基于EOF的南京氣溫變化特征及熱島效應(yīng)研究

王佐鵬，張穎超,2，熊 雄，潘 霄，陳 昕

(1.南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

城市熱島(urban heat island，UHI)效應(yīng)，即城市的城區(qū)氣溫高于郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象。研究城市熱島效應(yīng)演變可為城市的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論指導(dǎo)，為我國城市規(guī)劃和決策部門提供一定的借鑒[1]。國內(nèi)外有許多學(xué)者對不同城市和地區(qū)的熱島效應(yīng)做了很多研究，早在19世紀(jì)初，Howard(英國人)對倫敦進(jìn)行的觀測研究發(fā)現(xiàn)了城區(qū)氣溫比郊區(qū)氣溫高的現(xiàn)象[2]。近年來，王娟敏利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對西安市城市熱島的空間分布特征以及城市熱島與土地利用/覆蓋變化的關(guān)系進(jìn)行了分析研究[3]；李星敏通過對西安市的城市化發(fā)展和熱島效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱島效應(yīng)主要成因來自城市化發(fā)展[4]。南京市是中國的大型城市，2010年第六次全國人口普查顯示，其常住總?cè)丝谝淹黄?00萬，比2000年增長28.31%，全市城鎮(zhèn)人口所占比例即城鎮(zhèn)化率為78.5%，城市的快速發(fā)展對氣候變化有著直接而現(xiàn)實(shí)的作用[5]。利用國家級(jí)地面氣象數(shù)據(jù)，對南京市氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行EOF模態(tài)分解，通過分析后尋找出城市站點(diǎn)和郊區(qū)站，再利用城、郊?xì)鉁夭钪捣ǚ治瞿暇┦械臒釐u特征。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)采用南京市1961—2016年6區(qū)的地面氣象站6 h一次的氣溫?cái)?shù)據(jù)(02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí))，6區(qū)的站點(diǎn)分別為六合站(站號(hào)：58235)、浦口站(站號(hào)：58237)、南京站(站號(hào)：58238)、江寧站(站號(hào)：58333)、高淳站(站號(hào)：58339)、溧水站(站號(hào)：58340)。這些數(shù)據(jù)均經(jīng)過三級(jí)質(zhì)量控制，去除了粗大誤差。

1.2 方法

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(empirical orthogonal function，EOF)，是一種提取數(shù)據(jù)主要特征的方法，現(xiàn)已廣泛用于氣象學(xué)研究之中[6]。EOF將時(shí)空數(shù)據(jù)分解為空間模態(tài)(EOF)和其對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(PC)。為了保證各模態(tài)之間相互獨(dú)立，利用North檢驗(yàn)計(jì)算特征值誤差范圍來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，特征值的誤差范圍

(1)

N為樣本的數(shù)量；λi為第i個(gè)特征值，當(dāng)相鄰的特征值滿足λi+1-λi≥ei時(shí)，則表明通過顯著性檢驗(yàn)，兩個(gè)特征值對應(yīng)的模態(tài)是有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

城市熱島強(qiáng)度定義為城市站點(diǎn)平均氣溫減去郊區(qū)站平均氣溫的差值[7](城、郊?xì)鉁夭钪捣?，即

(2)

其中m為城市站數(shù)，n為郊區(qū)站數(shù)。

2 平均氣溫年際變化

根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告，近130年(1880—2012)來全球平均氣溫升高了0.85 ℃[8]。在全球變暖的大背景下，有必要分析南京年平均氣溫年際變化特征。首先利用6 h一次的氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算1961—2016年南京市6站的年均氣溫。各站56 a的年平均氣溫變化見圖1，由圖1可看出，1961—1993年南京6站年平均氣溫在15.5 ℃上下波動(dòng)，1993年以后各區(qū)和全市的年平均氣溫都有了明顯的上升，1994—2016年全市年平均氣溫上升約1.5 ℃，說明南京市在這23 a里明顯變暖。

圖1 1961—2016年南京市6站年平均氣溫變化

3 年均氣溫距平的EOF模態(tài)分解

3.1 EOF空間分布特征

對南京市1961—2016年6站年均氣溫的距平數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF模態(tài)分解，并利用North顯著性檢驗(yàn)對其特征值進(jìn)行檢驗(yàn)，尋找有價(jià)值的空間場模態(tài)。如表1所示，前三個(gè)特征向量的特征值的累積貢獻(xiàn)率超過99%，但是只有前兩個(gè)特征值的誤差范圍沒有重疊，因此只有前兩個(gè)特征值通過North顯著檢驗(yàn)，且累積貢獻(xiàn)率超過98%。這兩個(gè)特征值可以很好地描述南京市1961—2016年氣溫的兩種分布類型。

EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率超過96%，遠(yuǎn)高于其它模態(tài)，該空間場為南京市的氣溫場的主要分布類型，其空間分布如圖2a(第33頁)所示。

表1 1961—2016年南京市年平均氣溫經(jīng)過EOF分解的前三個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率和誤差范圍

由圖2a可見南京全市的特征值均為正值，這表明1961—2016年間全市的溫度變化趨勢整體是一致的，即全市呈要么整體偏高，要么整體偏低的氣溫分布特點(diǎn)。高值中心在市中心，低值中心在六合區(qū)的最北部，表明南京市中心區(qū)域氣溫變化活躍程度遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)。EOF第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率超過1.6%，也是南京市氣溫場分布的一個(gè)較為典型的類型，其空間分布如圖2b所示。特征值負(fù)值中心處于江寧接近市中心部分，正值分布在南北兩端，溧水區(qū)為正值中心，呈現(xiàn)中部(南京站、江寧站)和南北兩端(溧水站、六合站)反向的分布模式。

3.2 EOF時(shí)間分布特征

各個(gè)模態(tài)分解得到的時(shí)間系數(shù)代表其對應(yīng)模態(tài)的時(shí)間變化特征，其正負(fù)代表模態(tài)的方向，正號(hào)表示與該模態(tài)同向，負(fù)號(hào)表示與該模態(tài)異向，其絕對值越大，這種模態(tài)越典型。從EOF第一模態(tài)所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖3)可以看出：1994年之前絕大部分年份的時(shí)間系數(shù)為負(fù)值，因此可以得出1961—1993年南京全市處于氣溫偏低狀態(tài)；1994年以后，時(shí)間系數(shù)開始上升，并幾乎全部為正值，說明在1994—2016年氣溫屬于氣溫偏高狀態(tài)?？v觀56 a，南京全市氣溫在1994—2016年有明顯的升溫趨勢。從EOF第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)看：1961—1980年時(shí)間系數(shù)為下降趨勢，但是幾乎均為正值， 這段時(shí)間里中部地區(qū)的氣溫低于南北兩端的氣溫；1981—2005年EOF第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，整體為負(fù)值，反應(yīng)在此期間中部氣溫高于南北兩端氣溫；2006—2013年EOF第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)盡管呈現(xiàn)下降趨勢，但是均為正值，說明在此期間城市中部氣溫低于南北兩端氣溫；2014—2016年EOF第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)為負(fù)值并呈下降趨勢，此期間中部氣溫再次高于南北兩端。

圖3 南京1961—2016年氣溫EOF第一、第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)年際變化曲線

綜合EOF第一、第二模態(tài)及其各自的時(shí)間系數(shù)，南京全市的年均氣溫在20世紀(jì)90年代快速升高。根據(jù)EOF模態(tài)分解得到的空間場和時(shí)間場，可以看出南京市中心即南京站和江寧站增溫快于南京的其他地區(qū)，因此，可以認(rèn)為南京站和江寧站是南京市的熱島站點(diǎn)。

4 熱島強(qiáng)度分析

根據(jù)以往作者的研究，城市熱島中心氣溫與同時(shí)間、同高度城市郊區(qū)的氣溫差值Tu表示熱島強(qiáng)度，并且將城市熱島強(qiáng)度的等級(jí)分為無、弱、中等、強(qiáng)和極強(qiáng)五個(gè)等級(jí)(溫差分別為Tu≤0.5 ℃，0.5 ℃3.5 ℃)[9]。

為了進(jìn)一步研究南京1961—2016年熱島強(qiáng)度和出現(xiàn)熱島效應(yīng)的頻率，從上文的EOF分解結(jié)果可知南京站和江寧站屬于熱島中心，因此將這兩個(gè)站作為城區(qū)站。由于高淳站相距城區(qū)大約70 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他郊區(qū)站與城區(qū)站的距離，甚至達(dá)到浦口站與城區(qū)站距離的3倍，因此郊區(qū)站只選擇浦口、六合、溧水3個(gè)站點(diǎn)。利用城區(qū)站、郊區(qū)站氣溫差值法分別計(jì)算1961—2016年每天4個(gè)時(shí)刻(02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí))的Tu。定義：一天中只要有一個(gè)時(shí)刻的Tu大于0.5 ℃，則表示這一天有熱島現(xiàn)象，計(jì)為一個(gè)熱島日。為此分時(shí)段統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)熱島日數(shù)并計(jì)算熱島日出現(xiàn)的頻率[10]，再計(jì)算這些熱島日氣溫差值的平均值，即為平均熱島強(qiáng)度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表2可看出：20世紀(jì)60—70年代出現(xiàn)熱島現(xiàn)象的頻率低于50%，平均熱島強(qiáng)度小于0.94 ℃；20世紀(jì)80年代到進(jìn)入21世紀(jì)后，各時(shí)期熱島日出現(xiàn)頻率高于50%，平均熱島強(qiáng)度均在0.94 ℃以上，且隨著時(shí)段推移，逐漸增高，在2001—2016年達(dá)最高值0.980 ℃。

表2 1961—2016年南京熱島出現(xiàn)頻率及平均熱島強(qiáng)度

為了進(jìn)一步研究南京熱島強(qiáng)度的強(qiáng)弱，統(tǒng)計(jì)熱島日的熱島強(qiáng)度等級(jí)。若一天內(nèi)出現(xiàn)不同等級(jí)的熱島強(qiáng)度，則選取最高的熱島強(qiáng)度等級(jí)作為當(dāng)日熱島強(qiáng)度等級(jí)，結(jié)果如表3所示。從表3可看出：對于任何時(shí)段而言，弱熱島強(qiáng)度出現(xiàn)頻率均為最大，說明目前南京市屬于弱熱島階段；但是隨著時(shí)間推移，其頻率總體上在減小。中等熱島出現(xiàn)頻率在增大，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，這也是80年代以后平均熱島強(qiáng)度均高于60—70年代的主要原因。南京強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島出現(xiàn)頻率較小，且變化不明顯。

表3 1961—2016年南京熱島強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)頻率 %

為了進(jìn)一步探究白天和夜晚熱島強(qiáng)度的變化，將熱島強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)期(1991—2016年)每天02時(shí)和20時(shí)的熱島強(qiáng)度求平均作為夜平均熱島強(qiáng)度，08時(shí)和14時(shí)的熱島強(qiáng)度求平均作為晝平均熱島強(qiáng)度，將夜平均熱島強(qiáng)度減去晝平均熱島強(qiáng)度求夜、晝熱島強(qiáng)度差值。圖4為夜間和晝間熱島強(qiáng)度及夜、晝熱島強(qiáng)度差值的年際變化曲線。從圖4可見，南京市的夜熱島強(qiáng)度略強(qiáng)于晝熱島強(qiáng)度，在2011年出現(xiàn)夜、晝熱島強(qiáng)度差值的峰值，在2016年出現(xiàn)谷值；但是夜、晝熱島差異沒有明顯的時(shí)間變化特征規(guī)律，1991—2016年夜、晝熱島強(qiáng)度差值的平均值為0.015 ℃。

圖4 1991—2016年南京夜、晝熱島強(qiáng)度及夜、晝熱島強(qiáng)度差值曲線

5 結(jié)論

基于南京市1961—2016年6區(qū)的地面氣溫資料，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解以及城、郊?xì)鉁夭钪捣▽δ暇鉁刈兓卣骷盁釐u效應(yīng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)1961—2016年南京6區(qū)的年平均氣溫變化基本一致，總體呈上升趨勢。其中1961—1993年年平均氣溫在15.5 ℃上下波動(dòng)，1993年以后各區(qū)和全市升溫趨勢明顯；通過EOF第二模態(tài)分解，發(fā)現(xiàn)主城區(qū)為熱島中心，增溫和氣溫變化活躍程度遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)。

(2)20世紀(jì)60年代和70年代熱島現(xiàn)象出現(xiàn)頻率相對較低，強(qiáng)度也較弱；而80年代以后各時(shí)期熱島出現(xiàn)頻率明顯增大，且熱島強(qiáng)度呈明顯的上升趨勢，其中2001—2016年間為熱島強(qiáng)度最高時(shí)期。

(3)目前南京市的熱島主要為弱熱島強(qiáng)度，但是中等熱島出現(xiàn)頻率逐漸加劇；盡管南京市熱島效應(yīng)有晝夜差異，但是并不明顯，具體表現(xiàn)為夜晚熱島略強(qiáng)于白晝。

圖1 河池市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃(文見第28頁4)

圖2 南京1961—2016年氣溫EOF第一模態(tài)(a)和第二模態(tài)(b)空間場(文見第30頁3.1)