京津冀中部地區城市化對夏季城市熱島效應的影響

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

城市熱島效應是城市氣溫比郊區氣溫高的一種現象，其形成的原因一方面為人們日常生活所發出的熱量；另一方面是城市中建筑群密集，城市路面比郊區的土壤、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多，夜晚城市降溫緩慢，氣溫仍比郊區高。此時城市中心一股較強的暖氣流上升，而郊外的相對冷的空氣下沉，形成了城郊環流，各種污染物在此局地環流下聚集在城市上空，當有強冷空氣過境時，污染物才會消散，否則城市的空氣污染會加重，人類生存的環境被破壞，造成人類各種疾病的發生，甚至造成死亡[1-2]。

氣候條件的變化是造成熱島效應的外因，而城市化才是熱島形成的內因。城市熱島形成的原因主要有以下幾點：第一，由于城市中有大量的人工構筑物，使得下墊面的熱力屬性反射率小，熱傳導快；第二，工廠生產、交通運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，產生溫室效應，導致大氣進一步升溫；第四，城市中的綠植、樹木和水體減少導致城市緩解熱島效應的能力下降[3-6]。

國內近幾年有許多學者對北京、上海、廣州、成都、寧波等大城市進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狀進行分析，發現城市熱島效應在夏季最強，春季最弱，同時冬季夜晚城市熱島呈現較大的波動。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，得出只要城市規劃科學合理，城市熱島效應也能得到有效緩解。黃鶴樓等[9]對比城區站、郊區站和海島站城市化對最高最低氣溫增幅的影響，研究發現城市化對高溫熱浪影響尤為顯著。鄭有飛等[10]利用NCEP/NCAR 再分析資料和DMSP/OLS衛星夜晚燈光數據，分析了1961—2010年城市化對長江中下游的地區溫度變化的影響，結果表明：城市化對溫度日較差的貢獻率最大。

雖然熱島效應現象在一年四季均可出現，但夏季的熱島效應較其他季節對人們生產生活的影響相對較大，尤其是伴隨高溫天氣時。因此，本文利用1995—2020年ERA5地面2 m溫度再分析資料，結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數據，對京津冀中部城市的夏季地面溫度變化與城市化進程的關系進行分析，對比不同城市化進程下城市熱島效應的變化情況，以期對廊坊城市的合理規劃、生態城市的建設等提供一定的參考和借鑒。

1 資料和方法

1.1 資料

溫度數據來源于1995—2020年ERA5再分析資料中夏季6—8月的地面2 m溫度數據，該數據時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.1°×0.1°。該數據具有穩定時間序列與統一的空間序列，適合用作長時間序列的溫度統計。

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

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

1.2 方法

1.2.1 溫度等級劃分均值-標準差法利用地表溫度的均值（mean）結合不同倍數的標準差（std）對溫度（T）進行分級，能夠很好地對城市熱島效應進行有效界定，能夠很好地反映熱場的空間分布[12]。本文將溫度數據處理并計算出年平均溫度場，再將溫度場根據表1進行劃分溫度等級。

表1 溫度等級劃分對應表

1.2.2 劃分城市區與非城市區為了提取城市化進程對城市熱島效應的貢獻程度，程志剛等驗證發現DMSP/OLS夜間燈光數據像元值在35～63之間的區域可作為建成區，即為城市區，其他地區則為非建成區，即為非城市區[13]。

NPP/VIIRS數 據 比DMSP/OLS數據分辨率更高，具有更強的夜光探測能力，楊任飛發現2種數據之間存在明顯的相關性，并通過2種數據的擬合獲得建成區的提取，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數據的夜光輻射強度，通過擬合之后，NPP/VIIRS數據和DMSP/OLS數據提取建成面積誤差較小，并且保持數據在比較時的客觀一致性[14]。

1.2.3 城市熱島強度等級劃分為了能夠更好地表示城市熱島強度的年際變化，葛偉強等將熱島強度表示為研究區域內溫度格點值與非城市區溫度均值之差t[15]，并將熱島強度劃分為7個等級（表2）。采用謝志清等[16]的方法對城市區熱島效應進行進一步的定量分析。

表2 熱島強度等級劃分對應表

2 結果與分析

2.1 溫度場的時空變化

將地面2 m溫度場按照均值-標準差法進行等級劃分，可以看出40°N以北的區域基本都處于中溫區，低溫區和次低溫區均穩定位于渤海灣內東及西北部地區，其中中溫區和次高溫區的變化較為明顯（圖1）。

1995年次高溫區主要分布在保定東南部、廊坊中南部以及滄州地區（圖1a）；2000年次高溫區向東北方向延伸，新增了北京南部、廊坊北部以及天津大部分地區（圖1b）；2005年次高溫區面積向西南方向減小，其中廊坊北部和天津北部轉為中溫區（圖1c）；2010年次高溫區進一步向西減小，導致廊坊東部以及天津大部分地區轉為中溫區（圖1d）；2015年次高溫區面積大幅增加，其中廊坊北部、天津轉為次高溫區（圖1e）；2020年次高溫區面積較2015年無明顯變化（圖1f）。對比1995年與2020年溫度場分布來看，次高溫區面積明顯增大，可以看出京津冀中部地區地面2 m溫度場整體成呈上升趨勢。

圖1 1995—2020年京津冀中部地區夏季溫度場分布圖

2.2 熱島強度的時空變化

圖2為京津冀中部地區1995—2020年夏季熱島強度分布圖，可以看出強低溫、次強低溫、弱低溫以及過渡區位置與面積變化不大，其形狀很好的對應了河北山脈的走勢以及渤海灣的形狀，弱熱島的與過渡區的邊界位置也基本穩定，而次強熱島面積變化比較明顯。1995年次強熱島主要分布在保定東南部以及滄州西部地區（圖2a）；2000年次強熱島向東北部擴展，廊坊、天津、北京南部大部分地區由弱熱島轉為次強熱島（圖2b）；2005年次強熱島略向西南部減弱，廊坊北部和天津北部地區轉為弱熱島（圖2c）；2010年城市熱島效應進一步減弱，天津和廊坊東部地區轉為弱熱島（圖2d）；2015年城市熱島效應明顯，次強熱島地區進一步向東擴展，天津大部分地區轉為次強熱島（圖2e）；2020年次強熱島區域繼續向東北擴展，面積較2015年略有增加（圖2f）。由此可見，城市熱島效應并不是一直持續呈增長趨勢的。2020年城市熱島效應分布較1995年有明顯增加，總體來說，城市熱島面積與城市熱島強度有很好的對應關系。

圖2 1995—2020年京津冀中部地區地區夏季城市熱島強度分布圖

2.3 夏季城市熱島效應的變化特征

表3統計了逐5年京津冀中部地區城市夏季熱島強度特征，可以看出整體溫度呈升高的趨勢，1995—2020年整體城市區溫度上升1.46℃，非城市區平均溫度上升0.21℃，熱島強度升高0.21℃，城市熱島效應對于區域內的增溫貢獻上升0.11℃，平均每5年增溫0.12℃。

表3 1995—2020年逐5年京津冀中部地區夏季城市熱島效應特征統計表

逐5年溫度中2000年溫度整體偏高，并且其熱島強度也最大，究其原因發現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年內降水最少的年份，這可能是導致該年溫度普遍高于其他年份的主要原因。

3 結論與討論

本文利用ERA5再分析資料結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜間燈光數據對1995—2020年京津冀中部地區城市化對城市熱島效應進行分析，得出以下結論：

（1）從地面2 m溫度場的分布研究發現，低溫區和次低溫區穩定位于海拔較高和渤海灣地區，研究區域內主要存在中溫區向次高溫區的轉換，總體來看，研究區域中的熱島面積在逐漸增多，當然也存在城市熱島效應緩解的情況。

（2）從熱島強度的分布研究分析，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熱島的轉換。城市熱島效應明顯增加，但并不是一直持續呈增長趨勢的?？傮w來說，城市熱島面積與城市熱島強度有很好的對應關系。

（3）1995—2020年夏季熱島強度增加了0.21℃，城市熱島效應對區域增溫分別貢獻了0.06℃和0.17℃，變化量為0.11℃，平均每5年貢獻0.12℃。說明地面2 m溫度的變化與城市化進程密切相關。同時發現降水量對城市熱島效應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據，研究城市化對城市熱島效應的影響，形成城市熱島效應的因素還有很多，還需要結合其他資料和方法來更深的研究城市熱島效應與氣候變化的關系。同時，倡導節能減排，合理的規劃城市，是降低城市熱島效應的有效途徑。