濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的變化特征

孫小麗，王式功，趙玉翠，王 華，劉新彥

(1.山東省濟(jì)陽(yáng)縣氣象局，山東濟(jì)陽(yáng) 251400；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

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濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的變化特征

孫小麗1，2，王式功2，趙玉翠1，王 華1，劉新彥1

(1.山東省濟(jì)陽(yáng)縣氣象局，山東濟(jì)陽(yáng) 251400；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

利用2012—2014年濟(jì)南市64個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站的逐日逐時(shí)平均氣溫、逐日最高氣溫和最低氣溫資料，分析了濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的日變化和空間分布特征。結(jié)果表明，濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度日變化表現(xiàn)為白天弱、夜間強(qiáng)的特點(diǎn)。不同季節(jié)濟(jì)南市城市熱島中心空間分布上差別不大，主要是位于泉城廣場(chǎng)等中心城區(qū)。

城市熱島；強(qiáng)度；日變化；空間分布；濟(jì)南市

城市熱島是城市化對(duì)氣溫影響最突出的特征，也是城市氣候最典型的特征之一，各地?zé)釐u強(qiáng)度的大小各不相同[1]，且隨著城市的發(fā)展城市熱島強(qiáng)度不同程度地增強(qiáng)[2-5]。許多學(xué)者對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果[6-9]。Jusuf等[6]研究新加坡的土地利用與熱島效應(yīng)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，不同的土地利用類(lèi)型對(duì)于熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率在白天和晚上是不同的；劉偉東等[8]研究指出，城市化對(duì)北京地區(qū)城區(qū)及近郊站點(diǎn)日平均氣溫和最低氣溫影響最大；李艷紅等[9]分析發(fā)現(xiàn)，太原城市熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)，城市熱島效應(yīng)的形成和加劇是城市發(fā)展的結(jié)果。改革開(kāi)放以來(lái)，濟(jì)南的城市建設(shè)快速發(fā)展，但其對(duì)城市熱島影響的研究比較少。筆者利用高密度的區(qū)域自動(dòng)站資料，分析濟(jì)南城市熱島強(qiáng)度的日變化特征，通過(guò)ArcGIS地理信息系統(tǒng)的反距離權(quán)重法詳細(xì)研究濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的空間分布特征，揭示濟(jì)南市城市化發(fā)展對(duì)城市熱島的影響，為城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源 選取2012—2014年濟(jì)南區(qū)域內(nèi)64個(gè)區(qū)域自動(dòng)站的逐日逐時(shí)平均氣溫、逐日最高氣溫和最低氣溫資料?？紤]到區(qū)域自動(dòng)站周邊環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合緩沖區(qū)方法，以距泉城廣場(chǎng)18 km為界限，18 km范圍以內(nèi)定義為城區(qū)站點(diǎn)，18 km范圍以外定義為郊區(qū)站點(diǎn)，城郊站點(diǎn)分布如圖1。由圖1可見(jiàn)，城區(qū)站點(diǎn)分別是市政府、泉城廣場(chǎng)、百花公園等12個(gè)站點(diǎn)，郊區(qū)站點(diǎn)分別是蟠龍山公園、外國(guó)語(yǔ)學(xué)校、歷城二中等52個(gè)站點(diǎn)。

圖1 濟(jì)南市區(qū)域自動(dòng)站緩沖區(qū)Fig.1 Buffer zone of regional automatic station in Ji′nan

1.2 分析方法 濟(jì)南境內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，各個(gè)區(qū)域自動(dòng)站地形高度存在不同差異，如果不進(jìn)行訂正會(huì)帶來(lái)氣溫偏差，因此在對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站氣溫資料進(jìn)行空間分析時(shí)以干絕熱遞減率進(jìn)行訂正，將各個(gè)測(cè)站的氣溫?cái)?shù)據(jù)均訂正到海平面高度。

分別計(jì)算濟(jì)南市64個(gè)區(qū)域自動(dòng)站，各站點(diǎn)2012—2014年各個(gè)季節(jié)的氣溫，在ArcGIS地理信息系統(tǒng)中利用反距離權(quán)重法(IDW)空間插值，得到濟(jì)南市各個(gè)季節(jié)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的空間分布情況。

2 濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的日變化特征

圖2 2012—2014年濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度日變化Fig.2 Diurnal variation of urban heat island intensity in Ji’nan City in 2012-2014

由圖2可見(jiàn)，濟(jì)南城市熱島強(qiáng)度的日變化非常明顯，表現(xiàn)為白天弱、夜間強(qiáng)的特點(diǎn)。12：00—14：00熱島強(qiáng)度最弱，14：00以后，熱島強(qiáng)度開(kāi)始明顯加大，20：00—次日06：00熱島強(qiáng)度均較高，熱島強(qiáng)度均維持在1.8 ℃及以上，其中22：00—23：00熱島強(qiáng)度達(dá)最高，均為2.0 ℃。06：00以后隨著日出熱島強(qiáng)度迅速下降，一直到19：00左右，熱島強(qiáng)度相對(duì)均較弱。這是因?yàn)榘滋斐鞘邢聣|面的增溫引起能量下傳和儲(chǔ)存，這部分能量在日落以后以長(zhǎng)波輻射湍流熱交換等形式提供給城市大氣，部分地補(bǔ)償了由于大氣長(zhǎng)波輻射而損失的能量，相對(duì)于降溫較快的郊區(qū)，城市氣溫下降緩慢，形成了城市熱島[10]。而白天由于太陽(yáng)短波輻射增溫，近地面湍流作用加強(qiáng)，特別到中午的時(shí)候，太陽(yáng)短波輻射最強(qiáng)，湍流無(wú)論在垂直還是水平方向的交換進(jìn)一步增強(qiáng)，使得城郊之間溫差變小，熱島強(qiáng)度較弱。

3 濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度的空間分布特征

3.1 冬季 冬季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的熱島強(qiáng)度最大的是最低氣溫，為1.2 ℃；最小的是最高氣溫，為0.5 ℃；平均氣溫的熱島強(qiáng)度為0.8 ℃。由圖3可見(jiàn)，最高氣溫的高值區(qū)面積分布較大，濟(jì)南城區(qū)以及南郊均表現(xiàn)為高值區(qū)，其熱島中心主要位于濟(jì)南大學(xué)、泉城廣場(chǎng)、熱電公司、高新開(kāi)發(fā)區(qū)以及南郊的西營(yíng)棗林；平均氣溫的熱島中心主要分布在濟(jì)南大學(xué)、市政府、泉城廣場(chǎng)、熱電公司；最低氣溫的熱島中心主要分布在濟(jì)南大學(xué)、泉城廣場(chǎng)、供銷(xiāo)公司、熱電公司以及南郊的跑馬嶺等地。平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫從城區(qū)到郊區(qū)基本上均呈現(xiàn)溫度遞減的現(xiàn)象。

圖3 2012—2014年濟(jì)南市冬季平均氣溫(a)、最高氣溫(b)和最低氣溫(c)空間分布(單位：℃)Fig.3 Spatial distribution of average temperature(a)，maximum temperature(b)and minimum temperature(c)in winter in Ji’nan City from 2012 to 2014

3.2 春季 春季熱島強(qiáng)度最大的是最低氣溫，為0.7 ℃；最小的是最高氣溫，為0.4 ℃；平均氣溫的熱島強(qiáng)度為0.6 ℃。從圖4可以看出，春季平均氣溫的城市熱島面積明顯大于冬季，其熱島中心位于以泉城廣場(chǎng)為中心的片狀區(qū)域內(nèi)，整個(gè)城區(qū)及周邊的氣溫相對(duì)于郊區(qū)均較高。最高氣溫的熱島中心主要分布在泉城廣場(chǎng)和百花公園周邊以及平陰的孝直等區(qū)域，整個(gè)城區(qū)基本上均為氣溫較高的區(qū)域；最低氣溫的城市熱島面積較小，熱島中心主要分布在市政府、熱電公司等地。

圖4 2012—2014年濟(jì)南市春季平均氣溫(a)、最高氣溫(b)和最低氣溫(c)空間分布(單位：℃)Fig.4 Spatial distribution of average temperature(a)，maximum temperature(b)and minimum temperature(c)in spring in Ji’nan City from 2012 to 2014

3.3 夏季 夏季熱島強(qiáng)度最大的是最低氣溫，為0.6 ℃；最小的是最高氣溫，為0.3 ℃；平均氣溫的熱島強(qiáng)度為0.4 ℃。由圖5可見(jiàn)，夏季平均氣溫的城市熱島中心位于熱電公司、交通學(xué)院、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、供銷(xiāo)公司范圍內(nèi)；最低氣溫的熱島中心分布在從交通學(xué)院到山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的帶狀區(qū)域內(nèi)；最高氣溫的熱島中心分布較零散，主要中心位于泉城廣場(chǎng)和泉城公園周邊區(qū)域，在章丘、長(zhǎng)清、平陰等地均有熱島中心，屬于“多島”效應(yīng)。

圖5 2012—2014年濟(jì)南市夏季平均氣溫(a)、最高氣溫(b)和最低氣溫(c)空間分布(單位：℃)Fig.5 Spatial distribution of average temperature(a)，maximum temperature(b)and minimum temperature(c)in summer in Ji’nan City from 2012 to 2014

3.4 秋季 秋季熱島強(qiáng)度空間分布與冬季、春季、夏季類(lèi)似，最大的是最低氣溫，為0.9 ℃；最小的是最高氣溫，為0.3 ℃；平均氣溫的熱島強(qiáng)度為0.5 ℃。由圖6可見(jiàn)，秋季城市熱島面積比冬季、春季、夏季均小，其中平均氣溫的熱島中心位于濟(jì)南大學(xué)、熱電公司、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，章丘的官莊氣溫也相對(duì)比較高；最低氣溫的熱島中心位于濟(jì)南大學(xué)、市政府、供銷(xiāo)公司、熱電公司以及南郊的跑馬嶺等；最高氣溫的城市熱島分布面積很小，熱島中心位于泉城廣場(chǎng)。

圖6 2012—2014年濟(jì)南市秋季平均氣溫(a)、最高氣溫(b)和最低氣溫(c)空間分布(單位：℃)Fig.6 Spatial distribution of average temperature(a)，maximum temperature(b)and minimum temperature(c)in autumn in Ji’nan City from 2012 to 2014

4 結(jié)論

(1)濟(jì)南市城市熱島強(qiáng)度日變化表現(xiàn)為白天弱、夜間強(qiáng)的特點(diǎn)。

(2)濟(jì)南市最低氣溫的熱島效應(yīng)在各個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)比較明顯。城市熱島中心在不同季節(jié)空間分布上差別不大，主要是位于泉城廣場(chǎng)、濟(jì)南大學(xué)等中心城區(qū)。這與冉桂平等[11]研究的2007—2008年濟(jì)南熱島位置比較一致，說(shuō)明城市中心沒(méi)有變化，城市熱島中心位置也沒(méi)有大的變化。

[1] 周淑貞，束炯.城市氣候?qū)W[M].北京：氣象出版社，1994.

[2] REN G Y，ZHOU Y Q．Urbanization effect on trends of extreme temperature indices of National Stations over Mainland China，1961-2008[J]．Journal of climate，2014，27：2340-2360.

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[9] 李艷紅，趙彩萍，李玉琴，等.太原城市化進(jìn)程對(duì)城市熱島的影響[J].氣象科技，2013，41(2)：360-364.

[10] 周淑貞，吳林.上海下墊面溫度與城市熱島：氣象衛(wèi)星在城市氣候研究中的應(yīng)用之一[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1987，7(3)：261-268.

[11] 冉桂平，李瑞，任丹，等.濟(jì)南市城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布特征[J].西部資源，2011(6)：92-94.

Analysis of the Change Characteristics of Urban Heat Island Intensity in Ji′nan City

SUN Xiao-li1,2, WANG Shi-gong2, ZHAO Yu-cui1et al

(1. Jiyang Meteorological Bureau, Jiyang, Shandong 251400; 2. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu 730000)

By using the hourly and daily average temperature, daily maximum temperature, and the daily minimum temperature in 64 regional automatic meteorological stations in Ji′nan City from 2012 to 2014, we analyzed the diurnal variation and spatial distribution characteristics of urban heat island intensity in Ji′nan City. Results showed that the diurnal variation of the urban heat island intensity was weaker in the day and stronger in the night. Spatial distribution of urban heat island center showed little differences in different seasons in Ji′nan City, which was mainly distributed in Quancheng square and its surrounding downtown zones.

Urban heat island; Intensity; Diurnal variation; Spatial distribution; Ji′nan City

孫小麗(1977- )，女，山東萊州人，工程師，從事應(yīng)用氣候研究。

2016-09-07

S 16

A

0517-6611(2016)33-0175-03