紹興地區(qū)熱島效應(yīng)的季節(jié)變化及年際差異的成因分析

季丹丹 陳璽文 胡燕華 許志超

摘要：文章從紹興市5個(gè)氣象站的氣溫?cái)?shù)據(jù)中挑選城市和郊區(qū)的代表性站點(diǎn)研究近30年來(lái)的溫度變化，發(fā)現(xiàn)城郊溫差是呈波動(dòng)上升趨勢(shì)的;從中挑選期間的4個(gè)年份，重點(diǎn)研究紹興地區(qū)熱島效應(yīng)的季節(jié)變化特征，發(fā)現(xiàn)四季變化中夏季最容易出現(xiàn)熱島效應(yīng)，且低強(qiáng)度熱島和中等強(qiáng)度熱島所占比重較大。隨后進(jìn)行年際對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)年際差異主要顯現(xiàn)在2001年以后熱島效應(yīng)頻率和強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度均增大，其中是中等強(qiáng)度在次數(shù)和強(qiáng)度上的比重加大，在熱島效應(yīng)增加的角度上有決定性意義。查閱文獻(xiàn)分析該結(jié)論的產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)2000-2010年熱島強(qiáng)度呈倍數(shù)增長(zhǎng)，這可能和2000年以后工業(yè)比重逐年增大有關(guān)。濱海工業(yè)區(qū)和袍江工業(yè)區(qū)的建立帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，引起了工業(yè)用地的增加，大量外來(lái)人口的流入也帶動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)業(yè)、商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)等的快速發(fā)展，使城區(qū)周邊地區(qū)得到開發(fā)。工業(yè)的發(fā)展和人口的增加是導(dǎo)致紹興熱島效應(yīng)年際變化，且主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的主要原因。

關(guān)鍵詞：熱島效應(yīng)，季節(jié)變化，年際差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，紹興

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.008

城市熱島指的是一個(gè)地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象，也稱“大氣熱污染現(xiàn)象”，這是由于在城市發(fā)展進(jìn)程中，下墊面性質(zhì)的改變、大氣污染以及人工廢熱排放等因素使城市溫度明顯高于郊區(qū)，形成熱孤島的現(xiàn)象[1-2]。一般選取中心和周邊的代表性測(cè)站研究氣溫差值的變化用來(lái)表示熱島效應(yīng)變化。由于城市人口集中，生活、生產(chǎn)產(chǎn)生的熱能和局地大氣環(huán)流會(huì)造成城市中心溫度偏高。隨著城市化進(jìn)程發(fā)展，城市熱島的研究對(duì)城市規(guī)劃與環(huán)境保護(hù)具有一定價(jià)值[3-4]。

20世紀(jì)80年代是我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛躍式發(fā)展的階段，大城市熱島效應(yīng)的研究已經(jīng)引起了學(xué)者們的廣泛重視[5-6]。江漢田等[7]研究發(fā)現(xiàn)，上海城市熱島明顯呈時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，由各種尺度的熱島疊加而成，冬季熱島的尺度結(jié)構(gòu)比較單一，夏季比較復(fù)雜。此類研究也可為紹興城市熱島的研究提供參考。

為了更好地研究城市化進(jìn)程對(duì)紹興地區(qū)的熱島效應(yīng)影響，本文選取4個(gè)年份（1981，1991，2001，2010）研究不同季節(jié)城市熱島的尺度疊加方式，以探尋城市熱島的變化和影響因子。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)域

紹興位于長(zhǎng)江三角洲南岸，北緯29°13'36"一30°16'17"，東經(jīng)119°53'02"-121°13'38"，海岸線長(zhǎng)40 km，總面積8256 km。屬中、北亞熱帶季風(fēng)氣候過(guò)渡地帶，四季分明，氣候溫和，年平均氣溫16.0℃～16.5℃[8]。地勢(shì)南高北低，由北部紹虞平原逐漸過(guò)渡為丘陵山地。南部為山村，北部為水鄉(xiāng)。境內(nèi)河道密布，湖泊眾多，東北部為水網(wǎng)平原，海拔一般在10m以下。

紹興市2017年總?cè)丝跒?01萬(wàn)，其中柯橋區(qū)和越城區(qū)作為城區(qū)，其他4個(gè)縣區(qū)（諸暨、新昌、嵊州、新昌）作為郊區(qū)。城區(qū)人口密度高達(dá)873人/km，郊區(qū)人口密度僅約為城區(qū)的一半（444人/km）。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

本文首先選用1981-2010年紹興市的紹興（S1）、諸暨（S2）、上虞（S3）、新昌（S4）、嵊州（S5）5個(gè)站點(diǎn)的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)研究紹興地區(qū)熱島效應(yīng)年際變化和季節(jié)變化特征，參與熱島計(jì)算的5個(gè)站點(diǎn)的地址遷移都較小，符合熱島強(qiáng)度計(jì)算條件的紹興站位于市區(qū)，人口密度較大，其數(shù)據(jù)可代表城區(qū)氣溫。其余4個(gè)站點(diǎn)可代表郊區(qū)氣溫。在此基礎(chǔ)上，選取其中1981，1991，2001和2010年4個(gè)年份作為代表研究熱島效應(yīng)的年代差異[9]，數(shù)據(jù)跨度為30年，涵蓋了紹興市經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)躍變的時(shí)段——20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初。

本文又以紹興（S1）和新昌站（S4）作為個(gè)例，計(jì)算1981-2010年的平均氣溫差（△T=S1-S4），研究平均氣溫差的年際變化，探索其變化與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系。城市熱島強(qiáng)度（UHI），即紹興氣溫S1與郊區(qū)4個(gè)站點(diǎn)平均氣溫的差值。計(jì)算公式為：

其中，若假設(shè)式（1）中的△T >0.5℃，則認(rèn)為熱島效應(yīng)存在[9]。挑出通過(guò)式（1）計(jì)算的熱島效應(yīng)出現(xiàn)的日期，計(jì)算其熱島強(qiáng)度之和，即為熱島累計(jì)強(qiáng)度，可表示為：

式（2）中，s表示某一季節(jié)，即第s個(gè)季節(jié)，k為該季節(jié)中k次熱島的強(qiáng)度。

1.3篩選方式

紹興站位于紹興北部人口建筑物較密集的城市中心，新昌位于紹興南部山區(qū)，周圍生態(tài)條件較好，兩站氣溫差值可代表城郊溫差、研究年際變化[1O]。

2 結(jié)果與分析

2.1熱島效應(yīng)的年際變化特征

通過(guò)圖1的數(shù)據(jù)可以看出.1）1981-2010年，平均氣溫（以紹興站為例）是波動(dòng)上升的，速率為每10年上升0.79℃，四季的城郊平均氣溫差也是逐年波動(dòng)上升的，春夏秋冬上升速率分別為每10年上升0.27℃，0.26℃，0.26℃和0.06℃，因此，平均氣溫與熱島效應(yīng)強(qiáng)度存在正相關(guān)性。2）夏季平均氣溫高，出現(xiàn)熱島效應(yīng)的強(qiáng)度（城郊?xì)鉁夭顬槔┮沧罡?冬季平均氣溫最低，熱島效應(yīng)出現(xiàn)的強(qiáng)度也最低;春秋出現(xiàn)熱島效應(yīng)的強(qiáng)度居中。

綜合上述分析結(jié)果，說(shuō)明熱島效應(yīng)出現(xiàn)的概率與平均氣溫有關(guān)。

2.2熱島效應(yīng)的四季變化特征

選取4年（1981，1991，2001，2010年）的氣溫資料，依據(jù)上述計(jì)算方法和篩選方式，統(tǒng)計(jì)紹興出現(xiàn)熱島的天數(shù)概率為27.9%。春夏秋冬出現(xiàn)熱島的天數(shù)概率如表1所示，分別是6.6%，10.1%，6.2%和4.9%。

根據(jù)表1還可看出熱島出現(xiàn)概率的差異。紹興熱島效應(yīng)出現(xiàn)的概率總體上并不高，又以夏天概率最高;冬季最低;春秋概率相近，在四季中居中。四季年際平均氣溫也有相應(yīng)的對(duì)照，夏季平均氣溫最高，為27.45℃;冬季最低，僅為5.89℃;春秋居中。這與熱島效率發(fā)生概率非常相似。雖然春秋平均氣溫分別為16.08℃和18.35℃，但熱島效應(yīng)概率卻為6.6%和6.2%，這可能由于相似平均氣溫下，熱島效應(yīng)概率還受其他因子干擾。計(jì)算平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，春季和夏季平均風(fēng)速為2.0m/s，秋季為1.7m/s，冬季為1.8mm/s，剔除平均氣溫這個(gè)因子后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速較大的春季發(fā)生熱島效應(yīng)概率較大，這可能是由于城市中建筑物較多，阻擋了空氣流通，從而使城郊?xì)鉁夭罡语@著。

2.3熱島效應(yīng)強(qiáng)度的四季變化

為進(jìn)一步研究四季熱島的差異，我們對(duì)每一次出現(xiàn)的熱島進(jìn)行強(qiáng)度劃分[11-12]，并定義熱島強(qiáng)度0.5℃～1.0℃為低強(qiáng)度熱島，1.0℃～1.5℃為中強(qiáng)度熱島，1.5℃～2.0℃為較強(qiáng)熱島，2.0℃以上為強(qiáng)熱島。計(jì)算各季節(jié)各強(qiáng)度熱島的次數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2表示。

由圖2可知，4種強(qiáng)度熱島在四季中均有出現(xiàn)。從不同季節(jié)看，以夏季出現(xiàn)次數(shù)最多，4種強(qiáng)度熱島出現(xiàn)的次數(shù)均明顯多于其他季節(jié);而春、秋、冬3個(gè)季節(jié)，不同強(qiáng)度熱島出現(xiàn)的次數(shù)相差不大。從不同熱島強(qiáng)度出現(xiàn)頻率看，低強(qiáng)度熱島在四季中出現(xiàn)頻率都是最高的，中等強(qiáng)度熱島次之，第三是較強(qiáng)熱島，強(qiáng)熱島出現(xiàn)頻率最少。

2.4熱島效應(yīng)積累強(qiáng)度的變化特征

表2分季節(jié)統(tǒng)計(jì)了4個(gè)年份的熱島累積強(qiáng)度。從表2中可知，春、夏季熱島效應(yīng)積累強(qiáng)度在1981—1991年略有減弱，在1991—2001年再次增強(qiáng)，2001—2010年呈倍數(shù)增強(qiáng)，2010年的熱島效應(yīng)積累強(qiáng)度分別為2001年的3倍和4.7倍;秋季在1981—1991年穩(wěn)定上升，卻在1991—2001年維持穩(wěn)定，略有浮動(dòng)，2001—2010年又呈倍數(shù)增強(qiáng)，2010年的熱島效應(yīng)積累強(qiáng)度為2001年的8.3倍。

表2數(shù)據(jù)分析表明，2001年前，年平均熱島強(qiáng)度分別為13.91，10.49，13.20，雖然四季有不同趨勢(shì)變化，但整體強(qiáng)度變化比較平穩(wěn)。但2001—2010年，熱島強(qiáng)度以倍數(shù)增強(qiáng)，其中增強(qiáng)最快的為秋季。這可能與2001年開始，紹興城市化建設(shè)跨越式發(fā)展有關(guān)[8]。濱海工業(yè)區(qū)和袍江工業(yè)區(qū)的建立帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，引起了工業(yè)用地的增加，大量外來(lái)人口的流人也帶動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)業(yè)、商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)等的快速發(fā)展，使城區(qū)周邊地區(qū)得到開發(fā)。工業(yè)的發(fā)展和人口的增加是導(dǎo)致紹興熱島效應(yīng)年際變化，且主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的主要原因之一[13]。

2.5不同強(qiáng)度熱島效應(yīng)的年際變化

從圖3中可以看出，各強(qiáng)度熱島都是先減少后增加的趨勢(shì)，但是減少的年份卻并不完全相同。低強(qiáng)度熱島在1981—1991年有顯著減少，減少183%;隨后1991—2010年中穩(wěn)定上升。中等強(qiáng)度熱島在1981—2001年都呈穩(wěn)定減少趨勢(shì)，但在2001—2010年又迅速增加，增加7倍。1981—1991年均未出現(xiàn)較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島。1991年后較強(qiáng)熱島開始出現(xiàn)，并在2001年后迅速增加。強(qiáng)熱島在2001年后才出現(xiàn)。

1981年各熱島強(qiáng)度占總熱島數(shù)的85%，15%，0%，0%，2010年時(shí)各強(qiáng)度熱島變?yōu)?6%，35%，20%，9%，可以看出低強(qiáng)度熱島隨著年代的推進(jìn)向更高強(qiáng)度的熱島轉(zhuǎn)換，因此隨著社會(huì)發(fā)展，熱島效應(yīng)也在逐年增強(qiáng)。

3 熱島效應(yīng)季節(jié)變化的成因探析

影響熱島效應(yīng)的因素很多，主要分為氣象條件和人為因素。

3.1氣象條件的影響

對(duì)年平均氣溫（紹興站）的研究發(fā)現(xiàn)1981—2010年氣溫的上升高速率為每10年上升0.79℃。年平均氣溫是穩(wěn)定上升的，這也是導(dǎo)致熱島效應(yīng)出現(xiàn)次數(shù)增加的原因之一。而熱島效應(yīng)在2001—2010年增長(zhǎng)的最為明顯，我們也可以推測(cè)，氣溫的上升先于城市熱島的發(fā)生。

3.2人為因素的影響

1）城市人口快速增加。根據(jù)《紹興統(tǒng)計(jì)年鑒》，近年來(lái)人口呈快速增加趨勢(shì)，1999—2000年，增長(zhǎng)率超過(guò)76%。人口的增長(zhǎng)導(dǎo)致了對(duì)住房的需求，這也促進(jìn)了房地產(chǎn)開發(fā)必然會(huì)向郊區(qū)拓展，使周邊的耕地被轉(zhuǎn)換成城鎮(zhèn)建設(shè)用地。尤其是2000年以來(lái)，耕地面積總體呈減少趨勢(shì)，2000—2003年年平均遞減率達(dá)到4.5%。正是經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速增長(zhǎng)，城市擴(kuò)張明顯的這幾年，城區(qū)附近的耕地被占為它用。越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)人口比重越來(lái)越小，這也是農(nóng)村城鎮(zhèn)化的原因。

2）經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，建筑業(yè)興起。紹興市區(qū)GDP由1992年的198974萬(wàn)元增長(zhǎng)到2003年的1871462萬(wàn)元，年平均增長(zhǎng)率達(dá)70%，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展引起了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。2000年以后工業(yè)比重逐年增大，濱海工業(yè)區(qū)和袍江工業(yè)區(qū)的建立帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，引起了工業(yè)用地的增加，也帶動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)業(yè)、商業(yè)、餐飲、娛樂(lè)等的快速發(fā)展，使城區(qū)周邊地區(qū)得到開發(fā)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)紹興城市熱島效應(yīng)的研究，結(jié)果表明：1）近30年來(lái)城市熱島效應(yīng)是逐年增加的，尤其出現(xiàn)在2001—2010年，這與平均氣溫逐年上升呈正相關(guān)性。其中夏季最容易出現(xiàn)熱島，而冬季最少，因此平均氣溫是影響熱島效應(yīng)的一個(gè)重要因子。2）熱島效應(yīng)出現(xiàn)概率以夏季最頻繁，冬季最少，春秋季相近。其中雖然秋季平均氣溫較春季高，但春季出現(xiàn)熱島效應(yīng)的概率較大;除去平均氣溫這個(gè)影響因子后，平均風(fēng)速也是影響熱島效應(yīng)出現(xiàn)概率的因子之一。3）在城市化進(jìn)程中，各層次熱島效應(yīng)顯著增加，其中最明顯的方式是低強(qiáng)度熱島向更高強(qiáng)度熱島轉(zhuǎn)化。低強(qiáng)度熱島比例從1981年的85%減少至2010年的36%，其他3種層次熱島效應(yīng)分別增加20%，20%和9%，隨著工業(yè)發(fā)展、人口增加，熱島強(qiáng)度的層次也在發(fā)生著改變。這說(shuō)明城市化發(fā)展是改變熱島強(qiáng)度層次結(jié)構(gòu)的重要因子。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雯.城市熱島效應(yīng)的成因和改善策略探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（4）：116-117.

[2]許格希，裴順祥，郭泉水.城市熱島效應(yīng)對(duì)氣候變暖和植物物候的影響[J].世界林業(yè)研究，2011，24（6）：12-17.

[3]李曉婷，賈寶全.寧德市蕉城區(qū)植被與熱島效應(yīng)關(guān)系[J].中國(guó)城市林業(yè)，2018，16（2）：5-9.

[4]史欣，吳統(tǒng)貴，徐大平，等.廣州帽峰山森林公園的“冷島”效應(yīng)分析[J].中國(guó)城市林業(yè)，2005，3（3）：46-48.

[5]丁金才，張志凱，奚紅，等.上海地區(qū)盛夏高溫分布和熱島效應(yīng)的初步研究[J].大氣科學(xué)，2002（3）：412-420，434.

[6]MURPHY D J R. The relation between land-cover and the urbanheat island in northeastern Puerto Rico[D].New York： State Uni-versity of New York，2007.

[7]江田漢，束炯，鄧蓮堂.上海城市熱島的小波特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2004（5）：515-522.

[8]房貞麗.紹興市城區(qū)擴(kuò)張與熱島效應(yīng)的研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2005.

[9]張艷，鮑文杰，余琦，等.超大城市熱島效應(yīng)的季節(jié)變化特征及其年際差異[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（4）：1121-1128.

[10]林學(xué)椿，于淑秋.北京地區(qū)氣溫的年代際變化和熱島效應(yīng)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005（1）：39-45.

[11]謝莊，崔繼良，陳大剛，等.北京城市熱島效應(yīng)的晝夜變化特征分析[J]氣候與環(huán)境研究，2006（1）：69-75.

[12]漆梁波.近10年上海盛夏高溫及熱島強(qiáng)度變化趨勢(shì)[J].氣象科技，2004（6）：433-437.

[13]楊玉華，徐祥德，翁永輝.北京城市邊界層熱島的日變化周期模擬[J]應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2003（1）：61-68.

收稿日期：2018-06-03

第一作者：季丹丹（1988-），女，本科，紹興市柯橋區(qū)氣象局氣象臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)，研究方向?yàn)闅庀髮W(xué)。E-mail：251495502@qq.com