西安城市熱島效應(yīng)變化特征分析

張文靜，吳素良，郝 麗，王 琦，胡 琳

(陜西省氣候中心，西安 710014)

城市熱島強度是一種由于城市建筑和人類活動導(dǎo)致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象，是城市氣候最顯著的特征之一[1]。隨著城市化的擴張，城市建筑物、道路等設(shè)施的增多，綠化面積減少等因素導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)逐漸增強，已對人們的生活環(huán)境造成了很多不利的影響，為此很多專家學(xué)者就城市熱島效應(yīng)的時空變化，影響機理等開展了大量研究工作。李麗光[2]等對遼寧省城市熱島強度特征進行了分析，并且確定了各個城市的熱島等級；董妍[3]等對西安城市熱島的時空分布特征進行了分析；高紅燕[4]等分階段研究了西安市建站以來城市熱島效應(yīng)對氣溫變化趨勢的影響。本文基于多年氣溫資料，對西安城市熱島變化規(guī)律進行了分析，并從氣象因素入手，分析了熱島強度變化與氣象條件的關(guān)系，旨在加深對城市區(qū)域熱島效應(yīng)及其影響因子的理解，為改善城市人居環(huán)境和減弱城市熱島效應(yīng)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于西安及其周邊戶縣、藍田、周至、涇陽、高陵和臨潼常規(guī)地面氣象觀測站1961—2016年的逐時氣溫、風(fēng)速、降水資料。

1.2 城郊站點選取原則

城郊氣象參證站的選取主要根據(jù)資料累積時間、資料連續(xù)性、站點位置、城郊站間距離、站點數(shù)量、遷站情況來確定。氣象站選取原則：資料累積時間在10年以上；自建站后資料記錄連續(xù)、無間隔；郊區(qū)站必須位于非城區(qū)內(nèi)；城市熱島強度計算至少需要3個氣象站資料，即郊區(qū)站至少需要2個；站點間距離必須大于30 km，小于100 km；遷站水平距離不超過5 km的站點可作為郊區(qū)氣象參證站，而從城區(qū)遷至郊區(qū)的站點，需要剔除。依據(jù)上述原則，選取距西安站最近的戶縣、藍田、周至、涇陽、高陵和臨潼等6個氣象站作為非城市參證站。對陜西省氣象要素聚類分析表明，所選非城市參證站均位于同一氣候區(qū)[5]。

1.3 研究方法

西安站(57036)作為城市站，自1959年遷站到肖家村至2013年底，2014年起原西安站變更為西安區(qū)域加密站(V8870)，自2014年4月起開始觀測。為完整西安站數(shù)據(jù)序列，采用臨近區(qū)域站北關(guān)站(V8001)2014年4月—2016年12月數(shù)據(jù)，與V8870同時段數(shù)據(jù)建立方程，插值補齊缺失數(shù)據(jù)。考慮到所選取的非城市參證站遷站情況，為保證時間序列上的均一性，郊區(qū)氣溫采用各非城市參證站(簡稱“郊區(qū)站”)的平均值進行計算。

在分析西安城市熱島效應(yīng)年、季、月、日變化時取西安站氣溫與郊區(qū)站氣溫平均值之差代表西安城市熱島強度[3]，即

T=Tx-Ta，

其中，T為城市熱島強度；Tx為西安站氣溫；Ta為上述6個郊區(qū)站氣溫平均值。

2 西安年平均氣溫年際變化特征

圖 1為1961—2016年西安及周邊6站年平均氣溫年際變化。根據(jù)圖1可見：1961—1970年前后，西安及周邊郊區(qū)站年平均氣溫變化趨于一致，大體呈緩慢下降的趨勢。1971—1980年，西安、戶縣和臨潼氣溫緩慢上升，其余郊區(qū)站氣溫持續(xù)下降。1981—2016年西安及郊區(qū)站氣溫都有上升趨勢。其中1981—2000年西安站與戶縣站氣溫上升迅速；2000—2010年西安站氣溫上升趨勢高于其他站，且各站氣溫變化差異加大；2011—2016年西安氣溫上升趨勢變緩，而郊區(qū)站戶縣氣溫出現(xiàn)緩慢下降，藍田、涇陽和臨潼氣溫迅速上升。總體而言，城市站溫度線性趨勢率達0.458 ℃/10 a，郊區(qū)站溫度線性趨勢率平均為0.254 ℃/10 a，即城市站和郊區(qū)站均呈增溫趨勢，但城市站增溫幅度明顯大于郊區(qū)站。城市站與郊區(qū)站在1980年前氣溫變化差距較小，1980年后溫差逐漸增大，且在2000年后西安站增溫趨勢更為明顯。

圖1 1961—2016年西安及周邊6站年平均氣溫年際變化

3 西安城市熱島強度變化特征

3.1 年際變化及年代際變化

由圖2可見，1961—2016年西安熱島強度呈增大趨勢，線性趨勢率為0.002 ℃/10 a。1961—1980年熱島強度變化平穩(wěn)，介于-0.1～0.3 ℃之間，熱島效應(yīng)幾乎可以忽略不計。1981—2010年城市發(fā)展加快，氣溫迅速上升，也是城市熱島的一個明顯加強期[5]。這一時期熱島強度呈現(xiàn)一小一大兩個波峰：1981—1990為一小波峰，熱島強度為0.3～0.5 ℃，較前20 a略有增大，但熱島效應(yīng)不明顯；1991—2010年為一個大波峰，熱島強度為0.3～1.2 ℃，熱島效應(yīng)逐年迅速增大；2010年后熱島強度高位窄幅波動，2014年達到最大值1.3 ℃。

圖2 1961—2016年西安市熱島強度年際變化

由表1可見，西安城市熱島強度從20世紀70年代至今呈逐步升高的趨勢，60～90年代熱島強度緩慢增大，90年代至2000年代熱島強度大幅增加，2010年代變化不大。

表1 西安城市熱島強度年代際變化

3.2 月、季變化

圖3為1961—2016年西安累年逐月平均熱島強度變化。由圖3可看出，6—10月強度較小且波動變化，隨后迅速增大，12月至次年5月高位波動。其中強度最大為4月，最小為7月和10月。可見，西安市熱島強度以冬、春季相對較大，夏、秋季相對較小。

1961—2016年西安市各季熱島強度的線性趨勢率均為正值，說明西安站與周邊郊區(qū)站的溫差在逐漸增大，即西安各季城市熱島效應(yīng)均不斷增強。其中春季熱島強度最大，其次為冬季、秋季，而夏季最小。春季熱島強度線性趨勢率最大，為0.694 ℃/10 a；其次是冬季，為0.505 ℃/10 a，夏季最小。另外，四季熱島強度年際變化階段性特征較為明顯：1961—1980年，夏季熱島強度線性趨勢率相對最大，為0.177 ℃/10 a，其次為秋季、春季，冬季最小；1981—2016年，各季熱島強度均有明顯增加，以冬季線性趨勢率最大，達0.303 ℃/10 a，其次為春季，秋季最小。

圖3 1961—2016年西安市熱島強度月變化

3.3 日變化

由圖4可見，西安熱島強度以18時前后為最小，隨后快速增大，至次日07時達到最大，10時后迅速減小，午后至傍晚前后強度較小且波動變化，表現(xiàn)為夜間和早間較強，午間至傍晚小的分布特征。

圖4 2014—2016年西安城市熱島強度與各時次平均風(fēng)速變化關(guān)系

4 氣象條件對熱島強度變化的影響

選取2014—2016年為研究對象，分析降水和風(fēng)等氣象條件對城市熱島強度的影響。

4.1 降水

選取2014—2016年有降水的樣本數(shù)245個，其中小雨(24 h雨量小于10 mm)、中雨(24 h雨量介于10～25 mm)和大雨(24 h雨量介于25～50 mm)的樣本數(shù)分別為189、38和18個，三種降水類型均在夏季樣本最多，其次為春、秋季。由表2可見，在降水情況下，隨著雨量的增加城市熱島強度逐漸減弱，其原因可能是強度大的降水量降低了地面氣溫，其次降水時云阻擋了太陽直接輻射，使得城、郊下墊面溫差減小，甚至出現(xiàn)城、郊溫差趨近于零的現(xiàn)象；三種類型降水相比，大雨對熱島的影響最為突出，小雨最弱，持續(xù)降水情況下，大、中、小雨對熱島強度的減弱作用都非常顯著。

表2 2014—2016年西安城市熱島強度與降水變化關(guān)系

4.2 風(fēng)速

選取2014—2016年10分鐘風(fēng)速樣本數(shù)25 518個，西安市10分鐘最大風(fēng)速4.8 m/s。由表3可見風(fēng)速樣本中以1級風(fēng)居多，其次2級，3級最少，且風(fēng)力等級越高城市熱島強度越小。由圖4(見3.3節(jié))可見，各時次風(fēng)速與熱島強度呈反位相分布。風(fēng)速越大，城市熱島均越弱；風(fēng)速越小，城市熱島越強。表明風(fēng)速對城市熱島有減緩作用，地面風(fēng)能夠帶走城市熱量，起到減小城市熱島效應(yīng)的作用[6]。

表3 2014—2016年西安城市熱島強度與風(fēng)速變化關(guān)系

5 結(jié)論與討論

(1)西安城市熱島強度從20世紀70年代以來呈逐年增大趨勢。1981—2010年是城市熱島的一個明顯加強期，城、郊溫差逐漸增大，熱島效應(yīng)逐步增強，特別是90年代后熱島強度大幅增加；2010年后熱島強度高位窄幅波動。

(2)西安城市熱島強度存在明顯的季節(jié)變化，春季最大，冬季次之，夏季最小。

(3)6—10月熱島強度較小且波動變化，隨后迅速增大，12月至次年5月高位波動。其中強度最大為4月，最小為7月和10月。

(4)西安熱島強度以18時前后為最小，隨后快速增大，至次日07時達到最大，10時后迅速減小，午后至傍晚前后強度較小且波動變化，表現(xiàn)為夜間和早間較強，午間至傍晚小的分布特征。

(5)降水和風(fēng)速對城市熱島強度均有明顯的減弱作用。大雨對熱島的減弱作用最為突出，小雨影響較小，持續(xù)降水情況下大、中、小雨對熱島強度的減弱作用都非常顯著；各級風(fēng)力影響下城市熱島均表現(xiàn)為風(fēng)力等級越高城市熱島強度越小。