北京市朝陽(yáng)區(qū)熱島效應(yīng)特征分析

戴高菊，李 艷，張子曰

(北京市朝陽(yáng)區(qū)氣象局，北京 朝陽(yáng)區(qū) 100016)

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北京市朝陽(yáng)區(qū)熱島效應(yīng)特征分析

戴高菊，李 艷，張子曰

(北京市朝陽(yáng)區(qū)氣象局，北京 朝陽(yáng)區(qū) 100016)

利用1961—2014年朝陽(yáng)、密云、上甸子3個(gè)站氣溫地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)朝陽(yáng)區(qū)與郊區(qū)溫度年際變化、熱島強(qiáng)度年際變化進(jìn)行了分析，并利用衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)分析了熱島效應(yīng)的空間分布特征，得到以下主要結(jié)論：① 朝陽(yáng)區(qū)在20世紀(jì)70年代末城市熱島效應(yīng)不太明顯，之后城市熱島效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，熱島強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，80年代末到90年代初略有減弱，2000年以后熱島強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)。② 朝陽(yáng)與郊區(qū)平均溫差達(dá)1.5℃左右，為強(qiáng)熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)增強(qiáng)使得夏季高溫日數(shù)增加，冬季低溫日數(shù)減少。冬季為一年中熱島強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)。③ 朝陽(yáng)區(qū)的熱島效應(yīng)表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱，熱島強(qiáng)度逐漸有向東、向南發(fā)展的趨勢(shì)。強(qiáng)熱島區(qū)域集中在三環(huán)以?xún)?nèi)的城區(qū)。弱熱島區(qū)域集中在奧林匹克森林公園等下墊面多為大面積的水體和植被的地區(qū)。

北京朝陽(yáng)區(qū)；熱島效應(yīng)；年際變化

1 引言

近年來(lái)，大城市規(guī)?；l(fā)展迅速，城市建成區(qū)內(nèi)高樓大廈、柏油路面、鋼筋水泥建筑日益增多，造成地表長(zhǎng)波輻射狀況較自然地面顯著變化，城市下墊面狀況及城市熱環(huán)境分布發(fā)生了巨大改變，加之工業(yè)、交通、商業(yè)等人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的熱量，使城市氣溫比周?chē)沫h(huán)境氣溫高，從而產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。城市內(nèi)的氣溫上升、高溫頻發(fā)與城市熱島效應(yīng)關(guān)系非常密切。城市熱島效應(yīng)是人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的最顯著的城市氣候效應(yīng)[1]。

20世紀(jì)末以來(lái)，熱島效應(yīng)研究也逐漸受到我國(guó)科學(xué)領(lǐng)域和各級(jí)政府的重視，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)展城市熱島效應(yīng)方面的研究工作，對(duì)城市熱島效應(yīng)工作中的熱點(diǎn)問(wèn)題做了許多研究和討論[2]。壽亦萱等[3]對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究歷史進(jìn)行了系統(tǒng)地回顧，重點(diǎn)對(duì)與城市熱島關(guān)系最密切的城市邊界層、熱島環(huán)流與復(fù)雜地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述。白楊等[4]研究指出，隨著城市規(guī)模的高速發(fā)展和城市人口的急劇膨脹，因城市下墊面的急劇變化和城市人為熱排放的迅速增加所引起的城市熱島效應(yīng)已逐漸成為嚴(yán)重影響城市居住環(huán)境和居民健康的重要因素。周淑貞[5]對(duì)城市熱島效應(yīng)形成機(jī)制進(jìn)行了多方面研究，呂云峰[6]、肖榮波[7]等相繼探討了熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法。張艷等[8]對(duì)超大城市熱島效應(yīng)的季節(jié)變化特征及年際變變化差異進(jìn)行了分析，宮阿都[9]、張兆明[10]等利用TM數(shù)據(jù)對(duì)北京市熱島狀況進(jìn)行了近似反演，并分析了熱島分布特征與時(shí)間變化特征。王郁等[11]對(duì)1993—2003年10 a來(lái)北京地區(qū)氣象臺(tái)站7、8月的溫度資料進(jìn)行分析，指出北京夏季城市熱島的水平范圍擴(kuò)大到近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)的通州，分布特征由“單中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘀行摹?；平均熱島強(qiáng)度呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)。張本志等[12]對(duì)北京中心商務(wù)區(qū)夏季近地面氣溫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)商務(wù)中心區(qū)存在附加熱島效應(yīng)。

目前針對(duì)北京市朝陽(yáng)區(qū)熱島效應(yīng)與城市進(jìn)程方面的研究較少，因此利用現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)朝陽(yáng)區(qū)城市熱島時(shí)空特征進(jìn)行研究，為緩解城市熱島效應(yīng)，建設(shè)生態(tài)文明綠色環(huán)保城市，提高人民的生活質(zhì)量，維持城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者利用1961—2014年共計(jì)54 a朝陽(yáng)、密云、上甸子3個(gè)站氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)朝陽(yáng)區(qū)與郊區(qū)溫度年際變化、熱島強(qiáng)度年際變化進(jìn)行了分析，并利用衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)分析了熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征。

2 資料與方法

采用1961—2014年，共54 a朝陽(yáng)、密云、上甸子3個(gè)站一天4個(gè)時(shí)次的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。定義城區(qū)與郊區(qū)站的氣溫差為熱島強(qiáng)度，即：

UHI=Tu-Ts

其中Tu為城市觀測(cè)站溫度，Ts為郊區(qū)觀測(cè)站溫度。文章選取密云站和上甸子站作為郊區(qū)站，其中密云站為北京氣候基準(zhǔn)氣象站，上甸子高山站為國(guó)家大氣本底站，可視該地區(qū)溫度變化受人類(lèi)活動(dòng)影響較少，可反映氣溫的自然變化；朝陽(yáng)站作為市區(qū)站，主受人類(lèi)活動(dòng)影響，反映城市的氣溫變化。

同時(shí)，利用Landsat/TM衛(wèi)星影像資料處理方法，按照葉彩華[1]地表熱島強(qiáng)度計(jì)算法來(lái)估算城市地表熱島強(qiáng)度，即：

其中，UHIIi為圖象上第i個(gè)象元所對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度，Ti為地表溫度，n為郊區(qū)農(nóng)田內(nèi)的有效象元數(shù)，Tcrop為郊區(qū)農(nóng)田地表溫度。利用北京市1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年Landsat/TM地表溫度按上式計(jì)算出朝陽(yáng)區(qū)城市熱島強(qiáng)度。并按熱島強(qiáng)度值的大小，將熱島強(qiáng)度劃分為7級(jí)：強(qiáng)冷島、較強(qiáng)冷島、弱冷島、無(wú)熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島等。

3 結(jié)果分析

3.1 朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度變化

3.1.1 年際變化 圖1為54 a朝陽(yáng)、密云、上甸子各站平均氣溫年際變化。3個(gè)站的年平均氣溫變化相關(guān)性較好，總體呈上升趨勢(shì)，但朝陽(yáng)站自2000年后升溫速率明顯高于郊區(qū)2站。3個(gè)站的年平均氣溫增速有所不同(虛線(xiàn))，上甸子增溫速率最慢，每10 a升高約0.07℃；密云站每10 a增溫速率為0.16℃；朝陽(yáng)站增溫最快，每10 a升高近0.31℃。上甸子為高山站，54 a間測(cè)站周?chē)緵](méi)有建設(shè)以及較大范圍的人類(lèi)活動(dòng)，其溫度變化最能反映自然氣候的變化；密云縣受城市發(fā)展影響增溫速率略高于上甸子，但其城市規(guī)模，人口密度相對(duì)于朝陽(yáng)區(qū)發(fā)展較緩慢。

圖1 朝陽(yáng)、密云、上甸子平均氣溫年際變化和趨勢(shì)(單位：℃)

計(jì)算朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度時(shí)，需考慮因海拔高度對(duì)溫差造成的影響。通常情況下氣溫隨高度直減率為6℃/km，根據(jù)上甸子和密云站與朝陽(yáng)站海拔高度差，可得出朝陽(yáng)站與上甸子站溫差約為1.5℃，與密云站溫差為0.2℃。從朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度年際變化(圖2)可以看出，朝陽(yáng)站與密云站溫差、朝陽(yáng)站與上甸子站溫差年際變化雖略有波動(dòng)，但總體呈上升趨勢(shì)，利用多項(xiàng)式擬合法對(duì)朝陽(yáng)站與密云站溫差、朝陽(yáng)站與上旬子站溫差平均值進(jìn)行擬合，得到趨勢(shì)線(xiàn)(虛線(xiàn))可知，2004年后溫度差上升趨勢(shì)明顯增大。朝陽(yáng)站與密云站溫差(紅線(xiàn))從20世紀(jì)60年代初0.3℃左右增加到2014年的1.5℃左右；而朝陽(yáng)站與上甸子站溫差(藍(lán)線(xiàn))由之前0℃左右增加到2014年的1.25℃左右。在20世紀(jì)70年代末以前朝陽(yáng)地區(qū)的環(huán)境較好，城市熱島不太明顯，70年代末以后城市熱島效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，熱島強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，并在2000年后熱島強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)的趨勢(shì)。

通過(guò)朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度年際變化趨勢(shì)可看出，20世紀(jì)60年代朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度基本不變，60年代末到80年中期有增強(qiáng)趨勢(shì)，80年代中期到90年代末相對(duì)平穩(wěn)略有減弱。而2000年以后，朝陽(yáng)區(qū)城市建設(shè)和人口規(guī)模有較大幅度的增加，熱島強(qiáng)度也較大幅度的增強(qiáng)。

3.1.2 氣溫的季節(jié)和極端變化 對(duì)朝陽(yáng)區(qū)四季溫度進(jìn)行平均并作圖(圖略)，其中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季9—11月，冬季為12—次年2月。結(jié)果表明四季溫度年際變化整體呈上升趨勢(shì)，其中春、冬兩季增溫趨勢(shì)最為明顯，約為每10 a增溫0.4℃，夏、秋兩季變化略小，為每10 a增溫0.2℃。

圖3為朝陽(yáng)區(qū)四季的熱島強(qiáng)度(朝陽(yáng)站與上甸子站溫差)年際變化，冬季熱島強(qiáng)度明顯強(qiáng)于其他3個(gè)季節(jié)。春、夏、秋季熱島強(qiáng)度2003年以前波動(dòng)較大，有明顯的季節(jié)差異，自2003年以后波動(dòng)減小，季節(jié)性差異逐漸減弱。2003年前后開(kāi)始各季節(jié)熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì)有所加強(qiáng)。

圖3 朝陽(yáng)區(qū)四季熱島強(qiáng)度年際變化(單位：℃)

對(duì)朝陽(yáng)站與密云站年極端氣溫變化進(jìn)行比較(圖4a)，朝陽(yáng)站與密云站年平均極端最高溫度差異較小，朝陽(yáng)站年平均極端最高溫度為37.3℃，密云為36.8℃。朝陽(yáng)站極端最高溫度年際變化可知，20世紀(jì)60年代末到90年代初，極端最高溫呈下降趨勢(shì)，而90年代中后期到2010年總體呈上升趨勢(shì)。年極端最低溫度朝陽(yáng)與密云差異較大(圖4b)，朝陽(yáng)為-14.9℃，密云為-18.6℃。20世紀(jì)60—80年代中期，極端最低氣溫變化相對(duì)平穩(wěn)，80年代中后期極端最低氣溫有增暖趨勢(shì)。從極端最高、最低溫差(圖4c)可知，極端最高溫差年際變化幅度較小，而極端最低溫差變化略呈上升趨勢(shì)。

基于語(yǔ)料庫(kù)的二語(yǔ)構(gòu)式創(chuàng)新用法教學(xué) …………………………………………………… 陳松松 程文華（3.61）

圖4 朝陽(yáng)站與密云站年極端氣溫年際變化

3.1.3 高、低溫日數(shù)年際變化 統(tǒng)計(jì)1961—2014年高溫(≥35℃)日數(shù)年際變化(圖5)，從高溫日數(shù)年際變化趨勢(shì)線(xiàn)可知，高溫日數(shù)略呈上升趨勢(shì)，但每年高溫日數(shù)變化也較為明顯。2000年為高溫日數(shù)發(fā)生最多年，為23 d，而1970年、1976年、1977年、1985年、1995年均無(wú)高溫日出現(xiàn)。同時(shí)看到，1961—1965年、1997—2005年這兩個(gè)時(shí)間段為高溫日數(shù)連續(xù)出現(xiàn)較多的年份，尤其2000年前后高溫日數(shù)出現(xiàn)偏多。

同樣對(duì)低溫日數(shù)年際變化也進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖略)，發(fā)現(xiàn)低溫日數(shù)(≤9℃)在逐年減少，20世紀(jì)80年代后期低溫日數(shù)有明顯減少趨勢(shì)，1990年以前年平均低溫日數(shù)為36.8 d，而1990年以后平均僅為18.8 d，其中1969年低溫日數(shù)達(dá)到極值，為63 d，而2007年僅出現(xiàn)4 d。20世紀(jì)90年代起年均低溫日數(shù)逐漸減少，而至2000年后年均高溫日數(shù)增多。

圖5 1961—2014年高溫(≥35℃)

3.2 朝陽(yáng)區(qū)城市熱島的時(shí)空分布

由于部分年份資料缺失，因此選取1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年城市用地面積衛(wèi)星反演圖分析朝陽(yáng)區(qū)城市建設(shè)情況。從這幾年的變化(圖6)可以看出，朝陽(yáng)區(qū)城鎮(zhèn)用地面積從1986—2011年明顯擴(kuò)大，城鎮(zhèn)由1986年分布在朝陽(yáng)區(qū)西部逐漸向東部擴(kuò)展。農(nóng)田從1986年約占全區(qū)60%以上面積，縮減至幾乎消失。通過(guò)對(duì)朝陽(yáng)區(qū)1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年的Landsat/TM地表溫度計(jì)算，得熱島強(qiáng)度監(jiān)測(cè)(圖7)結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)朝陽(yáng)區(qū)強(qiáng)熱島區(qū)域與城市用地區(qū)域基本一致。朝陽(yáng)區(qū)熱島強(qiáng)度經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)再變?nèi)踉僮儚?qiáng)的發(fā)展歷程，其中2001年達(dá)到次高峰，這可能是因?yàn)樯陫W成功后奧運(yùn)村附近大規(guī)模的綠化改造，使得強(qiáng)度有所減弱。

以2012年朝陽(yáng)區(qū)年平均氣溫空間分布(圖8)為例進(jìn)行分析。最高與最低溫度相差1.6℃。較高溫度區(qū)主要分布在北京中央商務(wù)區(qū)、京通快速沿線(xiàn)以及西部安貞、和平街街道等中心城區(qū)，這些區(qū)域人員和車(chē)輛密集，地表硬化程度高，植被相對(duì)較少。而較低溫度分布在西北部奧林匹克公園、西北部金盞鄉(xiāng)、東南部以及中部朝陽(yáng)公園附近。這與之前分析熱島分布特征相一致。綜上所述，有大范圍植被覆蓋的地表和水體周?chē)鷾囟让黠@低于其他地方。

圖6 城市用地面積衛(wèi)星反演圖(a、b、c、d、e、f依次為1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年)

圖7 朝陽(yáng)區(qū)城市熱島變化圖(a、b、c、d、e、f依次為1987年、1992年、2001年、2005年、2008年、2011年)

圖8 2012年朝陽(yáng)區(qū)平均氣溫空間分布(單位：℃)

4 結(jié)論

本文利用1961—2014年朝陽(yáng)、密云、上甸子3個(gè)站氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)朝陽(yáng)區(qū)與郊區(qū)溫度年際變化、熱島強(qiáng)度年際變化進(jìn)行了分析，并利用衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)分析了熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征，得到以下主要結(jié)論：

② 朝陽(yáng)區(qū)與郊區(qū)平均溫差達(dá)1.5℃左右，為強(qiáng)熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)增強(qiáng)使得夏季高溫日數(shù)增加，冬季低溫日數(shù)減少。冬季是一年中熱島強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)。

③ 空間上朝陽(yáng)區(qū)的熱島效應(yīng)表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱，熱島強(qiáng)度逐漸有向東、向南發(fā)展的趨勢(shì)。強(qiáng)熱島區(qū)域集中在三環(huán)以?xún)?nèi)的城區(qū)。弱熱島區(qū)域集中在奧林匹克森林公園，等下墊面多為大面積的水體和植被的地區(qū)。

[1] 葉彩華，劉勇洪，劉偉東，等.城市地標(biāo)熱環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)研究及應(yīng)用[J].氣象科技，2011，39(1)：95-101.

[2] 黃良美，鄧超冰，黎寧.城市熱島效應(yīng)熱點(diǎn)問(wèn)題研究進(jìn)展[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，27(4)：54-58.

[3] 壽亦萱，張大林.城市熱島效應(yīng)的研究進(jìn)展與展望[J].氣象學(xué)報(bào)，2012，03：338-353.

[4] 白楊，王曉云，姜海梅，等.城市熱島效應(yīng)研究進(jìn)展[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29(2)：101-106.

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貴州省氣象學(xué)會(huì)嚴(yán)正聲明

近期，網(wǎng)上出現(xiàn)了虛假的《貴州氣象》網(wǎng)站。為避免作者上當(dāng)受騙，貴州省氣象學(xué)會(huì)特此聲明并告知廣大作者：貴州省氣象學(xué)會(huì)主辦的《貴州氣象》一貫秉承嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)和期刊編輯規(guī)范，所有稿件必須通過(guò)《貴州氣象》唯一的官方在線(xiàn)投審稿系統(tǒng)(http://gzqx1962.com/)進(jìn)行投稿，稿件經(jīng)編輯部初審?fù)ㄟ^(guò)后送相關(guān)審稿專(zhuān)家進(jìn)行同行評(píng)議，最后通過(guò)主編審稿環(huán)節(jié)后才最終確定是否錄用。我刊沒(méi)有對(duì)作者投稿收取審稿費(fèi)，稿件確定錄用并經(jīng)過(guò)編校后會(huì)將版面費(fèi)收取通知通過(guò)郵箱發(fā)給作者，收款帳戶(hù)為單位公用帳號(hào)，編輯部不會(huì)以個(gè)人名義收取任何費(fèi)用。

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Urban heat island effect characteristics of Chaoyang District， Beijing

DAI Gaoju， LI Yan， ZHANG Ziyue

(Chaoyang Meteorological Bureau of Beijing，Beijing 10016)

This study investigates the historical inter-annual variabilities of urban heat island(UHI) effect over the Chaoyang distract and its suburb regionsin Beijing.The observed surface air temperaturedata during 1961—2014 from three observatories，namely Chaoyang，Miyun and Shangdianzi，is further used to analyze the impact of UHI to the frequency of extreme temperature.We also apply the satellite retrieval data to analyze the spatial distribution of UHI effect.The results show an increased trend in UHI effect during the last 54 years.The UHI signal is comparatively weak before the late 1970 s and tends to be intensified since the early 1980 s.However，a period of relatively weak UHI is also found duringthe late 1980s to the early 1990 s.The difference in temperature between the Chaoyangdistrict and its outer suburbs is 1.5℃，indicating a strong UHI effect.With increased UHI，the resultshows an increase in high temperature days of summer and decrease in low temperature days of winter as well.The seasonality of UHI intensity shows that the most intenseUHI tends to occur in winter.The spatial climatology shows that the UHI over the west Chaoyangdistrict tent to be stronger than the east.The UHI effect over the Beijing inner core area(e.g.area within the 3rd Ring Road)is found to be stronger as compared with the outer area of Beijing(e.g.the Olympic forest park).This is considered as the result of the high coverage of water and vegetation in the outer Beijing that brings relatively great contrasts to the land surfaceproperty.

Chaoyang District of Beijing；Heat island effect； Interannual variation

2015-10-26

戴高菊(1987—)，女，助工，主要從事城市氣象方面研究工作。

北京市朝陽(yáng)區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“朝陽(yáng)區(qū)熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)和商務(wù)中心區(qū)氣象節(jié)能措施研究”( KC1103)

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