朝陽市1965年～2020年熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化特征分析

郭佰匯，高 宇，吳 丹

(1.朝陽市氣象局，遼寧 朝陽 122000；2.興安盟氣象局，內(nèi)蒙古 興安盟 137400；3.龍城區(qū)氣象局，遼寧 朝陽 122000)

城市熱島(Urban Heat Island，UHI) 是指城區(qū)溫度高于周邊郊區(qū)的一種溫度差異的現(xiàn)象，最早由英國科學(xué)家 Howard 提出[1]，隨后受到廣泛關(guān)注。城市熱島效應(yīng)對城市氣候、人居環(huán)境等有著重要影響。多年來，許多學(xué)者就城市熱島效應(yīng)的時空演變、環(huán)境影響等方面開展了大量的研究工作。如劉宇峰等[2]研究了西安城區(qū)城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢及影響因素，結(jié)果表明人口因素與熱島強(qiáng)度的關(guān)系最為密切，常住人口數(shù)、常住人口密度和建成區(qū)面積是影響熱島強(qiáng)度變化最為直接的因素；如孟凡超等[3]研究了天津城市熱島強(qiáng)度的精細(xì)化時空分布特征，結(jié)果表明市中心六區(qū)為熱島強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域，并由強(qiáng)熱島區(qū)向四周輻射，市中心的綠地和水體對熱島強(qiáng)度的增強(qiáng)具有一定的緩解作用；張菊等[4]基于Landsat遙感數(shù)據(jù)研究了上海市城市熱島效應(yīng)時空變化分析，結(jié)果表明上海市城市熱島效應(yīng)十分顯著，城市熱島有進(jìn)一步擴(kuò)張的趨勢。但諸多學(xué)者對熱島效應(yīng)的研究主要聚焦在北京、上海等大城市[5-9]，較少涉及對中小城市的熱島效應(yīng)的研究，本研究以中小型城市朝陽市為對象，研究朝陽市1965年以來城市熱島強(qiáng)度的時空變化特征。

1 資料與方法

筆者選用位于朝陽市城區(qū)的朝陽縣國家基準(zhǔn)站和位于朝陽郊區(qū)羊山鎮(zhèn)的羊山氣象觀測站。朝陽站和羊山站相距41km，兩站均位于蒙古高原向沿海平原過渡地帶，海拔接近，地形差異較小，故由此造成的影響可忽略不計。朝陽城區(qū)的氣溫用朝陽站的氣溫觀測值表示，郊區(qū)的氣溫用羊山站氣溫觀測值表示，城市熱島強(qiáng)度以城區(qū)和郊區(qū)的溫差來表示，溫差值越大，強(qiáng)度越強(qiáng)，反之亦然。

文中數(shù)據(jù)選取1965年1月1日～2020年12月31日的逐日的氣溫觀測資料，2008年～2020年的逐小時的氣溫觀測資料，數(shù)據(jù)來源于國省統(tǒng)一的CIMISS氣象數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

2 年平均氣溫變化特征

本研究利用線性擬合的方法分析朝陽地區(qū)年平均氣溫的變化趨勢，圖1為1965年～2020年朝陽市城區(qū)代表站朝陽縣站和郊區(qū)代表站羊山站年平均溫度變化曲線，可以看出1965年～2020年朝陽地區(qū)年平均氣溫呈現(xiàn)波動上升的態(tài)勢，朝陽縣站年平均氣溫總體增幅明顯高于羊山站。主要可分為兩段，1965年～1992年兩站年平均氣溫變化趨勢及幅度相差無幾；1993年～2020年朝陽縣站年平均氣溫升幅較羊山站明顯偏高，2005年、2010年～2012年期間兩站年平均氣溫均呈明顯的波谷形態(tài)。

圖1 朝陽市年平均氣溫年際變化

3 城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化特征

3.1 熱島強(qiáng)度年際變化

本研究利用線性擬合的方法分析熱島強(qiáng)度的年變化趨勢，從圖2中可以看出朝陽市熱島效應(yīng)的形成始于1990年，進(jìn)入1995年開始逐步加劇，至2003年熱島強(qiáng)度呈激增的趨勢，2005年～2012年熱島強(qiáng)度緩慢減弱，2013年開始顯著增強(qiáng)，隨后呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，至近兩年熱島強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅下降趨勢。另按年代際劃分，計算得出，20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)初熱島強(qiáng)度呈激增趨勢。而近10年熱島強(qiáng)度增幅放緩，平均為0.81℃。對比朝陽地區(qū)熱島強(qiáng)度和年平均氣溫的年度變化，可以發(fā)現(xiàn)熱島強(qiáng)度緩慢減弱與年平均氣溫明顯偏低有一定的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 朝陽市熱島強(qiáng)度年際變化

3.2 熱島強(qiáng)度月季變化

通過對熱島強(qiáng)度年變化的分析，朝陽市熱島效應(yīng)形成于1990年，因此對1990年～2020年間逐月熱島強(qiáng)度變化進(jìn)行分析。由圖3可以看出，朝陽市全年各月均存在熱島效應(yīng)，其中1月熱島強(qiáng)度最強(qiáng)為1.1℃，2月、9月、12月次之，4月熱島強(qiáng)度最弱為0.4℃。按季節(jié)進(jìn)行劃分，朝陽市熱島強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)性變化，冬季(12月～次年2月)熱島強(qiáng)度最強(qiáng)，秋季(9月～11月)次之，春季(3月～4月)熱島強(qiáng)度最弱。

圖3 朝陽市熱島強(qiáng)度逐月變化

3.3 熱島強(qiáng)度日變化

分析2008年～2020年逐小時熱島強(qiáng)度見圖4，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的日變化特征，日間一般為負(fù)值，夜間為正值，即日間弱、夜間強(qiáng)，10時～17時期間甚至出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象。由圖4分析可知，朝陽市熱島強(qiáng)度7時～10時迅速減小，并在10時～17時熱島強(qiáng)度為負(fù)值，即城區(qū)比郊區(qū)氣溫低，出現(xiàn)“冷”的現(xiàn)象，其中12時達(dá)到最低-0.36 ℃；17時～20時熱島強(qiáng)度迅速增大，隨后呈平穩(wěn)態(tài)勢，早7時熱島強(qiáng)度達(dá)到最大1.43℃。

圖4 朝陽市熱島強(qiáng)度日變化

對不同月份和年份朝陽市熱島強(qiáng)度的日變化進(jìn)行分析，由圖5a可知，不同月份或季節(jié)熱島強(qiáng)度的日變化基本一致，均呈現(xiàn)日間弱、夜間強(qiáng)的特征，除夏季外，其他季節(jié)日間均有熱島強(qiáng)度負(fù)值時段，其中春季熱島強(qiáng)度日間開始出現(xiàn)負(fù)值的時間最早，冬季最晚。但冬季熱島強(qiáng)度日變化最為顯著，早間有一個正值中心，6時～7時達(dá)到最強(qiáng)；中午則存在負(fù)值中心；最大正負(fù)值中心均出現(xiàn)在1月。

圖5 朝陽市熱島強(qiáng)度日變化分析(a.逐月日變化；b.逐年日變化)

由圖5b可知，不同年份熱島強(qiáng)度的日變化也基本呈現(xiàn)日間弱、夜間強(qiáng)的特征，近5年日間熱島強(qiáng)度負(fù)值時段有一定縮短，其中2016年熱島強(qiáng)度日變化有一個顯著突變，熱島強(qiáng)度最強(qiáng)時段出現(xiàn)在8時～10時，較其他年份強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，時間后推了2h～3h；熱島強(qiáng)度最弱時段出現(xiàn)在18時，較其他年份明顯偏弱，后推了4h左右。

4 結(jié)論

①朝陽市熱島效應(yīng)的形成始于1990年，20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)初熱島強(qiáng)度呈激增趨勢，近10年熱島強(qiáng)度增幅放緩，平均為0.81 ℃。熱島強(qiáng)度緩慢減弱與年平均氣溫明顯偏低有一定的對應(yīng)關(guān)系。②熱島強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)性變化，冬季熱島強(qiáng)度最強(qiáng)，春季最弱。全年各月均存在熱島效應(yīng)，其中1月最強(qiáng)，4月最弱。③熱島強(qiáng)度具有明顯的日變化特征，日間弱、夜間強(qiáng)，日間甚至出現(xiàn)“冷島”的現(xiàn)象，早7時熱島強(qiáng)度達(dá)到最大。且日變化特征隨季節(jié)和年份變化也表現(xiàn)出一定特點(diǎn)，冬季熱島強(qiáng)度日變化最為顯著，有明顯的正值中心和負(fù)值中心，近5年日間熱島強(qiáng)度負(fù)值時段有一定縮短。