云浮市熱島效應(yīng)的四季特征分析

陳元哲，陳偉明，盧智力，孔正圓，葉樹春

（1.云浮市氣象局，廣東云浮 527300；2.郁南縣氣象局，廣東郁南 527199）

城市熱島效應(yīng)是城市中由于人類活動引起的市區(qū)氣溫高于周邊郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象。作為影響城市生態(tài)環(huán)境的重要影響因素，城市熱島效應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)［1-3］。Oke［4］指出，城市熱島強(qiáng)度與人口存在較強(qiáng)的線性關(guān)系；近年來對中小城市熱島效應(yīng)的研究也取得較多成果［5-7］。熱島效應(yīng)的產(chǎn)生使得廣東各城市高溫酷熱的天氣更為嚴(yán)重，不論對于人體還是環(huán)境都有著嚴(yán)重的危害［8-9］。由于不同城市的地理環(huán)境及區(qū)域氣候等各有差異，這些都直接影響著城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱，因此隨著季節(jié)的改變各城市熱島效應(yīng)的變化特征有所不同，如北京、上海城市熱島現(xiàn)象在冬季表現(xiàn)的更為明顯［10-11］，而合肥市夏季城市熱島效應(yīng)最明顯［12］。因此，更好地了解城市熱島效應(yīng)的特征，對于減少高溫天氣所帶來的危害，避免城市生態(tài)環(huán)境遭到破壞，并對城市可持續(xù)發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

本研究利用廣東省云浮市共88個(gè)氣象觀測站2017年日均氣溫資料，結(jié)合云浮市高程數(shù)據(jù)以及城市發(fā)展情況對云浮城市熱島效應(yīng)的季節(jié)性變化進(jìn)行了分析。同時(shí)結(jié)合FROM-GLC10土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，定量研究云浮各地表覆蓋類型對熱島效應(yīng)增強(qiáng)與調(diào)控的作用，利用GIS分析各地表覆蓋類型與氣溫的定量關(guān)系。對更加了解云浮熱島特性以及解決城市熱島效應(yīng)問題具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 熱島強(qiáng)度計(jì)算方法

近年來我國的氣象事業(yè)迅速發(fā)展，云浮市及周邊地區(qū)也興建了許多自動氣象站，極大的增加了城市氣溫觀測密度，將各行政區(qū)中市區(qū)與郊區(qū)更好的區(qū)分開，使觀測的數(shù)據(jù)空間代表性更好。為了科學(xué)評價(jià)云浮市城區(qū)與郊區(qū)間的溫度差異，本研究選取88個(gè)氣象觀測站，如圖1所示。

圖1 云浮市站點(diǎn)分布示意圖

所選站點(diǎn)涵蓋了市區(qū)、村鎮(zhèn)與野外，將云城區(qū)、云安區(qū)、新興縣、郁南縣和羅定市5個(gè)行政區(qū)中市區(qū)11個(gè)站點(diǎn)平均代表城區(qū)溫度，村鎮(zhèn)與野外77個(gè)站點(diǎn)平均代表郊區(qū)溫度。其中，紅色站點(diǎn)處于城區(qū)，藍(lán)色站點(diǎn)處于郊區(qū)，本研究所選站點(diǎn)均勻遍布云浮市5個(gè)行政區(qū)，并且各區(qū)都存在城區(qū)與郊區(qū)站點(diǎn)。

為了避免各站海拔差異給溫度帶來的影響，根據(jù)氣溫垂直遞減率，將氣象觀測站氣溫?cái)?shù)據(jù)訂正到海平面高度。云浮市海拔多為100～600 m之間，這與城市地貌有關(guān)，云浮的主要地貌為丘陵；其中部與東部地形平坦，同時(shí)這些也是城市化程度較高的區(qū)域；城市西南與東南區(qū)域地勢較高，最高處海拔超過1 200 m。

本研究將城區(qū)平均溫度與郊區(qū)平均溫度之差定義為城市熱島強(qiáng)度，因此熱島強(qiáng)度（heat island strength，UHI）計(jì)算如下：

1.2 數(shù)據(jù)處理

FROM-GLC10地表覆蓋數(shù)據(jù)為清華大學(xué)宮鵬等［13］所開發(fā)出的世界首套10 m分辨率的全球土地覆蓋產(chǎn)品。FROM-GLC10是通過Google Earth Engine平臺強(qiáng)大的云計(jì)算能力，結(jié)合2011年以來全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)樣本庫與10 m分辨率Sentinel-2全球影像所制成，具有精度高、更多空間細(xì)節(jié)等優(yōu)勢。

本研究中的遙感數(shù)據(jù)處理主要包括高程數(shù)據(jù)和地表覆蓋數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)提取、鑲嵌、裁剪與類別合并等。為保證數(shù)據(jù)投影一致，將所有數(shù)據(jù)投影統(tǒng)一轉(zhuǎn)為WGS-84投影。其中，需對地表覆蓋類型數(shù)據(jù)FROM-GLC10原始分類方案的類別合并和重編碼，結(jié)合云浮城市的土地特性，將分類方案重新編碼為農(nóng)田、草地、林地、水體、城市用地以及裸地（圖2）。

圖2 云浮市2017年土地覆蓋類型分類結(jié)果示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 城市溫度的空間分布

為了更為直觀的表示云浮城市熱島的分布情況，通過GIS技術(shù)將氣象觀測站的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得出云浮市月均溫度分布（圖3）。

圖3 云浮市各月平均溫度分布

分季節(jié)研究中，選取各季節(jié)典型月份1、4、7、10月，分別代表當(dāng)年的冬季、春季、夏季、秋季。從圖3可以看出，云浮市一年4季月平均溫度差距最大約為14℃，其中最低月均溫度出現(xiàn)在1月，為14℃。云浮市溫度分布強(qiáng)弱基本一致，每個(gè)季節(jié)中部溫度普遍偏高，夏秋兩季東部與北部溫度也相對較高。將云浮地形與圖3的溫度分布狀況進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，云浮市地形的分布格局與溫度分布狀況大致相近。在海拔較高的丘陵地區(qū)溫度明顯降低，低溫范圍與丘陵走向相似。溫度較高的區(qū)域多為海拔較低的平原地區(qū)，而這些地區(qū)同時(shí)也是城市化程度高的區(qū)域。將圖2與圖3對比后發(fā)現(xiàn)，各季節(jié)高溫區(qū)與城市用地區(qū)域基本一致，土地覆蓋類型為農(nóng)田的區(qū)域大多為中高溫區(qū)，溫度較低的區(qū)域所對應(yīng)的土地覆蓋類型以林地為主。

總體而言云浮市的溫度分布受到海拔與地表覆蓋類型的雙重影響，在海拔較低同時(shí)城市化高的區(qū)域溫度相對較高，在高丘陵林地覆蓋的地區(qū)溫度相對較低。

2.2 城、郊?xì)鉁氐脑伦兓卣?/h3>

2017年云浮市城區(qū)與郊區(qū)月平均變化如圖4所示，城區(qū)與郊區(qū)的月均溫度變化趨勢基本一致，而每個(gè)月的城區(qū)月均溫都高于郊區(qū)，這說明云浮市城市熱島效應(yīng)全年都存在。從逐月變化趨勢來看，城區(qū)與郊區(qū)的平均溫度在6—9月份達(dá)到峰值，城區(qū)溫度范圍為27.70～28.44℃，郊區(qū)溫度在27.20～27.91℃之間。統(tǒng)計(jì)可知，云浮市熱島強(qiáng)度年平均為0.55℃，各月的熱島強(qiáng)度存在明顯的月際變化，其中12月城市熱島強(qiáng)度最大，達(dá)到1.15℃，其次是10月份，為0.62℃；熱島強(qiáng)度最小的是3月，為0.39℃，3—6月份城市熱島強(qiáng)度都較小。這就說明云浮城市熱島效應(yīng)最強(qiáng)的時(shí)間是12月，其次為10月。

圖4 云浮市城區(qū)與郊區(qū)逐月氣溫變化

研究表明，在晴朗穩(wěn)定，且氣壓梯度較小的天氣形勢下有利于城市熱島的形成［14］。云浮市春季多陰雨且寡照，是導(dǎo)致城市春季熱島強(qiáng)度較低的原因；進(jìn)入秋冬季，多為晴好天氣，空氣層結(jié)穩(wěn)定使得城市熱島強(qiáng)度增強(qiáng)，2017年12月云浮市降水天數(shù)及降水量為全年最少，導(dǎo)致12月份的城市熱島效應(yīng)為全年最強(qiáng)。這與廣東省其它城市的熱島效應(yīng)情況相似［17］。

2.3 氣溫與土地覆蓋類型的關(guān)系

為研究云浮不同地表覆蓋類型與城市熱島間的關(guān)系，將2017年4季的土地覆蓋數(shù)據(jù)與氣溫?cái)?shù)據(jù)相疊加，得到6種土地類型所占百分比，以及各種土地覆蓋類型的平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)差（表1）。

表1 云浮市各季節(jié)土地覆蓋類型和各季平均氣溫

從表1可以看出云浮市地表覆蓋以草地為主，占 71.79%，農(nóng)田次之，裸地最少，僅為0.54%。從表1還可以看出，城市用地與裸地由于具有相近的非滲透性、無蒸發(fā)性以及較強(qiáng)的熱容量，各個(gè)季節(jié)的氣溫都相對較高，冬季與夏季尤為明顯：裸地的氣溫分別為15.72、27.49℃。由于云浮市近幾年城市發(fā)展較快，高樓與汽車數(shù)量迅速增長等因素，城市用地的氣溫居高不下，4季平均溫度都為各地表類型最高，春、夏、秋、冬季氣溫分別為 22.09、27.56、23.37、15.76℃。草地與林地之間的溫度都相對較低，且均低于農(nóng)田和水體，其中林地的氣溫在各季節(jié)都為最低。

云浮市不同地表覆蓋類型的氣溫差異顯著，城市用地氣溫較高，和林地的溫度差值在0.36～0.5℃之間，因此，氣溫與地表覆蓋類型有著密切的聯(lián)系。云浮市各季不同土地覆蓋類型氣溫從高到低的順序基本都為：城市用地＞裸地＞農(nóng)田＞水體＞草地＞林地。城市用地與裸地的氣溫一直居于前2位，草地與林地一直居于后2位，說明林地最能對云浮市起到降溫作用。

對云浮市市區(qū)與郊區(qū)2017年日均氣溫和高程資料分析后發(fā)現(xiàn)：云浮市地形的分布格局與溫度分布狀況基本一致，并且溫度分布受到海拔與土地覆蓋類型的雙重影響；云浮城市熱島效應(yīng)具有明顯的月與季節(jié)變化特征。城市熱島強(qiáng)度年平均為0.55℃，最高1.15℃出現(xiàn)在降雨最少的12月，最低0.39℃為低溫寡照的3月。綜合看來，云浮市春季城市熱島效應(yīng)最弱，秋冬季城市熱島效應(yīng)最為顯著。并通過FROM-GLC10地表覆蓋數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)云浮市氣溫與地表覆蓋類型有密切的聯(lián)系，林地對城市起到了主要的降溫作用。總體來說，本研究的工作對云浮地區(qū)緩解城市熱島效應(yīng)具有重要意義。