北京氣溫日變化特征的城郊差異及其季節(jié)變化分析

楊萍 肖子牛 劉偉東

1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081

2 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089

1 引言

氣溫不僅是氣候系統(tǒng)的重要表征指標(biāo)，也直接影響人們的日常生活和生態(tài)環(huán)境，因此，日最高、最低氣溫以及氣溫日變化的特征受到了廣泛的關(guān)注和重視（王旻燕等，2005；唐國利等，2006；吳凌云等，2011）。

日變化是氣候的基本特征之一，日最高溫度、最低溫度出現(xiàn)時間的遲早與水汽蒸發(fā)、凝結(jié)等大氣物理過程的關(guān)系十分緊密，是判斷寒潮、霜凍、高溫、冷害等極端氣候事件的重要指標(biāo)，氣溫日變化速度的快慢對于進(jìn)一步認(rèn)識日變化與天氣變化的關(guān)系、提高氣溫逐時預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、延長預(yù)報(bào)時效將有很大的幫助，該方向的研究對準(zhǔn)確認(rèn)識氣溫的極值特征有十分重要的作用，同時，對全球和區(qū)域性氣候變化、地氣之間的能量轉(zhuǎn)化、大氣的化學(xué)成分、濃度的變化等方面的日變化和極值出現(xiàn)時間的研究都有重要的指示作用（楊玉華等，2003；Chudnovsky et al., 2004；徐陽陽等，2009）。

受太陽輻射日變化的影響，近地面氣溫一般在14時（北京時，下同）至15時出現(xiàn)最高值，日出前后出現(xiàn)最低值，氣溫在日出后升溫較快，夜間溫度變化漸緩，但是，地表狀況的差異、天氣狀況的不同等因素使日最高最低氣溫的出現(xiàn)時間以及變溫速率受到一定程度的影響（呂達(dá)仁等，2002；任國玉等，2005；趙娜等，2011）。城市化進(jìn)程導(dǎo)致城市的下墊面的改變及城市熱島環(huán)流的形成，從而影響著日最高最低氣溫的出現(xiàn)時間以及氣溫的日變化速率（Peterson et al., 1999）。目前，城市化進(jìn)程帶來的城市熱島效應(yīng)的研究已有很多，尤其是城市和郊區(qū)在氣溫方面的差異對比研究已經(jīng)相當(dāng)成熟（Saaroni et al., 2000；張朝林等，2007；林學(xué)椿等，2009），近些年，我國自動氣象站的擴(kuò)建給中國城市氣候的精細(xì)化研究帶來了可能性。丁金才等（2001）根據(jù)上海地區(qū)加密觀測資料，對上海地區(qū)高溫分布特征進(jìn)行了診斷分析，胡文志等（2009）基于香港城郊代表站點(diǎn)的小時資料，對比了城郊站點(diǎn)的氣溫和相對濕度差異的日變化和季節(jié)變化，李興榮等（2010）基于深圳自動觀測站的資料，分析了深圳不同下墊面的小氣候區(qū)夏季典型晴天的溫濕及舒適度特征。從已有研究來看，利用自動氣象站小時資料對區(qū)域氣候進(jìn)行日變化特征的研究還不太多，其原因是觀測資料在時間和空間上的密度還很不足，很難對區(qū)域氣候的精細(xì)特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析和診斷。

為了了解城市化對北京氣候的影響，本文基于北京地區(qū)2007～2010年67個自動氣象站逐小時氣溫觀測資料，通過統(tǒng)計(jì)北京城區(qū)和郊區(qū)觀測站日最高、最低氣溫出現(xiàn)時間以及不同時間間隔變溫的大小，認(rèn)識城區(qū)和郊區(qū)日極值氣溫出現(xiàn)時間、變溫的日變化規(guī)律，以及其在不同區(qū)域、不同季節(jié)的差異性特征等，可為城市化效應(yīng)對北京地區(qū)城郊日變化差異的分析提供細(xì)致的分析信息，從而為準(zhǔn)確認(rèn)識極值事件以及精細(xì)化預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

北京地區(qū)自1998年開始建立自動氣象觀測網(wǎng)，經(jīng)過 10多年的建站和發(fā)展，已經(jīng)形成了一個時間上和空間上都較為密集的自動氣象觀測網(wǎng)，截至2010年，已有加密自動氣象觀測站100多個。楊萍等（2011）構(gòu)建了北京地區(qū)逐小時氣溫觀測資料的質(zhì)量評估流程，對北京地區(qū)逐小時氣溫觀測資料的完整性、準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了定量化的評估，利用鄰近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)對少量的缺測值進(jìn)行空間插補(bǔ)，形成了一套質(zhì)量較高的小時氣溫?cái)?shù)據(jù)集。在數(shù)據(jù)集的構(gòu)建中，充分考慮海拔高度等因素對溫度值的影響，如在空間一致性方法進(jìn)行錯誤數(shù)據(jù)識別以及采用空間插值方法對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)時，均充分考慮了海拔高度對氣溫的影響，以確保數(shù)據(jù)集能夠更加客觀和接近于真實(shí)狀態(tài)。本文所用資料來源于這套數(shù)據(jù)集中2007～2010年67個站點(diǎn)逐小時的氣溫資料，其中，城區(qū)站點(diǎn)30個，分布于東城、西城、海淀、朝陽、石景山、豐臺等主城區(qū)，去除了城區(qū)中自動站附近下墊面景觀相異（如公園、水域等）的站點(diǎn)。郊區(qū)站點(diǎn) 37個，分布于昌平、懷柔、密云、平谷、門頭溝、房山等遠(yuǎn)郊區(qū)和山區(qū)，去除了明顯城市化的近郊區(qū)域和城鎮(zhèn)（如順義、大興、通州）站點(diǎn)。

在給出北京地區(qū)城區(qū)、郊區(qū)站點(diǎn)平均溫度日變化特征的基礎(chǔ)上，通過對最高、最低溫度等表征日變化特征出現(xiàn)時間的概率分布，分析了城市環(huán)境對溫度日變化的影響。具體方法為：利用出現(xiàn)率（出現(xiàn)次數(shù)/總次數(shù)）來表征日最高（低）溫度在各時次出現(xiàn)的概率，統(tǒng)計(jì)了城區(qū)和郊區(qū)代表站點(diǎn)及區(qū)域平均的全年和季節(jié)日最高溫度（最低溫度）出現(xiàn)時間的概率分布特征，并分季節(jié)對城區(qū)和郊區(qū)不同單位時間內(nèi)的變溫的年平均特征及其季節(jié)變化進(jìn)行了分析，具體包括1小時變溫、3小時變溫、6小時變溫三種情況，t時刻的變溫值用 Δ xt= xt- xt-k（ k=1,3, 6）表示。分季節(jié)研究中，選取典型月份1月、4月、7月、10月分別代表冬、春、夏、秋季進(jìn)行研究。

3 氣溫日變化的城郊差異分析

人們很早就注意到，局地環(huán)境和下墊面特征不僅對氣溫有重要的影響，也對其日變化有重要影響，以下我們將給出北京地區(qū)城、郊日變化特征，并對這種日變化的概率分布特征進(jìn)行分析。

3.1 氣溫的日變化特征

圖1給出了不同季節(jié)下城區(qū)和郊區(qū)的日變化特征。圖1的結(jié)果顯示，由于城、郊周邊環(huán)境的不同，不僅在溫度值上存在明顯差異，而且日最高（最低）溫度的出現(xiàn)時間有較大不同，日最高溫度的出現(xiàn)時間除了春季城區(qū)和郊區(qū)出現(xiàn)時間一致（15時）外，其他各季城區(qū)均較郊區(qū)出現(xiàn)時間滯后1小時。而日最低溫度的出現(xiàn)時間上季節(jié)差異明顯，但城區(qū)和郊區(qū)最低氣溫出現(xiàn)時間在春、夏、秋三季是一致的，只有冬季城區(qū)早于郊區(qū)，城區(qū)最低氣溫出現(xiàn)在 07時，郊區(qū)則滯后1小時。從圖1中已經(jīng)看到了日極值溫度的出現(xiàn)時間上存在著城郊差異和季節(jié)差異，而事實(shí)上，最高（最低）溫度出現(xiàn)的時間是日變化中最重要的特征，過去人們主要分析每個區(qū)域最高（最低）溫度平均的出現(xiàn)時間，對其分布狀況或偏離程度的關(guān)注不多，最高（最低）溫度出現(xiàn)時間的概率可以表征氣溫日變化形態(tài)的概率分布特征。因此，對最高（最低）出現(xiàn)時間的概率分布的認(rèn)識，可以深化對氣溫日變化特征的了解，也可以為精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)提供氣候背景知識。

3.2 日最高（低）溫度平均出現(xiàn)時間的概率分布

圖2給出了城區(qū)和郊區(qū)代表站點(diǎn)最高、最低溫度出現(xiàn)率的日分布特征。其中，圖 2a為城區(qū)十個代表站點(diǎn)（天安門、官園、十八里店、玉淵潭、新發(fā)地、和平西橋、玉泉營、豐臺體育館、順義、觀象臺）最高溫度出現(xiàn)率的日分布特征，圖 2b為郊區(qū)代表站點(diǎn)（張坊、新莊、菩薩鹿、龍慶峽、舊縣、九渡河、云蒙山、佛爺頂、上甸子、霞云嶺）最高溫度出現(xiàn)率的日分布特征，圖 2c為城區(qū)代表站點(diǎn)（站點(diǎn)名同圖2a）最低溫度各時次出現(xiàn)率的時間分布特征，圖2d為郊區(qū)代表站點(diǎn)（站點(diǎn)名同圖2b）最低溫度各時次出現(xiàn)率的日分布特征。

圖1 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）溫度日變化特征：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig.1 Diurnal temperature changes in urban (solid point) and rural (hollow point) areas：(a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

由圖2可以看出，城區(qū)代表站點(diǎn)日最高溫度最大出現(xiàn)率的時次均為15時，占出現(xiàn)率的35%以上，最低溫度最大出現(xiàn)率的時次均為 06時，占出現(xiàn)率的25%～30%；而郊區(qū)代表站點(diǎn)日最高溫度最大出現(xiàn)率的時間比較分散，位于14時或15時，占出現(xiàn)率的比率基本上低于35%，其日最低溫度最大出現(xiàn)率的時次位于05時或06時，占出現(xiàn)率比率在20%到28%之間。對比城區(qū)和郊區(qū)的日變化曲線，發(fā)現(xiàn)城區(qū)最高、最低溫度各時次出現(xiàn)率的日變化曲線非常一致，近乎重合（圖2a和圖2c），郊區(qū)最高、最低溫度的日變化曲線明顯較為分散（圖2b和圖2d）。一方面說明城區(qū)不同站點(diǎn)最高、最低溫度最大出現(xiàn)率的時間與郊區(qū)相比更為集中，即城區(qū)站點(diǎn)之間具有較好的時間一致性，另一方面也說明城區(qū)各站點(diǎn)最高、最低溫度最大出現(xiàn)率與郊區(qū)各站點(diǎn)相比占有更高的比率，最高（低）溫度的出現(xiàn)時間更為集中。

不同站點(diǎn)最高（低）溫度最大出現(xiàn)率的時間一致性差別，可能與城區(qū)和郊區(qū)局地下墊面環(huán)境的差異有關(guān)。北京城區(qū)位于平坦地域，地形差異不大，且市區(qū)基本以房屋建筑、水泥地面等為主，具有比較一致的下墊面和周邊環(huán)境，因此最高、最低溫度出現(xiàn)時間的概率分布曲線比較一致，最大概率出現(xiàn)時間基本一致。相比之下，郊區(qū)的下墊面性質(zhì)迥異，下墊面性質(zhì)的不同使其具有不同的熱容量，導(dǎo)致對自然輻射加熱的響應(yīng)時間有別（劉樹華等，2002；劉熙明等，2006），且郊區(qū)站點(diǎn)局地環(huán)境和地理位置差異也相對較大，日變化特征就會表現(xiàn)出較大的差異性。

為了說明城、郊最高（最低）溫度出現(xiàn)時間的差異性，進(jìn)一步對比城區(qū)和郊區(qū)最高、最低溫度出現(xiàn)率的特征。圖3給出了城（郊）區(qū)所有站點(diǎn)最高（低）溫度出現(xiàn)率的逐小時變化情況。與郊區(qū)相比，城區(qū)最高、最低溫度的出現(xiàn)時間更集中于最大出現(xiàn)率的時刻，這與圖2的結(jié)果一致。此外，城區(qū)最高溫度出現(xiàn)的時間傾向偏晚，最低溫度出現(xiàn)時間趨于偏早，這可能是由于白天城區(qū)氣溶膠含量較高，對太陽輻射的散射較強(qiáng)（Ohashi et al., 2002），其輻射加熱產(chǎn)生滯后效應(yīng)，因此最高溫度出現(xiàn)時間偏晚，而夜間到凌晨城區(qū)太陽輻射開始啟動加熱的時間相對偏早，導(dǎo)致最低溫度出現(xiàn)時間偏早。

3.3 日最高（低）溫度出現(xiàn)時間的季節(jié)特征

圖2 城區(qū)典型代表站點(diǎn)最高溫度（a）、最低溫度（c）和郊區(qū)典型代表站點(diǎn)最高溫度（b）、最低溫度（d）出現(xiàn)率的時間分布Fig.2 Time distribution of (a, b) maximum and (c, d) minimum temperature occurrence rate at typical stations in (a, c) urban and (b, d) rural areas

圖3 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）最高溫度（a）與最低溫度（b）出現(xiàn)率的逐小時變化Fig.3 Hourly variations of (a) maximum and (b) minimum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas

圖4和圖5分別給出城（郊）區(qū)最高、最低溫度逐時出現(xiàn)率的各季節(jié)平均狀況。從圖 4a–d中可見，各季節(jié)最高溫度出現(xiàn)率的分布特征曲線盡管有差異，但基本形態(tài)和年平均的情況類似。對最高溫度出現(xiàn)的時間，城區(qū)比較集中，最大出現(xiàn)率占的比例較高，最高溫度出現(xiàn)時間偏晚于郊區(qū)。其中秋、冬兩季最為集中，最大概率占的比例超過了45%，春、夏季較為分散，最大概率占的比例不超過 35%。對最低溫度出現(xiàn)時間，其各季特征也比較一致（圖5a–d），城區(qū)比郊區(qū)集中且偏早于郊區(qū)，出現(xiàn)時間趨于偏早。最低溫度的最大出現(xiàn)率對應(yīng)的時次冬季最晚（城區(qū)08時，郊區(qū)07時），秋季次之（07時），春季較早（06時），夏季最早（05時）。其中春、夏兩季最為集中，最大概率占的比例超過了45%，秋、冬季最低溫度出現(xiàn)時間較為分散，尤其是冬季城郊差別很大，城市的特征曲線比郊區(qū)更加分散，這很可能是由于冬季取暖增加了氣溶膠效應(yīng)有關(guān)（徐祥德等，2005）。上述結(jié)果與天氣過程的影響可能存在著較為密切的關(guān)系。如夏季可能受到降水過程的影響，而冬季會常常伴隨不同時間的冷空氣過程。

4 北京地區(qū)變溫強(qiáng)度及其時間分布特征

圖4 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）春季（a）、夏季（b）、秋季（c）和冬季（d）最高溫度出現(xiàn)率的逐小時變化Fig.4 Maximum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

圖5 各季城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）春季（a）、夏季（b）、秋季（c）和冬季（d）最低溫度出現(xiàn)率的逐小時變化Fig.5 Minimum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

變溫是指單位時間間隔內(nèi)溫度的變化幅度，是天氣變化強(qiáng)度的重要指標(biāo)，同時變溫也會對人體健康產(chǎn)生重要的影響。除了平均日變化的晝升夜降的特征外，本節(jié)將深入分析不同單位時間內(nèi)城區(qū)和郊區(qū)變溫的差異及其隨季節(jié)的變化規(guī)律。

4.1 變溫的日變化特征及其季節(jié)差異

圖6給出了不同時間間隔下氣溫變化幅度的曲線，具體包括1小時變溫（圖6a）、3小時變溫（圖6b）和6小時變溫（圖6c）年平均的日變化特征曲線。從圖中可以看到，城區(qū)和郊區(qū)最大變溫出現(xiàn)時間一致，但無論是基于多長的單位時間，城區(qū)變溫的幅度均小于郊區(qū)。最大變溫出現(xiàn)的時間隨著間隔時段的增加而增大，最大變溫的大小和太陽輻射急劇變化相關(guān)，即和日出、日落變化的時間相關(guān)聯(lián)，而最高溫度和最低溫度的出現(xiàn)時刻具有滯后效應(yīng)。1小時、3小時、6小時的最大正變溫出現(xiàn)時間t時刻分別為09時、11時、13時，對應(yīng)的最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間分別為18時、20時、22時。從圖中還可見，與正變溫相比負(fù)變溫是一個較為緩慢的過程。

圖6 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）氣溫變化的日變化規(guī)律：（a）1小時變溫；（b）3小時變溫；（c）6小時變溫Fig.6 Diurnal variation of temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) For 1 hour; (b) for 3 hours; (c) for 6 hours

圖7 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）1小時變溫的日變化曲線：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig.7 Diurnal temperature variation for 1 hour in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

1小時變化的日變化特征中（圖7），城區(qū)的整體變溫幅度小于郊區(qū)，春、秋和冬季變溫幅度較大，夏季變溫幅度最小，其中郊區(qū)秋季最大正（負(fù)）變溫幅度均超過2.5℃，城區(qū)超過1.5℃，而夏季最大正（負(fù)）變溫幅度均在1.5℃左右，城區(qū)在1.0℃左右。就城區(qū)而言，春秋兩季日平均變溫值（負(fù)變溫取其絕對值）幅度相對較大，其絕對值分別為0.76℃（春）和 0.72℃（秋），冬夏兩季變溫幅度相對較小，其絕對值分別為0.55℃（冬）和0.59℃（夏）。與之相比，郊區(qū)的平均變溫值高于城區(qū)，秋季變溫值最大，達(dá)到0.86℃，春季次之（0.85℃），冬季更?。?.76℃），夏季最低（0.68℃）。

此外，正負(fù)變溫的不對稱性特征在1小時變溫曲線中非常明顯，以春季為例，正變溫過程始于07時，到08時就達(dá)到峰值，即僅用1小時左右就完成了正變溫過程，而負(fù)變溫過程始于14時，到17時方到達(dá)負(fù)變溫峰值，該過程用了3小時的時長?？梢?，1小時變溫過程中，負(fù)變溫過程比正變溫要平緩很多。

與1小時變溫結(jié)果相比，3小時變溫（圖略）正負(fù)變溫過程開始至最大變溫峰值所需要時間的差別不大，3小時最大正變溫發(fā)生時次冬季偏晚（11時），其余季節(jié)均最大正變溫發(fā)生時次均在10時，最大負(fù)變溫發(fā)生時次春夏季偏晚（20時），秋冬季偏早（19時）。6小時（圖略）變溫相對比較均勻，沒有明顯的跳躍過程，這說明劇烈的變溫過程（尤其是正變溫）實(shí)際上是在3小時甚至是1小時以內(nèi)完成的。

為了進(jìn)一步對比一天溫度的變化中，多長時效的變溫占據(jù)日氣溫變化的主要貢獻(xiàn)，結(jié)合前文的結(jié)果，表1給出了1小時、3小時、6小時全年平均以及各季的最大變溫速率。

表1 城區(qū)和郊區(qū)年平均和季節(jié)的最大變溫速率（單位：℃ h–1）Table 1 The average maximum climate rate of temperature variation in urban and rural areas per year and in four seasons (°C h–1)

可以看到，1小時和3小時最大變溫速率的改變不大，如夏季城區(qū)的變溫速率在1小時變溫和3小時變溫中只相差了0.06℃，而6小時變溫和3小時變溫相比，速率相差了 0.3℃，可以推斷，平均的最大增溫主要是發(fā)生在3小時之內(nèi)，而3小時以后，增溫速率已經(jīng)和平均增溫速率相差無幾。

4.2 最大正（負(fù)）變溫出現(xiàn)時間的城郊差異及季節(jié)特征

圖8給出了1小時、3小時、6小時最大正變溫出現(xiàn)時間出現(xiàn)率的日變化特征?？梢钥吹?，不同變溫條件下城郊最大變溫出現(xiàn)率的日變化曲線有所差別。1小時城區(qū)最大正變溫出現(xiàn)率曲線右偏，這可能與城區(qū)氣溶膠較多，熱容量較大有關(guān)系；3小時最大變溫的出現(xiàn)時間最為集中，最大概率時間為 10時，城區(qū)的峰值大于郊區(qū)，城區(qū)最大概率時間占到比例超過了40%。

類似地，圖9給出了最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間的結(jié)果。可以看到，負(fù)變溫出現(xiàn)率曲線比較分散，1小時最大負(fù)變溫最大概率所占比例不超過20%，城區(qū)僅為15%，與郊區(qū)相比，城區(qū)最大降溫的時間偏早于郊區(qū)。而3小時以上變溫出現(xiàn)率曲線為右偏，最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間隨單位時間的延長而趨于集中，最大出現(xiàn)概率所占的比例郊區(qū)超過25%，且郊區(qū)大于城區(qū)。從圖中可以注意到，負(fù)變溫過程是相對緩慢過程。

圖10給出了不同季節(jié)1小時最大正變溫出現(xiàn)時間概率分布。可以看到，冬季1小時最大變溫出現(xiàn)時間最為集中，春秋次之，夏季最為分散。冬季郊區(qū)出現(xiàn)時間的最大概率所占比例超過35%，而夏季僅為15%左右。該結(jié)果的可能原因是夏季天氣過程多于冬天。從最大正變溫的概率分布曲線的形態(tài)看，秋、冬季城區(qū)概率分布曲線比郊區(qū)概率分布曲線呈現(xiàn)左偏，而春、夏季則呈現(xiàn)右偏的特征，其中以夏、秋兩季的偏度最為明顯。秋季城區(qū)最大概率分布曲線比郊區(qū)左偏，與李興榮等（2008）研究北京秋季城市熱島效應(yīng)的結(jié)果一致，其原因主要是由于秋季北京地區(qū)水汽含量較小，城市清晨“干島”效應(yīng)突出，日出后太陽輻射的加熱作用使市區(qū)地面氣溫上升的速率和幅度均更大的緣故。夏季水汽含量相對較大，城區(qū)的氣溶膠、污染等較重，熱容量較大，因此太陽輻射的增溫效應(yīng)城區(qū)較慢，顯示為右偏特征。3小時變溫、6小時變溫的季節(jié)差異基本類似（圖略）。

圖8 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）最大正變溫出現(xiàn)時間出現(xiàn)率的日變化：（a）1小時變溫；（b）3小時變溫；（c）6小時變溫Fig.8 Occurrence rate of maximum positive temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas：(a) For 1 hour；(b) for 3 hours；(c) for 6 hours

圖9 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間出現(xiàn)率的日變化：（a）1小時變溫；（b）3小時變溫；（c）6小時變溫Fig.9 Occurrence rate of maximum negative temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) For 1 hour; (b) for 3 hours; (c) for 6 hours

圖10 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）1小時最大正變溫出現(xiàn)時間:（a）春季;（b）夏季;（c）秋季;（d）冬季Fig.10 Occurrence rate of maximum positive temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas for 1 hour: (a) Spring; (b) summer;(c) autumn; (d) winter

圖11 城區(qū)（實(shí)心點(diǎn)線）和郊區(qū)（空心點(diǎn)線）1小時最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間:（a）春季;（b）夏季;（c）秋季;（d）冬季Fig.11 Occurrence rate of maximum negative temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas for 1 hour: (a) Spring; (b) summer;(c) autumn; (d) winter

圖11給出了1小時最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間概率分布的季節(jié)差異。城郊1小時最大負(fù)變溫出現(xiàn)率峰值的分布時次在夏、冬兩季有較明顯的差別，夏季和冬季城區(qū)較郊區(qū)均早1個時次（夏季城區(qū)22時，郊區(qū) 23時，冬季城區(qū) 17時，郊區(qū) 18時），春秋季城郊出現(xiàn)率峰值的發(fā)生時次一致，春季為19時，秋季為 18時。城區(qū)較郊區(qū)發(fā)散，秋季最為集中，冬夏次之。秋季曲線中郊區(qū)最大概率所占的比例超過40%，城區(qū)超過30%，而春季郊區(qū)僅在20%左右，城區(qū)在15%左右。最大負(fù)變溫出現(xiàn)的平均時間主要受日落時間影響，但天空狀況變化對輻射冷卻的影響，以及冷空氣的入侵活動將使之發(fā)生偏移。春季冷空氣活動頻繁，氣溫波較大，使最大負(fù)變溫的出現(xiàn)在各個時次的隨機(jī)性增大。秋季最大負(fù)變溫出現(xiàn)時間的概率分布為什么最為集中，其原因有待進(jìn)一步研究。最大正、負(fù)變溫出現(xiàn)的時間均表現(xiàn)出郊區(qū)比較集中的特點(diǎn)，表現(xiàn)了城市熱容量比郊區(qū)大（劉樹華等，2002；劉熙明等，2006），且具有更多變化的復(fù)雜性。

5 小結(jié)

本研究基于北京地區(qū)自動氣象站逐小時氣溫觀測資料，得到了城區(qū)和郊區(qū)日極值氣溫出現(xiàn)時間以及氣溫變化快慢的總體規(guī)律和季節(jié)特征，主要結(jié)論如下：

（1）城區(qū)站點(diǎn)最高（低）溫度最大出現(xiàn)率的時次更加集中，而郊區(qū)相對分散，且城區(qū)不同站點(diǎn)最高（低）溫度出現(xiàn)概率的日變化曲線也非常一致。與城區(qū)代表站點(diǎn)相比，郊區(qū)最高（低）溫度不同站點(diǎn)日變化的差異性也更大。說明城區(qū)站環(huán)境的差異性比郊區(qū)小，平均熱容量則比郊區(qū)大。

（2）城區(qū)最高溫度出現(xiàn)的時間較晚，可能原因是城區(qū)白天氣溶膠含量較高，導(dǎo)致城區(qū)輻射加熱的滯后效應(yīng)所致，而最低溫度出現(xiàn)的時間城區(qū)偏早于郊區(qū)，可能因?yàn)橥砩系角宄拷紖^(qū)的水汽含量比城區(qū)大，太陽輻射開始啟動加熱的時間相對城區(qū)較晚。城郊溫度日變化的不同特點(diǎn)，和城市的熱島效應(yīng)、干島效應(yīng)有密切關(guān)系。

（3）城區(qū)的整體變溫幅度小于郊區(qū)，春、秋和冬季變溫幅度較大，夏季變溫幅度最小，其中郊區(qū)秋季最大正（負(fù)）變溫幅度均超過 2.5℃，城區(qū)超過1.5℃，而夏季最大正（負(fù)）變溫幅度均在1.5℃左右，城區(qū)在1.0℃左右。最強(qiáng)的變溫過程一般在3小時以內(nèi)，其中正變溫是比較急劇的過程，負(fù)變溫相對比較緩慢的過程。

（4）最大正變溫出現(xiàn)的時間在冬季最為集中，夏季最為分散；而最大負(fù)變溫概率在秋季最為集中，在春季最為分散。從變溫的特征可以看到，最大正、負(fù)變溫出現(xiàn)的時間均表現(xiàn)出郊區(qū)比城區(qū)更為集中的特點(diǎn)，表現(xiàn)了城市熱容量比郊區(qū)大，且具有更多變化的復(fù)雜性。

由于受到城市熱島、復(fù)雜環(huán)境、地理位置、多樣性地形、天氣系統(tǒng)等多重因素的影響，城區(qū)和郊區(qū)的氣溫日變化特征值得研究的方面很多。本文僅僅是對北京城區(qū)和郊區(qū)的日變化平均情況進(jìn)行了多方面的統(tǒng)計(jì)和分析。事實(shí)上，地理位置、地形條件不同的郊區(qū)站之間日變化特征有何差別、晴空條件、有云條件、降水降雪條件等天氣系統(tǒng)影響下的日變化特征有何差別，這些方面的問題都值得在后續(xù)工作中進(jìn)行更加深入和系統(tǒng)性的研究和探討。

（References）

Chudnovsky A, Ben-Dor E, Saaroni H.2004.Diurnal thermal behavior of selected urban objects using remote sensing measurements [J].Energy and Buildings, 36: 1063–1074.

丁金才, 葉其欣, 丁長根.2001.上海地區(qū)高溫分布的診斷分析 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 12 (4): 494–500. Ding Jincai, Ye Qixin, Ding Changgen.2001.Diagnostic analysis of high temperature distribution in Shanghai [J].Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 12 (4): 494–500.

胡文志, 梁延剛, 雷惠雯, 等.2009.香港城市與郊區(qū)氣候差異分析 [J].氣象, 35 (2): 71–79. Hu Wenzhi, Liang Yan’gang, Lei Huiwen, et al.2009.A study on the difference between urban and rural climate in Hong Kong [J].Meteorological Monthly (in Chinese), 35 (2): 71–79.

李興榮, 胡非, 舒文軍, 等.2008.北京秋季城市熱島效應(yīng)及其氣象影響因子 [J].氣候與環(huán)境研究, 13 (3): 291–299. Li Xingrong, Hu Fei,Shu Wenjun, et al.2008.Characteristics of urban heat island effect and its meteorological influencing factors over Beijing in autumn [J].Climatic and Environmental Research (in Chinese), 13 (3): 291–299.

李興榮, 張小麗, 隋高林, 等.2010.深圳夏季典型晴天不同小氣候區(qū)溫濕及舒適度特征 [J].氣象, 36 (10): 62–66. Li Xingrong, Zhang Xiaoli, Sui Gaolin, et al.2010.The characteristics of temperature,humidity and comfort index of different microclimate zones on typical clear days in Shenzhen in summer [J].Meteorological Monthly (in Chinese), 36 (10): 62–66.

林學(xué)椿, 于淑秋.2005.北京地區(qū)氣溫的年代際變化和熱島效應(yīng) [J].地球物理學(xué)報(bào), 48 (1): 39–45. Lin Xuechun, Yu Shuqiu.2005.Interdecadal changes of temperature in the Beijing region and its heat island effect [J].Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 48 (1): 39–45.

劉樹華, 李潔, 文平輝.2002.城市及鄉(xiāng)村大氣邊界層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 38 (1): 90–97. Liu Shuhua, Li Jie,Wen Pinghui.2002.Numerical simulation of atmospheric boundary-layer structure over urban and rural areas [J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 38 (1): 90–97.

劉熙明, 胡非, 李磊, 等.2006.北京地區(qū)夏季城市氣候趨勢和環(huán)境效應(yīng)的分析研究 [J].地球物理學(xué)報(bào), 49 (3): 689–697. Liu Ximing, Hu Fei,Li Lei, et al.2006.Summer urban climate trends and environmental effect in the Beijing area [J].Chinese Journal of Geophysics (in Chinese),49 (3): 689–697.

呂達(dá)仁, 周秀驥, 李維亮, 等.2002.30年來我國大氣氣溶膠光學(xué)厚度平均分布特征分析 [J].大氣科學(xué), 26 (6): 721–730. Lü Daren, Zhou Xiuji, Li Weiliang, et al.2002.Analyses on the spatial distribution of aerosol optical depth over China in recent 30 years [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 26 (6): 721–730, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2002.06.01.

Ohashi Y, Kida H.2002.Effects of mountains and urban areas on daytime local-circulations in Osaka and Kyoto regions [J].Journal of Meteorological Society of Japan, 80 (4): 539–560.

Peterson T C, Gallo K P, Lawrimore J, et al.1999.Global rural temperature trends [J].Geophys.Res.Lett., 26 (3): 329–332.

任國玉, 郭軍, 徐銘志, 等.2005.近 50年中國地面氣候變化基本特征[J].氣象學(xué)報(bào), 63 (6): 642–956. Ren Guoyu, Guo Jun, Xu Mingzhi, et al.2005.Climate changes of China’s mainland over the past half century[J].Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 63 (6): 642–956.

Saaroni H, Ben-Dor E, Bitna A, et al.2000.Spatial distribution and microscale characteristics of the urban island in Tel-aviv, Israel [J].Landscape and Urban Planning, 48: 1–18.

唐國利, 丁一匯.2006.近44 年南京溫度變化的特征及其可能原因的分析 [J].大氣科學(xué), 30 (1): 56–68. Tang Guoli, Ding Yihui.2006.The changes in temperature and its possible causes in Nanjing in recent 44 years [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (1):56–68.doi:10.3878/j.issn.1006–9895.2006.01.05.

王旻燕, 呂達(dá)仁.2005.GMS5反演中國幾類典型下墊面晴空地表溫度的日變化及季節(jié)變化 [J].氣象學(xué)報(bào), 63 (6): 957–967. Wang Minyan,Lü Daren.2005.Diurnal and seasonal variation of clear-sky land surface temperature of several representative land surface types in China retrieved by GMS5 [J].Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 63 (6):957–967.

吳凌云, 張井勇, 董文杰.2011.中國植被覆蓋對日最高最低氣溫的影響 [J].科學(xué)通報(bào), 56 (3): 274. Wu Lingyun, Zhang Jingyong, Dong Wenjie.2011.Vegetation effects on mean daily maximum and minimum surface air temperature over China [J].Chinese Science Bulletin (in Chinese), 56 (3): 274.

徐陽陽, 劉樹華, 胡非, 等.2009.北京城市化發(fā)展對大氣邊界層特性的影響 [J].大氣科學(xué), 33 (4): 859–867. Xu Yangyang, Liu Shuhua, Hu Fei, et al.2009.Influence of Beijing urbanization on the characteristics of atmospheric boundary layer [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese), 33 (4): 859–867.doi:10.3878/j.issn.1006–9895.2009.04.18.

徐祥德, 施曉輝, 張勝軍, 等.2005.北京及周邊城市群落氣溶膠影響域及相關(guān)氣候效應(yīng) [J].科學(xué)通報(bào), 50 (22): 2522–2530. Xu Xiangde,Shi Xiaohui, Zhang Shengjun, et al.2005.Influence domain and climate effect related to aerosol of urban community around Beijing [J].Chinese Science Bulletin (in Chinese), 50 (22): 2522–2530.

楊萍, 劉偉東, 仲躋芹, 等.2011.北京地區(qū)自動氣象站氣溫觀測資料的質(zhì)量評估 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 22 (6): 706–715. Yang Ping, Liu Weidong, Zhong Jiqin, et al.2011.Evaluating the quality of temperature measured at Automatic Weather Stations in Beijing [J].Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 22 (6): 706–715.

楊玉華, 徐祥德, 翁永輝.2003.北京城市邊界層熱島的日變化周期模擬 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 14(1): 61–68.Yang Yuhua, Xu Xiangde, Weng Yonghui.2003.Simulation of daily cycle of boundary layer heat island in Beijing [J].Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 14(1): 61–68.

張朝林, 苗世光, 李青春, 等.2007.北京精細(xì)下墊面信息引入對暴雨模擬的影響 [J].地球物理學(xué)報(bào), 50 (5): 1373–1382. Zhang Chaolin,Miao Shiguang, Li Qingchun, et al.2007.Impacts of fine-resolution land use information of Beijing on a summer severe rainfall simulation [J].Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 50 (5): 1373–1382.

趙娜, 劉樹華, 虞海燕.2011.近48 年城市化發(fā)展對北京區(qū)域氣候的影響分析 [J].大氣科學(xué), 35 (2): 373–385. Zhao Na, Liu Shuhua, Yu Haiyan.2011.Urbanization effects on local climate in Beijing in recent 48 years [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 35(2): 373–385.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2011.02.15.