2014—2017年西安市城市熱島、冷島精細化時空特征分析

金麗娜，李雄飛

（1.西安市氣象局，陜西 西安 710016；2.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710004）

西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，使西安市政治、經(jīng)濟和文化飛速發(fā)展，加快了城市化進程的步伐，根據(jù)統(tǒng)計年鑒分析，2014—2017年西安的國民生產(chǎn)總值、常住人口和建成區(qū)面積分別以644.12億元/a、31.41萬人/a和52.81 km2/a的速度增長。城市規(guī)模的不斷增大，對城市生態(tài)環(huán)境和氣候產(chǎn)生了不可估量的影響。其中，由城市熱島、冷島引發(fā)的一系列環(huán)境、生態(tài)問題已經(jīng)影響城市進一步發(fā)展，并改變了人居生態(tài)環(huán)境。目前，城市熱島、冷島的研究大多采用常規(guī)氣象觀測資料[1-9]和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[10-15]。但常規(guī)氣象觀測資料的時空分辨率不夠高，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在可靠性方面還有待進一步改善，而高分辨率的加密氣溫資料在該領(lǐng)域的應(yīng)用較為鮮見。任何地區(qū)的氣候條件都是由不同的小氣候組成的，尤其是在城市內(nèi)部區(qū)域，復(fù)雜多樣的下墊面類型形成了“馬賽克”式的城市下墊面結(jié)構(gòu)，從而形成不同的城市局地小氣候。晏海等[16]選取北京奧林匹克公園及其周邊城市區(qū)域作為研究對象，對局地空氣溫度的時空變化特征及其影響因子進行分析，發(fā)現(xiàn)即使在小尺度的城市區(qū)域內(nèi)仍存在明顯的氣溫差異。為了進一步揭示城市熱島、冷島的精細化結(jié)構(gòu)特征，有必要利用國家質(zhì)量控制的加密觀測數(shù)據(jù)對城市熱島、冷島的精細化結(jié)構(gòu)開展更深入的研究。作為國家中心城市，西安市自21世紀(jì)初陸續(xù)建立了包括加密自動氣象站在內(nèi)的城市綜合觀測體系，為城市熱島、冷島的精細化特征研究提供了重要的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

西安市地處我國西北地區(qū)東部、黃河流域中部的關(guān)中盆地，位于33°42′～34°45′N，107°40′～109°49′E，為全國熱點旅游城市，地勢東南高西北低，南鄰秦嶺?，F(xiàn)有11區(qū)2縣，11區(qū)包括未央?yún)^(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)、灞橋區(qū)、長安區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)，2縣包括藍田縣、周至縣。

2 數(shù)據(jù)選取與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)選取

2.1.1年代際變化研究數(shù)據(jù)

根據(jù)行政區(qū)劃定義西安氣象站為城區(qū)站，鄠邑區(qū)、長安區(qū)、高陵區(qū)、臨潼區(qū)氣象站為郊區(qū)站，周至縣、藍田縣氣象站為郊縣站。選取7個氣象站1971—2017年共47 a氣溫資料。

2.1.2精細化特征研究數(shù)據(jù)

根據(jù)西安市城市建設(shè)情況和區(qū)域氣象站周邊探測環(huán)境特點，確定未央?yún)^(qū)、新城區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)內(nèi)站點為城區(qū)站，灞橋區(qū)、長安區(qū)、臨潼區(qū)、鄠邑區(qū)、閻良區(qū)、高陵區(qū)內(nèi)站點為郊區(qū)站，周至縣、藍田縣內(nèi)站點為郊縣站。西安市氣象局從2006年開始全面加快區(qū)域自動氣象站的建設(shè)。截至目前，已建成并有效使用的自動區(qū)域氣象站有近兩百個，主要觀測溫度、雨量、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度。為了保證數(shù)據(jù)的完整性、精確性，研究選取2014年1月1日—2017年12月31日、觀測環(huán)境統(tǒng)一（即距離地面1.5 m處、未安裝在樓群中或樓頂上）、觀測記錄完整的103個國家考核區(qū)域站點以及7個國家氣象站點的逐時氣溫資料（圖1），研究西安市城市熱島、冷島的年、季平均空間結(jié)構(gòu)分布，進一步展現(xiàn)四季熱島、冷島在強度和位置等方面的精細化氣候特征，并選取城區(qū)、郊區(qū)、郊縣典型代表站，分析逐日熱島、冷島變化規(guī)律，為高分辨城市熱島及相關(guān)的精細化監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 西安市站點分布

2.2 研究方法

2.2.1年代際分析方法

分別選用平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分析5個年代際的氣溫變化程度，用城區(qū)站與郊區(qū)站（4個郊區(qū)站平均值）的溫差、城區(qū)站與郊縣站（2個郊縣站平均值）的溫差確定熱島強度。

2.2.2精細化年、季尺度方法

由于不同時間尺度的平均氣溫空間差異較大，在進行城市熱島、冷島精細化空間差異對比中，采用氣溫空間差異相對全區(qū)平均氣溫的大小進行分析，可以更合理地揭示城市熱島的空間結(jié)構(gòu)[17]。定義標(biāo)準(zhǔn)化相對氣溫如下：

式中：i為站號，TSi為第i站的標(biāo)準(zhǔn)化相對氣溫，Ti為第i站的氣溫為全區(qū)域的平均氣溫，σγ為該區(qū)域所有站點組成的氣溫序列的標(biāo)準(zhǔn)差。這里，采用標(biāo)準(zhǔn)化相對氣溫來分析西安市城市熱島、冷島分布的空間差異，以揭示熱島、冷島的氣候精細結(jié)構(gòu)。

2.2.3精細化日尺度方法

選取城區(qū)、郊區(qū)、郊縣典型站點，分別代表城區(qū)、郊區(qū)、郊縣的逐時氣溫，采用標(biāo)準(zhǔn)化相對氣溫算法，分析城區(qū)、郊區(qū)、郊縣在年、季尺度中熱島、冷島的日變化特征。

3 城市熱島、冷島的年、季精細化氣候特征

3.1 西安年代際氣溫變化特征

表1為1971—2017年西安城區(qū)、郊區(qū)、郊縣年平均、最高和最低氣溫年代際變化情況。1971—2017年西安城區(qū)、郊區(qū)和郊縣的年平均、最高和最低氣溫總體均呈上升趨勢，增溫速率為城區(qū)>郊區(qū)>郊縣，1971—2017年城區(qū)年平均、最高和最低氣溫變化率分別為0.56、0.43、0.69 ℃/10 a，郊區(qū)分別為0.35、0.36、0.40 ℃/10 a，郊縣分別為0.26、0.36、0.25 ℃/10 a。即，城區(qū)和郊區(qū)的最低氣溫增溫最顯著，郊縣的最高氣溫增溫最顯著。與20世紀(jì)逐年代際相比，進入21世紀(jì)后，西安城市熱島效應(yīng)較為顯著，2001—2010年、2011—2017年年平均氣溫城郊差分別為0.9、0.7 ℃，城縣差分別為1.2、1.4 ℃，這與“一般在百萬人口大城市平均氣溫約高于郊區(qū)0.5～1.0 ℃”的研究結(jié)果基本一致，且差值較大，說明西安市城郊、城縣存在明顯的熱島效應(yīng)。

表1 1971—2017年西安城區(qū)、郊區(qū)、郊縣3種氣溫要素年代際變化℃

3.2 精細化城市熱島、冷島的年分布特征

圖2為2014—2017年逐年及4 a平均氣溫?zé)釐u、冷島空間分布。在西安市發(fā)展過程中，城市熱島、冷島現(xiàn)象明顯，精細結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出“多中心”特征。西安市城市熱島范圍（即標(biāo)準(zhǔn)化氣溫＞0）的區(qū)域主要分布在城區(qū)、灞橋區(qū)西部及長安區(qū)的北部，周至縣、鄠邑區(qū)、藍田縣有區(qū)域性熱島效應(yīng)。2014和2017年熱島現(xiàn)象及“多中心”特征明顯，各年冷島現(xiàn)象比較一致。城區(qū)主要熱島中心（即標(biāo)準(zhǔn)化氣溫＞1）為豐慶路空管局、星火路立交、電子科大、北關(guān)、鐘樓、大雁塔。2014年郊區(qū)主要熱島中心為灞橋區(qū)十里鋪斡耳垛小學(xué)、鄠邑區(qū)石井鎮(zhèn)，郊縣主要熱島中心為周至縣集賢鎮(zhèn)和四屯鎮(zhèn)、藍田縣輞川鎮(zhèn)。2015年郊區(qū)主要熱島中心為灞橋區(qū)十里鋪斡耳垛小學(xué)，郊縣主要熱島中心為周至縣集賢鎮(zhèn)和四屯鎮(zhèn)、藍田縣輞川鎮(zhèn)。2016年郊區(qū)主要熱島中心為長安區(qū)郭杜鎮(zhèn)和五臺鎮(zhèn)、灞橋區(qū)政府，郊縣無主要熱島中心。2017年郊區(qū)主要熱島中心為長安區(qū)五星鎮(zhèn)、郭杜鎮(zhèn)和五臺鎮(zhèn)，灞橋區(qū)政府、閻良區(qū)政府，郊縣主要熱島中心為周至縣四屯鎮(zhèn)。綜合來看，城區(qū)有6個主要熱島中心，郊區(qū)有4個主要熱島中心（長安區(qū)郭杜鎮(zhèn)和五臺鎮(zhèn)、灞橋區(qū)十里鋪斡耳垛小學(xué)和灞橋區(qū)政府），郊縣有1個熱島中心（周至縣四屯鎮(zhèn)）。熱島中心多為以建筑物為主的商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)，人類生產(chǎn)生活中消耗能量、排出廢熱，致使溫度較周圍高。2014—2017年西安市主要冷島中心（標(biāo)準(zhǔn)化氣溫＜-1）均分布在周至南部山區(qū)及藍田東部山區(qū)，集中在藍田縣葛牌鎮(zhèn)、灞源鎮(zhèn)、藍橋鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)和厚鎮(zhèn)，周至縣板房子鎮(zhèn)和王家河鎮(zhèn)。

西安城市熱島、冷島呈現(xiàn)出多中心特征的原因大致有三點：一是由于西安的經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè)，人口集中活動區(qū)域呈多中心發(fā)展特征，導(dǎo)致了西安城市熱島、冷島多中心特征。二是從城區(qū)熱島分布特征與郊區(qū)熱島分布特征來看，城區(qū)熱島中心主要分布在老城區(qū)、旅游中心，其建筑密度較大，硬化面積較廣、水域綠被較差、人口較為集中，郊區(qū)熱島多集中于人口較為集中的郊縣老城區(qū)。三是冷島區(qū)域分布于西安東南、西南地區(qū)，該類區(qū)域多為地勢較高、水域綠被覆蓋較大、非人口密集區(qū)的秦嶺坡腳線附近，這類區(qū)域因海拔、水域綠被、人類活動、秦嶺山脈等因素綜合影響，導(dǎo)致該類地區(qū)表現(xiàn)較為明顯的冷島特征。

圖2 年平均氣溫?zé)釐u、冷島空間分布

圖3 四季年平均氣溫?zé)釐u、冷島空間分布

3.3 精細化城市熱島、冷島的季節(jié)分布特征

圖3為西安市四季年平均城市熱島、冷島分布。春、夏季城區(qū)、郊區(qū)熱島中心一致，夏季郊縣無熱島中心；秋、冬季熱島中心較分散，其原因可能為秋、冬季反氣旋增多，且冬季供暖影響，造成城鄉(xiāng)溫差更大，城市熱島更分散。四季冷島中心較一致，主要分布在郊縣，城區(qū)均無冷島現(xiàn)象，春、夏、秋三季郊區(qū)僅鄠邑區(qū)澇峪鎮(zhèn)為冷島中心，冬季郊區(qū)無冷島中心。

綜合來看，西安市四季城區(qū)主要有5個熱島中心（豐慶路空管局、北關(guān)、電子科大、星火路立交、大雁塔），無冷島中心；郊區(qū)主要有3個熱島中心（灞橋區(qū)十里鋪斡耳垛小學(xué)和灞橋區(qū)政府、長安區(qū)郭杜鎮(zhèn)），2個冷島中心（鄠邑區(qū)澇峪鎮(zhèn)、灞橋區(qū)白鹿原）；郊縣主要有1個熱島中心（周至縣四屯鎮(zhèn)），7個冷島中心（藍田縣灞源鎮(zhèn)、葛牌鎮(zhèn)、藍橋鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、三官廟鎮(zhèn)和周至縣板房子鎮(zhèn)、王家河鎮(zhèn)）。

根據(jù)四季熱島分布圖及觀測站點建設(shè)環(huán)境對比分析可知，用地類型與熱島中心存在明顯的相關(guān)性，熱島區(qū)域大部分在西安市主城區(qū)范圍內(nèi)，熱島中心基本均在城市建設(shè)用地，公園、綠地、濕地均不在主要熱島區(qū)域之內(nèi)；冷島區(qū)域主要位于兩個郊縣，且冷島中心基本在南部山區(qū)。

4 城市熱島、冷島強度的日變化特征

為了更好地研究城市熱島、冷島強度的日變化，選取豐慶路空管局、電子科大、北關(guān)、星火路立交、大雁塔作為城區(qū)代表站，灞橋區(qū)政府、灞橋區(qū)白鹿原、長安區(qū)郭杜鎮(zhèn)、鄠邑區(qū)澇峪鎮(zhèn)作為郊區(qū)代表站，周至縣四屯鎮(zhèn)、周至縣搬房子鎮(zhèn)、藍田縣灞源鎮(zhèn)、藍田縣葛牌鎮(zhèn)作為郊縣代表站，分析2014—2017年年和四季的熱島、冷島日變化特征。

圖4為年及四季熱島、冷島強度日變化曲線圖，可以看到：城區(qū)代表站的年、春季、夏季、秋季熱島日變化不明顯，冬季08時以后熱島強度明顯減小，13時達到最小值后逐漸增大。年、春季、夏季熱島強度最大值出現(xiàn)在06—07時，秋季、冬季熱島強度最大值出現(xiàn)在23時。郊區(qū)代表站年和四季熱島、冷島強度有明顯的日變化特征。春季、夏季夜間及凌晨有明顯的熱島效應(yīng)，白天有弱冷島效應(yīng)。年、秋季夜間及凌晨有弱熱島效應(yīng)，白天有較明顯的冷島效應(yīng)。冬季夜間及凌晨基本處于臨界狀態(tài)，白天處于冷島效應(yīng)。郊縣代表站年和四季冷島強度也有明顯的日變化，08時后冷島開始減弱，12—13時為最弱后開始增強，年、春季、夏季冷島強度最大值出現(xiàn)在06—07時，秋季、冬季冷島強度最大值出現(xiàn)在02時。年及四季12—13時城區(qū)、郊區(qū)、郊縣氣溫差異最小，甚至冬季出現(xiàn)郊縣略高于郊區(qū)的情況。

5 結(jié)論與討論

（1）1971—2017年西安城區(qū)、郊區(qū)和郊縣的年平均、最高和最低氣溫總體呈上升趨勢，增溫速率城區(qū)>郊區(qū)>郊縣。城區(qū)和郊區(qū)的最低氣溫增溫最顯著，郊縣的最高氣溫增溫最顯著。進入21世紀(jì)后，西安城市熱島效應(yīng)較為顯著。

圖4 年和四季熱島、冷島強度日變化曲線

（2）西安市城市熱島、冷島現(xiàn)象明顯，且均表現(xiàn)為“多中心”特征。討論其原因，熱島多為區(qū)域性小氣候?qū)е?，城市熱島中心一般位于西安老城區(qū)，即建筑物密集和人口密度大的地方；冷島中心多為地勢較高、水域綠被覆蓋較大、非人口密集區(qū)的秦嶺坡腳線附近，這類區(qū)域因海拔、水域綠被、人類活動、秦嶺山脈等因素綜合影響，導(dǎo)致該類地區(qū)表現(xiàn)較為明顯的冷島特征。

（3）城區(qū)的熱島中心主要為豐慶路空管局、北關(guān)、電子科大、星火路立交、大雁塔，郊區(qū)的熱島中心主要為灞橋區(qū)十里鋪斡耳垛小學(xué)和灞橋區(qū)政府、長安區(qū)郭杜鎮(zhèn)。主要冷島中心均分布在周至南部山區(qū)及藍田東部山區(qū)，分別為鄠邑區(qū)澇峪鎮(zhèn)、灞橋區(qū)白鹿原、藍田縣灞源鎮(zhèn)、葛牌鎮(zhèn)、藍橋鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、三官廟鎮(zhèn)和周至縣板房子鎮(zhèn)、王家河鎮(zhèn)。

（4）城區(qū)代表站的年和四季熱島日變化不明顯，尤其是年、春季、夏季、秋季基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，年、春季、夏季06—07時熱島強度最大，秋季、冬季23時熱島強度最大。郊區(qū)代表站和郊縣代表站的年及四季熱島、冷島強度均有明顯的日變化特征，變化趨勢相反。郊區(qū)代表站10時熱島轉(zhuǎn)為冷島，春、夏季16—17時轉(zhuǎn)為熱島，年及秋、冬兩季19—20時轉(zhuǎn)為熱島。郊縣代表站08時后冷島開始減弱，12—13時為最弱后開始增強，年、春季、夏季06—07時冷島強度最大，秋季、冬季02時冷島強度最大。

由于高質(zhì)量自動站資料還比較缺乏，資料質(zhì)量有待提高，所以本文僅依據(jù)2014—2017年質(zhì)量較好的觀測記錄進行了初步分析，其結(jié)果對于開展精細化城市天氣預(yù)報、氣候服務(wù)和城市建設(shè)規(guī)劃，均具有一定參考意義。