城市熱島效應對降雨量的影響

孫永遠 ，李傳書

（1. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2. 江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221006）

0 引言

隨著城市化的不斷推進，城區(qū)的面積不斷擴大，城市道路、房屋的建設改變了原來的下墊面，城區(qū)建筑多、導熱能力強，特別是能夠吸收太陽的熱輻射，如何分析判斷熱島效應對降水量的影響，難點之一是缺少城市雨量站網(wǎng)規(guī)劃的導則，缺少在城市區(qū)域布設較為合理密度的雨量站點，缺少長時間序列的雨量觀測資料。徐州市自 1982 年開始，布設城市雨量觀測站，積累了部分觀測資料，為城市洪水治理研究提供雨情資料[1]。濟南市 2010 年開始匯編城市水文年鑒[2]，北京市 2012 年在城區(qū)布設城市雨量站[3]，有效監(jiān)測到了“2012.7.21”特大暴雨。布設城市雨量站網(wǎng)、水生態(tài)站網(wǎng)、排澇站網(wǎng)[4]將成為城市水文研究的新領域。本文以徐州市為例，探討城市熱島效應對降雨量的影響。

1 面雨量的計算

1.1 水文特征

徐州市地處我國東部、華北平原的東南部、江蘇省北部，2010 年普查人口為 858 萬，其中市轄區(qū)內(nèi)人口 306 萬，海撥 30～50 m 之間。屬暖溫帶季風氣候區(qū)，受東南季風影響較大，有時受海洋性氣候影響，年日照時數(shù)為 2 284～2 495 h，日照率52%～57%，年均氣溫 14 ℃，年均無霜期 200～220 d，年均降水量 800～930 mm，雨季降水量約占全年的 70%。四季分明，光照充足，雨量適中，雨熱同期。四季之中春、秋季短，冬、夏季長，春季天氣多變，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒潮頻襲。

1.2 城區(qū)的范圍

本文所指的城區(qū)是指城市管理的核心區(qū)域和建成區(qū)的主體。徐州市城區(qū)，由改革開放初期內(nèi)環(huán)線內(nèi)（北至二環(huán)北路，東至東三環(huán)，南至云龍湖，西至西三環(huán)）50～100 km2的范圍，已經(jīng)擴展到高速公路環(huán)城線，面積達 800 km2，如圖 1 繞城高速所包圍的區(qū)域所示。

1.3 雨量站密度

1）城區(qū)的代表雨量站。1982—1991 年期間，布設云龍湖、茶棚 2 處雨量站，1992 年開始，增設了翟山、湖濱、礦務局、養(yǎng)護處、黃山壟、下淀、孟家溝、水利局等 8 處雨量站。

2）城區(qū)周邊代表雨量站。1982 年以來，布設有藺家壩閘、解臺閘、漢王鎮(zhèn)、三堡鎮(zhèn)等 4 處國家基本雨量站，從圖 1 上可以看到，4 處雨量站分布在城區(qū)的四周，把城區(qū)包圍在里面。

圖1 徐州市城區(qū)周邊雨量站分布圖

1982—1991 年 2 處雨量站，城區(qū)面積 100 km2，每站控制面積 50 km2，雨量站離周邊（繞城高速）5～8 km；1991 年增設了雨量站，雨量站站數(shù)達到 10 處，按現(xiàn)有城區(qū)面積 800 km2計，每站控制面積 80 km2，雨量站離周邊約 1～3 km。按照 SL34-92《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術導則》，平原水網(wǎng)區(qū)雨量站密度要求達到每站控制 250～300 km2。根據(jù)《江蘇省水文站網(wǎng)規(guī)劃》（2010 年）的統(tǒng)計，江蘇省雨量站密度為每站控制面積 210 km2。城市雨量站控制面積比全省實際雨量站密度提高了約 3 倍。

2 雨量場次的選擇

2.1 時間序列的選擇

從新中國成立（1949年）到改革開放（1979 年）的 31 a 間，城市發(fā)展緩慢，城區(qū)缺乏雨量站點。1982—2010 年是改革開放以來城市發(fā)展最快的時期，為適應城市防汛要求，徐州市在城區(qū)相繼布設雨量觀測站點，收集并積累雨量資料。本次使用這 29 a 的雨量觀測資料用于計算分析。

2.2 雨量場次的選擇

分析出城區(qū)內(nèi)與外雨量值的差別，場次雨量（日雨量）的大小是重要的影響因素。從實際資料分析得出，一般日雨量小，降雨的區(qū)域不夠大，降雨的均勻性差，面雨量值的代表性不高，難以比較城區(qū)與城區(qū)周邊降雨量的差異。反之，隨著日雨量值的增大，雨區(qū)覆蓋面增大，降雨的均勻性越來越好。實際資料統(tǒng)計計算也得出與理論相近的結果。

根據(jù)資料分析，選擇日雨量值作為場次雨量。經(jīng)對比分析，即當市區(qū)周邊 4 處雨量站的平均雨量達到 40 mm 以上時，徐州市與周邊鄰省、鄰市均處于降雨狀態(tài)，降雨的范圍大， 從計算成果上看，“城區(qū)平均雨量”與“城區(qū)周邊平均雨量”比值的平均值趨于穩(wěn)定。當然，大暴雨的形成受很多因素的影響，從時間上看，平均雨量達到 40 mm 的時間，主要分布在 5—9 月，與東部海河流域[5]相近。城市暴雨一般強度大[6]，匯流速度快，易形成城市洪澇。

3 城區(qū)平均雨量與周邊平均雨量的比較

3.1 城區(qū)平均雨量與周邊平均雨量的計算

城區(qū)布設的 10 處雨量站，分布較為均勻，故采用算術平均法計算面雨量[7]，城區(qū)周邊布設 4 處雨量站，也采取算術平均法計算面雨量。從 1982—2010 年的 29 a 資料中，符合城區(qū)周邊平均雨量達到 40.0 mm 的日雨量資料共有 52 次，場次雨量主要分布在每年的 5—9 月份，其中 7 月份為最多，共有 25 次。最大日降雨量為 235.7 mm，城區(qū)周邊平均日雨量從 40.3～235.7 mm 中，40.3～80.0 mm 的有 35 次、80.0～100.0 mm 有 11 次、100～235.7 mm 有 6 次。內(nèi)外比值大于 1.0 的有 30 次，占 57.7%，比值小于 1.0 的有 22 次，占 43.3%。

3.2 城市熱島效應對降雨量的影響

經(jīng)過計算，52 次城區(qū)與周邊平均雨量的平均比值為 1.099 5，從總體上看，熱島效應引起的雨量增加值為 9.95 %，詳見表 1。

4 熱島效應產(chǎn)生的主要原因

1）硬質(zhì)下墊面增加。徐州市是一個人口多，密度大，工業(yè)化程度較高的大城市，市內(nèi)有大型工廠、密集居民區(qū)，集中的商業(yè)區(qū)，具有一般大城市的普遍特征。隨著城市化的不斷推進，部分鄉(xiāng)村變成了城市，水泥瀝青道路[8]不斷增加，硬質(zhì)下墊面增大。

表1 城區(qū)平均雨量與周邊平均雨量統(tǒng)計表

2）導熱系數(shù)提高。生活小區(qū)樓房、商業(yè)大樓等一棟連著一棟，高樓平地起，房屋等所構成的導熱系數(shù)提高。建筑物與空氣間的熱傳遞，提升了空氣的溫度。

3）散發(fā)熱量增大。工廠燃燒各種燃料、空調(diào)加熱、集中的人群每天都在向外排放和散發(fā)大量的熱量。據(jù)有關統(tǒng)計，城市消耗了大約 75% 的能源，產(chǎn)生了 80% 的溫室氣體排放量。城市相對農(nóng)村來說是一個熱源。

4）吸收熱能力強。城市空氣污染物多、建筑物多，因此，吸收太陽能的能力增強；通過吸收太陽能，再散發(fā)出來。

5）空氣流動阻力增加。城市建筑物多而高聳，6 層樓房超過 20 m，25 層的高層建筑一般超過 80 m，城區(qū)的樓房主要是 6，11 層，高層及少量的超高層，隨著建筑物增多和樓層高度的增加，不利于空氣流通，不利于熱量擴散，易形成高溫中心，并由此向周圍遞減。隨著城市面積的逐步擴大，城市熱島效應非常明顯。

6）城區(qū)雨城區(qū)周邊溫度的對比。根據(jù)近 20 a 氣象資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，城區(qū)氣溫比周圍郊區(qū)和農(nóng)村氣溫高 2 ℃ 左右。

5 結語

城市是人類最重要的聚集地，城市化是當今中國推進城鎮(zhèn)化的發(fā)展目標。城市化地區(qū)用水量增加、氣候變化和人類活動頻繁[9]。通過對徐州市 29 a 中 52 場雨量資料的分析，城區(qū)內(nèi)、外平均雨量比值大于 1.0 的次數(shù)占 57.7%，比值小于 1.0 次數(shù)占43.3%；從 52 場雨量的總量上比，城區(qū)比周邊的雨量增加了 9.95%。從總體上看，影響主要來自于區(qū)域自然下墊面變化、城區(qū)面積的增大和人類活動[10]。需要指出的是，為了有效比較城區(qū)和周邊雨量值的變化，克服不均勻降雨帶來的影響，所選擇的場次雨量的大小較為關鍵，本文研究的是場次雨量（日雨量）達到 40.0 mm 以上時的情況，這個“閾值”與城區(qū)面積有關，在其它條件下的影響程度，還需要下一步深入研究。

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