(fā)現(xiàn)，銅川、華陰兩市的熱島效應(yīng)計(jì)算得到的結(jié)果為負(fù)值的原因，主要是由于小城市氣溫增加的趨勢比大城市快。圖2取華陰與附近的潼關(guān)、銅川與附近的白水平均氣溫年際變化進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn) 40年（1970—2009）間，潼關(guān)平均氣溫上升的速率是0.495 ℃/10 a，華陰平均氣溫上升的速率為0.139 ℃/10 a；白水平均氣溫上升的速率是0.247 ℃/10 a，而銅川平均氣溫上升的速率為0.226℃/ 10 a。這些數(shù)據(jù)說明小城市潼關(guān)和白水氣溫變暖的趨勢比華陰和銅川還大，因此對華陰、銅川而言單站點(diǎn)城郊溫度對比的熱島強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)值。說明小城市本身氣溫的增暖也在加快，并且其升溫的趨勢不一定低于大城市。

單站點(diǎn)城郊溫度對比的熱島強(qiáng)度指標(biāo)能夠消除大、小城市氣候變暖趨勢的影響，但是由于小城市也存在的城市化的影響，使用氣溫變化趨勢差值的方法度量城市熱島效應(yīng)，顯然無法解釋城市的熱島效應(yīng)為負(fù)值的問題。

4 基于日較差的熱島強(qiáng)度計(jì)算

城市熱島效應(yīng)的程度與城市規(guī)模密切相關(guān)，其影響因子主要有2個(gè)方面：（1）下墊面性質(zhì)，包括城市中的建筑群、柏油路面等，它們的反射率小而吸收多的太陽輻射，奠定了城市熱島的能量基礎(chǔ)。（2）城市中的大量人為熱，包括冬季取暖、夏季空調(diào)開放、工業(yè)耗能散熱等，加劇了城市的熱島效用[28]。即城市熱島效應(yīng)主要是由于城市化的影響，包括人口的增加，空氣污染增加，空氣混濁度增加等原因。其中，度量城市空氣混濁度可以使用日較差法，即最高與最低氣溫差值。日較差的月平均值可以反映城市化的程度，年變化已經(jīng)消除局地的自然變化影響（例如全球的氣候變暖趨勢），因此使用各季節(jié)日較差的年變化的直線趨勢，可以反映各季節(jié)城市化的熱島效應(yīng)[29]。表3給出了 1970—2009間，陜西關(guān)中地區(qū) 12個(gè)大、小城市的各季和年的日較差直線趨勢比較。

圖2a 華陰（實(shí)現(xiàn)）-潼關(guān)（虛線）氣溫年實(shí)際變化曲線及變化趨勢Fig.2a Yearly variation of temperature linear trend in Huayin/ (solid line)-Tongguan/ (dash line)

圖2b 銅川（實(shí)現(xiàn)）-白水（虛線）氣溫年實(shí)際變化曲線及變化趨勢Fig.2b Yearly variation of temperature linear trend in Tongchuan/ (solid line)-baishui/ (dash line)

表3可見，大、小城市各個(gè)季節(jié)的日較差直線趨勢值有正有負(fù)，表明各季和年的城市混濁度變化不一。日較差直線趨勢為正值，即最高氣溫比最低氣溫趨勢增加快，說明該城市各季和年的城市混濁度逐年減?。ɡ缢{(lán)田）；日較差直線趨勢為負(fù)值，即最高氣溫比最低氣溫趨勢增加緩慢，說明各季和年的城市混濁度逐年增加（例如西安市）。但是，該結(jié)果與近60年陜西關(guān)中城市群大氣能見度變化趨勢與大氣污染研究的分析結(jié)果卻有比較大的差異。以藍(lán)田站為例，通過日較差的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，藍(lán)田年日較差直線趨勢為0.371 ℃（10/a），冬、春、秋季的日較差直線趨勢也都為正值，表明藍(lán)田1970—2009年間城市混濁度逐年減?。蝗欢ㄟ^對藍(lán)田氣象站能見度（1959—2009年）觀測資料分析得到藍(lán)田能見度變化時(shí)間序列（圖 3），發(fā)現(xiàn)藍(lán)田能見度從50年間呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，表明了藍(lán)田大氣氣溶膠的增加趨勢，即50年間，藍(lán)田地區(qū)的城市混濁度逐年增加。尤其是1980年前后，1958—1979年間，藍(lán)田能見度斜率為-0.0009，1980年后，藍(lán)田能見度斜率為-0.0021，其比值為4.5，說明1980年后，藍(lán)田能見度遞減迅速，1980年后藍(lán)田能見度遞減速度為1980年之前的4.5倍。由此可見，日較差法得到城市混濁度的變化結(jié)果與實(shí)際觀測的情況差異比較大，說明日較差法對于衡量陜西關(guān)中地區(qū)城市群的熱島強(qiáng)度并不十分適用。

表3 關(guān)中12個(gè)大、小城市的TDR直線趨勢Table 3 Linear trends of TDR in the eighteen cities in GuanZhong /10a℃

圖3 藍(lán)田站（1959—2009）能見度變化Fig.3 The change of visibility in Lantian

5 改進(jìn)型熱島強(qiáng)度指標(biāo)

熱島效應(yīng)除了反映城市中心與城市邊緣的溫度差值，其本身還包含了城市對于郊區(qū)的熱量比差作用，特別是當(dāng)城市化發(fā)展愈來愈快時(shí)，城市上空空氣污染物大量積聚，城市逆溫層更加深厚穩(wěn)定，市區(qū)熱量不易擴(kuò)散，市郊溫差會愈來愈大。因此，直接利用市郊溫差（傳統(tǒng)的熱島強(qiáng)度計(jì)算）難以真實(shí)反映城市化發(fā)展對氣溫的準(zhǔn)確影響。如果使用不受熱島效應(yīng)影響的“特殊站點(diǎn)”作為城郊?xì)鉁貙Ρ鹊膮⒄照揪涂梢蕴蕹裏釐u效應(yīng)的虛假影響。陜西華山氣象觀測站位于華山西峰，海拔2064.9 m，屬于高山站，目前華山氣象站以優(yōu)越的地理位置和特殊的氣象觀測條件，其觀測資料的特殊代表性受到越來越多的氣象科研工作者的認(rèn)可，不少氣象學(xué)者認(rèn)為該站觀測結(jié)果不受城市熱島效應(yīng)的影響，造成其增溫的主要原因?yàn)榫值貧夂蜃兓?；華縣觀測站位于秦嶺東部、渭河南岸的少華山腳下，距華山30 km，地勢南高北低，屬于半山區(qū)縣，該站點(diǎn)地勢高且

遠(yuǎn)離城市，其增溫的主要因素為局地氣候變化和氣溶膠的影響（表4）。而關(guān)中地區(qū)其他大、小城市，平均海拔相對華山和華縣氣象站較低，且所屬轄區(qū)內(nèi)皆存在氣溶膠的產(chǎn)生和排放，導(dǎo)致這些大、小城市都存在熱島效應(yīng)。因此，使用華縣氣象站作為對比站，可以剔除其他原因造成的城市增溫現(xiàn)象，從而反映城市熱島效應(yīng)。

表4 華山氣象站、華縣氣象站基本情況Table 4 Basic information of city of Guanzhong in Shanxi

使用改進(jìn)的熱島強(qiáng)度計(jì)算方法，定義 10倍的線性趨勢系數(shù)為 10年際增溫率，定義城市站與華縣站增溫率之差為區(qū)域熱島增溫率，即為城市熱島強(qiáng)度，單位是℃/10 a。定義最高氣溫差變化趨勢為熱島強(qiáng)度最低氣溫差變化趨勢為指標(biāo)和平均氣溫變化趨勢為指標(biāo)從而反映各季節(jié)、年熱島效應(yīng)。表5和表6是通過改進(jìn)法得到的關(guān)中大、小城市的熱島強(qiáng)度。

表5、表6可見，11個(gè)城市與華縣的年平均溫度增溫差均為正值，說明消除局地氣候變化和氣溶膠引起的增溫因素外，熱島效應(yīng)對這些城市的增溫起明顯的作用，大城市得到差值比小城市大，小城市也存在平均溫度差，且小城市的增溫差小于大城市的增溫差。為了與傳統(tǒng)熱島強(qiáng)度指標(biāo)和基于日較差的熱島強(qiáng)度指標(biāo)比較，將改進(jìn)對比站點(diǎn)得到的增溫差定義為城市新的熱島強(qiáng)度指標(biāo)，即表5和表6中的從中可見，一般大城市熱島效應(yīng)比小城市強(qiáng)，大城市春季平均溫度與華縣平均溫度差值10年約增加0.28 ℃。這個(gè)數(shù)值和國內(nèi)其他熱島效應(yīng)指標(biāo)研究的結(jié)果相當(dāng)[30-32]。

另外，通過熱島強(qiáng)度指標(biāo)值還發(fā)現(xiàn)，冬春季城市熱島效應(yīng)高于夏秋季，這可能與冬季城市取暖，季節(jié)風(fēng)向等有關(guān)系。小城市也存在城市熱島效應(yīng)（表6），春季，小城市的熱島效應(yīng)在所有季節(jié)中最強(qiáng)，只不過比大城市要弱。

表5 大城市四季最高、最低和平均氣溫直線趨勢和改進(jìn)的熱島強(qiáng)度指標(biāo)Table 5 Linear trends of winter maximum, minimum and mean temperature, and advanced version HUI index for the six big cites in Guanzhong℃/10a

表6 小城市四季最高、最低和平均氣溫直線趨勢和改進(jìn)的熱島強(qiáng)度指標(biāo)Table 6 Linear trends of winter maximum, minimum and mean temperature, and advanced version HUI index for the six big cites in Guanzhong℃/10a

小城市站則以藍(lán)田站為例，藍(lán)田縣位于秦嶺北麓，關(guān)中平原東南部，縣城距西安35 km，是西安的東南門戶。藍(lán)田氣象測站位于縣城東北方向的半嶺地區(qū)；海拔高度 540.2 m，東面、北面、南面均有山溝、河流和水庫，西面地勢較為平坦，不受西安城市熱島的影響，傳統(tǒng)的熱島計(jì)算方法一般以藍(lán)田站為鄉(xiāng)村站對西安市的熱島強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，這種方法忽略了藍(lán)田本身的熱島效應(yīng)，而使用改進(jìn)的熱島強(qiáng)度計(jì)算方法后，藍(lán)田的熱島效應(yīng)也計(jì)算出來。表6可知，藍(lán)田四季熱島強(qiáng)度值分別為春季0.049，夏季0.0022，秋季0.0029和冬季0.1315，熱島強(qiáng)度最強(qiáng)出現(xiàn)在春季，其次是冬季，秋季的熱島強(qiáng)度最弱。

6 結(jié)論

（1）通過計(jì)算分析，基于單站點(diǎn)的城郊溫度對比計(jì)算和基于日較差法的計(jì)算方法并不適合關(guān)中城市群城市熱島效應(yīng)的研究。

（2）以華縣站（基本不受熱島效應(yīng)影響）作為對比站，改進(jìn)的熱島強(qiáng)度計(jì)算方法所得到的熱島強(qiáng)度指標(biāo)可以良好的反映出關(guān)中地區(qū)大、小城市熱島效應(yīng)和強(qiáng)度。分析發(fā)現(xiàn)，無論城市規(guī)模大小，關(guān)中地區(qū)縣市都存在熱島效應(yīng)，且一年四季都存在。熱島強(qiáng)度冬春季強(qiáng)，夏秋季弱。大城市的熱島強(qiáng)度無論季節(jié)或年增加幅度均比小城市大，特別是冬、秋季。

利用改進(jìn)的熱島強(qiáng)度指標(biāo)對城市熱島效應(yīng)分析表明，陜西關(guān)中大城市熱島效應(yīng)與前人研究結(jié)果類似，說明該指標(biāo)能夠描述城市的熱島效應(yīng)，特別是還能夠用來衡量小城市的熱島效應(yīng)，能夠反映出人類活動對城市氣溫變化的影響。

值得今后進(jìn)一步研究的是，對區(qū)域性的城市群熱島效應(yīng)的分析，以氣溫作為度量熱島效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還可以建立其他方面的指標(biāo)體系進(jìn)行描述，或者通過衛(wèi)星遙感資料和數(shù)值模擬的方式從多個(gè)角度進(jìn)行研究。

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