天津城市熱島效應(yīng)的時空變化特征

黃利萍，苗峻峰，劉月琨

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;2.天津市氣象局，天津300074)

0 引言

城市是一種特殊的下墊面，它能對氣候產(chǎn)生顯著的影響。城市化發(fā)展使得城市中心的氣溫明顯高于周圍環(huán)境，城市猶如一個溫暖的島嶼佇立于周圍鄉(xiāng)村冷的海洋上，稱為“城市熱島”效應(yīng)(urban heat island，UHI)。Luke(1833)是倫敦?zé)釐u的首倡者，此后各國學(xué)者對不同緯度、不同類型的城市陸續(xù)做了大量的城、郊?xì)鉁貙Ρ扔^測亦發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。城市熱島強度具有日變化和年變化的周期性規(guī)律:在城郊地形平坦、高壓控制、晴朗小風(fēng)的靜穩(wěn)天氣條件下，城市熱島日變化表現(xiàn)為夜晚強、白天午間弱(Oke and East，1971;鄧蓮堂等，2001);城市熱島的年變化比較復(fù)雜，各國年變化頗不一致，因資料年代和區(qū)域氣候條件而異，我國大多以秋、冬季較強，夏季和晚春較弱(周淑貞和張超，1982;張尚印等，2006)。城市熱島強度的非周期性變化則與城市規(guī)模、人為熱排放、天氣條件和地形等因子有關(guān)(Oke，1973;Landsberg，1981;謝莊等，2006;李麗光等，2011)。Sundborg(1950)首次利用多元線性回歸方法分析了云量、風(fēng)速、氣溫和絕對濕度與城市熱島強度的相關(guān)性，此后的研究陸續(xù)采用多元非線性回歸、多維尺度分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、波譜分析、聚類分析等方法來研究各種氣象因子與城市熱島強度的關(guān)系(Duckworth and Sandberg，1954;Morris et al.，2001;Kim and Baik，2002，2004)。海濱城市與內(nèi)陸城市相比，即使城市規(guī)模大于內(nèi)陸城市，但日最大熱島強度的年平均值仍然較小(苗曼倩和唐有華，1998;Gedzelman et al.，2003;Kim and Baik，2004)。城市熱島效應(yīng)一方面會對天氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響，例如夏季強對流天氣增多和城市下風(fēng)方向降水增加(Robert and Qing，2000;Karen，2006);另一方面也會對城市污染物的擴(kuò)散產(chǎn)生影響(苗曼倩，1990;韓素芹等，2009)。天津地區(qū)城市熱島效應(yīng)的研究自20世紀(jì)80年代就陸續(xù)展開，熱島效應(yīng)的總體特征表現(xiàn)為:冬、秋季強，夏季最弱;夜晚強，午間弱;整個城市熱島的形狀、走向、位置與建成區(qū)一致(邊海和鐵學(xué)熙，1988;孫弈敏和邊海，1988);隨著城市的發(fā)展，熱島強度隨年代以0.11℃/(10 a)速率加強，城市熱場的范圍也呈擴(kuò)大趨勢，熱中心的形成與下墊面的土地利用形式有關(guān)，多與工業(yè)高能耗區(qū)相對應(yīng)(韓素芹等，2007)。天津地區(qū)城市熱島效應(yīng)因氣候和地形的影響有其獨特性，研究表明:天津地區(qū)的地理環(huán)境特征能使城市熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流相互耦合(劉樹華等，2008)，海陸風(fēng)效應(yīng)對天津城市熱島效應(yīng)有一定的削弱作用(于恩洪和陳彬，1987)。

城市熱島效應(yīng)使得夏季城市高溫災(zāi)害頻發(fā)、強對流天氣增多，造成能源消耗增加、環(huán)境質(zhì)量綜合下降，更易發(fā)生城市內(nèi)澇，嚴(yán)重影響城市社會經(jīng)濟(jì)正常運轉(zhuǎn)和城市基礎(chǔ)設(shè)施安全。天津位于渤海灣西部，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中樞城市之一，研究天津市熱島效應(yīng)的時空變化特征，對于天氣預(yù)報、污染治理和城市規(guī)劃等都有重要意義。地面站一日四次的常規(guī)數(shù)據(jù)能很好地詮釋城市熱島的年季特征，但由于時空分辨率有限，在揭示熱島日變化規(guī)律方面存在不足，所以本文的研究資料使用的是2008年天津市14個地面自動站的逐時觀測資料，站點空間分布密集，資料的時空分辨率較高，試圖進(jìn)一步揭示天津市熱島效應(yīng)的日變化特征。以往的研究大多是利用位于城市和郊區(qū)觀測站的氣溫之差來度量城市熱島強度，很少研究城郊站點的選擇不同對城市熱島強度的影響，而關(guān)于城郊代表性站點如何選取也一直存在爭議，并沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文將根據(jù)天津地區(qū)14個自動站的空間分布對其進(jìn)行區(qū)域劃分，試圖研究城郊站的選取對城市熱島強度的影響，希望得到一個合理的選站方案，并通過分析天津站與城區(qū)周邊不同區(qū)域站點的逐時溫差變化來探討各站點對天津城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和站點分布

本文數(shù)據(jù)資料采用的是天津市14個地面自動氣象站2008年的逐時氣溫、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速資料，天津市地面常規(guī)氣象觀測站6 h一次的云量、云高資料。天津共有14個地面自動氣象觀測站(圖1)，本文以天津站為圓心，分別取半徑為45.5 km和91 km的兩個同心圓區(qū)域，作為天津城市熱島效應(yīng)的研究區(qū)域，內(nèi)圓區(qū)域為天津站和近郊站(武清、北辰、西青、靜海、東麗、津南)，圓環(huán)區(qū)域為遠(yuǎn)郊站(寶坻、寧河)和沿海站(漢沽、塘沽、大港)。天津市北部的薊縣站和渤海灣的A平臺站分別受山地地形和海洋環(huán)境影響較明顯，并且都距離天津市區(qū)100 km以上，故本文不考慮這兩個站點對天津城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)。另外，由于天津市周邊區(qū)域都不同程度上受到天津城市化發(fā)展的影響，故本文將外圓區(qū)域內(nèi)除天津站之外的11個站統(tǒng)稱為“周邊站”。

1.2 分析方法和數(shù)據(jù)處理

1.2.1 熱島強度的定義

“城市熱島強度”是指城市中心區(qū)的氣溫與周圍郊區(qū)氣溫的差值，用它來表征城市小氣候影響下城區(qū)與郊區(qū)溫差的程度。由熱島強度的定義可知，它反映的是一個區(qū)域的均量，因此如何合理選擇城郊代表性觀測站顯得尤為重要。關(guān)于城郊代表性站點的選擇及城市熱島強度的計算方法，目前并沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般使用城區(qū)各站平均氣溫與同時間同高度各郊區(qū)站平均氣溫的差值來表示城市熱島強度(劉繼韓，1987)，計算公式為:ΔTU－R=ˉTU－ˉTR，其中:ΔTU－R為城市熱島強度值;ˉTU為城區(qū)各站氣溫的平均值;ˉTR為郊區(qū)各站氣溫的平均值。為了更客觀地認(rèn)識天津市熱島強度的時空特征，本文采用4種方案(表1)對城區(qū)站和郊區(qū)站的代表性進(jìn)行了對比分析，試圖得到一個合理的選站方案。

圖1 天津地區(qū)自動氣象站分布(以天津站為圓心的兩個同心圓，內(nèi)、外圓半徑分別為45.5 km、91 km)Fig.1 Distribution of the automatic weather stations in Tianjin(Tianjin station is the center of two concentric circles，and the radiuses of the inside and outside circles are 45.5 km and 91 km respectively)

表1 天津市城區(qū)站和郊區(qū)站的4種選擇方案Table 1 Four plans to choose the urban and suburban stations in Tianjin

周淑貞和束烔(1994)曾使用城區(qū)某一代表性的觀測站與郊區(qū)某一代表性觀測站的氣溫差值來表示熱島強度，所以本文為了分析天津城區(qū)周邊區(qū)域不同站點對天津城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)，分別取天津站與同時刻11個周邊站的氣溫之差作為“天津市區(qū)站與該11站的溫差”，計算公式為:ΔTU－Ri=TUt－T(Rt)i，其中:ΔTU－Ri為t時刻天津市區(qū)站與第i個周邊站的溫差;TUt為t時刻天津站氣溫;T(Rt)i為t時刻第i個周邊站氣溫，i=1，2，…，11?！疤旖蚴袇^(qū)站分別與11站的溫差”實質(zhì)上是定義了11個不同的天津市熱島強度，當(dāng)選擇城區(qū)周邊不同站點作為郊區(qū)站代表時，天津市熱島強度也隨之改變，某時刻天津市區(qū)站與某個周邊站的溫差越大，則表示使用該站作為郊區(qū)站時得到的天津市熱島強度越強。因此，利用“天津市區(qū)站與11個周邊站的溫差”可以統(tǒng)計出周邊各站對天津市熱島強度的貢獻(xiàn)。

1.2.2 熱島強度的分類

本文季節(jié)的定義:將2008年1月、2月和12月定義為2008年冬季，其他季節(jié)仍使用氣象上標(biāo)準(zhǔn)的季。本文參考以往研究關(guān)于熱島強度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)(周明煜等，1980)，將熱島強度分為四類。1)強熱島:春季(熱島強度≥2.5℃)，夏季、年(熱島強度≥2℃)，秋、冬季(熱島強度≥4℃);2)弱熱島:春季(0.5℃≤熱島強度＜2.5℃)，夏季、年(0.5℃≤熱島強度＜2℃)，秋、冬季(0.5℃≤熱島強度＜4℃);3)無熱島:春、夏、秋、冬、年(－0.5℃≤熱島強度＜0.5℃);4)冷島:春、夏、秋、冬、年(熱島強度＜－0.5℃)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對2008年14個自動站小時資料進(jìn)行質(zhì)量控制:對一日內(nèi)(00時—23時，北京時間，下同)缺測時次達(dá)10 h以上的，該日不參加統(tǒng)計;對一日內(nèi)缺測時次不超過10 h的，缺測時次不參加統(tǒng)計，該日其余時次仍參加統(tǒng)計。結(jié)果顯示:大港站參加統(tǒng)計的時次為8 770個，塘沽站為8 782個，靜海站為8 775個，渤海A平臺站為8 769個，其余10站均未出現(xiàn)缺測，統(tǒng)計時次均為8 784個。因此，“天津市熱島強度”樣本容量為8 784個，“天津市區(qū)站與11個周邊站的溫差”樣本容量除大港為8 770個、塘沽為8 782個，靜海為8 775個外，其余8站均為8 784個。

2 天津地區(qū)氣溫的時空分布特征

為分析2008年天津地區(qū)溫度場的時空特征，本文使用經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)分析法，對2008年天津市14個自動站的逐小時氣溫進(jìn)行了時空分解，14站的統(tǒng)計時次均為8 744個。

在進(jìn)行EOF分解時，各特征向量是正交并且相互獨立的，而實際計算中卻不一定能保持這種性質(zhì)，原因是所取的樣本數(shù)有限，易造成取樣誤差，使得特征向量不能相互獨立，尤其是相鄰的特征向量。因此，需要對EOF分析的結(jié)果進(jìn)行取樣誤差估計，計算公式(North et al.，1982)如下:

其中:N為樣本容量;δλα為特征值的取樣誤差;Δλα為相鄰兩個特征值之差λα－λα';δΦα(i)為特征向量的取樣誤差。當(dāng)δλα大于等于Δλα?xí)r，特征向量的分量的取樣誤差就達(dá)到或超過相鄰特征向量的分量，當(dāng)處在這種情況時，該特征向量的估計就無意義了(吳洪寶和吳蕾，2005)。

對2008年14個站的小時溫度場進(jìn)行EOF分解，經(jīng)North et al.(1982)驗證，發(fā)現(xiàn)前兩個模態(tài)之間的獨立性較好，累積方差貢獻(xiàn)率為99.37%，其中第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了98.52%，表示2008年天津地區(qū)溫度場的分布特征與第一模態(tài)表現(xiàn)出的特征基本一致。如圖2a所示，第一模態(tài)特征向量場在天津區(qū)域為一致的正值區(qū)，說明2008年整個天津區(qū)域氣溫變化一致，高值中心位于天津站和近郊的東麗、津南站附近，低值中心在渤海A平臺和遠(yuǎn)郊的寶坻站。從第一模態(tài)所對應(yīng)的時間系數(shù)序列(圖2c)可以得到，2008年1—3月、11—12月期間，溫度持續(xù)偏低，12月中旬有一負(fù)向峰值，溫度偏低最明顯，而4—10月期間溫度持續(xù)偏高，其中7月至8月上旬溫度偏高最明顯。

圖2 天津地區(qū)14個自動站2008年小時溫度場的EOF分解得到的第一模態(tài)(a;×10－2)、第二模態(tài)的空間分布(b;×10－2)和第一(c)、第二(d)模態(tài)所對應(yīng)的主分量Fig.2 Spatial distribution of the(a)first and the(b)second mode of the result of EOF decomposition of the hourly temperature from 14 automatic stations in Tianjin in the year 2008;temporal coefficient series diagram of(c)the first and(d)the second mode of the result of EOF decomposition of the hourly temperature from 14 automatic stations in Tianjin in the year 2008

第二模態(tài)特征向量場(圖2b)呈“西北負(fù)東南正”的分布型，正值中心位于渤海A平臺站和沿海的塘沽站，負(fù)值中心在寶坻、武清一帶，說明西北內(nèi)陸站與東南沿海站的溫度呈反向變化。根據(jù)第二模態(tài)的空間型所對應(yīng)的時間系數(shù)(圖2d)，2008年沿海站和內(nèi)陸站溫度的反向變化較為平穩(wěn)，2—7月西北內(nèi)陸氣溫略偏高，東南沿海地區(qū)則稍偏低，而在1月、8—12月西北內(nèi)陸溫度略偏低，東南沿海溫度稍偏高。

綜上所述:EOF分析的第一模態(tài)表明2008年天津地區(qū)存在城市熱島現(xiàn)象，熱島中心位于天津、東麗、津南站附近，同時也反映了天津地區(qū)氣溫的季節(jié)變化特征，第二模態(tài)表現(xiàn)出因海陸熱力差異而導(dǎo)致的溫度時空分布差異，春、夏季內(nèi)陸氣溫高于沿海，秋、冬季相反。因此，天津地區(qū)四季分明，熱島現(xiàn)象顯著，同時由于地處渤海灣西岸，氣溫時空變化在一定程度上受到海洋環(huán)境的影響，下文將進(jìn)一步分析天津城市熱島效應(yīng)的時空特征。

3 天津市熱島效應(yīng)的時空特征

3.1 天津市熱島效應(yīng)的日變化特征

根據(jù)表1中的4種方案得到了2008年天津市熱島強度的4種日變化曲線(圖3)，可以發(fā)現(xiàn):方案UHI1、UHI2和UHI4的日變化趨勢基本一致，呈“兩峰一谷”型分布:夜間和日出前各有一個峰值，白天存在一個谷值，這種分布型與城、郊地表輻射收支情況相吻合，也與以往研究結(jié)論基本一致(孫弈敏和邊海，1988);而方案UHI3的熱島日變化曲線與方案UHI1、UHI2和UHI4的日變化趨勢正好相反，夜間熱島消失，白天午后存在一個熱島強度的日極大值(16時)。由此可見，城、郊站的選擇對城市熱島強度的計算有顯著影響，下面將進(jìn)一步對比分析方案UHI1、UHI2和UHI4的日變化曲線，選出能客觀反映熱島強度日變化規(guī)律的合理方案。方案UHI1中，天津市白天無熱島，夜間為弱熱島，而方案UHI2、UHI4的白天和夜間均出現(xiàn)弱熱島;方案UHI1、UHI2和UHI4中，熱島強度的日最大值分別出現(xiàn)在04時、19時、04時，日最小值分別出現(xiàn)在14時、11時、12時;在08—21時，方案UHI2的熱島最強、UHI4次之、UHI1最小，22時—次日07時則正好相反，并且方案UHI1中熱島強度的日變化最大，方案UHI4次之，方案UHI2最小。分析方案UHI1、UHI2和UHI4中熱島強度日變化不同的原因可能是:沿海站因受海洋環(huán)境的影響，白天氣溫低于內(nèi)陸站，夜間氣溫高于內(nèi)陸站，而遠(yuǎn)郊站因距離城區(qū)較遠(yuǎn)，白天和夜間的氣溫均小于近郊的內(nèi)陸站，所以方案UHI2、UHI4與方案UHI1相比，白天熱島較強，夜間熱島較弱。由此可見，方案UHI1相比方案UHI2、UHI4而言更為客觀，城、郊站點基本不受局地地形和海岸環(huán)境的影響，所以選擇方案UHI1作為計算天津市熱島強度的最終方案。

因此，天津市熱島強度的計算公式為:ΔTU－R=TUt－ˉTRt，其中:ΔTU－R為t時刻天津市熱島強度值;TUt為t時刻天津站氣溫;ˉTRt為t時刻近郊站(武清、北辰、西青、靜海、東麗、津南)氣溫的算術(shù)平均值。

圖3 4種方案得到的2008年天津市熱島強度的日變化曲線(單位:℃)Fig.3 Diurnal variation curves of hourly urban heat island intensity in Tianjin according to four different plans in 2008(Units:℃)

由圖4可知，2008年秋、冬季天津市日最大熱島強度的平均值ΔTU－R為2.2℃，春、夏季平均為1.3℃，年平均1.7℃。2008年天津市熱島強度的全年和四季的日變化曲線基本一致，呈“兩峰一谷”型分布:ΔTU－R值在12—16時之間存在一個谷值，此后熱島強度迅速增加，夜間22時左右達(dá)到第一個峰值，此后幾乎為常值，04—07時達(dá)到第二個峰值，日出后熱島強度迅速減小，并且日出后熱島下降曲線比日落后熱島增加曲線更陡峭，這可能是因為日出前輻射逆溫最強，日出后逆溫層迅速被破壞。秋、冬季熱島強度的日變化幅度明顯大于春、夏季，熱島強度冬夜最強，春晝最弱，且秋、冬季ΔTU－R達(dá)到夜間第一個峰值的時間早于春、夏季，而達(dá)到第二個峰值的時間晚于春、夏季，這是由于秋、冬季節(jié)日落早，日出遲，夜晚長，有利于形成穩(wěn)定深厚的逆溫層。熱島強度的這種日變化特征與城鄉(xiāng)地表輻射熱量收支差異有關(guān)，郊區(qū)地表熱容量小，日出后升溫較快，熱島強度迅速減小;午后的平流和垂直方向的湍流使城郊熱量交換達(dá)到最強，此時熱島強度最弱;日落之后，郊區(qū)輻射降溫作用非常明顯，而城市下墊面更易貯存熱量，降溫比較緩慢，一旦郊區(qū)形成穩(wěn)定的逆溫層，城郊降溫速率基本一致，因而熱島強度達(dá)到第一個峰值后幾乎穩(wěn)定不變，日出前郊區(qū)輻射逆溫最強，熱島強度到達(dá)第二個峰值。

下面使用“天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差”日變化來分析11個周邊站對天津市熱島強度日變化的貢獻(xiàn)，其中溫差類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)與熱島強度的類型相同。圖5為2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時平均溫差的日變化情況，可以發(fā)現(xiàn):由于海陸熱力差異，天津市區(qū)站與沿海的塘沽、大港和漢沽站的溫差日極大值出現(xiàn)在17—18時，且溫差值夜間穩(wěn)定少變，而天津市區(qū)站與其余8個內(nèi)陸站的溫差日極大值均出現(xiàn)在午夜和日出之前，且午后均有一個極小值。天津市區(qū)站與遠(yuǎn)郊的寶坻和近郊的武清站的溫差晝夜差值較大，而天津市區(qū)站與遠(yuǎn)郊的寧河、近郊的東麗、沿海的大港和漢沽站的溫差值日變化較小。天津市區(qū)站分別與11站的日最大溫差值，總體上呈自西北內(nèi)陸站向沿海站減小的趨勢，但近郊的東麗站比較特殊，東麗站于2006年向西遷至天津市區(qū)邊緣，基本上與市區(qū)融為一體，探測環(huán)境為“集鎮(zhèn)”，因而天津站與其溫差的日最大值小于其余10站。

天津市區(qū)站與沿海的塘沽和大港站的溫差類型，白天大多能達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)，夜間多為無熱島標(biāo)準(zhǔn)，漢沽站因位于海岸線西北部，天津市區(qū)站與漢沽站溫差的日極大、極小值都出現(xiàn)在白天。天津市區(qū)站與沿海的漢沽和遠(yuǎn)郊的寧河站，晝夜溫差類型幾乎均達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)。天津市區(qū)站與近郊站(除北辰和武清站)的溫差類型，白天為無熱島標(biāo)準(zhǔn)，夜間達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)，天津市區(qū)站與北辰站的溫差類型，白天為無熱島標(biāo)準(zhǔn)，夜間達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)。天津市區(qū)站與遠(yuǎn)郊的寶坻站和近郊的武清站的溫差類型，白天多為弱熱島標(biāo)準(zhǔn)，夜間達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)。因此，天津市區(qū)站與11個周邊站的溫差類型中，白天沿海站達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)，近郊站為無熱島和弱熱島，遠(yuǎn)郊站為弱熱島，夜間沿海站為無熱島和弱熱島，內(nèi)陸近郊站和遠(yuǎn)郊站均為弱熱島和強熱島，可見郊區(qū)站地理位置的變化對熱島強度的日變化有很大的影響。

圖4 2008年春、夏、秋、冬季和全年的天津市熱島強度的日變化曲線(單位:℃)Fig.4 Curves of hourly urban heat island intensity in Tianjin in the year 2008 and that in four seasons(Units:℃)

圖5 2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時平均氣溫差值(單位:℃)Fig.5 Average hourly temperature difference of Tianjin urban station with 11 surrounding stations in the year 2008(Units:℃)

3.2 天津市熱島效應(yīng)的月變化特征

分析2008年天津市熱島強度月平均值的日變化三維曲面(圖6a)可知:天津市熱島強度的峰值出現(xiàn)在冬季，夏季為谷值，各月午夜和日出前都各有一個峰值，白天午間存在一個谷值，各月熱島強度總體呈“冬強夏弱，夜強晝?nèi)酢钡姆植?，與上述結(jié)論一致。各月夜間和白天(分別取05時和13時為代表)的熱島強度的逐月變化如圖6b所示，顯然各月夜間熱島強度均大于白天，其中4—8月熱島強度的晝夜變化趨勢相同，并且熱島強度的晝夜差值較小，而其余月份熱島強度的晝夜變化趨勢相反，熱島強度晝夜差值較大。夜間各月的熱島曲線呈“三峰兩谷”型，熱島強度最大值出現(xiàn)在2月和11月(2.4℃)，夜間各月熱島強度變化較大，差值最大可達(dá)1.5℃;白天各月的熱島曲線呈“三高三低”型，高值出現(xiàn)在5月、8月和12月，最大值為0.4℃，白天各月熱島強度差異不大，差值最大僅為0.4℃。2008年天津市各月夜間均為弱熱島，熱島強度的平均值2月和11月最大，6月最小;各月白天均為無熱島，熱島強度的平均值8月最大，2月最小。

圖6 2008年天津市月平均熱島強度的日變化三維曲面(a)、05時和13時天津市平均熱島強度的月變化曲線(b)(單位:℃)Fig.6 (a)Three-dimensional curved surface figure of diurnal variation of monthly average urban heat island intensity;(b)distribution of monthly average urban heat island intensity at 05:00 BST and 13:00 BST in Tianjin city in the year 2008(Units:℃)

圖7 2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時溫差的逐月平均值(單位:℃)Fig.7 Monthly variation of average hourly temperature difference of Tianjin station with 11 surrounding stations in the year 2008(Units:℃)

2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時溫差的逐月平均值分布如圖7所示:天津市區(qū)站與沿海的塘沽和大港站溫差的逐月變化特征基本一致，高值出現(xiàn)在5月、6月，天津市區(qū)站與漢沽站溫差的最大值出現(xiàn)在2月，天津市區(qū)站與沿海站溫差的低值均出現(xiàn)在9月、10月，其中天津市區(qū)站與沿海站中漢沽站的各月溫差都較大，與塘沽站溫差的月變化幅度最大，與大港站溫差的月變化最小;天津市區(qū)站與內(nèi)陸近郊站和遠(yuǎn)郊站的各月溫差的高、低值均分別出現(xiàn)在11月和6月，但寧河站因距離海岸線較近，溫差最大值出現(xiàn)在5月;在天津市區(qū)站與11個周邊站的各月溫差中，月差異最大的是遠(yuǎn)郊的寶坻站，近郊的東麗站月變化最小。

3.3 天津市熱島效應(yīng)的年變化和季節(jié)變化特征

統(tǒng)計表明:2008年天津市熱島強度的小時平均值ΔTU－R，秋冬季較強(1.4℃)，春夏季較弱(0.7℃)，年平均值為1.0℃，結(jié)果與天津城市熱島強度的歷年平均值0.7～1.1℃(孫弈敏和邊海，1988)基本一致。

表2顯示:當(dāng)郊區(qū)站的選擇不同時，不僅對天津市熱島強度的日變化和月變化有影響，而且熱島強度的年、季節(jié)特征也會隨之改變。2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的年平均小時溫差中，遠(yuǎn)郊的寶坻站最大，近郊的東麗和沿海的大港站最小;溫差類型除天津市區(qū)站與寶坻站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)外，天津市區(qū)站與其余10站的溫差類型均為弱熱島標(biāo)準(zhǔn)。

表2 2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的春、夏、秋、冬、年平均小時溫差分布Table 2 Average hourly temperature difference between Tianjin and 11 surrounding stations respectively in the year 2008 and that in four seasons℃

在2008年的四季當(dāng)中，天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差值，秋季各站差別最大、冬季次之、夏季差異最小。根據(jù)天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差季節(jié)變化特征，可將11個周邊站劃分為三類:一是“春夏強，冬秋弱”型，包括沿海的大港、塘沽站;二是“冬春強，秋夏弱”型，主要有沿海的漢沽站和遠(yuǎn)郊的寧河站;三是“秋冬強，春夏弱”型，其余7個內(nèi)陸站均屬于該類型。因此，天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差季節(jié)變化與郊區(qū)站的地理位置有密切關(guān)系，海陸熱力差異使得天津市區(qū)站與沿海站和內(nèi)陸站的溫差季節(jié)變化相反。

由圖8a可知:2008年天津市區(qū)站與靜海、北辰和塘沽站的4種類型溫差的出現(xiàn)頻率分布比較均衡，而天津市區(qū)站與津南、東麗、寶坻和漢沽站的4種類型溫差的發(fā)生頻率差值較大。在天津市區(qū)站與寶坻站的4種溫差類型中，達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的溫差出現(xiàn)頻率最大，而天津市區(qū)站與其余10站的溫差類型中，出現(xiàn)頻率最大的均為弱熱島標(biāo)準(zhǔn)的溫差，其中天津市區(qū)站與近郊的津南站的溫差達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率最大。

圖8 2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的4種類型小時溫差的頻率分布(橫坐標(biāo)從左至右依次為:溫差達(dá)到冷島、無熱島、弱熱島、強熱島標(biāo)準(zhǔn))a.全年;b.春季;c.夏季;d.秋季;e.冬季Fig.8 Distribution of four types of hourly temperature difference frequency probability between Tianjin station and 11 surrounding stations respectively in Tianjin in(a)the year 2008，(b)spring，(c)summer，(d)fall and(e)winter(The horizontal coordinate from the left to the right indicates that the temperature differences meet the standards for cold island，no heat island，weak heat island and strong heat island)

根據(jù)2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小，可將11個周邊站劃分為五類(其中，“=”表示頻率相當(dāng)，并不一定完全相等):

1)寶坻站。天津市區(qū)站與其溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小依次為:強熱島的頻率＞弱熱島的頻率＞無熱島的頻率＞冷島的頻率。

2)武清、寧河和漢沽站。天津市區(qū)站與其溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小依次為:弱熱島的頻率＞強熱島的頻率＞無熱島的頻率＞冷島的頻率。

3)靜海、北辰、西青和東麗站。天津市區(qū)站與其溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小依次為:弱熱島的頻率＞無熱島的頻率＞強熱島的頻率＞冷島的頻率。

4)津南站。天津市區(qū)站與其溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小依次為:弱熱島的頻率＞無熱島的頻率=強熱島的頻率＞冷島的頻率;

5)塘沽和大港站。天津市區(qū)站與其溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小依次為:弱熱島的頻率＞無熱島的頻率＞強熱島的頻率=冷島的頻率。

比較2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小可知:天津市區(qū)站與各站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率中，寶坻最大，東麗、大港最小;達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率中，津南、東麗、漢沽、寧河較大，寶坻最小;溫差符合無熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率中，東麗、大港最大，寶坻、寧河、漢沽、武清較小;溫差符合冷島標(biāo)準(zhǔn)的頻率中，塘沽、靜海較大，津南、東麗、漢沽、寧河較小。因此，2008年天津市區(qū)站與11個周邊站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的站點多為西北內(nèi)陸遠(yuǎn)郊站，天津市區(qū)站與近郊站和沿海站溫差達(dá)到弱熱島和無熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大，而與沿海站和西北近郊站的溫差達(dá)到冷島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大。

分析圖8b—e可以得到如下結(jié)論:2008年春季，除天津市區(qū)站與近郊的靜海、西青和東麗站的4種溫差類型中無熱島出現(xiàn)頻率最大外，其余8站均為弱熱島發(fā)生頻率最大;夏、秋、冬三季，天津市區(qū)站分別與11個周邊站的4種溫差類型中出現(xiàn)頻率最大的均為弱熱島。春、夏、秋、冬四季天津市區(qū)站與各周邊站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率均為內(nèi)陸遠(yuǎn)郊站較大，近郊各站達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大，天津市區(qū)站與各站的溫差達(dá)到無熱島和冷島標(biāo)準(zhǔn)的頻率最高的區(qū)域，春、夏季為內(nèi)陸站，秋、冬季為沿海站。

4 氣象要素對天津市熱島效應(yīng)的影響

以往的研究表明，云量、云高、空氣濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素都會對城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生影響，為了研究究竟何種因子對天津市的熱島效應(yīng)起主導(dǎo)作用，利用多元線性回歸方法來分析各個氣象要素的影響大小。在回歸模型中，天津市熱島強度(ΔTU－R)為因變量，自變量為5種氣象要素，分別為云量、云高、風(fēng)向、風(fēng)速和相對濕度。在進(jìn)行回歸分析之前，先對因變量和所有的自變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(無量綱標(biāo)準(zhǔn)化)，使所有變量轉(zhuǎn)化為同一量級，便于進(jìn)行對比分析。各要素均使用天津站6 h一次的資料，樣本數(shù)均為1 460個時次。將風(fēng)向按SE、SW、NE、NW四個象限分成4類，分別用1、2、3、4表示。

表3顯示的是5種氣象要素的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)、決定方差、樣本數(shù)N和F方差檢驗對應(yīng)的概率P。以全年數(shù)據(jù)得到的結(jié)果為例，對多元線性回歸分析的結(jié)果進(jìn)行討論?；貧w模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.504，F(xiàn)方差檢驗對應(yīng)的概率P小于信度σ=0.05顯著性檢驗，所以回歸模型有效。對回歸系數(shù)的T檢驗表明，除相對濕度的概率大于顯著度0.05外，云量、云高、風(fēng)向、風(fēng)速均通過了95%的顯著性檢驗，所以云量、云高、風(fēng)向、風(fēng)速與2008年天津市熱島強度之間存在顯著的線性關(guān)系。比較回歸模型的各項標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可知:5個自變量中最顯著的因子是風(fēng)速，其標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為－0.403，與熱島強度呈負(fù)相關(guān)，表明風(fēng)速越大，天津市熱島越弱，因為隨著風(fēng)速的增大，空氣的平流和湍流增強，城郊之間的溫差減小;第二顯著因子為風(fēng)向，熱島強度與風(fēng)向呈正相關(guān)，當(dāng)風(fēng)來自南風(fēng)的兩個象限時，熱島較弱，而當(dāng)風(fēng)來自北風(fēng)的兩個象限時，熱島較強;第三顯著因子為云高，與熱島強度呈正相關(guān)，表明熱島強度隨著云高的增加而增強;再次是云量，與熱島強度呈負(fù)相關(guān)，說明天空云量越少，熱島越強;顯著性最小的因子是相對濕度，與熱島強度呈負(fù)相關(guān)，說明空氣濕度越大，熱島越弱，這可能是因為城市下墊面的蒸發(fā)和植被的蒸騰作用會吸收熱量，使得城市氣溫降低，所以城郊溫差減小，同時空氣中的水蒸氣使得城市大氣的水汽壓和飽和水汽壓增加，故相對濕度增大，但相對濕度與熱島強度的線性關(guān)系未通過95%顯著性檢驗。上述分析表明，2008年天津市熱島強度大小與云高、風(fēng)向呈正相關(guān)，而與云量、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，即:當(dāng)天空無云或無低云，風(fēng)速較小，風(fēng)向為西北象限時，易出現(xiàn)強熱島;反之則熱島消失。從決定方差R2可知，這5種氣象因子只能解釋2008年天津市熱島強度25.4%的變化。另外，分別使用方案UHI2、UHI3、UHI4對2008年一日四次的熱島強度與這5種氣象因子做了多元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)這三種方案得到的決定方差均小于25.4%(分別為10.7%、15.2%、19.1%)。由此可見，當(dāng)在熱島強度計算中加入遠(yuǎn)郊站和沿海站之后，氣象因子對熱島強度的影響反而下降了。因此，氣象要素對城市熱島效應(yīng)的影響僅是部分因素，可能還與局地地形、人為熱、城市規(guī)模和探測環(huán)境等其他因子有關(guān)。

表3 5種氣象要素(云量、云高、風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度)對天津市熱島強度影響大小的多元線性回歸Table 3 The multiple linear regression analysis of the impact of five meteorological predictors(CL，cloudiness;CH，height of cloud base;WD，wind direction;WS，wind speed;RH，relative humidity)on the urban heat island effect in Tianjin

對比2008年白天和夜間的熱島強度分別與5種氣象因子的線性回歸分析結(jié)果可知:回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)夜間較大，標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的符號與表3的第2列一致;白天時，風(fēng)速、風(fēng)向與天津市熱島強度的線性關(guān)系較顯著，夜間時，風(fēng)速、相對濕度、風(fēng)向與天津市熱島強度存在顯著的線性關(guān)系，且白天和夜間均為風(fēng)速因子的影響最顯著。夜間回歸模型的決定方差可以解釋天津市熱島強度39.3%的變化，明顯大于白天(21.9%)和全年(25.4%)，該結(jié)論與Sundborg(1950)和Kim and Baik(2002)的研究一致。

為了進(jìn)一步分析不同季節(jié)時，氣象要素對熱島強度的影響大小，分別對2008年春、夏、秋、冬季的熱島強度與5種氣象因子進(jìn)行了多元線性回歸分析。對回歸系數(shù)的T檢驗表明:各季通過95%顯著性檢驗的變量的回歸系數(shù)的符號均與全年的結(jié)果一致，但通過顯著性檢驗的變量各季有所不同，春季為風(fēng)速、云高、相對濕度與天津市熱島強度之間存在顯著的線性關(guān)系，夏季為風(fēng)速、相對濕度，秋冬季為風(fēng)速、風(fēng)向、云高;其中四季均為風(fēng)速因子與熱島強度的線性關(guān)系最顯著，顯著性次于風(fēng)速的變量，春季為云高，夏季為相對濕度，秋、冬季均為風(fēng)向。四季的決定方差為冬季最大、秋季次之，夏季最小，但決定方差總體上都相對較小。

總之，天津市熱島效應(yīng)在一定程度上會受到氣象要素的影響，其中起主導(dǎo)作用的是風(fēng)速因子，天津市熱島消失的臨界風(fēng)速約為5 m·s－1，但氣象要素對天津城市熱島效應(yīng)的影響相對較小，僅是部分因素，可能還與局地地形、人為熱、城市規(guī)模和探測環(huán)境等其他因子有關(guān)，本文不再進(jìn)行探討。

5 結(jié)論與討論

天津地處渤海灣西岸，對天津地區(qū)14個自動站逐時氣溫的EOF分析顯示，2008年天津市熱島效應(yīng)顯著，海洋環(huán)境的影響使得天津城市熱島呈現(xiàn)獨特的時空特征。本文主要對2008年天津城市熱島的日變化、月變化和年、季特征進(jìn)行了分析，并利用天津市區(qū)站分別與11個周邊站溫差的逐時變化，對不同時間條件下周邊各站對天津市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了探討，結(jié)論如下:

1)日變化特征。2008年天津市熱島強度的全年和四季的日變化趨勢基本一致，在午夜和日出前分別有一個峰值，白天午后有一個谷值，秋、冬季熱島的日變化明顯大于春、夏季，熱島強度冬夜最強，春晝最弱。2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時平均溫差的日變化規(guī)律為:日最大溫差總體為由西北內(nèi)陸站向東南沿海站減小，天津市區(qū)站與沿海站溫差的日極大值出現(xiàn)在17—18時，而天津市區(qū)站與內(nèi)陸站溫差的日變化規(guī)律與天津市熱島強度的日變化一致。天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差類型的晝夜變化特征為:白天沿海站達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)，近郊站為無熱島和弱熱島，遠(yuǎn)郊站為弱熱島，夜間沿海站為無熱島和弱熱島，內(nèi)陸近郊站和遠(yuǎn)郊站均為弱熱島和強熱島。

2)月變化特征。天津市2008年各月夜間熱島強度均大于白天，4—8月晝夜變化趨勢一致且日變化較小，其余月份晝夜變化相反，日變化較大;夜間各月熱島差異較大，白天熱島差異較小;各月夜間均為弱熱島，熱島強度的平均值2月和11月最大，6月最小，各月白天均為無熱島。天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時溫差的月變化規(guī)律為:天津市區(qū)站與沿海站溫差的高值多出現(xiàn)在5月、6月，低值均出現(xiàn)在9月、10月;除天津市區(qū)站與寧河站溫差的最大值出現(xiàn)在5月外，天津市區(qū)站與內(nèi)陸站溫差的高、低值均分別出現(xiàn)在11月和6月;天津市區(qū)站分別與11個周邊站的各月溫差中，寶坻站各月差異最大，東麗站的月變化最小。

3)季節(jié)特征。2008年天津市熱島強度秋冬季較強，春夏季較弱。天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時溫差的各季平均值變化規(guī)律為:天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差值中，秋季各站差異最大、冬季次之、夏季最小;天津市區(qū)站與沿海站和內(nèi)陸站的溫差季節(jié)變化相反，分別為“春夏強，冬秋弱”、“秋冬強，春夏弱”，但天津市區(qū)站與寧河和漢沽站的溫差季節(jié)變化表現(xiàn)為“冬春強，秋夏弱”。天津市區(qū)站分別與11個周邊站的各季溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率分布顯示:四季天津市區(qū)站與周邊各站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率均為內(nèi)陸遠(yuǎn)郊站較大，近郊各站達(dá)到弱熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大，天津市區(qū)站與各站的溫差達(dá)到無熱島和冷島標(biāo)準(zhǔn)的頻率最高的區(qū)域，春、夏季為內(nèi)陸站，秋、冬季為沿海站。

4)年特征。2008年天津市熱島強度的小時平均值為1.0℃，與歷年平均值基本一致。2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的小時平均溫差最大的是寶坻站，天津市區(qū)站與東麗和大港站的溫差最小;溫差類型除天津市區(qū)站與寶坻站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)外，天津市區(qū)站與其余10站的溫差類型均為弱熱島。2008年天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率分布規(guī)律為:天津市區(qū)站與各個周邊站的溫差達(dá)到強熱島標(biāo)準(zhǔn)的站點多為西北內(nèi)陸遠(yuǎn)郊站，天津市區(qū)站與近郊站和沿海站的溫差達(dá)到弱熱島和無熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大，溫差達(dá)到冷島標(biāo)準(zhǔn)的頻率較大的站點為沿海站和西北近郊站;天津市區(qū)站分別與11個周邊站的溫差達(dá)到4種類型熱島標(biāo)準(zhǔn)的頻率大小與周邊站的地理位置有密切關(guān)系，據(jù)此可將11個周邊站歸為5類。

上述研究揭示的是2008年天津城市熱島效應(yīng)的時空特征，最后利用多元線性回歸模型分別分析了云量、云高、風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度這5種氣象要素對2008年的全年、白天、夜間和四季的天津市熱島強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):5種氣象要素中風(fēng)速因子對天津市熱島強度的影響最顯著，在整個對流層相對濕度很小，有弱的西北風(fēng)的晴朗夜晚常出現(xiàn)強熱島，但回歸模型的決定方差都相對較小，說明氣象要素對天津城市熱島效應(yīng)的影響僅是部分因素，可能還與局地地形、人為熱、城市規(guī)模和探測環(huán)境等其他因子有關(guān)，本文沒有進(jìn)行深入研究。另外，本文僅使用了2008年的逐時資料對天津市熱島效應(yīng)的時空特征進(jìn)行了研究，存在一定的局限性，但由于資料的時空分辨率較高，也能較好地詮釋天津市熱島效應(yīng)的時空特征，今后我們將使用多年的自動站逐時資料來進(jìn)一步研究天津市熱島效應(yīng)的時空特征。

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