京津冀中部地區(qū)城市化對夏季城市熱島效應(yīng)的影響

沈 芳，許 敏#，呂宜謙，路漫漫，高清泉

1.廊坊市氣象局，河北廊坊 065000；2.邢臺市氣象局，河北邢臺 054099

城市熱島效應(yīng)是城市氣溫比郊區(qū)氣溫高的一種現(xiàn)象，其形成的原因一方面為人們?nèi)粘Ｉ钏l(fā)出的熱量；另一方面是城市中建筑群密集，城市路面比郊區(qū)的土壤、植被對熱量的反射率小，吸收率大，造成白天城市儲存的太陽能比郊區(qū)多，夜晚城市降溫緩慢，氣溫仍比郊區(qū)高。此時(shí)城市中心一股較強(qiáng)的暖氣流上升，而郊外的相對冷的空氣下沉，形成了城郊環(huán)流，各種污染物在此局地環(huán)流下聚集在城市上空，當(dāng)有強(qiáng)冷空氣過境時(shí)，污染物才會消散，否則城市的空氣污染會加重，人類生存的環(huán)境被破壞，造成人類各種疾病的發(fā)生，甚至造成死亡[1-2]。

氣候條件的變化是造成熱島效應(yīng)的外因，而城市化才是熱島形成的內(nèi)因。城市熱島形成的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一，由于城市中有大量的人工構(gòu)筑物，使得下墊面的熱力屬性反射率小，熱傳導(dǎo)快；第二，工廠生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及居民生活每天都在向外排放大量熱量；第三，城市中的大氣污染濃度大，會吸收下墊面的熱輻射，起到了保溫作用，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致大氣進(jìn)一步升溫；第四，城市中的綠植、樹木和水體減少導(dǎo)致城市緩解熱島效應(yīng)的能力下降[3-6]。

國內(nèi)近幾年有許多學(xué)者對北京、上海、廣州、成都、寧波等大城市進(jìn)行了城市熱島的成因深入研究。王喜全等[7]利用北京氣象站資料對北京城市熱島現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)在夏季最強(qiáng)，春季最弱，同時(shí)冬季夜晚城市熱島呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。許輝熙[8]利用遙感資料獲取城市建成信息和反演亮溫溫度，得出只要城市規(guī)劃科學(xué)合理，城市熱島效應(yīng)也能得到有效緩解。黃鶴樓等[9]對比城區(qū)站、郊區(qū)站和海島站城市化對最高最低氣溫增幅的影響，研究發(fā)現(xiàn)城市化對高溫?zé)崂擞绊懹葹轱@著。鄭有飛等[10]利用NCEP/NCAR 再分析資料和DMSP/OLS衛(wèi)星夜晚燈光數(shù)據(jù)，分析了1961—2010年城市化對長江中下游的地區(qū)溫度變化的影響，結(jié)果表明：城市化對溫度日較差的貢獻(xiàn)率最大。

雖然熱島效應(yīng)現(xiàn)象在一年四季均可出現(xiàn)，但夏季的熱島效應(yīng)較其他季節(jié)對人們生產(chǎn)生活的影響相對較大，尤其是伴隨高溫天氣時(shí)。因此，本文利用1995—2020年ERA5地面2 m溫度再分析資料，結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數(shù)據(jù)，對京津冀中部城市的夏季地面溫度變化與城市化進(jìn)程的關(guān)系進(jìn)行分析，對比不同城市化進(jìn)程下城市熱島效應(yīng)的變化情況，以期對廊坊城市的合理規(guī)劃、生態(tài)城市的建設(shè)等提供一定的參考和借鑒。

1 資料和方法

1.1 資料

溫度數(shù)據(jù)來源于1995—2020年ERA5再分析資料中夏季6—8月的地面2 m溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.1°×0.1°。該數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定時(shí)間序列與統(tǒng)一的空間序列，適合用作長時(shí)間序列的溫度統(tǒng)計(jì)。

夜間燈光數(shù)據(jù)1995—2010年采用DMSP/OLS數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，2012年DMSP/OLS數(shù)據(jù)停止更新，被NPP/VIIRS數(shù)據(jù)所取代，所以2010—2020年采用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m，2種數(shù)據(jù)均來自美國國家地理數(shù)據(jù)中心，2種數(shù)據(jù)均排除了亮云與水體的影響，灰度值為0~63。

由于地面2 m溫度數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率不一致，采用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）插值法[11]，選取線性函數(shù)作為基函數(shù)，將溫度場數(shù)據(jù)分別插值到2種不同的夜間燈光數(shù)據(jù)格點(diǎn)上進(jìn)行對比分析。

1.2 方法

1.2.1 溫度等級劃分均值-標(biāo)準(zhǔn)差法利用地表溫度的均值（mean）結(jié)合不同倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差（std）對溫度（T）進(jìn)行分級，能夠很好地對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行有效界定，能夠很好地反映熱場的空間分布[12]。本文將溫度數(shù)據(jù)處理并計(jì)算出年平均溫度場，再將溫度場根據(jù)表1進(jìn)行劃分溫度等級。

表1 溫度等級劃分對應(yīng)表

1.2.2 劃分城市區(qū)與非城市區(qū)為了提取城市化進(jìn)程對城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度，程志剛等驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)像元值在35～63之間的區(qū)域可作為建成區(qū)，即為城市區(qū)，其他地區(qū)則為非建成區(qū)，即為非城市區(qū)[13]。

NPP/VIIRS數(shù) 據(jù) 比DMSP/OLS數(shù)據(jù)分辨率更高，具有更強(qiáng)的夜光探測能力，楊任飛發(fā)現(xiàn)2種數(shù)據(jù)之間存在明顯的相關(guān)性，并通過2種數(shù)據(jù)的擬合獲得建成區(qū)的提取，其方法為：

DN=24.06×Radiance0.4782-3.299

其中，DN為擬合后得到的像元灰度值，Radiance表示NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的夜光輻射強(qiáng)度，通過擬合之后，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取建成面積誤差較小，并且保持?jǐn)?shù)據(jù)在比較時(shí)的客觀一致性[14]。

1.2.3 城市熱島強(qiáng)度等級劃分為了能夠更好地表示城市熱島強(qiáng)度的年際變化，葛偉強(qiáng)等將熱島強(qiáng)度表示為研究區(qū)域內(nèi)溫度格點(diǎn)值與非城市區(qū)溫度均值之差t[15]，并將熱島強(qiáng)度劃分為7個(gè)等級（表2）。采用謝志清等[16]的方法對城市區(qū)熱島效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的定量分析。

表2 熱島強(qiáng)度等級劃分對應(yīng)表

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場的時(shí)空變化

將地面2 m溫度場按照均值-標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行等級劃分，可以看出40°N以北的區(qū)域基本都處于中溫區(qū)，低溫區(qū)和次低溫區(qū)均穩(wěn)定位于渤海灣內(nèi)東及西北部地區(qū)，其中中溫區(qū)和次高溫區(qū)的變化較為明顯（圖1）。

1995年次高溫區(qū)主要分布在保定東南部、廊坊中南部以及滄州地區(qū)（圖1a）；2000年次高溫區(qū)向東北方向延伸，新增了北京南部、廊坊北部以及天津大部分地區(qū)（圖1b）；2005年次高溫區(qū)面積向西南方向減小，其中廊坊北部和天津北部轉(zhuǎn)為中溫區(qū)（圖1c）；2010年次高溫區(qū)進(jìn)一步向西減小，導(dǎo)致廊坊東部以及天津大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為中溫區(qū)（圖1d）；2015年次高溫區(qū)面積大幅增加，其中廊坊北部、天津轉(zhuǎn)為次高溫區(qū)（圖1e）；2020年次高溫區(qū)面積較2015年無明顯變化（圖1f）。對比1995年與2020年溫度場分布來看，次高溫區(qū)面積明顯增大，可以看出京津冀中部地區(qū)地面2 m溫度場整體成呈上升趨勢。

圖1 1995—2020年京津冀中部地區(qū)夏季溫度場分布圖

2.2 熱島強(qiáng)度的時(shí)空變化

圖2為京津冀中部地區(qū)1995—2020年夏季熱島強(qiáng)度分布圖，可以看出強(qiáng)低溫、次強(qiáng)低溫、弱低溫以及過渡區(qū)位置與面積變化不大，其形狀很好的對應(yīng)了河北山脈的走勢以及渤海灣的形狀，弱熱島的與過渡區(qū)的邊界位置也基本穩(wěn)定，而次強(qiáng)熱島面積變化比較明顯。1995年次強(qiáng)熱島主要分布在保定東南部以及滄州西部地區(qū)（圖2a）；2000年次強(qiáng)熱島向東北部擴(kuò)展，廊坊、天津、北京南部大部分地區(qū)由弱熱島轉(zhuǎn)為次強(qiáng)熱島（圖2b）；2005年次強(qiáng)熱島略向西南部減弱，廊坊北部和天津北部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱熱島（圖2c）；2010年城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步減弱，天津和廊坊東部地區(qū)轉(zhuǎn)為弱熱島（圖2d）；2015年城市熱島效應(yīng)明顯，次強(qiáng)熱島地區(qū)進(jìn)一步向東擴(kuò)展，天津大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為次強(qiáng)熱島（圖2e）；2020年次強(qiáng)熱島區(qū)域繼續(xù)向東北擴(kuò)展，面積較2015年略有增加（圖2f）。由此可見，城市熱島效應(yīng)并不是一直持續(xù)呈增長趨勢的。2020年城市熱島效應(yīng)分布較1995年有明顯增加，總體來說，城市熱島面積與城市熱島強(qiáng)度有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 1995—2020年京津冀中部地區(qū)地區(qū)夏季城市熱島強(qiáng)度分布圖

2.3 夏季城市熱島效應(yīng)的變化特征

表3統(tǒng)計(jì)了逐5年京津冀中部地區(qū)城市夏季熱島強(qiáng)度特征，可以看出整體溫度呈升高的趨勢，1995—2020年整體城市區(qū)溫度上升1.46℃，非城市區(qū)平均溫度上升0.21℃，熱島強(qiáng)度升高0.21℃，城市熱島效應(yīng)對于區(qū)域內(nèi)的增溫貢獻(xiàn)上升0.11℃，平均每5年增溫0.12℃。

表3 1995—2020年逐5年京津冀中部地區(qū)夏季城市熱島效應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)表

逐5年溫度中2000年溫度整體偏高，并且其熱島強(qiáng)度也最大，究其原因發(fā)現(xiàn)1995—2020年廊坊夏季平均降水量為338.55 mm，而2000年廊坊夏季降水量僅為223.28 mm，是15年內(nèi)降水最少的年份，這可能是導(dǎo)致該年溫度普遍高于其他年份的主要原因。

3 結(jié)論與討論

本文利用ERA5再分析資料結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數(shù)據(jù)對1995—2020年京津冀中部地區(qū)城市化對城市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）從地面2 m溫度場的分布研究發(fā)現(xiàn)，低溫區(qū)和次低溫區(qū)穩(wěn)定位于海拔較高和渤海灣地區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)主要存在中溫區(qū)向次高溫區(qū)的轉(zhuǎn)換，總體來看，研究區(qū)域中的熱島面積在逐漸增多，當(dāng)然也存在城市熱島效應(yīng)緩解的情況。

（2）從熱島強(qiáng)度的分布研究分析，弱熱島以下的等級位置與面積變化不大，其形狀很好的對應(yīng)了河北山脈的走勢以及渤海灣的形狀，主要存在明顯的弱熱島向次強(qiáng)熱島的轉(zhuǎn)換。城市熱島效應(yīng)明顯增加，但并不是一直持續(xù)呈增長趨勢的?？傮w來說，城市熱島面積與城市熱島強(qiáng)度有很好的對應(yīng)關(guān)系。

（3）1995—2020年夏季熱島強(qiáng)度增加了0.21℃，城市熱島效應(yīng)對區(qū)域增溫分別貢獻(xiàn)了0.06℃和0.17℃，變化量為0.11℃，平均每5年貢獻(xiàn)0.12℃。說明地面2 m溫度的變化與城市化進(jìn)程密切相關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)降水量對城市熱島效應(yīng)也有一定程度的影響。

本文僅利用了夏季地面2 m溫度場和夜間燈光數(shù)據(jù)，研究城市化對城市熱島效應(yīng)的影響，形成城市熱島效應(yīng)的因素還有很多，還需要結(jié)合其他資料和方法來更深的研究城市熱島效應(yīng)與氣候變化的關(guān)系。同時(shí)，倡導(dǎo)節(jié)能減排，合理的規(guī)劃城市，是降低城市熱島效應(yīng)的有效途徑。