濟南市城市熱島效應的時空分布特征

摘要：論文應用區域自動氣象站2007～2008年逐時氣溫觀測資料，分析了濟南城市熱島的時空分布特征，結果表明，無論春、夏、秋、冬，濟南的城市熱島在空間分布上均以泉城廣場、市政府為中心呈環狀放射發展。熱島強度以冬季最強，秋、春季次之，夏季最弱。對城市熱島進行小波分析發現，濟南冬季和夏季城市熱島的主要振蕩周期是以準24h為代表的日變化和準270h所代表的旬變化為主。夏季日變化不如冬季明顯，夏季旬變化略強于冬季。濟南城市熱島以日為周期呈規律性變化，城市熱島強度表現為夜間強，白天弱。

關鍵詞：熱島效應 區域自動氣象站 小波分析 時空分布特征

The Temporal and Spatial distributions of Urban Heat Island Effect in Jinan City

Ran Guiping Li Rui Ren Dan Zhang Ning Sun Changzheng

Jinan Meteorological Observatory， Jinan 250002

Abstract: Based on the hourly temperature observed by automatic weather stations during 2007-2008， the temporal and spatial distributions of urban heat island (UHI) in Jinan city were analyzed. The results showed that in four seasons ，the UHI intensity centered on the Spring square and city council and decreased around. The UHI intensity in winter was the strongest all the year round. Then， it was autumn and spring. The UHI intensity in summer was the weakest. The Morlet wavelet transform revealed that the UHI intensity had a temporal structure of diurnal (24h) and ten-day (270h) periods whether in summer or winter. The diurnal (Ten-day) periodic oscillation was weaker (stronger) in summer than winter. The UHI intensity was stronger in nighttime than daytime.

Key words: urban heat island automatic weather stations wavelet transform temporal and spatial distributions

引言

城市熱島效應( Urban Heat Island Effects，UHI)是指由于人類活動造成的城市氣溫高于周圍自然環境氣溫的現象[1]，溫度較高的城市地區被溫度較低的郊區所包圍或部分包圍，它是熱量在城市空間范圍內聚集的現象。

城市熱島效應是城市化氣候效應的主要特征之一，是城市化對氣候影響最典型的表現[2] 。在我國，周淑貞[3]、束炯[4]、張景哲[5]等對城市熱島效應及形成機制進行了多方面的研究。過去50多年來濟南城市經歷了快速發展，城市建筑、功能、綜合實力、以及城市形態與環境面貌等都發生了巨大變化，城市發展導致城市下墊面狀況發生極大改變，同時在某些方面影響了城市小氣候[6-7]。

濟南是山東的省會，通過對濟南城市熱島效應的研究和分析，對了解氣候演變特征和短期氣候預測提供科學依據，并且對指導城市綠地規劃與建設，改善城市生態環境和城市居民居住環境有重要的現實意義。

1. 研究資料和方法

濟南市自動氣象站網通過多年建設，到2006年11月，已完成51個區域自動氣象站的建設并投入業務運行。該論文通過區域自動站資料研究濟南市區及郊區熱島效應空間分布情況，即應用市區及近郊區區域自動氣象站與郊區鄉村站氣溫數據進行對比分析，即：QUHI=T市區-T郊區，溫差越大熱島強度越強，反之則越弱[8]市區站選取城市建筑和人口較為密集的市中心區域，共16個站點，分別是：濟南大學、泉城公園、泉城廣場、市政府、百花公園、交通學院、熱電公司、供銷公司、山師北院、農科院、龜山、歷城二中、外國語中學、高新區、河務局和天橋收費站。這些站點既包括人口較密的市中心點，也包括離市中心稍遠的市區，還包括剛進入城市化進程的近郊，能夠綜合反映整個城市的熱島空間分布特征?？紤]到城市區域的不規則性，城市的邊緣地區有可能具有與城市相似的地表結構，又根據地區溫度分布的自然特點，郊區參考站點選取市區北邊的孫耿、崔寨、白云湖，市區東邊的圣井、曹范，市區西南邊的潘村、長清工會干部學院、張夏苗圃，取八個站點的平均溫度作為背景溫度，可以避免訂正熱島效應時出現偶然因素，能夠比較客觀的反映城市熱島強度。

在采樣時間上，區域自動氣象站資料從2007～2008年的數據比較完整，為了能充分反映一年中熱島情況，按季節取2007、2008年2年的數據。春季：3～5月，夏季：6～8月，秋季：9～11月，冬季：12月，次年1～2月。從中選擇代表性的月份2007～2008年的1月、4月、7月和10月份的數據來計算各個季節的熱島強度。

小波分析是繼傅里葉變換之后興起的中還可以看出，其波峰 (正中心)主要出現在變換對帶有奇異性的信號不是很有效的弱點，具有多分辨率分析的特點;在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率[9]。小波分析已成功地應用于信號處理、圖像處理、語音識別和機械故障診斷等各領域，在氣候研究中也應用廣泛。小波分析不僅可以給出某一時間序列變化的尺度，還可以顯示出各頻率隨時間的變化以及不同頻率之間的關系。本文采用標準Morlet小波來分析濟南城市熱島效應的周期性特征，并利用小波方差來診斷各周期振蕩的強度。Morlet小波[10]是復數形式的小波，其實部和虛部位相相差π/2，可以消除實數形式小波變換系數模的振蕩，因而比實數形式的小波在應用上有更多的優點。

2. 濟南市區熱島水平空間分布特征

該論文選取16個市區及近市區站點，選取八個郊區站點的平均溫度作為背景溫度，即T郊區=（T圣井+T曹范+T潘村+T長清工會干部學院+T張夏+T崔寨+T孫耿+T白云湖）/8，逐個計算16個市區站的QUHI值，得出濟南市水平空間熱島強度的分布特征（圖1-圖2）。

從熱島強度分布圖上可以看出，濟南城市熱島與城市空間形態結構基本一致的，以泉城廣場、市政府為中心呈環狀放射發展。由于濟南市區東部平坦開闊，發展很快，城市熱島逐步向東部發展，熱島中心有呈東西條狀發展的趨勢。到達天橋收費站、河務局等濟南近郊區，城市熱島迅速降低，但因為在城鄉交界帶上，已有城市熱島特征體現。早期Oke[11]根據北美加拿大多次觀測城市熱島的實例概括的城市熱島氣溫剖面圖：從郊區到城郊結合部，氣溫陡升，被稱為“陡崖”(cliff)；到了市區氣溫保持平緩一致，因下墊面不同有所起伏，該段稱為“高原”(plateau)；在市中心人口密集人類活動最為集中的區域，氣溫達到最高點，稱之為“高峰”(Peak)。濟南城市熱島的空間分布也遵循了這一規律，泉城廣場、市政府是濟南的“高峰”，天橋收費站、河務局是“陡崖”區，而市區熱島分布并不平緩，由于城市發展不是很均衡，下墊面差異較大，熱島強度有所差別。

3. 濟南市區熱島效應的時間分布特征

3.1 濟南城市熱島的季節變化在時間域上的分布

為了分析濟南市區熱島效應的時間分布特征，取2008年1月、7月每天24個熱島強度值作為研究對象，進行墨西哥帽小波變換。取1月代表冬季，7月代表夏季，畫出相應的小波變換等值線圖和曲線圖(見圖3和圖4)。等值線圖表示的是不同尺度下的小波變換；曲線圖表示的是小波方差。

從小波波幅變化情況來看，小波中心形成正負振蕩的形式，與城市熱島形成很好的一一對應關系。熱島越強，熱島變化越劇烈，則對應的波幅等值線越密集，波幅的絕對值越大；反之，波幅等值線越稀疏，表示熱島變化不明顯，對應的熱島越弱， 即正的波幅對應強熱島，且熱島變化劇烈；反之則與弱熱島對應，熱島變化緩慢。

由圖3a可見，濟南冬季熱島變化存在準24 h和準270 h的主振蕩周期，以及準90 h、準110 h 準170 h的次周期。分析它們存在的階段可知，準24 h和準270 h的主振蕩周期在整個時間序列中一直明顯存在；準90 h的次周期在整個時間序列中也有所表現，準110 h的次周期主要存在于上旬和中旬；準170 h的次周期主要存在于下旬。

從小波方差(圖3b)所反映的各周期對應的振蕩強度來看，在整個周期域上，準24h所對應的日變化周期最顯著，其反映的小波方差最大。其次是準270 h所代表的旬變化，其他尺度周期所反映的小波方差都相對較小，表明日變化和旬變化是濟南冬季城市熱島的主要振蕩周期。對于準270 h周期所代表的熱島強度的旬變化。從圖3a中還可以看出，其波峰 (正中心)主要出現在1月4日、14日及25日前后。波谷(負中心)主要出現在1月9日、19日及30日前后。

在夏季(圖4a) ，濟南熱島變化存在準24h、220～300 h的主振蕩周期，以及60～90h的次周期。準24h、220～300h的主振蕩周期在整個時間序列內一直明顯存在。準60～90h的次周期在整個時間序列中也有所表現。對于220～300h周期所代表的旬變化，從圖3a7月5日、15日及25日前后。波谷(負中心)主要出現在7月10日、20日及30日前后。

各周期對應的小波方差(圖4b)表明，準24h所對應的日變化最顯著，其次是220～300h所代表的旬變化。其他尺度周期所反映的小波方差都相對較小，表明濟南夏季城市熱島的主要振蕩周期仍然是日變化和旬變化。比較夏季和冬季日變化和旬變化，小波方差可以發現，夏季日變化不如冬季明顯，但旬變化略強于冬季。

3.2 濟南城市熱島的日變化特征分析

小波正負振蕩明顯，小波波幅變化能較好地反映城市熱島強度的振蕩變化情況。我們從24h尺度上來看，可以明顯的看出無論冬季還是夏季，城市熱島以日為周期呈規律性變化。城市熱島強度表現為夜間強，白天弱，這是由于白天和夜間的能量平衡的差異、市區與郊區的下墊面性質、大氣污染和人為熱等不同。白天由于太陽輻射的作用，大氣層結一般處于不穩定狀況，風速較大，使得城郊近地層湍流加強，熱量的垂直和水平交換比夜間強，城市、郊區溫差迅速縮小，城市熱島較弱。夜晚的大氣層結較為穩定，甚至出現低層逆溫，不利于大氣湍流的發展；而且城市下墊面多為水泥、柏油、混凝土等構成，顏色較深，它們具有熱容量大，導熱率高的特點，能吸收大量的太陽輻射。這些在白天吸收和貯存的熱量，夜晚又會散發到大氣之中，通過長波輻射提供給空氣的熱量比郊區多，再加上市區空氣中大量的CO2等溫室氣體及顆粒污染物更多地吸收地面長波輻射，加熱大氣使空氣中的熱量不易很快散失，導致城市大氣溫度進一步上升，相對于快速降溫的郊區來說，容易形成夜間城市熱島，因此夜間城市、郊區溫差迅速增大，城市熱島較強。

4. 結論

（1） 在空間分布上，無論春、夏、秋、冬，濟南城市熱島均以泉城廣場、市政府為中心呈環狀放射發展。

（2） 熱島強度以冬季最強，秋、春季次之，夏季最弱。

（3） 濟南冬季和夏季城市熱島的主要振蕩周期是以準24h為代表的日變化和準270h所代表的旬變化為主。夏季日變化不如冬季明顯，夏季旬變化略強于冬季。

（4）城市熱島以日為周期呈規律性變化。城市熱島強度表現為夜間強，白天弱。

參考文獻:

[1] 周淑貞.束炯.城市氣候學[M]。北京：氣象出版社，1994.

[2] 白虎志.任國玉.方鋒.蘭州城市熱島效應特征及其影響因子研究[J]。氣象科技，2005，33（6）：492-495.

[3] 周淑貞.張超.上海城市熱島效應[J].地理學報，1982，37(4)：244-345.

[4] 束炯.江田漢.楊曉明.上海城市熱島效應的特征分析[J]。上海環境科學，2000，19(11)：532-534.

[5] 張景哲.劉啟明.北京城市氣溫與下墊面結構關系的時相變化[J].地理學報，1988，43(2)：159-168.

[6] 林苗青.黃錦速.杜勤博.汕頭市城市熱島效應特征分析[J].安徽農業科學，2010(27):15214-15217.

[7] 趙小艷.楊沈斌.申雙和.等.基于遙感的南京市城市熱島效應時空演變分析[J].安徽農業科學，2009，37(22):10776-10778.

[8] 何萍.李宏波.云貴高原中小城市熱島效應分析[J].氣象科技，2002，30（5），288-291.

[9] 彭玉華.小波變換與工程應用[M].北京:科學出版社，1999:13-21.

[10] 江田漢.束炯，鄧蓮堂.上海城市熱島的小波特征[J].熱帶氣象學報，2004，20(5):515-522.

[11] 宋海鷗.王睿.耿建武.淮陰市冷熱指數預報及應用[J].氣象科學，2001，21（3):369-372.