中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)不同氣候帶城市熱島效應(yīng)的差異

賈文茜 任國(guó)玉 , 于秀晶 張永強(qiáng) , 張盼峰

1 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205

2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）大氣科學(xué)系，武漢 430070

3 中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家氣候中心，北京 100081

4 吉林省氣候中心，長(zhǎng)春 130062

5 吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林 136000

1 引言

城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island,UHI）是城市氣候的基本特征。揭示我國(guó)不同氣候帶特大城市的UHI時(shí)空特點(diǎn)及其差異性，理解造成這種UHI地帶差異的原因，不僅有助于豐富城市氣候?qū)W理論，而且對(duì)于我國(guó)南北不同氣候和自然功能區(qū)特大型城市未來(lái)發(fā)展規(guī)劃和城市運(yùn)行管理，也具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，出于對(duì)地表氣溫變化問(wèn)題的關(guān)注，對(duì)UHI的研究集中在單站或區(qū)域平均UHI強(qiáng)度（UHII）長(zhǎng)期趨勢(shì)上（宋艷玲和張尚印,2003;Peterson,2003;Weng and Yang,2004; 于淑秋 等,2005;陳正洪等,2007;Ren et al.,2007,2008;唐國(guó)利等,2008;張愛(ài)英等,2010;Bian et al.,2015;丁碩毅等,2015;劉偉東等,2016;Jia et al.,2019;Tysa et al.,2019），研究指出城市熱島效應(yīng)在單個(gè)城市或區(qū)域尺度上對(duì)城市氣象站氣溫觀測(cè)趨勢(shì)有顯著的高估作用，且對(duì)日最低氣溫趨勢(shì)估計(jì)的影響最為明顯。Ren et al.（2008）指出1961～2000年間華北地區(qū)年平均氣溫增溫率為0.29°C/10 a，其中國(guó)家級(jí)站點(diǎn)的城市化增溫率為0.11°C/10 a，城市化增溫貢獻(xiàn)率達(dá)到37.9%，大型城市城市化增溫貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到47.1%；張愛(ài)英等（2010）指出1961～2004年間，城市化引起的增溫占國(guó)家站總體增溫趨勢(shì)的27.33%，其中江淮區(qū)域城市化影響最大，增溫貢獻(xiàn)率達(dá)到55.48%；Tysa et al.（2019）利用遙感數(shù)據(jù)將全國(guó)所有站點(diǎn)分成了受不同城市化程度影響的6類，發(fā)現(xiàn)不同城市類別站點(diǎn)的平均最低氣溫受城市化的影響最明顯。此外，有關(guān)單個(gè)城市站的城市化影響研究也表明，最低氣溫增暖趨勢(shì)高于平均氣 溫（Ren et al.,2007;Bian et al.,2017;Jia et al.,2019）。

同時(shí)對(duì)于典型城市UHII氣候?qū)W特征方面的研究也得到進(jìn)一步重視。受區(qū)域氣候條件、地理位置以及人為因素的影響，不同城市的熱島強(qiáng)度有不同的季節(jié)分布，我國(guó)北方城市秋冬季節(jié)熱島效應(yīng)更為明顯，春夏季較弱（白虎志等,2005;鄭祚芳等,2006;卞韜等,2012）。南方地區(qū)不同城市下墊面類型和地理位置不同，其UHII季節(jié)分布也不同。Jia et al.（2019）用武漢市1961～2015年國(guó)家站資料得出平均氣溫UHII夏季最強(qiáng)，冬季最弱，而最低氣溫UHII則在秋季最明顯；鄧蓮堂等（2001）研究了上海城市熱島效應(yīng)，指出夜間UHII在秋季最強(qiáng)，而白天UHII則在春季和初夏的梅雨季節(jié)相對(duì)較強(qiáng)，在秋季達(dá)到最低值；楊士弘等（1984）則表明廣州的城市熱島效應(yīng)在晚秋11月最強(qiáng)。

受自動(dòng)站資料長(zhǎng)度和密度限制，有關(guān)城市熱島強(qiáng)度空間分布和日內(nèi)變化特征的研究仍然較少。早期工作通常僅利用某一年或者某幾個(gè)月的數(shù)據(jù)分析描述UHII的時(shí)空特征（周淑貞和張超,1982;楊士弘等,1984;鄧蓮堂等,2001;張光智等,2002;Kim and Baik,2005;Chow and Roth,2006;李亮,2008）。隨著城市自動(dòng)氣象站網(wǎng)建設(shè)的展開(kāi)，城市市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)逐漸增多，UHII精細(xì)化特征的個(gè)例研究得到加強(qiáng)。胡文志等（2009）發(fā)現(xiàn)，1989～2006年香港市日出后城郊溫差迅速下降，于10:00（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）轉(zhuǎn)為負(fù)值，14:00達(dá)到最低值，夜間表現(xiàn)為明顯的熱島效應(yīng)；Tan et al.（2010）指出2005～2007年上海市夏季UHII日變化比較明顯，夜間為穩(wěn)定的強(qiáng)熱島階段，日出后UHII逐漸減弱，08:00（北京時(shí)間，下同）達(dá)到最小值，隨后熱島效應(yīng)快速增強(qiáng)；Yang et al.（2013）利用2007～2010年自動(dòng)站觀測(cè)資料分析了北京市UHII特征，發(fā)現(xiàn)21:00至06:00和11:00至16:00分別為平穩(wěn)的高值和低值時(shí)段，高值區(qū)出現(xiàn)在市區(qū)四環(huán)以內(nèi)；瓦力江?瓦黑提等（2018）表明烏魯木齊市城市熱島強(qiáng)度在08:00至17:00為下降時(shí)期，17:00至22:00為上升時(shí)期，22:00至次日08:00為穩(wěn)定的強(qiáng)熱島階段；孟凡超等（2020）指出天津市UHII在11:00至16:00和22:00至次日06:00分別為穩(wěn)定的低值和高值時(shí)段階段。

前人利用不同時(shí)間長(zhǎng)度的氣象站氣溫觀測(cè)資料，對(duì)中國(guó)區(qū)域內(nèi)不同地理位置的單個(gè)城市UHII特征進(jìn)行了分析。研究表明，中國(guó)北方城市90年代后期以來(lái)年平均UHII基本分布在1.0°C以上，秋冬季和夜間的熱島強(qiáng)度最明顯（白虎志等,2005;鄭祚芳等,2006;卞韜等,2012;孟凡超等,2020）；南方城市濕度大，冬季沒(méi)有北方城市取暖排放人為熱，UHII總體上小于北方城市（丁碩毅等,2015;Jia et al.,2019），且中午前后的熱島強(qiáng)度較強(qiáng)（Tan et al.,2010;趙雪婷等,2019），但也有研究表明南方有的城市夜間的熱島強(qiáng)度高于白天（鄧蓮堂等,2001;李春梅等,2006）。城市熱島強(qiáng)度受背景氣候、下墊面和人為熱排放方式以及參考站選取方法的影響，不同的城市UHII在時(shí)空特征上有何具體差異，目前并沒(méi)有系統(tǒng)研究。

高密度自動(dòng)站觀測(cè)網(wǎng)的建立以及連續(xù)的逐時(shí)氣溫觀測(cè)資料數(shù)據(jù)，為城市熱島的時(shí)空特征研究提供了基礎(chǔ)，有關(guān)UHII時(shí)空特征的研究也得到加強(qiáng)。但目前對(duì)于城市UHII的精細(xì)化特征研究還比較缺乏，且近年來(lái)有關(guān)熱島效應(yīng)的研究集中在單個(gè)城市或者區(qū)域，參考站的選擇方法也是不盡相同。因此利用相對(duì)客觀的選站方法和同一時(shí)段的氣溫觀測(cè)資料，分析位于不同氣候帶的城市UHII時(shí)空精細(xì)化特征差異及其原因是十分有必要的。

本文選取長(zhǎng)春、北京、武漢、廣州市為中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)南北不同氣候帶的代表性城市，利用2015年的衛(wèi)星遙感土地利用數(shù)據(jù)，綜合考慮了不同空間尺度上城市化對(duì)觀測(cè)站氣溫的影響，選取鄉(xiāng)村參考站，計(jì)算UHII，比較分析不同氣候帶各城市建成區(qū)UHII空間分布差異及其候、日內(nèi)變化特征差異。本文研究對(duì)理解城市熱島效應(yīng)、探究不同城市、不同氣候區(qū)的熱島形成機(jī)制以及城市氣候生態(tài)研究等具有借鑒意義。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)春、北京、武漢和廣州4個(gè)城市均處于季風(fēng)區(qū)，但緯度差異很大。北方的兩個(gè)城市，長(zhǎng)春位于東北中部，屬于中溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷多雪，夏季溫涼濕潤(rùn)；北京位于華北平原北部，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，冬季較冷少雪，夏季溫?zé)岫嘤辍Ｄ戏降膬蓚€(gè)城市，武漢位于長(zhǎng)江中游、江漢平原，是典型的中亞熱帶沿江濕地型城市，冬季濕冷，夏季悶熱；廣州位于華南珠江三角洲，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季短暫溫濕，夏季漫長(zhǎng)悶熱。四個(gè)特大城市的地理位置，包括其所處的氣候帶，表示在圖1中。

圖1 長(zhǎng)春、北京、武漢和廣州四個(gè)城市地理位置和氣候特點(diǎn)分布Fig. 1 Geographical location and climatic characteristics of the four cities

本文使用了2012～2014年和2016～2017年南北4個(gè)城市及其周圍的自動(dòng)站小時(shí)氣溫資料。2015年資料缺失嚴(yán)重，故未采用。資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心。本文還使用了中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/[2018-05-10]）共享的2015年中國(guó)土地利用資料，空間分辨率是1 km×1 km。

2.2 質(zhì)量控制

南北4個(gè)城市自動(dòng)站氣溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量不同，為了保證在有氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，站點(diǎn)數(shù)量足夠多，通過(guò)篩選，得出4個(gè)城市站點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)量均較多的時(shí)間段是2012年9月至2014年8月以及2016年1月至2017年12月（共4年），即本文UHII的研究時(shí)段。本文對(duì)該時(shí)間段的資料進(jìn)行了質(zhì)量控制，質(zhì)量控制參考前人研究（中央氣象局,2003;楊萍等,2011;張志富等,2013），包括了極值性錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢查，跳躍性錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢查，不完整記錄數(shù)據(jù)處理。其中定時(shí)值缺測(cè)規(guī)定，一個(gè)月中記錄缺測(cè)7次及以下，按實(shí)有記錄做月統(tǒng)計(jì)但缺測(cè)8次或以上時(shí)，該定時(shí)不做月統(tǒng)計(jì)；一個(gè)月中，各定時(shí)平均值缺測(cè)6個(gè)或以下，日平均按實(shí)有定時(shí)平均值做月統(tǒng)計(jì)，若缺測(cè)7個(gè)或以上則相應(yīng)的月平均視為缺測(cè)。

若某站點(diǎn)某月的數(shù)據(jù)不符合以上標(biāo)準(zhǔn)，則舍棄該站點(diǎn)。武漢市內(nèi)自動(dòng)站數(shù)量較少，因此特規(guī)定如下：除了遵循以上標(biāo)準(zhǔn)外，另外符合48個(gè)月內(nèi)缺測(cè)率小于等于7個(gè)月，且每年缺測(cè)率小于等于3個(gè)月且不全集中在一個(gè)季度內(nèi)的站點(diǎn)也予使用。

根據(jù)以上規(guī)定，分別對(duì)4個(gè)城市自動(dòng)站小時(shí)氣溫資料做質(zhì)量控制。通過(guò)質(zhì)量控制的站點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 （a）長(zhǎng)春市、（b）北京市、（c）武漢市、（d）廣州市城市自動(dòng)氣象站分布Fig. 2 Distributions of automatic weather stations in (a) Changchun,(b) Beijing,(c) Wuhan,and (d) Guangzhou

2.3 城市站和鄉(xiāng)村站的選擇

土地利用數(shù)據(jù)（Land Use and Cover Change,LUCC）可直觀反應(yīng)觀測(cè)站周圍城市化水平和過(guò)程，目前LUCC數(shù)據(jù)已被廣泛用于城市熱島和城市景觀格局等城市氣候方面的研究中（Ren and Ren,2011;楊元建等,2011;He et al.,2013）。研究表明城市化對(duì)觀測(cè)站氣溫的影響主要來(lái)源于3個(gè)不同空間尺度：來(lái)自觀測(cè)站附近建筑物的微尺度、來(lái)自類似公園的局地尺度、來(lái)自整個(gè)城市的中尺度影（Gallo et al.,1996; 任 國(guó) 玉 等,2010;Tysa et al.,2019）。本文利用2015年LUCC數(shù)據(jù)，將每個(gè)城市最大城鎮(zhèn)用地矩形（圓形）的長(zhǎng)邊（直徑）作為最大半徑，以1 km半徑為起始緩沖區(qū)，將每個(gè)站點(diǎn)周圍不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)城鎮(zhèn)面積的比例作為篩選參考站的依據(jù)。該方法綜合考慮不同空間尺度內(nèi)城市化對(duì)站點(diǎn)氣溫觀測(cè)的影響。具體城市站和參考站的選取步驟如下：

（1）提取4個(gè)城市衛(wèi)星遙感反演的2015年土地利用資料中城鎮(zhèn)用地?cái)?shù)據(jù)，將每個(gè)城市市區(qū)內(nèi)最大城鎮(zhèn)用地矩形（圓形）的長(zhǎng)邊（直徑）作為最大半徑，記為L(zhǎng)；

（2）以每個(gè)自動(dòng)站站點(diǎn)為圓心，分別做半徑為1、2、3，4、5、7、9、11,…,Lkm的緩沖區(qū)，計(jì)算每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積的百分比；

（3）將1～5 km不同緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積百分比均小于3%，且7～Lkm不同緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積百分比均小于15%的站點(diǎn)定為鄉(xiāng)村站，將1～5 km緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積百分比大于70%的站點(diǎn)定為城市站。

在保證站點(diǎn)量足夠的前提下，城市站和鄉(xiāng)村站的遴選還要遵循以下原則：

（1）根據(jù)2015年土地利用資料中提取的水體用地?cái)?shù)據(jù)，去除距岸邊1 km范圍內(nèi)的站點(diǎn)；

（2）鄉(xiāng)村站與城市站的平均海拔高度差值絕對(duì)值小于30 m。

若符合以上條件，同一個(gè)方向有多個(gè)備選鄉(xiāng)村站，考慮站點(diǎn)氣溫資料質(zhì)量，站點(diǎn)分布均勻性以及與城市站的距離，確定最后的鄉(xiāng)村站。4個(gè)城市的城市站和鄉(xiāng)村站空間分布和海拔分別如圖3和表1所示。

圖3 （a）長(zhǎng)春市、（b）北京市、（c）武漢市、（d）廣州市城市站及附近鄉(xiāng)村站分布Fig. 3 Distributions of city stations and nearby rural stations in (a) Changchun,(b) Beijing,(c) Wuhan,and (d) Guangzhou

表1 不同城市的城市站和鄉(xiāng)村站平均海拔Table 1 Average elevation of urban and rural stations in different cities

2.4 熱島強(qiáng)度的定義

城市熱島強(qiáng)度（Urban Heat Island Intensity,UHII）計(jì)算方法采用城鄉(xiāng)站地面氣溫之差來(lái)表示（Jia et al.,2019）。

其中，Ti為城市站的站點(diǎn)氣溫，Tj為鄉(xiāng)村站的站點(diǎn)氣溫。

在計(jì)算單個(gè)城市站UHII時(shí)，城市站氣溫與所有鄉(xiāng)村站平均氣溫之差為該城市站的UHII。日平均、候平均和年平均分別是24小時(shí)、5天和12個(gè)月相應(yīng)氣象要素的平均值，0～6候?yàn)?月，以此類推。四季劃分采用氣候?qū)W方法，即春季為3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12月至次年2月。

分析UHII日內(nèi)變化特征時(shí)，為了使處于不同經(jīng)度的地區(qū)具有可比性，把長(zhǎng)春、武漢和廣州三地的小時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地方時(shí)，即分別在北京時(shí)間基礎(chǔ)上調(diào)增和調(diào)減與120°E地方時(shí)的時(shí)差，三地與北京時(shí)差分別為+0.36、?0.38、?0.45小時(shí)。再利用內(nèi)插方法獲得各地整點(diǎn)時(shí)刻的氣溫和UHII數(shù)值。如果沒(méi)有特別說(shuō)明，結(jié)果分析中的時(shí)間均指地方時(shí)。

3 結(jié)果分析

3.1 UHII空間分布和季節(jié)變化

長(zhǎng)春、北京和武漢3個(gè)城市市中心熱島效應(yīng)均在0.90°C以上（見(jiàn)圖4），其中長(zhǎng)春市中心城區(qū)的UHII在0.90～1.62°C之間，年平均最高UHII為1.62°C，最高三站年平均UHII為1.51°C（圖5）；北京市中心城區(qū)的年平均UHII分布在0.90～2.18°C，最高值為2.18°C，最高三站年平均UHII為2.07°C；武漢市的熱島效應(yīng)整體較弱，中心城區(qū)和江夏區(qū)北部年平均UHII介于0.90～1.41°C，單站和最高三站UHII平均值分別為1.41°C和1.39°C；廣州市UHII空間分布受地勢(shì)和河口水體影響，呈現(xiàn)“北低南高”態(tài)勢(shì)，市轄區(qū)、番禺區(qū)以及接壤的佛山市為熱島高值區(qū)域，年平均UHII在0.60～1.19°C之間，最高單站和三站年平均UHII在4個(gè)城市內(nèi)最小，分別為1.19°C和1.18°C。

圖4 2012年9月至2014年8月和2016年1月至2017年12月（a）長(zhǎng)春市、（b）北京市、（c）武漢市、（d）廣州市年平均熱島強(qiáng)度（Urban Heat Island Intensity,UHII）空間分布（黑色實(shí)心點(diǎn)代表每個(gè)城市內(nèi)通過(guò)質(zhì)量控制的站點(diǎn)）Fig. 4 Spatial distributions of the annual average Urban Heat Island Intensity (UHII) of (a) Changchun,(b) Beijing,(c) Wuhan,and (d) Guangzhou(black dots represent the stations that pass the quality control) during Sep 2012?Aug 2014 and Jan 2016?Dec 2017

圖5 2012年9月至2014年8月和2016年1月至2017年12月長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市城區(qū)平均、最高三站平均和最高單站年平均熱島強(qiáng)度比較Fig. 5 Comparisons of annual average UHII of the urban area,the highest three-station,and the highest single-station in Changchun,Beijing,Wuhan,and Guangzhou during Sep 2012?Aug 2014 and Jan 2016?Dec 2017

3.2 UHII日內(nèi)變化

圖6a表明，長(zhǎng)春、北京和武漢市年平均小時(shí)UHII表現(xiàn)的日內(nèi)變化特征基本一致，均可分成4個(gè)階段：兩個(gè)穩(wěn)定階段（夜晚高值和白天低值）、午后到傍晚的快速上升階段和清晨到上午的快速下降階段。廣州市UHII日內(nèi)變化分為3個(gè)階段：夜間的高值穩(wěn)定階段，清晨至午后（15:00）的緩慢下降階段和午后（15:00）至傍晚的緩慢上升階段。

圖6 （a）長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市UHII及其（b）與北京市UHII差值的日變化Fig. 6 Daily variations of (a) UHII of Changchun,Beijing,Wuhan,and Guangzhou and (b) difference from Beijing UHII for Changchun,Wuhan,and Guangzhou

長(zhǎng)春市的兩個(gè)UHII穩(wěn)定階段是20:00至次日05:00和10:00至14:00，分 別在1.60°C和0.10°C上下浮動(dòng)，05:00至10:00為下降階段，14:00至20:00為上升階段；北京市在21:00至次日06:00和11:00至16:00為穩(wěn)定高值和低值階段，UHII平均值分別為1.60°C和0.25°C，期間為過(guò)渡階段；武漢市的兩個(gè)UHII穩(wěn)定階段為22:00至次日06:00和12:00至15:00，平均值分別1.48°C和－0.02°C；廣州市UHII穩(wěn)定高值階段為21:00至次日06:00，平均UHII為1.16°C。

長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市均表現(xiàn)為夜間熱島效應(yīng)明顯高于白天，其中除了15:00至21:00長(zhǎng)春市UHII更強(qiáng)外，北京市UHII高于另外3個(gè)城市（圖7b）。武漢市熱島強(qiáng)度在正午階段出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間（12:00至15:00）的零值甚至“冷島效應(yīng)”，即城市區(qū)域氣溫等于或小于鄉(xiāng)村，由此導(dǎo)致UHII日內(nèi)變化幅度較大。廣州市夜間21:00至次日07:00 UHII最小，10:00至14:00較高，其UHII日內(nèi)變化幅度最小。

圖7為四個(gè)城市候平均UHII的年內(nèi)變化情況。長(zhǎng)春市和北京市的UHII均表現(xiàn)為秋冬季節(jié)大于春夏季節(jié)，季節(jié)變化也比較明顯。長(zhǎng)春市年平均UHII為0.96°C（表2），冬季平均UHII最大，達(dá)到1.30°C，秋季次之，春季最小。冬季第1候即1月初UHII值最大，為1.59°C；夏季第32候即6月初UHII最小，為0.42°C（圖7a）。北京市年平均UHII值為1.06°C，冬季平均UHII值為1.51°C，秋季其次，夏季最小（0.71°C）。候平均最大UHII發(fā)生在第72候即12月末，為1.97°C，第40候（7月中旬）的熱島強(qiáng)度最小，為0.38°C。

圖7 （a）長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市候平均UHII及其（b）與北京市UHII差值的年變化Fig. 7 Annual variations in (a) pentad average UHII of Changchun,Beijing,Wuhan,and Guangzhou and (b) the difference from Beijing UHII for Changchun,Wuhan,and Guangzhou

表2 長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市城區(qū)年平均和季節(jié)平均熱島強(qiáng)度Table 2 Comparison of the average annual and seasonal UHII of Changchun,Beijing,Wuhan,and Guangzhou

武漢、廣州市的UHII季節(jié)變化較小，秋冬略高，春夏季稍低。武漢市年平均UHII為0.91°C，秋季平均UHII達(dá)到1.26°C，冬季次之，春季最?。?.74°C）。但最大（第68候）和最?。ǖ?候）侯平均值均出現(xiàn)在冬季。廣州市年平均UHII為0.78°C，秋季平均最高（0.88°C），冬季次之，春季最低（0.65°C）。最大候平均UHII發(fā)生在第68候（12月初），為1.32°C，春季第20候即4月上旬的UHII最小。

北方城市UHII年內(nèi)變化幅度遠(yuǎn)大于南方城市，其中北京市冬季的熱島效應(yīng)最顯著（圖7b）。南方城市夏季的熱島效應(yīng)相對(duì)更明顯，尤其是在30～36候即初夏時(shí)段。武漢市在36～48候的熱島強(qiáng)度最強(qiáng)，仲夏季節(jié)UHII高于北京市，最高達(dá)到了0.72°C。長(zhǎng)春市整個(gè)夏季的UHII基本高于北京市。

圖8表示我國(guó)南北方四個(gè)城市城區(qū)平均UHII小時(shí)—候分布剖面。北方城市熱島效應(yīng)一般表現(xiàn)為冬、秋季夜間更強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，春夏季較弱，持續(xù)時(shí)間短，UHII小時(shí)—候分布圖呈現(xiàn)“紡錘形”。長(zhǎng)春市初秋和冬季晚上熱島強(qiáng)度最強(qiáng)，UHII在1.60°C以上，晚春、初夏和晚秋夜間熱島強(qiáng)度較弱；白天的熱島強(qiáng)度明顯小于夜間，其中夏季41～42候即7月下旬白天有一熱島相對(duì)高值區(qū)；晚夏和初秋白天（09:00至15:00）出現(xiàn)了－0.4～0°C的極小值。北京市秋冬季節(jié)尤其是冬季夜間熱島效應(yīng)最強(qiáng)，UHII在2.0°C以上；春夏季夜間的熱島效應(yīng)較弱；夏季43～46候即8月上中旬白天（11:00至15:00）出現(xiàn)UHII相對(duì)高值區(qū)，熱島強(qiáng)度在0.6～0.8°C之間；秋季和初夏白天部分時(shí)間段內(nèi)UHII最小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

圖8 （a）長(zhǎng)春市、（b）北京市、（c）武漢市、（d）廣州市平均城市熱島強(qiáng)度的小時(shí)—候剖面圖Fig. 8 Hour?temporal profile of the average UHII of (a) Changchun,(b) Beijing,(c) Wuhan,and (d) Guangzhou

南方城市UHII小時(shí)—候分布圖呈現(xiàn)“柱狀”，這和晨昏界限時(shí)間季節(jié)變化小有關(guān)，季節(jié)變化和日內(nèi)變化均比北方城市小。武漢市夏、秋季部分時(shí)間段夜間的熱島效應(yīng)也很強(qiáng)，但總體上夜間高值時(shí)間段更加分散。相比北方城市，武漢市白天UHII更弱，秋、冬季白天11:00至16:00 UHII甚至出現(xiàn)負(fù)值。夏季40～42候即7月中下旬夜間和白天均有一UHII高值區(qū)。

相比其他3個(gè)城市，廣州市秋、冬季夜間UHII高值時(shí)間段極少，強(qiáng)度也明顯低于其他幾個(gè)城市；但白天的熱島效應(yīng)在4個(gè)城市中相對(duì)較強(qiáng)，春、秋季和冬季白天的UHII基本為正值，初夏32～34候即6月上中旬白天有一UHII為0.8～1.0°C的高值時(shí)間段，但夏季40～44候即7月下旬和8月上旬白天（12:00至18:00）出現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間段的極低值或負(fù)值。

4 討論

北方城市一般表現(xiàn)為冬季的城市熱島效應(yīng)最強(qiáng)，其次是秋季，春季和夏季的熱島效應(yīng)較弱。這與先前對(duì)北方城市熱島效應(yīng)的研究結(jié)論基本一致（白虎志等,2005;鄭祚芳等,2006;卞韜等,2012）。南方城市秋季的熱島效應(yīng)更強(qiáng)，冬季和夏季次之。其中武漢市秋季熱島效應(yīng)明顯高于其他3個(gè)季節(jié)。廣州市UHII季節(jié)間的差異最小。對(duì)于同一城市，由于使用不同的參考站選擇方法、研究時(shí)段以及氣溫資料，所得到的季節(jié)UHII排序結(jié)果也會(huì)不同。本文采用統(tǒng)一的方法、觀測(cè)資料和研究時(shí)間段，并采用客觀標(biāo)準(zhǔn)選取鄉(xiāng)村站，因而所得結(jié)果具有可比性和可靠性。

表3給出了本文和前人利用站點(diǎn)資料對(duì)4個(gè)城市熱島效應(yīng)季節(jié)性的分析結(jié)果。對(duì)于長(zhǎng)春市，李亮（2008）和王寧（2016）均利用國(guó)家站氣溫?cái)?shù)據(jù)，與本文利用加密的自動(dòng)站小時(shí)氣溫資料得出的春季最小，夏季次之有所不同。造成這一差異的原因，也有可能是隨著近些年夏季空調(diào)用量的加大，人為熱釋放增加，使得夏季城市熱島效應(yīng)有所提升。對(duì)于北京市，前人得出的冬季UHII最強(qiáng)，秋季次之，夏季最小，并指出夜間UHII高于白天，其結(jié)論與本文完全一致。但王喜全等（2006）以天安門廣場(chǎng)站為城市站，朝陽(yáng)氣象站為鄉(xiāng)村站，得出北京市夏季UHII最高，冬季次之，春季最小。這和本文的結(jié)論差異很大。

表3 長(zhǎng)春市、北京市、武漢市、廣州市季節(jié)UHII比較Table 3 Comparison of seasonal UHII in Changchun,Beijing,Wuhan,and Guangzhou

武漢市熱島強(qiáng)度的季節(jié)分布結(jié)果與前人得出的結(jié)論亦有所不同。需要指出的是，以往研究采用的是國(guó)家基本、基準(zhǔn)站，只選取了武漢站為城市站，結(jié)果可能受到資料非一性和偶然性等因素影響。當(dāng)然，不同的分析結(jié)果也可能和選取的資料時(shí)段不同有關(guān)。廣州市年平均UHII空間分布特征與前人研究結(jié)果基本一致（楊士弘等,1984;丁碩毅等,2015），但李春梅等（2006）僅利用了2005年自動(dòng)站氣溫資料，與本文的結(jié)論有所差異。

南北城市熱島效應(yīng)季節(jié)上的差異來(lái)自于背景氣候條件和人為熱的釋放方式的雙重作用。北方秋冬季降水少，云量少（劉柏鑫,2017），近地面大氣逆溫和靜穩(wěn)天氣利于城市熱島現(xiàn)象的形成與發(fā)展，冬季取暖等引起的人為熱釋放量大于其他季節(jié)（王耀庭等,2020），致使冬季UHII在四季中最明顯；夏季人為熱釋放量較冬季少（王耀庭等,2020），受西南和東南氣流影響，大氣濕度高，云量多，城市熱島現(xiàn)象不易發(fā)生；春季則主要由于平均風(fēng)速大（王楠等,2019），也不利于UHI現(xiàn)象形成和發(fā)展。

南方城市秋季UHII最高，這可能源于秋季 “秋高氣爽”，少雨少云，風(fēng)速偏小，同時(shí)城區(qū)內(nèi)及其周圍湖泊水體儲(chǔ)存的熱量造成一定程度的邊界層大氣增溫效應(yīng)，有利于增強(qiáng)城市熱島效應(yīng)；南方城市冬季UHII并不明顯，這是由于冬季人為熱釋放遠(yuǎn)小于北方城市（Yang et al.,2014），而相對(duì)濕度高于北方，云量多（劉柏鑫,2017），不存在北方城市明顯的逆溫現(xiàn)象，熱量輸送和消散更加容易，可能是這個(gè)季節(jié)UHII相對(duì)較低的主要因素。

武漢仲夏季節(jié)受副熱帶高壓控制，云量少，晴天多（賀懿華等,2007），大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，加之近十幾年來(lái)夏季空調(diào)使用越來(lái)越普遍，人為熱釋放量偏大，季節(jié)平均UHII相對(duì)比較高。廣州春季和夏季降水量較多，相對(duì)濕度大，陰天日數(shù)多（高亭亭等,2012），一方面不利于地面接受太陽(yáng)短波輻射，另一方面云和水汽也減弱了鄉(xiāng)村地面有效輻射，夜晚鄉(xiāng)村降溫緩慢，使得城鄉(xiāng)溫差不容易增加，因此廣州市春夏季UHII普遍偏弱。

長(zhǎng)春、北京、武漢和廣州四個(gè)城市UHII空間分布和日內(nèi)變化具有一致性，均表現(xiàn)為城市中心和夜間的熱島效應(yīng)更強(qiáng)，這取決于城市熱島效應(yīng)的形成機(jī)制（周淑貞和束炯,1994）。對(duì)于UHII日變化來(lái)說(shuō)，北方城市夜間UHII整體高于南方城市，冬季表現(xiàn)更為明顯。除了北方冬季背景氣候和人為熱的釋放更有利于形成強(qiáng)熱島效應(yīng)外，地表溫度也通過(guò)感熱和潛熱影響著氣溫（趙雪婷等,2019）。南北方城市下墊面性質(zhì)一致，城市內(nèi)波文比均比鄉(xiāng)村大，白天熱量更多的以感熱方式加熱周圍大氣；北方冬季鄉(xiāng)村土壤濕度低于南方地區(qū)（劉榮華等,2017），夜間感熱放熱較強(qiáng)，鄉(xiāng)村氣溫降低得比南方快（圖略），有助于北方夜間城鄉(xiāng)氣溫差增大。

4個(gè)城市夏季白天均有一個(gè)高值時(shí)間段，原因可能和夏季白天空調(diào)用量大、能耗高有關(guān)（李兆堅(jiān)和江億,2009;王耀庭等,2020）。4個(gè)城市中廣州市白天UHII整體相對(duì)較高，除了人為熱釋放因素外，這可能也由于南方鄉(xiāng)村土壤含水量高于北方鄉(xiāng)村，比熱容大，白天鄉(xiāng)村近地面氣溫升溫更慢，城鄉(xiāng)氣溫差更大。此外，與其他3個(gè)城市不同，武漢市中午和午后UHII最低、凌晨和清早UHII偏高，這可能和武漢市內(nèi)水體較多有關(guān)。武漢市內(nèi)有大小湖泊近100個(gè)，城市內(nèi)較多的水體在白天吸收和儲(chǔ)存更多的熱量，對(duì)周圍環(huán)境起到降溫作用，夜間周圍環(huán)境降溫，水體放出白天儲(chǔ)存的熱量，從而對(duì)周圍環(huán)境起到升溫作用。

長(zhǎng)春市夏季早晨UHII快速減弱開(kāi)始時(shí)間（05:00）早于其他城市，傍晚快速增強(qiáng)時(shí)間（19:00）晚于其他城市，冬季則相反；這使得長(zhǎng)春UHII在日—年變化剖面圖上呈現(xiàn)的啞鈴形狀愈發(fā)清晰，主要原因是長(zhǎng)春市位于44°N，在4個(gè)城市中緯度最高，夏半年日出時(shí)間較早、日落時(shí)間推遲，冬半年則相反，致使晝夜UHII強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換時(shí)間的季節(jié)差異較大。

通過(guò)分析對(duì)比南北城市熱島強(qiáng)度的不同時(shí)空尺度上的變化，可以發(fā)現(xiàn)，城市規(guī)模大小、發(fā)展程度和區(qū)域背景氣候條件是UHII的決定性因素。植被覆蓋、土壤濕度情況和人為熱的釋放時(shí)間和方式則是影響南北城市UHII季節(jié)性和日內(nèi)變化差異的主要原因。

本文對(duì)中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)南北城市熱島強(qiáng)度的氣候?qū)W特征差異進(jìn)行了比較分析，并獲得了一些初步結(jié)果。但本研究也存在一些局限性。主要包括：武漢市內(nèi)自動(dòng)站數(shù)量較少，氣溫觀測(cè)質(zhì)量較差，在質(zhì)量控制方面不夠嚴(yán)格。受自動(dòng)站數(shù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響，除北京市外，其他3個(gè)城市鄉(xiāng)村站的選取存在一定困難，所選的站點(diǎn)數(shù)量和方位條件約束受限；其次本文只分析了南北城市UHII的時(shí)空特征，對(duì)于不同氣候帶城市在不同的天空狀況、風(fēng)力等級(jí)、環(huán)流形勢(shì)等天氣類型條件下熱島強(qiáng)度有何具體的差異并未涉及；最后，本文參考前人的研究結(jié)果，僅定性分析了南北各城市內(nèi)UHII季節(jié)、日內(nèi)分布差異的原因，并未進(jìn)行定量對(duì)比分析，且引起南北UHII差異的因子及其貢獻(xiàn)程度本文也并未進(jìn)行深入探討。所有這些，均有待今后開(kāi)展進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文利用高密度自動(dòng)站小時(shí)觀測(cè)資料，選擇我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)地跨中溫帶、暖溫帶、中亞熱帶和南亞熱帶4個(gè)代表性城市（長(zhǎng)春、北京、武漢和廣州市），分析比較不同氣候帶城市UHI的氣候?qū)W特征差異。主要結(jié)論如下：

（1）北方城市熱島強(qiáng)度較大，冬季低層大氣多逆溫和靜穩(wěn)天氣，利于熱島的發(fā)生發(fā)展。長(zhǎng)春市年平均UHII為0.96°C，冬季最強(qiáng)，為1.30°C，秋季次之，春季最小；北京市年平均UHII為1.06°C，冬季最強(qiáng)，達(dá)到1.51°C，秋季次之，夏季最小。

（2）南方城市UHII相對(duì)較弱，秋季少雨少云，UHII高于其他季節(jié)。武漢市年平均UHII為0.91°C，秋季最高為1.26°C，冬季和夏季次之；廣州市UHII在4個(gè)城市中最小，年平均UHII為0.78°C，秋季為0.88°C，冬季次之，夏季最小，UHII季節(jié)間差異也最小。

（3）南北城市熱島效應(yīng)均表現(xiàn)為夜間UHII高于白天，其中北方秋冬季夜間高值時(shí)段長(zhǎng)，白天低值時(shí)段短；南方城市武漢市內(nèi)水體較多，白天UHII負(fù)值時(shí)間段最長(zhǎng)，日內(nèi)變化幅度最大；廣州市四季溫和，UHII日內(nèi)變化幅度在四個(gè)城市中最小。

本文表明的我國(guó)南北不同氣候帶城市熱島強(qiáng)度的時(shí)空差異，對(duì)于城市管理部門因地制宜、因時(shí)制宜、科學(xué)規(guī)劃和調(diào)控城市環(huán)境、能源消費(fèi)、水熱供應(yīng)，具有一定參考價(jià)值。