上海市區(qū)與洋山港區(qū)氣溫日變化差異分析

朱智慧 王琴 李麗

（上海海洋中心氣象臺(tái)，上海 201306）

0 引言

最近幾十年，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市熱島效應(yīng)[1-4]正成為氣溫變化的重要影響因素。Jones等[5]在研究城市化問題對大尺度氣溫變化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在中國1951—2004年城市化相關(guān)的增暖為0.1℃/10 a。周雅清等[6]的研究表明，對華北地區(qū)，平均氣溫、最低氣溫變化趨勢中城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)因素的影響明顯。還有其他許多研究者[7-10]對城市化與某一地區(qū)氣溫變化的關(guān)系進(jìn)行了分析。近十幾年，自動(dòng)氣象站建設(shè)和野外觀測技術(shù)的進(jìn)步為城市局地的精細(xì)化氣候研究帶來了可能性。黃良美等[11]基于試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，對南京市不同下墊面的溫度日變化規(guī)律、熱島強(qiáng)度特征進(jìn)行了全面分析。胡文志等[12]選取較能代表香港市區(qū)與郊區(qū)情況的氣象站數(shù)據(jù)，比較了香港市郊溫度和相對濕度差異的日變化和季節(jié)變化，及其與城市化影響的關(guān)系。李興榮等[13]用自動(dòng)觀測站資料分析了深圳城市、海洋、丘陵、山地等4個(gè)小氣候區(qū)夏季典型晴天氣溫、濕度及舒適度特征。楊萍等[14]利用北京地區(qū)4 年67個(gè)自動(dòng)氣象站的逐小時(shí)氣溫觀測資料，研究了城郊?xì)鉁氐娜兆兓町惣凹竟?jié)特征。上海作為國際化的大都市，城市化對局地氣候的影響顯著，近年來關(guān)于上海城市熱島效應(yīng)的研究也比較多[15-17]，但這些研究集中在城市和郊區(qū)氣溫差異的分析上。

上海洋山港是世界最大的海島型深水人工港，隨著港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對港區(qū)氣溫的精細(xì)化預(yù)報(bào)要求也越來越高，但分析市區(qū)和港區(qū)氣溫日變化差異性及其季節(jié)特征方面的研究較少，對這些問題進(jìn)行分析，有助于提高港區(qū)氣溫的精細(xì)化預(yù)報(bào)水平。

1 資料與方法

1.1 站點(diǎn)選取和數(shù)據(jù)

上海徐家匯氣象觀測站自1873年建站至今已有141年歷史，位于徐家匯商業(yè)圈內(nèi)，有關(guān)上海城市熱島效應(yīng)的許多研究都將徐家匯站選為市區(qū)站的代表[15-17]。本文參照前人研究選取徐家匯站為市區(qū)站。

上海洋山深水港區(qū)位于杭州灣口、長江口外的浙江省嵊泗崎嶇列島，由大、小洋山等數(shù)十個(gè)島嶼組成。為了給洋山港區(qū)提供現(xiàn)代化的氣象服務(wù)，上海市氣象局在位于洋山港區(qū)的小洋山島上建立了洋山氣象站。2005年洋山站被正式列入國家觀測站，2007年開始正式參與全國性氣象資料發(fā)報(bào)。2007年以后洋山站的氣象觀測資料完整，本文選取洋山站為港區(qū)站。

本文所使用的資料為徐家匯站和洋山站2008—2016年的地面氣象觀測文件，包含每日的極值記錄，資料的時(shí)間間隔為1 h。

兩個(gè)測站的海拔高度、平均溫度、平均最高和最低溫度、平均氣溫日較差（氣溫日較差是指一天中氣溫最高值與最低值之差）、極端最高和最低溫度等信息見表1。

表1 站點(diǎn)分布及氣溫資料（平均數(shù)值以2008—2016為參考）Table 1 The distribution and temperature information of the stations (The average value is based on 2008-2016)

1.2 分析方法

計(jì)算了市區(qū)和港區(qū)2008—2016年逐年平均的平均溫度、最高最低溫度和9年平均的00—23時(shí)逐時(shí)平均溫度、最高最低溫度和氣溫日較差。此外，還通過計(jì)算最高、最低溫度出現(xiàn)時(shí)間的概率分布，分析了市區(qū)和港區(qū)溫度日變化的差異性，計(jì)算方法[14]為：利用出現(xiàn)率（出現(xiàn)次數(shù)/ 總次數(shù)）來表征日最高（低）溫度在各時(shí)次出現(xiàn)的概率，統(tǒng)計(jì)了市區(qū)和港區(qū)站點(diǎn)全年和季節(jié)日最高溫度（最低溫度）出現(xiàn)時(shí)間的概率分布特征。在分析季節(jié)變化特征時(shí)，3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12、1、2月為冬季。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫日變化

圖1給出了市區(qū)和港區(qū)一年四季平均氣溫日變化。從中可見，由于下墊面的不同，市區(qū)和港區(qū)的氣溫日變化在一年四季都有明顯的異同。四季市區(qū)氣溫日變化幅度均大于港區(qū)，說明港區(qū)氣溫受海洋的調(diào)節(jié)變化較為溫和。四季兩站最高氣溫均出現(xiàn)在13—14時(shí)，最低溫度出現(xiàn)在05—07時(shí)。春季和夏季，市區(qū)的氣溫在00—23時(shí)都高于港區(qū)，14時(shí)前兩者溫差逐漸拉大，之后逐漸減小。秋季和冬季，00—10時(shí)和19—23時(shí)，港區(qū)氣溫要高于市區(qū)；10—19時(shí)，港區(qū)氣溫低于市區(qū)。這說明，在四季，由于市區(qū)下墊面對太陽輻射的響應(yīng)快，日出之后，市區(qū)增溫更快，10—18時(shí)左右市區(qū)氣溫要明顯高于港區(qū)，日落之后，在春季和夏季，天氣處在一年中由冷轉(zhuǎn)暖的階段，市區(qū)夜間城市熱島效應(yīng)比較明顯，氣溫高于港區(qū)，在秋季和冬季，天氣處在一年中由暖轉(zhuǎn)冷的階段，夜間城市熱島效應(yīng)對氣溫的調(diào)節(jié)作用小于海洋，市區(qū)的氣溫低于港區(qū)。

圖1 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）氣溫日變化特征（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig. 1 Diurnal air temperature variations between urban (asterisk) and harbor (hollow point)(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

2.2 變溫強(qiáng)度

圖2給出了市區(qū)和港區(qū)9年平均的1 h、3 h、6 h間隔的氣溫變化的日變化特征曲線。從中可見，市區(qū)和港區(qū)的1 h變溫都在09時(shí)達(dá)到最大值，市區(qū)的3 h和6 h最大正變溫出現(xiàn)在11時(shí)、13時(shí)，而港區(qū)出現(xiàn)在10時(shí)、12時(shí)，均比市區(qū)提前1 h；市區(qū)的最大負(fù)變溫出現(xiàn)在18時(shí)、19時(shí)和21時(shí)，港區(qū)在17時(shí)、18時(shí)和20時(shí)，同樣比市區(qū)提前1 h。此外，不管哪種時(shí)間間隔，港區(qū)的最大升（降）溫幅度都要低于市區(qū)，說明由于海洋的調(diào)節(jié)作用，港區(qū)的溫度變化更為平緩。

圖2 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）變溫日變化（a）1 h，（b）3 h，（c）6 hFig.2 Diurnal variation of temperature increment in urban (asterisk) and harbor (hollow point) areas(a) 1 hour, (b) 3 hours, (c) 6 hours

圖3 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）1 h變溫的日變化（a）春季，（b）夏季，（c）秋季，（d）冬季Fig. 3 Diurnal temperature variation for 1 hour in urban (asterisk) and harbor (hollow point) areas(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

從圖3中1 h變溫的日變化的季節(jié)特征可以看到市區(qū)和港區(qū)一年四季的最大升溫都出現(xiàn)在09時(shí)，春季和夏季市區(qū)最大降溫出現(xiàn)在18、19時(shí)，港區(qū)出現(xiàn)在17、18時(shí)，提前1 h，而在秋季和冬季，市區(qū)和港區(qū)的最大降溫都出現(xiàn)在17時(shí)；一天中，市區(qū)的升（降）溫幅度要大于港區(qū)。此外，市區(qū)和港區(qū)的1小時(shí)升溫和降溫都存在非對稱特征。以夏季為例，升溫從06時(shí)開始，到09時(shí)達(dá)到峰值，歷時(shí)3 h，降溫從14時(shí)開始，到19時(shí)達(dá)到最低值，歷時(shí)5 h，說明對市區(qū)和港區(qū)，降溫過程都要比升溫過程緩慢。3 h和6 h變溫日變化的季節(jié)特征（圖略）與1 h變溫類似。

圖4給出了市區(qū)和港區(qū)1 h、3 h、6 h間隔的最大升溫和最大降溫出現(xiàn)率的9年平均日變化特征曲線。從中可以看到，不管哪種時(shí)間間隔，市區(qū)的最大升溫出現(xiàn)率的峰值要明顯高于港區(qū)，而最低溫度出現(xiàn)率兩者接近，說明最大升（降）溫除了與日照有關(guān)，還與下墊面的屬性密切相關(guān)。對市區(qū)和港區(qū)，1 h和3 h最大升溫出現(xiàn)率峰值都出現(xiàn)在10—11時(shí)，6 h最大升溫出現(xiàn)率出現(xiàn)在13—14時(shí)。市區(qū)和港區(qū)的1 h最大降溫出現(xiàn)率最大值都出現(xiàn)在18時(shí)；市區(qū)的3 h最大降溫出現(xiàn)率最大值出現(xiàn)在20時(shí)，港區(qū)出現(xiàn)在19時(shí)；市區(qū)和港區(qū)的6 h最大降溫出現(xiàn)率最大值都出現(xiàn)在21時(shí)。

圖4 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）最大升溫（a：1 h，c：3 h，e：6 h）和最大降溫（b：1 h，d：3 h，f：6 h）出現(xiàn)率的日變化Fig. 4 Occurrence rate of maximum temperature rising (a: 1 hour, c: 3 hours, e: 6 hours) and maximum temperature cooling (d: 1 hour, d: 3 hours, f: 6 hours) increment in urban (asterisk) and harbor (hollow point) areas

從圖5中可以看到，市區(qū)四季的1 h最大升溫都比較集中，春、夏、秋季出現(xiàn)率的峰值在10時(shí)，冬季在11時(shí)，數(shù)值為30%～40%。港區(qū)的最大升溫主要出現(xiàn)在09—14時(shí)，較為分散，四季出現(xiàn)率的峰值都低于20%。春季市區(qū)和港區(qū)最大降溫出現(xiàn)率的峰值都出現(xiàn)在19時(shí)；夏季市區(qū)的峰值出現(xiàn)在18時(shí)，港區(qū)出現(xiàn)在19時(shí)，比市區(qū)落后1 h，而且港區(qū)的峰值要高于市區(qū)。秋季和冬季，市區(qū)和港區(qū)的峰值都出現(xiàn)在18時(shí)，且數(shù)值接近。此外，市區(qū)和港區(qū)的1 h最大降溫出現(xiàn)率圍繞峰值的分布呈現(xiàn)明顯的不對稱性，市區(qū)較大的出現(xiàn)率集中在18—20時(shí)，港區(qū)在16—18時(shí)。3 h和6 h最大升（降）溫出現(xiàn)率的日變化的季節(jié)變化特征與1 h類似（圖略），只是峰值出現(xiàn)時(shí)間有差別。

2.3 日極端氣溫出現(xiàn)時(shí)間的概率分布

最高（低）氣溫出現(xiàn)的時(shí)間是氣溫日變化的重要特征，過去人們主要關(guān)注平均的最高（低）溫度出現(xiàn)時(shí)間，對最高（低）氣溫出現(xiàn)時(shí)間的概率分布研究較少，對其進(jìn)行分析，可以加深對氣溫日變化特征的認(rèn)識。圖6給出了市區(qū)和港區(qū)最高（低）溫度出現(xiàn)率的年平均和四季日變化特征。

從圖6a、6c、6e、6g、6i可見，市區(qū)和港區(qū)年平均的最高溫度出現(xiàn)率都存在雙峰結(jié)構(gòu)，最大的時(shí)次都為13時(shí)，其次為20時(shí)。各季節(jié)最高溫度出現(xiàn)率的平均狀態(tài)與年平均狀態(tài)情況基本一致，但略有差異。其中，市區(qū)和港區(qū)春季和夏季最高溫度出現(xiàn)率最大的時(shí)次均為13時(shí)；秋季市區(qū)為12時(shí)，港區(qū)為13時(shí)，市區(qū)比港區(qū)提前1 h；冬季市區(qū)為14時(shí)，港區(qū)為13時(shí)，市區(qū)比港區(qū)落后1 h。市區(qū)和港區(qū)在春、夏、秋三個(gè)季節(jié)最大的最高溫度出現(xiàn)率都在12—13時(shí)，在冬季，20時(shí)也存在很高的出現(xiàn)率。

從圖6b、6d、6f、6h、6j可見，市區(qū)和港區(qū)年平均的最低溫度出現(xiàn)率有兩個(gè)峰值，最大的時(shí)次都為05時(shí)，其次為20時(shí)。各季節(jié)最低溫度出現(xiàn)率的平均狀態(tài)與年平均狀態(tài)有較顯著差異。04—06時(shí)以及19—20時(shí)都是最低溫度較容易出現(xiàn)的時(shí)段，其中市區(qū)一年四季的最低溫度出現(xiàn)率的最大值都在04—06時(shí)，數(shù)量在25%以上，港區(qū)夏季04—06時(shí)的最低溫度出現(xiàn)率較明顯，春、秋、冬季20時(shí)的最低溫度出現(xiàn)率與05時(shí)接近。

3 結(jié)論

1）由于下墊面的不同，市區(qū)和港區(qū)的氣溫日變化在一年四季都有明顯的異同。四季市區(qū)氣溫日變化幅度均大于港區(qū)，說明港區(qū)氣溫受海洋的調(diào)節(jié)變化較為溫和。由于市區(qū)下墊面對太陽輻射的響應(yīng)快，日出之后，市區(qū)增溫更快，10—18時(shí)左右市區(qū)氣溫要明顯高于港區(qū)，日落之后，在春季和夏季，夜間城市熱島效應(yīng)比較明顯，市區(qū)氣溫高于港區(qū)，而在秋季和冬

圖5 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）1小時(shí)最大升溫（a：春季，c：夏季，e：秋季，g：冬季）和最大降溫（b：春季，d：夏季，f：秋季，h：冬季）出現(xiàn)率的日變化Fig. 5 Diurnal variations of occurrence rate of maximum temperature rising (a: spring, c: summer, e: autumn, g: winter)and maximum temperature cooling (b: spring, d: summer, f: autumn, h: winter) increment for 1 hour in urban (asterisk)and harbor (hollow point) areas.

季，夜間城市熱島效應(yīng)對氣溫的調(diào)節(jié)作用小于海洋，市區(qū)的氣溫低于港區(qū)。

2）不管哪種時(shí)間間隔，市區(qū)的最大升（降）溫幅度都要高于港區(qū)，港區(qū)的溫度變化更為平緩。市區(qū)和港區(qū)的1 h升溫和降溫都存在非對稱特征，降溫過程比升溫過程緩慢。

3）市區(qū)和港區(qū)的最大升溫集中在10—14時(shí)，而最大降溫集中在19—21時(shí)，說明變溫受日照變化的影響顯著。同時(shí)，市區(qū)最大升溫出現(xiàn)率的數(shù)值要明顯高于港區(qū)，說明變溫還受下墊面性質(zhì)的影響。市區(qū)四季的最大升溫都比較集中，港區(qū)較為分散。市區(qū)和港區(qū)的最大降溫出現(xiàn)率圍繞峰值的分布呈現(xiàn)明顯的不對稱性，市區(qū)較大的出現(xiàn)率集中在18—20時(shí)，港區(qū)在16—18時(shí)。

4）市區(qū)和港區(qū)最高、最低溫度的出現(xiàn)率都存在雙峰結(jié)構(gòu)，在13時(shí)和20時(shí)存在較高的最高溫度出現(xiàn)率，在05時(shí)和20時(shí)存在較高的最低溫度出現(xiàn)率。各季節(jié)最高溫度出現(xiàn)率的平均狀態(tài)與年平均狀態(tài)情況基本一致，但略有差異，港區(qū)最高溫度出現(xiàn)率峰值出現(xiàn)時(shí)間春季和夏季與市區(qū)一致，秋季比市區(qū)落后1 h，而冬季提前1 h。各季節(jié)最低溫度出現(xiàn)率的平均狀態(tài)與年平均狀態(tài)有較顯著差異，04—06時(shí)以及19—20時(shí)都是最低溫度較容易出現(xiàn)的時(shí)段，其中市區(qū)一年四季的最低溫度出現(xiàn)率的最大值都在04—06時(shí)，港區(qū)夏季04—06時(shí)的最低溫度出現(xiàn)率較明顯，春、秋、冬季20時(shí)的最低溫度出現(xiàn)率與05時(shí)接近。

本文僅對市區(qū)和港區(qū)的平均狀況進(jìn)行了分析，實(shí)際上，由于地形條件、天氣狀況等方面的影響，市區(qū)和港區(qū)的氣溫差異性還有很多值得研究的地方。此外，由于觀測資料樣本時(shí)間較短，所得到的結(jié)論也需要在樣本積累較長時(shí)間后進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 市區(qū)（星號線）和港區(qū)（空心圓點(diǎn)線）最高溫度（a：年平均，c：春季，e：夏季，g：秋季，i：冬季）和最低溫度（b：年平均，d：春季，f：夏季，h：秋季，j：冬季）出現(xiàn)率的日變化Fig. 6 Diurnal variations of maximum (a: annual mean, c: spring, e: summer, g: autumn, i: winter) and minimum(b: annual mean, d: spring, f: summer, h: autumn, j: winter) temperature occurrence rate in urban (asterisk) and harbor(hollow point) areas