福建省晉江市城市熱島強(qiáng)度時(shí)空變化特征分析

王可心，陳粲，包云軒，呂青，奴開

(1. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；2. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京210044)

1 引 言

隨著我國(guó)城市化的不斷推進(jìn)，城市的面積、人口、經(jīng)濟(jì)、交通和信息化等各方面都高速發(fā)展。城市不同于郊區(qū)的自然、人為特性，如：城市下墊面的性質(zhì)特殊、人類活動(dòng)釋放的二氧化碳等溫室氣體、人為熱源等因素，導(dǎo)致城市氣溫明顯高于郊區(qū)[1]，出現(xiàn)了城市熱島效應(yīng)(Urban heat island effect)。城市熱島效應(yīng)易加劇城市大氣污染，造成如霧霾、強(qiáng)降水等氣象災(zāi)害，不利于人體健康甚至影響人類生產(chǎn)生活。因此，對(duì)于城市熱島效應(yīng)的研究和治理，在人類生產(chǎn)生活以及城市化推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各個(gè)方面都有著深遠(yuǎn)意義。

城市熱島的主要研究方法包括氣象站法、遙感測(cè)定法和數(shù)值模擬法等[2]。國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者使用過一種或者幾種方法來進(jìn)行城市熱島的研究，Szymanowski[3]、謝莊等[4]、孫績(jī)?nèi)A等[5]利用傳統(tǒng)的地面自動(dòng)氣象站多年觀測(cè)資料，采用線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)加以處理計(jì)算，從而分析城市熱島強(qiáng)度的時(shí)空分布狀況。Dihkan 等[6]、Peres 等[7]、曹暢等[8]利用遙感法反演地表溫度，同時(shí)疊加上土地利用類型進(jìn)行分析，進(jìn)而反演出城市熱島強(qiáng)度時(shí)空分布狀況以及分析其變化原因。Giannaros 等[9]、苗世光等[10]、Lidia 等[11]利用數(shù)值模擬方法，基于云物理和邊界層物理的相關(guān)理論知識(shí)，模擬城市熱島大氣邊界層的效應(yīng)，加以分析城市熱島的分布狀況及其與氣象因子的相互關(guān)系。三種方法都極大推動(dòng)了城市熱島效應(yīng)的研究，但由于遙感測(cè)定法和數(shù)值模擬法都存在著較大的不確定性[12-13]，傳統(tǒng)的氣象站法依然是城市熱島效應(yīng)研究的首選方法。傳統(tǒng)的氣象站法由于臺(tái)站布點(diǎn)等原因，空間連續(xù)性和分辨率較差，故本研究在對(duì)數(shù)據(jù)做時(shí)間變化分析的基礎(chǔ)上使用基于ArcGIS的空間插值法將站點(diǎn)數(shù)據(jù)作柵格化處理，以便于更直觀地研究城市熱島的空間變化狀況。

在城市化進(jìn)程中，同一種土地利用方式具有相同的用地空間和位置需求，由此導(dǎo)致同一類活動(dòng)在城市空間上聚集，從而形成不同的城市功能分區(qū)[14]?，F(xiàn)代城市的大發(fā)展使得城市功能區(qū)的分類越來越多，但是不同功能區(qū)的自然地理人為因素各不相同，如商業(yè)區(qū)建筑物高大密集，人口數(shù)量晝夜差異大；工業(yè)區(qū)建筑物密集，植被覆蓋率較低，污染物排放嚴(yán)重；旅游區(qū)植被覆蓋率高，人口數(shù)量季節(jié)性差異大等[15]。許多學(xué)者在利用氣象站方法研究城市熱島效應(yīng)時(shí)，只將研究區(qū)分為城區(qū)和郊區(qū)兩個(gè)部分，忽略了其它城市功能分區(qū)對(duì)城市熱島的影響。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)位于不同氣候區(qū)的巨型、大型、中型城市如北京[4]、上海[16]、包頭[17]、重慶[18]、福州[19]、武漢[20]等，都做過較為詳盡的關(guān)于城市熱島效應(yīng)時(shí)空變化的研究，但是對(duì)于區(qū)縣熱島效應(yīng)的研究較少。本研究運(yùn)用氣象站法對(duì)福建省晉江市2010—2014年40 個(gè)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)溫度資料加以處理分析，求算出每個(gè)測(cè)試站對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)站的熱島強(qiáng)度值，再結(jié)合空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，使用普通克里金插值法(Ordinary Kriging，OK)實(shí)現(xiàn)分散、獨(dú)立的站點(diǎn)數(shù)據(jù)在空間上的連續(xù)化，并依據(jù)晉江市城市功能區(qū)劃現(xiàn)狀，將晉江市分為中心城區(qū)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和旅游區(qū)三個(gè)部分，分析不同功能區(qū)劃下城市熱島強(qiáng)度變化特征，比較其異同點(diǎn)，以期為晉江市減緩城市熱島效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為以后用氣象站法研究城市熱島效應(yīng)提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

福建省晉江市位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，其地理位置介于118°24′～118°43′E，24°30′～24°54′N 之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)(NE)和東北偏北風(fēng)(NNE)，夏季盛行西南風(fēng)(SW)，風(fēng)速較大，但海陸風(fēng)日數(shù)少，季節(jié)變化明顯，夏季最多，春季次之，冬季偏少，秋季最少[21]。年平均氣溫為20～21 ℃，1月為最冷月，月平均溫度為11.9 ℃，7月為最熱月，月平均溫度為28.2 ℃。年均日照達(dá)2 130h，年均降雨量為911～1 231 mm，7—9月易受臺(tái)風(fēng)影響。東鄰石獅市，西與南安市毗鄰，北與泉州市鯉城區(qū)相連，三面臨海，是閩南金三角的核心地帶?？偼恋孛娣e721.64 km2，地勢(shì)呈西南-東北走向，地形以丘陵為主，總體上較為平緩[22]。

全市主要分成三部分，一是以清濛開發(fā)區(qū)、池店鎮(zhèn)、陳埭鎮(zhèn)以及梅嶺、青陽、羅山、靈源和新塘五個(gè)街道組成的中心城區(qū)，位于整個(gè)晉江市的東北部，該區(qū)地形以丘陵為主，北部有晉江，東北部臨海，機(jī)場(chǎng)在這一區(qū)域；二是包括磁灶鎮(zhèn)、內(nèi)坑鎮(zhèn)、安海鎮(zhèn)、東石鎮(zhèn)和永和鎮(zhèn)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，整個(gè)區(qū)基本位于晉江中部?jī)?nèi)陸區(qū)，地形以丘陵為主，火車站在這一區(qū)域，該區(qū)主要發(fā)展工業(yè)、制造業(yè)以及新興產(chǎn)業(yè)；三是由金井鎮(zhèn)、深滬鎮(zhèn)、英林鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)組成的旅游區(qū)，該區(qū)位于晉江市南部，地形以平原為主，東、西、南三面環(huán)海，綠化覆蓋面較廣，主要發(fā)展旅游業(yè)和物流運(yùn)輸?shù)扰R港產(chǎn)業(yè)。按以上三個(gè)功能分區(qū)將晉江市內(nèi)所有氣象站點(diǎn)做了分區(qū)(表1)。整體上看，平原多位于晉江市東南部泉州灣和西南部圍頭灣一帶，而丘陵位于全市各個(gè)地方，海拔均較低。晉江市最高點(diǎn)在紫帽山，海拔為517.8m。

2.2 數(shù)據(jù)資料來源及概況

本研究的氣象資料和地理信息資料均來自晉江市氣象局。氣象資料包括了晉江市40 個(gè)自動(dòng)氣象站(圖1)2010—2014年逐小時(shí)溫度資料，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本研究依據(jù)“3δ 原則”對(duì)其做了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。地理信息資料包括了晉江市鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域和站點(diǎn)分布情況。

圖1 研究區(qū)區(qū)域站點(diǎn)分布圖

2.3 研究方法

2.3.1 熱島強(qiáng)度計(jì)算方法

熱島強(qiáng)度(UHI)是表征熱島效應(yīng)強(qiáng)弱程度的重要指標(biāo)。關(guān)于熱島強(qiáng)度的定義和計(jì)算方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前使用傳統(tǒng)方法計(jì)算熱島強(qiáng)度多依據(jù)Oke[23]提出的定義，即將同時(shí)刻同高度的城郊?xì)鉁夭疃x為城市熱島強(qiáng)度?？紤]到插值精度，本文在其基礎(chǔ)上對(duì)此方法做了改進(jìn)，具體方法如下。

首先通過比較40 個(gè)站點(diǎn)的地理空間位置，本研究選擇站點(diǎn)號(hào)為F5520 的東田氣象站作為基準(zhǔn)站。該氣象站位于郊區(qū)林場(chǎng)，周圍沒有高大建筑遮擋影響，受人為影響較小，能較好地反映其自然下墊面特性[24]。此外，該站點(diǎn)通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，時(shí)間序列相對(duì)完整，數(shù)據(jù)可靠性較高。然后依據(jù)溫度垂直遞減規(guī)律[25]，使用氣象學(xué)方法(圖2)將不同站點(diǎn)氣溫拉平至同一高度：

其中，Ha為基準(zhǔn)站的海拔高度，Hb為測(cè)試站的海拔高度，Tb0為測(cè)試站在原始海拔高度上的溫度，Tb為拉平以后測(cè)試站在基準(zhǔn)站海拔高度上的溫度。

最后，采用同時(shí)刻同高度測(cè)試站與基準(zhǔn)站的氣溫差對(duì)應(yīng)測(cè)試站的熱島強(qiáng)度的值，其公式為：

其中，UHIb為測(cè)試站熱島強(qiáng)度值，Ta為基準(zhǔn)站某時(shí)刻平均氣溫，Tb為測(cè)試站與基準(zhǔn)站同高度同時(shí)刻的平均氣溫。

圖2 垂直遞減規(guī)律

2.3.2 插值方法

基于ArcGIS 的空間插值方法是用已知數(shù)值的控制點(diǎn)來估算未知點(diǎn)的過程。它包括了許多插值種類。本研究基于2010—2014年冬夏兩季的溫度數(shù)據(jù)，比較分析了距離倒數(shù)權(quán)重插值法(Inverse distance weighted，IDW)、薄板樣條函數(shù)插值法(Thin-plate Spline)、普通克里金插值法(Ordinary Kriging，OK) 和泛克里金插值法(University Kriging，UK)的交叉驗(yàn)證結(jié)果(表2)。由此決定采用普通克里金法(OK)進(jìn)行插值來研究晉江市城市熱島的時(shí)空分布規(guī)律。

表2 2010—2014年夏季和冬季平均MAE 值、RMSE 值和R2 值

克里金插值法是以空間自相關(guān)為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)區(qū)域化變量的未知樣本點(diǎn)進(jìn)行無偏估值[26]的一種具有隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)學(xué)插值方法。它以區(qū)域化變量和變異函數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)滿足二階平穩(wěn)或固有假設(shè)的變量具有很好的估計(jì)精度，是一種最優(yōu)線性無偏的估計(jì)方法(Best Linear Unbased Estimator，BLUE)[27]。普通克里金插值法(OK)是在不存在漂移即數(shù)據(jù)變化呈正態(tài)分布的假設(shè)條件下，著重考慮空間相關(guān)的因素，直接用擬合過的半變異進(jìn)行插值的方法，它的“普通克里金方程組”[28]為：

其中，C(hij)為樣點(diǎn)之間的協(xié)方差，C(hi0)為樣點(diǎn)與插值點(diǎn)間的協(xié)方差，μ 為極小化處理中的拉格朗日乘子，σ2為實(shí)驗(yàn)方差。本研究將用克里金插值法得到的空間插值結(jié)果分成五類，按紅色到藍(lán)色，依次是高熱島強(qiáng)度區(qū)、次高熱島強(qiáng)度區(qū)、中熱島強(qiáng)度區(qū)、次低熱島強(qiáng)度區(qū)和低熱島強(qiáng)度區(qū)。

3 結(jié)果與討論

3.1年變化特征

本研究對(duì)晉江市39 個(gè)站點(diǎn)的熱島強(qiáng)度求算年平均值，以此對(duì)晉江城市整體熱島狀況進(jìn)行評(píng)估。從年時(shí)間變化尺度(圖3)來看，晉江市五年間熱島強(qiáng)度持續(xù)增加，由最初的2.04 ℃增至2.35 ℃，總增幅為0.31 ℃，其中以2011—2013年兩年間的增幅最大，約達(dá)0.26 ℃，增速為0.13 ℃/年，占總增幅的87% 。2013—2014年期間，熱島強(qiáng)度僅增加了0.01 ℃，增速也顯著放緩?？梢娫?010—2014年五年間，晉江市熱島強(qiáng)度增速經(jīng)歷了迅猛增加而后又顯著減緩的過程。

圖3 晉江市2010—2014年平均熱島強(qiáng)度變化曲線

從年空間變化尺度來看(圖4)，晉江市熱島強(qiáng)度呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向，與晉江市地勢(shì)地形分布規(guī)律基本一致。2010年僅在中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)交界處有一個(gè)高熱島強(qiáng)度區(qū)，旅游區(qū)最南端一小塊區(qū)域?yàn)榈蜔釐u強(qiáng)度區(qū)，全市熱島強(qiáng)度較溫和。2011年高熱島強(qiáng)度區(qū)分裂成兩個(gè)部分，分別位于晉江市中心城區(qū)東北角和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)西部一帶，低熱島強(qiáng)度區(qū)零星分布于旅游區(qū)東南部和晉江市最北部區(qū)域，熱島強(qiáng)度高值與2010年基本一致，但是低值較2010年略有增加，但全市熱島強(qiáng)度依然較溫和。但自2012年開始，原先位于晉江市中心城區(qū)東北角的高熱島強(qiáng)度區(qū)不斷向西南部擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)西部的高熱島強(qiáng)度區(qū)也不斷向東北部延伸，至2013年兩個(gè)高熱島強(qiáng)度區(qū)已連成一片，占據(jù)了晉江市西北部大片區(qū)域，熱島強(qiáng)度值也有明顯的增加?？梢娮?012年開始，晉江市產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和中心城區(qū)城市化水平有顯著提高。2010—2014年，旅游區(qū)南部的低熱島強(qiáng)度區(qū)也在向北延伸擴(kuò)大，其熱島強(qiáng)度數(shù)值也在波動(dòng)增加。可見在2010—2014年五年間，晉江市“熱島”現(xiàn)象和“冷島”現(xiàn)象愈加明顯，熱島強(qiáng)度兩極分化程度有所增加。

圖4 2010—2014年晉江市年平均熱島強(qiáng)度插值圖

3.2 季節(jié)變化特征

圖5 ～圖7 是晉江市三個(gè)功能區(qū)的熱島強(qiáng)度月變化曲線圖。本研究對(duì)2012—2014年的熱島強(qiáng)度季節(jié)變化趨勢(shì)作分析。

同一功能區(qū)的不同站點(diǎn)熱島強(qiáng)度季節(jié)變化的總體趨勢(shì)基本一致，三個(gè)功能區(qū)熱島強(qiáng)度月變化均十分顯著。從均值線來看，中心城區(qū)(圖5)的熱島強(qiáng)度高值出現(xiàn)在夏季，以7月和8月居多，2012年均值線存在雙峰現(xiàn)象，當(dāng)年7月和9月有高值出現(xiàn)。該區(qū)低值均出現(xiàn)在冬末春初，以2月和3月居多。歷年熱島強(qiáng)度極值差穩(wěn)定大于1.5 ℃，三年間熱島強(qiáng)度略有增強(qiáng)。產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)(圖6)的熱島強(qiáng)度高值出現(xiàn)在初秋，以9月和10月居多，2014年均值線存在雙峰現(xiàn)象，當(dāng)年7月和9月均出現(xiàn)高值，高熱島強(qiáng)度區(qū)數(shù)值基本穩(wěn)定在2.8 ℃左右。該區(qū)低值出現(xiàn)月份與中心城區(qū)一致，低熱島強(qiáng)度區(qū)數(shù)值以0.2 ℃/年呈線性增加，增幅不大，增速較緩。三年間熱島強(qiáng)度極值差持續(xù)減小。旅游區(qū)(圖7)熱島強(qiáng)度高值出現(xiàn)在秋冬季，以10月和12月居多，三年間高熱島強(qiáng)度區(qū)強(qiáng)度持續(xù)減弱。該區(qū)低值出現(xiàn)在冬末春初，以2月和3月居多，三年間低熱島強(qiáng)度區(qū)強(qiáng)度持續(xù)增加。熱島強(qiáng)度數(shù)值由極值向中間值靠攏，極值差持續(xù)減小。高值和低值出現(xiàn)月份有延后趨勢(shì)。

統(tǒng)觀三個(gè)功能區(qū)熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，旅游區(qū)秋冬季熱島強(qiáng)度高于春夏季，這與大多數(shù)學(xué)者[3-5,16-20]的研究結(jié)果一致。而中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)夏秋季熱島強(qiáng)度高于冬春季，極值出現(xiàn)時(shí)間較旅游區(qū)略有提前，這兩個(gè)功能區(qū)的季節(jié)變化規(guī)律與一些學(xué)者的結(jié)論略有不同。

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于城市熱島效應(yīng)時(shí)空變化的研究多集中在國(guó)內(nèi)巨型、大型或者中型城市[4,16-20]，這些城市的城市化水平都較高，而學(xué)者們?cè)诓捎脷庀笳痉ㄑ芯繜釐u效應(yīng)的時(shí)候，定義的城郊站點(diǎn)僅是就當(dāng)前城市化水平下的一個(gè)相對(duì)概念，即其選擇的郊區(qū)站點(diǎn)就其他更偏遠(yuǎn)的地方而言也可看作城市站點(diǎn)。與之不同，本研究的研究區(qū)晉江市是一個(gè)城市化水平較低的縣級(jí)市，且定義的郊區(qū)站點(diǎn)是一個(gè)幾乎沒有人為影響的林場(chǎng)站點(diǎn)，該點(diǎn)城市化水平極低。由此計(jì)算得到的熱島強(qiáng)度值可以看成是結(jié)合了自然和人為影響因素的城市熱島效應(yīng)指標(biāo)。從三個(gè)功能區(qū)的季節(jié)性變化差異可以發(fā)現(xiàn)，若城區(qū)和郊區(qū)城市化水平較為接近(都較低或者都較高)，如晉江市旅游區(qū)植被覆蓋率較高，為保持自然風(fēng)光導(dǎo)致城市化水平偏低，使其與基準(zhǔn)站城市化水平接近，則城市熱島的季節(jié)性變化符合秋冬季高于春夏季的規(guī)律，若城區(qū)和郊區(qū)城市化水平差異較大，如晉江市中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)由于商業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，城市化水平迅猛上升，使其與基準(zhǔn)站城市化水平差異加大，則城市熱島效應(yīng)極值出現(xiàn)時(shí)間會(huì)提前。徐偉等[29]、沈鐘平等[30]通過對(duì)上海市城市熱島的研究已發(fā)現(xiàn)城市化進(jìn)程越快，越有利于熱島強(qiáng)度數(shù)值的增加，而關(guān)于城市化水平與城市熱島效應(yīng)極值出現(xiàn)時(shí)間的具體關(guān)系，還有待進(jìn)一步研究。

圖5 2012—2014年中心城區(qū)月平均熱島強(qiáng)度變化曲線

圖6 2012—2014年產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)月平均熱島強(qiáng)度變化曲線

圖7 2012—2014年旅游區(qū)月平均熱島強(qiáng)度變化曲線

本研究將2014年分為冬季(2013年12—2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)四個(gè)季節(jié)，使用普通克里金插值法(OK)對(duì)熱島強(qiáng)度季節(jié)平均值進(jìn)行插值(圖8)，以此來分析晉江城市熱島的季節(jié)空間變化情況。

冬、春、夏、秋四季熱島強(qiáng)度呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向，晉江市北部地區(qū)熱島強(qiáng)度明顯高于南部地區(qū)。從插值結(jié)果來看，冬季高熱島強(qiáng)度區(qū)集中在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)中北部和整個(gè)中心城區(qū)，而產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)的南部和旅游區(qū)熱島效應(yīng)較為溫和。春季高熱島強(qiáng)度區(qū)北退，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和中心城區(qū)西北一帶有明顯的“熱島”現(xiàn)象，低熱島強(qiáng)度區(qū)南進(jìn)，旅游區(qū)南部出現(xiàn)“冷島”區(qū)。夏季高熱島強(qiáng)度區(qū)與春季一致，次高熱島強(qiáng)度區(qū)向南延伸擴(kuò)大，旅游區(qū)的“冷島”消失，被次高熱島強(qiáng)度區(qū)和中熱島強(qiáng)度區(qū)替代。秋季高熱島強(qiáng)度區(qū)大面積向南延伸，全市均表現(xiàn)出強(qiáng)熱島效應(yīng)，僅旅游區(qū)有零星的“牛眼”現(xiàn)象。隨著四季的推移，高熱島強(qiáng)度區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)北退縮小以后又南移擴(kuò)大的過程，而低熱島強(qiáng)度區(qū)和次低熱島強(qiáng)度區(qū)僅在春季出現(xiàn)?？梢娐糜螀^(qū)熱島強(qiáng)度季節(jié)變化較其余兩個(gè)區(qū)域季節(jié)變化大。

晉江市城市熱島出現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化主要受季風(fēng)的季節(jié)性轉(zhuǎn)變和人為影響的季節(jié)性差異影響。晉江市位于福建省中部，受臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”的影響，風(fēng)速較大[22]。典型的亞熱帶季風(fēng)氣候使得晉江市在不同季節(jié)受不同季風(fēng)的影響，導(dǎo)致水汽和熱量具有季節(jié)性差異。此外，氣候的季節(jié)性差異導(dǎo)致人為排放量也出現(xiàn)季節(jié)性差異，最終導(dǎo)致晉江市城市熱島效應(yīng)的季節(jié)變化。

春夏季以海風(fēng)為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏東-西南偏南風(fēng)[21]，來自海面的冷平流[16]削弱了近海沿岸地表的熱量，導(dǎo)致晉江市“熱島”北退，高熱島強(qiáng)度區(qū)域縮小。海風(fēng)從近海至內(nèi)陸遞減，對(duì)城市熱島效應(yīng)的削弱作用也在減小，旅游區(qū)南部和城區(qū)西部受到的削弱作用最強(qiáng)，城區(qū)中、西部和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)中、西、北部受到的削弱作用極小。海風(fēng)也帶來了充沛的水汽，故春夏降水居多，但夏季受副熱帶高壓的影響，臺(tái)風(fēng)天氣居多，云量增加，降水也較多，故春夏季熱島效應(yīng)偏弱，但夏季略強(qiáng)于春季[24]。

旅游區(qū)地形以平原為主，綠色植被覆蓋率較高，春夏季正值植物體生長(zhǎng)旺盛階段，對(duì)太陽輻射的吸收和蒸騰蒸發(fā)作用較強(qiáng)[31]，減弱了該區(qū)的熱島效應(yīng)，甚至有“冷島”出現(xiàn)。而中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)地形以丘陵為主，多為不透水下墊面，等量的太陽輻射吸收的熱量較旅游區(qū)多。兩個(gè)區(qū)域城市化水平較高，人口基數(shù)大，建筑物密集，下墊面粗糙度偏大，導(dǎo)致熱量不易散失，故中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)“熱島”出現(xiàn)頻繁。晉江市夏季高溫天氣較多，空調(diào)使用量偏大，導(dǎo)致人為熱排放量增加，故夏季各功能區(qū)城市熱島效應(yīng)都有明顯的增強(qiáng)。

圖8 2014年四季熱島強(qiáng)度插值結(jié)果

秋冬季以陸風(fēng)為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂掀黠L(fēng)-北風(fēng)[21]，來自大陸的暖平流[16]對(duì)城市熱島效應(yīng)有加強(qiáng)作用，進(jìn)而導(dǎo)致晉江市“熱島”南移，高熱島強(qiáng)度區(qū)域擴(kuò)大。雖然晉江市秋冬季氣候溫和，中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)空調(diào)使用量大大降低，人為熱排放量減少，但秋季晉江市受副熱帶高壓的影響，盛行下沉氣流，云量較少，降水量減少，風(fēng)速偏小，而冬季受北方冷空氣影響，風(fēng)速較大，云量較多，故秋季熱島強(qiáng)度高于冬季，達(dá)到一年中的最強(qiáng)[24]。溫和舒適的氣候使旅游區(qū)迎來了旅游旺季，在此期間旅游區(qū)人口數(shù)量增加，人為排放增強(qiáng)，導(dǎo)致熱島強(qiáng)度增強(qiáng)且高于春夏季。因此，秋冬季晉江市全市熱島強(qiáng)度都屬于高熱島強(qiáng)度區(qū)和次高熱島強(qiáng)度區(qū)。

綜上，晉江市春季由于降水充沛導(dǎo)致熱島效應(yīng)最弱，秋季受副熱帶高壓的影響熱島效應(yīng)最強(qiáng)。但是，不同功能區(qū)人為排放的季節(jié)性差異導(dǎo)致中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)夏季人為排放量更大，旅游區(qū)冬季人為排放量更大。故中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)夏季熱島效應(yīng)更強(qiáng)，冬季熱島效應(yīng)偏低，旅游區(qū)與其相反。

3.3 晝夜變化特征

圖9～圖11 是晉江市三個(gè)功能區(qū)的熱島強(qiáng)度日變化曲線圖，圖中顯示的時(shí)間均為世界格林威治時(shí)間(T)，而晉江市當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間應(yīng)為T+8 時(shí)(下文將直接使用當(dāng)?shù)貢r(shí)間進(jìn)行論述)。本研究對(duì)2012—2014年的熱島強(qiáng)度晝夜變化趨勢(shì)作分析。

圖9 2012—2014年中心城區(qū)熱島強(qiáng)度日變化曲線

圖10 2012—2014年產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)熱島強(qiáng)度日變化曲線

圖11 2012—2014年旅游區(qū)熱島強(qiáng)度日變化曲線

除三民中學(xué)站(F5621)，其余各站點(diǎn)熱島強(qiáng)度日變化趨勢(shì)基本一致。08—20 時(shí)熱島強(qiáng)度呈顯著的“V”型變化規(guī)律，最低值出現(xiàn)在14—16 時(shí)之間(中心城區(qū)2012年陳埭站數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，故將其視為異常值)，20 時(shí)—次日08 時(shí)熱島強(qiáng)度顯著高于白天，這與國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者[2-20]的研究結(jié)論一致。統(tǒng)觀三個(gè)功能區(qū)，旅游區(qū)(圖11)最低值出現(xiàn)在14 時(shí)，一天的熱島強(qiáng)度極值差約為2 ℃。產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)(圖10)和中心城區(qū)(圖9)最低值出現(xiàn)的時(shí)間較旅游區(qū)略有延遲，一天的熱島強(qiáng)度極值差也低于旅游區(qū)?？梢?，雖然大致日變化趨勢(shì)一致，但不同功能區(qū)極值出現(xiàn)的時(shí)間和熱島強(qiáng)度依然有微小的差異。

三民中學(xué)站(F5621) 白天的熱島強(qiáng)度高于晚上，與其余各站點(diǎn)變化趨勢(shì)完全相反。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三民中學(xué)站點(diǎn)設(shè)置于裸露的水泥地，下墊面比熱容小，導(dǎo)熱性好，白天對(duì)太陽輻射的吸收力強(qiáng)[17]，故熱島強(qiáng)度最高值出現(xiàn)在14 時(shí)。夜間平坦開闊的地形條件加速了熱量的散失，加上學(xué)校附近植被覆蓋量大，人流量較少，人為活動(dòng)產(chǎn)生的熱島效應(yīng)減弱，因此夜間熱島強(qiáng)度較白天降低。

在晉江市熱島強(qiáng)度季節(jié)變化的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)2014年晉江市當(dāng)?shù)馗鱾€(gè)季節(jié)02 時(shí)(世界時(shí)間為前一天的18 時(shí))和14 時(shí)(世界時(shí)間為06 時(shí))計(jì)算小時(shí)熱島強(qiáng)度的季節(jié)性平均值，再利用普通克里金插值法(OK)對(duì)其進(jìn)行插值(圖12)，以此研究晉江市熱島強(qiáng)度的日空間分布格局。

圖12 2014年晉江市當(dāng)?shù)貢r(shí)間02 時(shí)(左)和14 時(shí)(右)季平均熱島強(qiáng)度分布

晉江市02 時(shí)和14 時(shí)的熱島強(qiáng)度均呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向，同一季節(jié)兩個(gè)時(shí)刻的熱島強(qiáng)度空間分布格局相反，晝夜空間分布格局差異較大。02 時(shí)四季全市熱島強(qiáng)度都在中熱島強(qiáng)度以上，秋冬季除產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)西北一帶以外，其余均為高熱島強(qiáng)度區(qū)，春夏季熱島區(qū)北移，以產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和中心城區(qū)為主要高熱島強(qiáng)度區(qū)，但范圍有所減小。南部旅游區(qū)的熱島強(qiáng)度在冬季和春季驟減，但是在向夏季過渡時(shí)又有所增強(qiáng)。14 時(shí)四季熱島強(qiáng)度帶偏多且界限分明，高熱島強(qiáng)度區(qū)主要分布在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)西部?jī)?nèi)坑鎮(zhèn)一帶，低熱島強(qiáng)度區(qū)主要分布在南部旅游區(qū)，不同季節(jié)冷熱島分布區(qū)域略有差異。

晉江市城市熱島出現(xiàn)顯著的日變化主要受輻射作用、海陸風(fēng)環(huán)流、下墊面因素和人為因素的影響[29]。晉江市位于晉江南岸，三面環(huán)海，受海陸風(fēng)環(huán)流影響較大。由于海陸熱力性質(zhì)差異，晉江市白天吹海風(fēng)，夜間吹陸風(fēng)[19]，海陸風(fēng)的晝夜變化以及人為活動(dòng)的晝夜差異使得晉江市熱島強(qiáng)度具有顯著的日變化規(guī)律。

旅游區(qū)離海域最近，東、南、西三面環(huán)海，下墊面多為植被，蒸騰蒸發(fā)作用較強(qiáng)，加上白天海風(fēng)帶來充足的水汽，對(duì)地面有冷卻作用，降低了該區(qū)的熱島強(qiáng)度[25]。中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)樓宇密集，白天人口數(shù)量較大，粗糙的下墊面能吸收大量的太陽短波輻射，導(dǎo)致下墊面溫度快速升高，城市熱島效應(yīng)顯著強(qiáng)于旅游區(qū)。但中心城區(qū)東鄰海域，北面有晉江，白天海(江)風(fēng)對(duì)熱島有減弱作用，而產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)白天工廠的各類活動(dòng)增加了人為排放量，對(duì)熱島有增強(qiáng)作用。故白天產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)熱島強(qiáng)度最高，中心城區(qū)次之，旅游區(qū)最低。夜晚，地面長(zhǎng)波輻射的增溫作用和大氣逆輻射對(duì)地面的保溫作用使得整個(gè)晉江市熱島強(qiáng)度都偏高，但由于旅游區(qū)，下墊面較平整，地勢(shì)開闊，地形平坦，熱量消耗較中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)快，故夜間旅游區(qū)熱島強(qiáng)度略低于中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)。

4 結(jié) 論

本研究基于晉江市2010—2014年溫度數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的氣象學(xué)方法與普通克里金插值法結(jié)合，分析了晉江市年、季、晝夜熱島強(qiáng)度時(shí)空變化特征，得到以下結(jié)論。

(1) 晉江市熱島強(qiáng)度呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向，與晉江市地勢(shì)地形分布規(guī)律基本一致。五年間熱島強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)，但增幅不大，增速放緩，總體熱島強(qiáng)度不強(qiáng)。高熱島強(qiáng)度區(qū)和低熱島強(qiáng)度區(qū)分跨晉江市南北兩地，北部熱島強(qiáng)度顯著高于南部。五年間晉江市“熱島”現(xiàn)象和“冷島”現(xiàn)象愈加明顯，城市熱島效應(yīng)兩極分化程度有所增加。

(2) 晉江市四季熱島強(qiáng)度呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向。旅游區(qū)季節(jié)變化較中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)大。高熱島強(qiáng)度區(qū)多分布在晉江市北部產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)和中心城區(qū)一帶，隨著由冬入秋的季節(jié)變化，高熱島強(qiáng)度區(qū)先北退后南移，范圍也先縮小后擴(kuò)大。旅游區(qū)秋冬季熱島強(qiáng)度高于春夏季，中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)夏秋季熱島強(qiáng)度高于冬春季，由此可知城市化水平的提高會(huì)導(dǎo)致城市熱島強(qiáng)度高值出現(xiàn)的時(shí)間提前，該結(jié)論還需進(jìn)一步加以研究。

(3) 晉江市晝夜熱島強(qiáng)度呈帶狀分布，等值線呈西南-東北走向，城市熱島效應(yīng)晝夜空間分布格局差異性大，夜間熱島強(qiáng)度顯著高于白天，旅游區(qū)熱島強(qiáng)度最低值出現(xiàn)在北京時(shí)間的14 時(shí)左右，中心城區(qū)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)最低值出現(xiàn)時(shí)間略有推遲，約在16 時(shí)之前，三個(gè)功能區(qū)的最高值均出現(xiàn)在凌晨。

需要指出的是：由于研究中使用的數(shù)據(jù)資料時(shí)間序列較短，本研究得出的晉江市時(shí)空分布特征僅符合五年間的變化規(guī)律，期待更長(zhǎng)的時(shí)間序列來驗(yàn)證這個(gè)特征的準(zhǔn)確性，但是本研究得到的結(jié)論對(duì)未來晉江市城市熱島的時(shí)空分布特征分析依然具有參考價(jià)值。由于氣象數(shù)據(jù)種類單一，在上文對(duì)晉江市熱島效應(yīng)時(shí)空分布特征的影響因素分析中，無法進(jìn)行定量分析，只能通過文獻(xiàn)調(diào)研、專業(yè)知識(shí)以及實(shí)際考察情況進(jìn)行定性分析。由于人口、經(jīng)濟(jì)水平等社會(huì)數(shù)據(jù)的缺乏，在上文討論中提出“城市化水平的提高會(huì)導(dǎo)致城市熱島強(qiáng)度高值出現(xiàn)的時(shí)間提前”的猜想無法得到驗(yàn)證。這些都將是接下來需要對(duì)本研究進(jìn)行完善以及改進(jìn)的地方。