烏魯木齊城市熱島強(qiáng)度的日變化和季節(jié)特征

瓦力江·瓦黑提，任國(guó)玉，孫秀寶

（1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）大氣科學(xué)系，湖北 武漢 430070;3.國(guó)家氣候中心，北京 100081）

城市熱島效應(yīng)是城市氣候的最重要特征之一，也是城市化影響氣候的最主要表現(xiàn)形式。對(duì)于城市熱島效應(yīng)的研究，一般將城鄉(xiāng)間地面氣溫的差值定義為城市熱島強(qiáng)度（UHII）[1-2]。研究城市熱島強(qiáng)度的時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)城市氣候基本特點(diǎn)，有針對(duì)性地開展天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警服務(wù)，以及對(duì)于城市發(fā)展規(guī)劃，都具有重要的理論和實(shí)際意義。

在我國(guó)東部濕潤(rùn)地區(qū)，人們對(duì)若干特大城市的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，取得了系列成果[3-9]。這些研究主要發(fā)現(xiàn)，東部季風(fēng)區(qū)我國(guó)特大城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布具有相近的特點(diǎn)，盡管南北方仍存在一定差異，但多數(shù)表現(xiàn)為季節(jié)上秋冬季熱島強(qiáng)度較大，日內(nèi)夜晚熱島強(qiáng)度比白天大。

對(duì)于我國(guó)內(nèi)陸西北干燥區(qū)城市熱島效應(yīng)的研究，總體上比較缺乏。陳榛妹[10]分析了蘭州市城市熱島效應(yīng)，識(shí)別出3個(gè)不同強(qiáng)度的熱島分布區(qū)；董妍等[11]研究了西安城市熱島時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度的日變化呈現(xiàn)雙峰分布，分別出現(xiàn)在北京時(shí)間05時(shí)和21時(shí)左右，最低值出現(xiàn)在11時(shí)；李珍等[12]分析了近40多年來烏魯木齊城市地面氣溫相對(duì)郊區(qū)的變化情況，發(fā)現(xiàn)春季、夏季和秋季最高氣溫具有明顯的下降趨勢(shì)，城區(qū)比郊區(qū)反而變得更涼爽；張愛英等[13]在研究全國(guó)各個(gè)地區(qū)城市化對(duì)城鎮(zhèn)站地面氣溫變化的影響時(shí)指出，城市化對(duì)北疆地區(qū)國(guó)家基準(zhǔn)站和基本站平均氣溫和夏季氣溫變化具有明顯的變涼效應(yīng)，認(rèn)為應(yīng)該是“綠洲化”效應(yīng)的反映。另外，李景林等[14]發(fā)現(xiàn)，近33 a來烏魯木齊—昌吉地區(qū)城市化對(duì)城市地面平均氣溫具有顯著影響，氣溫隨年代遞增率城市大于農(nóng)村；姚玉龍[15]研究指出，1980—2013年，烏魯木齊地表氣溫變化特征經(jīng)歷了弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)的變化過程，城市熱島效應(yīng)明顯，但并未削弱綠洲“冷島效應(yīng)”。

先前針對(duì)西北地區(qū)的研究，多集中在城市化對(duì)城市地面氣溫長(zhǎng)期變化的影響方面，對(duì)于干燥區(qū)特大城市熱島效應(yīng)氣候?qū)W特征的分析還十分欠缺。烏魯木齊作為我國(guó)內(nèi)陸干燥區(qū)典型特大城市，人口超過300萬，深處歐亞大陸腹地，坐落在天山腳下。由于特殊的氣候條件和地理位置，研究烏魯木齊城市熱島強(qiáng)度時(shí)空分布特征，有助于加深人們對(duì)于城市氣候特別是干燥區(qū)特大城市氣候形成和演化的認(rèn)識(shí)，具有明顯的理論意義，同時(shí)對(duì)城市發(fā)展規(guī)劃和天氣、氣候預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，也有一定參考價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域

烏魯木齊地處我國(guó)西北天山山脈北麓，地形起伏較大，三面環(huán)山，山地面積占總面積的50%以上，轄區(qū)地勢(shì)由東南向西北降低，市區(qū)平均海拔800 m左右。市區(qū)和郊區(qū)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)的海拔高度存在一定差異（圖1）。烏魯木齊市屬溫帶內(nèi)陸干旱、半干旱氣候，全年降水少，氣溫季節(jié)變化明顯，夏季炎熱干燥，冬季寒冷漫長(zhǎng)且存在逆溫層，晝夜溫差大。

圖1 烏魯木齊地區(qū)所在位置（a）和氣象觀測(cè)站海拔高度（b）

1.2 資料和方法

烏魯木齊地區(qū)自2004年開始建立自動(dòng)氣象觀測(cè)網(wǎng)，經(jīng)過10多年的建站和發(fā)展，已經(jīng)形成了空間上較為密集的自動(dòng)氣象觀測(cè)網(wǎng)。截至2016年，已有自動(dòng)氣象觀測(cè)站63個(gè)，其中區(qū)域站57個(gè)，國(guó)家站6個(gè)。本文所用資料來源于新疆氣象局信息中心提供的2012—2015年烏魯木齊地區(qū)63個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)的氣溫資料。通過質(zhì)量控制和篩選，選取缺測(cè)最少（缺測(cè)率小于1%）的年份和自動(dòng)站，并參考楊萍等[16]的方法，對(duì)缺測(cè)很少的連續(xù)缺測(cè)值進(jìn)行剔除，對(duì)單獨(dú)缺測(cè)值進(jìn)行同一時(shí)次相鄰站點(diǎn)的插值，最終選取2013年和2014年28個(gè)自動(dòng)氣象站點(diǎn)氣溫資料作為研究的依據(jù)（圖2）。

圖2 研究區(qū)域和所有自動(dòng)站位置的空間分布

參考地理位置（距離城市建成區(qū)較遠(yuǎn)），周邊環(huán)境（周邊是農(nóng)田或者戈壁和山區(qū)）和人口數(shù)量（附近人口密度較小，或者村鎮(zhèn)人口不足一萬人），選出20個(gè)自動(dòng)站作為郊區(qū)站。位于城市建成區(qū)中的8個(gè)自動(dòng)站作為城市站。其中城市站平均海拔高度869.5 m，郊區(qū)站平均海拔高度899.8m。城市站和郊區(qū)站平均海拔高度相差僅30 m，而且郊區(qū)站分別位于城市市區(qū)東南西北各個(gè)方位，基本可以消除海拔高度對(duì)平均氣溫的影響（圖3）。

圖3 烏魯木齊城市建成區(qū)范圍（粗黑色線）和自動(dòng)氣象站（紅色和黑色）分布

熱島強(qiáng)度UHII（Urban heat island intensity）被定義為城市站地面氣溫和郊區(qū)站地面氣溫的差值（ΔTu-r）。本文中城市站地面氣溫為8個(gè)城市站地面氣溫的平均值Tu，郊區(qū)站地面氣溫為20個(gè)郊區(qū)站地面氣溫的平均值Tr，則

本文所有時(shí)次均為北京時(shí)間。因?yàn)闉豸斈君R位于我國(guó)西北地區(qū)，和東部沿海地區(qū)距離偏遠(yuǎn)，存在2 h左右的時(shí)差。對(duì)最高、最低氣溫等表征日變化特征出現(xiàn)時(shí)間的概率分布，利用出現(xiàn)頻率（出現(xiàn)次數(shù)/總次數(shù)）來表征日最高（低）氣溫在各時(shí)次出現(xiàn)的概率，分析城市環(huán)境對(duì)氣溫日變化的影響。

分季節(jié)研究中，選取各季節(jié)典型月份4月、7月、10月、1月分別代表當(dāng)年春、夏、秋、冬四季。逐年和2 a候平均是指從1月1日起算的5日平均值。部分月份最后一候日數(shù)不足或超過5 d，則采用4 d或6 d的數(shù)據(jù)平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 日最高最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間

最高（最低）氣溫出現(xiàn)時(shí)間的概率可以更清晰的表征氣溫日變化形態(tài)的分布特征。圖4給出了城區(qū)和郊區(qū)所有站點(diǎn)平均最高（最低）氣溫出現(xiàn)頻率的逐小時(shí)變化情況?？梢钥闯觯菂^(qū)日最高氣溫最大出現(xiàn)頻率的時(shí)次為17時(shí)，達(dá)20%以上；城區(qū)日最低氣溫最大出現(xiàn)頻率時(shí)次為08時(shí)，達(dá)到30%以上。郊區(qū)日最高氣溫最大出現(xiàn)頻率的時(shí)次也為17時(shí)，為25%左右；郊區(qū)日最低氣溫最大出現(xiàn)頻率的時(shí)次也是08時(shí)，與城區(qū)相類似，頻率也在30%左右。在烏魯木齊地區(qū)，17時(shí)是城市和郊區(qū)最高氣溫出現(xiàn)最頻繁的時(shí)次，最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間上城郊沒有差別，但郊區(qū)頻率略大。08時(shí)是城市和郊區(qū)最低氣溫出現(xiàn)最多的時(shí)次，城郊在最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間上也保持一致，但城市區(qū)域頻率略高于郊區(qū)。此外，烏魯木齊城區(qū)年最高氣溫出現(xiàn)的頻率，在13—15時(shí)比郊區(qū)站要高，但16—19時(shí)又比郊區(qū)站要低；最低氣溫出現(xiàn)頻率城、郊更趨于一致。這可能和烏魯木齊城市區(qū)域夏秋季綠地面積影響有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

圖5和圖6分別給出了城（郊）區(qū)最高、最低氣溫逐小時(shí)出現(xiàn)頻率的各季節(jié)代表月平均狀況。各季節(jié)代表月最高氣溫出現(xiàn)頻率的分布特征盡管有差異，但基本形態(tài)和年平均分布情況類似。最高氣溫頻率開始快速上升的時(shí)間，夏季、秋季、冬季城區(qū)偏早于郊區(qū)，但除冬季外最高值都在同一時(shí)次，冬季城區(qū)在14時(shí)最高氣溫出現(xiàn)頻率最高，而郊區(qū)則滯后2 h，在16時(shí)達(dá)到最大。此外，除了冬季，其他三季城（郊）區(qū)最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間都較為集中，冬季則比較分散，最大出現(xiàn)頻率城區(qū)不到20%，郊區(qū)也不到25%。

圖4 城市和郊區(qū)年最高氣溫（a）和最低氣溫（b）出現(xiàn)頻率的逐小時(shí)變化

最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間，除了冬季，其它三季特征也比較一致（圖6a～6d），城區(qū)和郊區(qū)最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間都較為集中，冬季則依然比較分散，最大出現(xiàn)頻率城區(qū)不到20%，郊區(qū)更低，分布更為分散。但最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間城區(qū)滯后于郊區(qū)。在季節(jié)上，最低氣溫最大出現(xiàn)頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)次夏季最早，城區(qū)和郊區(qū)都在07時(shí)，其他三季在08時(shí)達(dá)到最大。冬季城（郊）區(qū)最高、最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間之所以分散，并且城市的特征曲線比郊區(qū)更加分散，可能和冬季取暖排放和逆溫作用增加了氣溶膠效應(yīng)有關(guān)。

圖5 各季節(jié)城區(qū)和郊區(qū)四季最高氣溫出現(xiàn)頻率逐小時(shí)變化

圖6 各季節(jié)城市和郊區(qū)四季最低氣溫出現(xiàn)頻率逐小時(shí)變化

2.2 平均氣溫日變化特征

圖7是城、郊年平均小時(shí)氣溫日內(nèi)變化曲線?？梢钥闯?，城市逐時(shí)平均氣溫值恒在郊區(qū)站平均之上，表明城市地面氣溫在一天所有時(shí)間都高于郊區(qū)，表現(xiàn)出明顯的城市熱島效應(yīng)。城、郊?xì)鉁夭町愒谝雇磔^大，07時(shí)左右達(dá)到最大，相差1.5℃以上；城、郊溫差白天差距較小，16時(shí)左右達(dá)到最小，僅相差0.3℃左右。城市和郊區(qū)最高氣溫都在16時(shí)，最低氣溫都出現(xiàn)在07時(shí)。城市和郊區(qū)在最高、最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間上差異不大。

圖7 城區(qū)和郊區(qū)年平均小時(shí)氣溫日變化（單位：℃）

圖8 給出了不同季節(jié)烏魯木齊城、郊區(qū)的逐時(shí)氣溫日變化特征。除了夏季和秋季代表月的個(gè)別時(shí)間段，其他季節(jié)一天內(nèi)所有時(shí)間城市平均氣溫均高于郊區(qū)，表明具有較明顯的城市熱島效應(yīng)。夏季從16—20時(shí)，以及秋季從15—19時(shí)，城郊?xì)鉁夭町惡苄?，甚至秋季出現(xiàn)郊區(qū)略高于城區(qū)的情況。由于城、郊環(huán)境的不同，不僅在氣溫值上存在明顯差異，而且日最高（最低）氣溫的出現(xiàn)時(shí)間也有所不同。除了冬季，其他季節(jié)城、郊日最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間較為一致，但是春季是在17時(shí)，夏季和秋季在16時(shí)。冬季日最高氣溫的出現(xiàn)時(shí)間郊區(qū)較城區(qū)滯后1 h。日最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間各季差異也較明顯；春季和夏季城、郊最低氣溫都出現(xiàn)在07時(shí)，秋季則都出現(xiàn)在08時(shí)，而冬季郊區(qū)滯后城區(qū)1 h，日最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間郊區(qū)為09時(shí)，城區(qū)為08時(shí)。因此，日極值氣溫的出現(xiàn)時(shí)間存在著城、郊差異和季節(jié)差異。

圖8 城區(qū)和郊區(qū)季節(jié)平均氣溫日變化

圖9表示烏魯木齊城市熱島強(qiáng)度日變化情況。城區(qū)逐小時(shí)熱島強(qiáng)度可以分為3個(gè)階段：08—17時(shí)為下降時(shí)期，小時(shí)平均熱島強(qiáng)度從高于1.00℃到不足0.30℃；17—22時(shí)為迅速上升時(shí)期，小時(shí)平均熱島強(qiáng)度從一天最低點(diǎn)上升到大于1.20℃；22℃—次日08時(shí)為穩(wěn)定強(qiáng)熱島時(shí)期，小時(shí)平均熱島強(qiáng)度穩(wěn)定維持在1.10～1.25℃。與北京城市逐小時(shí)熱島強(qiáng)度[9]對(duì)比發(fā)現(xiàn)（圖10），北京可分為明確的4個(gè)階段，多出一個(gè)穩(wěn)定維持的低熱島強(qiáng)度階段。烏魯木齊與北京時(shí)差相差近2 h，所以2個(gè)城市強(qiáng)熱島時(shí)期開始時(shí)間（22時(shí)，21時(shí)）和迅速下降時(shí)間（08時(shí)，06時(shí)）基本一致，而且穩(wěn)定強(qiáng)熱島時(shí)期都在晚上，大概21時(shí)—次日06時(shí)，兩個(gè)城市主要區(qū)別在于烏魯木齊缺乏一個(gè)穩(wěn)定的弱熱島時(shí)期，08時(shí)以后熱島強(qiáng)度一直處于減弱過程。對(duì)于出現(xiàn)這一不同日內(nèi)變化特點(diǎn)的原因，還需要進(jìn)一步研究。

圖9 烏魯木齊年平均城市熱島強(qiáng)度日內(nèi)逐小時(shí)變化

圖10 和表1給出了烏魯木齊市平均熱島強(qiáng)度的年變化情況。烏魯木齊市熱島強(qiáng)度在冬季比較高，夏季和春季、秋季比較低，但由于只有2 a資料，熱島強(qiáng)度受冷空氣入侵等天氣過程影響比較明顯，候際之間波動(dòng)比較大，初冬季節(jié)尤為突出。最大熱島強(qiáng)度發(fā)生在年終的第72候即12月末，為1.53℃，年初第1候?yàn)榇胃咧?；最小熱島強(qiáng)度發(fā)生在第67候，也就是12月6—10日，為0.33℃，說明從晚秋開始進(jìn)入隆冬是熱島強(qiáng)度最大的時(shí)期。夏季，烏魯木齊城市熱島效應(yīng)不很明顯，最大熱島強(qiáng)度為0.84℃，發(fā)生在第48候，正是夏末秋初時(shí)刻，熱島強(qiáng)度波動(dòng)也比較小。春季和秋季熱島強(qiáng)度相近，最大熱島強(qiáng)度都為1.20℃，最小為0.42℃。

圖10 烏魯木齊市逐候城市熱島強(qiáng)度變化

表1 烏魯木齊市年和四季代表月份平均城市熱島強(qiáng)度/℃

圖11表示烏魯木齊市平均熱島強(qiáng)度的小時(shí)-候平均剖面。冬、春季晚上熱島強(qiáng)度較強(qiáng)且維持時(shí)間較長(zhǎng)，而白天熱島強(qiáng)度較弱；夏季晚上和白天熱島強(qiáng)度都較弱，白天弱熱島持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，整體上夏季最弱；秋季晚上熱島強(qiáng)度最強(qiáng)且強(qiáng)熱島持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但白天熱島強(qiáng)度最弱，甚至在白天的部分時(shí)刻（15—18時(shí)）出現(xiàn)了負(fù)值，說明在一天的氣溫最高階段，城市氣溫反而低于郊區(qū)氣溫。秋季和晚夏季節(jié)出現(xiàn)這種負(fù)熱島強(qiáng)度，可能與烏魯木齊市位于干燥區(qū)、是荒漠中的綠洲有關(guān)，白天城市內(nèi)樹木和草地的蒸騰和蒸發(fā)作用消耗了熱量，致使地面氣溫相對(duì)變涼，出現(xiàn)所謂“綠洲效應(yīng)”；冬季白天和晚上熱島強(qiáng)度都比較強(qiáng)，是四季里熱島強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)。烏魯木齊市冬季綠色植物枯萎，潛熱通量減少，感熱通量增加，加之人為取暖釋放熱量等因素，致使城區(qū)熱島強(qiáng)度增大。這種相對(duì)強(qiáng)的冬季城市熱島效應(yīng)，與北方其他城市十分相似。

圖11 烏魯木齊城市熱島強(qiáng)度的年內(nèi)和日內(nèi)變化剖面（單位：℃）

3 結(jié)論

本文采用2013—2014年28個(gè)自動(dòng)氣象站的逐小時(shí)氣溫觀測(cè)資料，分析了烏魯木齊地區(qū)氣溫的日變化特征及季節(jié)特征。得到以下主要結(jié)論：

（1）烏魯木齊城、郊區(qū)年以及春、夏、秋三季最高和最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間基本一致，冬季最高、最低氣溫頻率分布比較分散，且城區(qū)最高、最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間一般早于郊區(qū)。

（2）年平均城市熱島強(qiáng)度在夜晚較大，07時(shí)左右達(dá)到最大，白天較小，16時(shí)左右最小；城市熱島強(qiáng)度日內(nèi)變化可以分為3個(gè)階段：08—17時(shí)為下降時(shí)期，17—22時(shí)為迅速上升時(shí)期，22時(shí)次日8時(shí)為穩(wěn)定的強(qiáng)熱島時(shí)期；一年內(nèi)候平均城市熱島強(qiáng)度冬季較大，夏季和秋季、春季較小，最大值一般發(fā)生在年末前后。

（3）烏魯木齊城市在各季節(jié)的代表月的城市熱島為，冬（1月）、春（4月）季晚上較強(qiáng)，夏季（7月）晚上和白天都較弱，白天最弱，秋季（10月）晚上最強(qiáng)，但白天最弱，甚至白天的部分時(shí)刻（15—18時(shí)）出現(xiàn)了負(fù)值。

由于高質(zhì)量自動(dòng)站資料還比較缺乏，資料質(zhì)量有待提高，所以本文僅依據(jù)2013年、2014年2 a質(zhì)量較好的觀測(cè)記錄進(jìn)行了初步分析，其結(jié)果還存在一定不確定性，需要今后進(jìn)一步研究驗(yàn)證。但本文的初步結(jié)果對(duì)于開展精細(xì)化城市天氣預(yù)報(bào)、氣候服務(wù)和城市建設(shè)規(guī)劃，均具有一定參考意義。

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