王 陽(yáng),孫然好

1 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650009 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

全球城市人口將在2000年30億的基礎(chǔ)上,在2050年增加到64億[1],全球一半以上的人口將受到城市熱島效應(yīng)的影響[2]。1833年英國(guó)氣候?qū)W家Lake Howard對(duì)倫敦城郊溫度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)城市中心的溫度明顯高于郊區(qū)[3];1958年,Manley將這種現(xiàn)象形象稱(chēng)之為“城市熱島效應(yīng)”[4]。城市熱島效應(yīng)與許多因素有關(guān)：一方面人類(lèi)活動(dòng)消耗的各種形式的能量釋放到大氣中,這部分熱量作為顯熱直接導(dǎo)致城市溫度上升;另一方面,城市化帶來(lái)的土地覆蓋從自然景觀(如自然植被和農(nóng)業(yè)用地)向不透水表面(如人工材料,主要是混凝土、瀝青、瓷磚、金屬)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致城市表面的輻射率、熱、濕度、粗糙度和發(fā)射率的變化[5]。隨著顯熱通量與潛熱通量之比的增加,導(dǎo)致城市地表及其上層的溫度升高[6]。城市環(huán)境中氣溶膠或霾污染的集中增強(qiáng)了影響大氣和地表之間能量交換的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫[7]。所有這些能量收支的變化都會(huì)影響城市熱島效應(yīng)的表現(xiàn)。

各位學(xué)者利用氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)從全球尺度[8- 10]、國(guó)家尺度[11- 17]、區(qū)域尺度[16,18- 19]、城市尺度[20- 27]對(duì)城市熱島的時(shí)空特征以及影響因素[5- 7,10,16- 17,20,28]、緩解措施[28- 30]等方面開(kāi)展了大量工作?；跉庀蟊O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究的大氣城市熱島效應(yīng),它具有較高的時(shí)間分辨率,能較好的研究城市熱島的時(shí)間演變規(guī)律;根據(jù)熱紅外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究的地表城市熱島效應(yīng),相對(duì)于氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),它具有更好的溫度空間分辨率。Jones等人收集了中國(guó)多個(gè)氣象站點(diǎn)多年的氣溫?cái)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)城區(qū)平均氣溫比鄉(xiāng)村的平均氣溫高0.39℃[12]。王媛媛等利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輔助手段研究了我國(guó)城市熱島和空氣質(zhì)量的時(shí)空變化及影響因素[11]。在1972 年 Rao 就利用遙感數(shù)據(jù)來(lái)反演地表溫度并應(yīng)用于城市熱島的研究[31],城市熱島效應(yīng)具有明顯的時(shí)空變化特征。Santamuris等調(diào)查了亞洲、大洋洲的城市熱島效應(yīng)均發(fā)現(xiàn)具有明顯的季節(jié)特征[9]。Rui等研究結(jié)果顯示,中國(guó)大部分城市的城市熱島強(qiáng)度和熱島面積在夏季白天明顯增加,而在夏夜和冬夜分別有大約一半和一半以上的城市顯著增加[13]。Penge等對(duì)全球419個(gè)大城市的地表城市熱島效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),白天地表城市熱島效應(yīng)高于夜間,兩者沒(méi)有相關(guān)性[8]。對(duì)于我國(guó)城市熱島效應(yīng)規(guī)律,從晝夜尺度來(lái)看,整體大部分城市熱島強(qiáng)度夜晚高于白天,并且具有一定空間分布特征。如Zhou等研究了我國(guó)32個(gè)主要城市2003—2011年間的晝夜地表城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布格局,結(jié)果表明夜間地表城市熱島強(qiáng)度高于白天,且具有較大的空間異質(zhì)性[14]。從季節(jié)尺度來(lái)看,全國(guó)整體夜間冬季城市熱島強(qiáng)度最強(qiáng),但因研究方法的不同,存在各城市熱島強(qiáng)度的晝夜及空間差異。如王媛媛等對(duì)全國(guó)不同區(qū)域的四季晝夜UHI進(jìn)行統(tǒng)計(jì),我國(guó)白天UHI夏季最強(qiáng),冬季最弱,與白天相反,夜間UHI冬季最強(qiáng),夏季最弱[11];不同于先前關(guān)于美國(guó)大陸的城市熱島研究,在美國(guó),夏季白天和夜晚的UHI均最強(qiáng)[15]。從空間尺度來(lái)看,我國(guó)城市熱島效應(yīng)的晝夜及季節(jié)特征因不同地區(qū)氣候背景有所差別;曹暢等按濕潤(rùn)區(qū)劃分氣候區(qū)研究中國(guó)城市熱島效應(yīng)的時(shí)空分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)各季節(jié)、晝夜熱島強(qiáng)度存在明顯的氣候區(qū)差異[16]。影響城市熱島的因素,首先是受到地理位置決定的氣候條件為主導(dǎo),其次是受到來(lái)自城市化與工業(yè)化進(jìn)程的影響。自然因素包括地理位置、海拔、植被覆蓋以及與地表覆蓋有關(guān)的因素。孫然好等研究了我國(guó)245個(gè)不同規(guī)模的城市局地氣候背景對(duì)城市熱島效應(yīng)日變化的影響,其解釋率分別為春季30%、夏季19%、秋季29%、冬季25%[17]。金珊合等人運(yùn)用局部氣候帶分類(lèi),研究大連市局部氣候帶分區(qū)類(lèi)型和特征,進(jìn)而分析不同局部氣候帶對(duì)城市地表溫度的影響[20]。

綜上研究發(fā)現(xiàn),同一城市熱島效應(yīng)存在季節(jié)性、晝夜性的差異,不同城市也存在因自然地理背景以及城市化等因素導(dǎo)致的熱島強(qiáng)度差異;而我國(guó)地域遼闊,地形復(fù)雜,氣候類(lèi)型多樣,南至熱帶/亞熱帶,北至亞北極[32],地處東亞季風(fēng)區(qū),具有由南至北逐漸減小的溫度梯度和由東南至西北逐漸減小的降水梯度[33],因此,對(duì)于全國(guó)尺度的城市熱島效應(yīng)研究有必要在不同氣候帶進(jìn)行量化和分析,有助于加深對(duì)城市熱島的演變認(rèn)識(shí)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)與方法

利用1991—2019年全國(guó)各城市逐年氣象數(shù)據(jù)、以柯本氣候分類(lèi)法為標(biāo)準(zhǔn),將我國(guó)劃分為五個(gè)氣候帶,研究我國(guó)各個(gè)氣候帶的空間分布特征以及時(shí)間演變特征(圖1),所選取的城市通過(guò)在Google Earth中對(duì)城市郊區(qū)氣象站點(diǎn)相對(duì)位置、站點(diǎn)下墊面的土地利用/覆蓋類(lèi)型進(jìn)行驗(yàn)證,篩選出各城市站點(diǎn)背景值最佳的1個(gè)市區(qū)站點(diǎn)和1個(gè)郊區(qū)站點(diǎn),最終確定了全國(guó)適合該研究的69個(gè)城市。選取的市區(qū)郊區(qū)站點(diǎn)是以2020年全國(guó)氣象站點(diǎn)位置和Google Earth實(shí)時(shí)地圖對(duì)照選取,由于城市化進(jìn)程一般是不可逆的,所以對(duì)于2020年以前的郊區(qū)站點(diǎn)也不會(huì)有城市化的影響;另外,對(duì)于市區(qū)站點(diǎn)位置選取的均是城市中心區(qū)域,在研究期間不存在市區(qū)站點(diǎn)由郊區(qū)轉(zhuǎn)化而來(lái)的情況,僅是一個(gè)城市化不斷發(fā)展的過(guò)程,這正好與本研究中城市熱島時(shí)間演變過(guò)程相契合。選取時(shí)間分辨率較高的氣象數(shù)據(jù)作為熱島效應(yīng)的量化依據(jù),數(shù)據(jù)均來(lái)自于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。

1.2 柯本氣候帶分類(lèi)

根據(jù)表1的分類(lèi)方法[34],通過(guò)最冷月平均氣溫、最熱月平均氣溫、年降水量、年平均氣溫的計(jì)算,將中國(guó)劃分為熱帶、干帶、冷溫帶、暖溫帶、極地帶5個(gè)氣候帶(圖1)。本研究中所涉及的69個(gè)城市是以各個(gè)城市城郊?xì)庀笳军c(diǎn)1991—2019年累年平均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)作為依據(jù)進(jìn)行的氣候帶分類(lèi),中國(guó)其余地區(qū)的氣候帶類(lèi)型以Google Earth全球累年1986—2010年柯本氣候帶分布區(qū)劃圖(空間分辨率為5m,更新時(shí)間為2017年)作為對(duì)照進(jìn)行劃分。

表1 柯本氣候符號(hào)及定義標(biāo)準(zhǔn)

圖1 基于柯本氣候分類(lèi)的1991—2019年中國(guó)氣候分布 Fig.1 Types of Chinese climate zones from 1991 to 2019 based on K?ppen climate classification

1.3 大氣城市熱島的量化

1.3.1城市熱島強(qiáng)度

數(shù)據(jù)為1991—2019年各站點(diǎn)逐年月均溫,考慮到市區(qū)、郊區(qū)站點(diǎn)海拔差異的影響,在進(jìn)行熱島強(qiáng)度量化時(shí),同時(shí)做了海拔溫度校正,即海拔每上升100m氣溫下降0.6℃;各城市的城市熱島強(qiáng)度以市區(qū)、郊區(qū)海拔溫度校正溫差作為量化標(biāo)準(zhǔn)。其計(jì)算方法如公式(1)。

(1)

式中,UHII(Urban Heat Island Intensity)表示城市熱島強(qiáng)度(℃);Tu表示市區(qū)站點(diǎn)溫度(℃);Tr表示郊區(qū)站點(diǎn)溫度(℃);Eu表示市區(qū)站點(diǎn)氣壓傳感器海拔高度(m);Er表示郊區(qū)站點(diǎn)氣壓傳感器海拔高度(m);其中,若UHII為負(fù)值,視為城市冷島效應(yīng)UCI(Urban Cold Island),其強(qiáng)度以城市冷島強(qiáng)度表示UHII(Urban Cold Island Intensity)。

1.3.2城市熱島效應(yīng)的季節(jié)差異

分別計(jì)算各城市春季(3月、4月、5月)、夏季(6月、7月、8月)、秋季(9月、10月、11月)、冬季(12月、1月、2月)累年平均熱島強(qiáng)度,并將熱島強(qiáng)度劃分為：強(qiáng)熱島(>2℃)、中等熱島(1—2℃)、弱熱島(0—1℃)、強(qiáng)冷島(<-2℃)、中等冷島(-2—-1℃)、弱冷島(-1—0℃)六個(gè)熱島強(qiáng)度等級(jí),最終空間分布結(jié)果在ArcGIS 10.2中呈現(xiàn)。另外計(jì)算不同季節(jié)中各氣候帶城市熱島強(qiáng)度的平均值,分別討論各季節(jié)中城市熱島效應(yīng)的氣候帶差異以及各氣候帶中城市熱島效應(yīng)的季節(jié)性差異。

1.3.3城市熱島強(qiáng)度的時(shí)間趨勢(shì)

在Origin 2018中繪制各氣候帶平均城市熱島效應(yīng)的逐年變化趨勢(shì)圖。首先進(jìn)行各氣候帶、各季節(jié)逐年平均城市熱島強(qiáng)度散點(diǎn)圖的繪制,再利用SG濾波法(Savitzky Golay Filter)進(jìn)行平滑信號(hào)處理[35]。SG濾波法的核心思想是對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)基于局部多項(xiàng)式最小二乘法進(jìn)行加權(quán)濾波擬合,是由Savitzky 和 Golay在1964年首次提出[36]。它的優(yōu)點(diǎn)在于,在濾波平滑的同時(shí),能夠更有效地保留信號(hào)的變化信息,在對(duì)城市熱島逐年變化趨勢(shì)的研究中能在最優(yōu)情況下擬合出變化的連續(xù)性。SG濾波法的模擬過(guò)程可用公式(2)表示：

(2)

式中,Uj*為SG濾波法平滑處理的UHII數(shù)據(jù);Uj+i為各年UHII 原始數(shù)據(jù);Wi為濾波系數(shù),即第i年UHII原始數(shù)據(jù)Uj在平滑窗口中的權(quán)重,由給定的高階多項(xiàng)式進(jìn)行最小二乘擬合得到;N為滑動(dòng)窗口的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(2m+1),其中m為窗口寬度。SG濾波函數(shù)的窗口寬度m值越大,濾波擬合越平滑;多項(xiàng)式階數(shù)越低,濾波越平滑,但也會(huì)帶來(lái)更高的誤差,階數(shù)較高可降低此誤差,但“過(guò)擬合”會(huì)帶來(lái)噪聲影響平滑處理結(jié)果[37]。為了確定SG濾波在不同氣候帶各季節(jié)逐年變化趨勢(shì)擬合中的最優(yōu)參數(shù),本文按照寬度3、5、10、20,及階數(shù)2、3、4組成12組參數(shù)組合進(jìn)行SG濾波擬合,經(jīng)實(shí)驗(yàn)最終選取平滑窗口寬度m為10、階數(shù)2為擬合效果最佳參數(shù)進(jìn)行平滑濾波處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市熱島的區(qū)域差異

根據(jù)前述各城市、各季節(jié)累年城市熱島強(qiáng)度的量化方法,經(jīng)ArcGIS10.2軟件繪圖得到全國(guó)各城市1991—2019年城市熱島效應(yīng)季節(jié)性空間特征分布圖(圖2)。我國(guó)城市熱島效應(yīng)具有明顯的氣候帶差異性,干帶地區(qū)四季均較強(qiáng),且明顯高于其他氣候帶;冷溫帶京津冀地區(qū)各季節(jié)均較高,溫暖帶西南地區(qū)四季均較強(qiáng),熱帶、極地帶四季均較弱,且極地帶有較強(qiáng)的冷島效應(yīng)出現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)了各季節(jié)全國(guó)城市熱島效應(yīng)及冷到效應(yīng)最強(qiáng)的城市及氣候帶(表2)。從氣候帶來(lái)看,干帶平均城市熱島效應(yīng)在四季均最強(qiáng),極地帶平均城市熱島效應(yīng)四季均為最弱(冷島效應(yīng)最強(qiáng))。從全國(guó)各個(gè)城市來(lái)看,春、夏、冬、年平均熱島強(qiáng)度最高的城市均處于干帶地區(qū);春、夏、秋、冬、年平均熱島效應(yīng)最弱(冷島效應(yīng)最強(qiáng))的城市均處于冷溫帶地區(qū)。以往研究表明干帶地區(qū)大部分城市由于郊區(qū)植被稀少,多為反照率更低、吸熱能力更強(qiáng)的裸土或荒漠,城市熱島效應(yīng)一般較弱、或表現(xiàn)為冷島效應(yīng)[16,23,38- 41],這與本文研究結(jié)果差異較大。主要原因是由于先前研究結(jié)果反映的是地表城市熱島效應(yīng),而本研究反映的是大氣城市熱島效應(yīng)。如干帶地區(qū)的哈密、庫(kù)爾勒等城市的市區(qū)下墊面和建筑表面反照率高于郊區(qū)荒漠,郊區(qū)地表白天更易吸收熱量,從而表現(xiàn)為郊區(qū)地表溫度高于市區(qū)。但對(duì)于大氣溫度而言,市區(qū)人口聚集、建筑密集,大量的熱排放至大氣中卻無(wú)法散失;而郊區(qū)多為地表開(kāi)闊且吸熱能力強(qiáng)的裸土或荒漠,大氣溫度更易通過(guò)氣流散失或被地表吸收,從而表現(xiàn)為市區(qū)大氣溫度高于郊區(qū)溫度。冷溫帶地區(qū)冷島效應(yīng)最強(qiáng)的城市為西寧和漠河,其主要原因?yàn)椋孩俪墙細(xì)饬鹘粨Q阻礙小,西寧處于冷溫帶高原地區(qū)、漠河處于亞北極冷溫帶地區(qū),氣溫低且降水少導(dǎo)致適宜生長(zhǎng)的植被低矮稀少、建筑物也較為低矮稀疏,因而對(duì)城郊?xì)饬鹘粨Q的阻礙也較小;②市區(qū)人為熱排放少、散熱快,由于城市規(guī)模小、建筑密度低、市區(qū)人為熱排放也就較低,加之市區(qū)站點(diǎn)海拔較高、風(fēng)速較大也進(jìn)一步提高了市區(qū)的散熱效果;③市區(qū)地表及建筑材料吸收了大量的大氣溫度,地表及建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)高、比熱容小,具有在高溫中升溫快、在低溫中降溫快的特性,因此在寒冷地區(qū)反而能吸收大氣中的熱量。因此城市化規(guī)模較小、寒冷、降水較為缺乏的冷溫帶城市更易表現(xiàn)為大氣冷島效應(yīng)。

圖2 四季UHI分布Fig.2 The distribution of UHI in four seasons

表2 不同季節(jié)城市熱島效應(yīng)(冷島效應(yīng))最強(qiáng)城市及氣候帶

對(duì)各季節(jié)不同氣候帶熱島強(qiáng)度進(jìn)行量化,討論各季節(jié)中城市熱島效應(yīng)的氣候帶差異(圖3、表3)。城市熱島效應(yīng)的氣候帶差異性全年整體表現(xiàn)為干帶最強(qiáng);極地帶最弱,且表現(xiàn)為較強(qiáng)的冷島效應(yīng)。各季節(jié)中氣候帶熱島效應(yīng)強(qiáng)弱依次為,春季：干帶>熱帶>冷溫帶>暖溫帶>極地帶,其中,極地帶有較強(qiáng)的冷島效應(yīng);夏季：干帶>熱帶>極地帶>冷溫帶>暖溫帶,各氣候帶均出現(xiàn)熱島效應(yīng);秋季：干帶>熱帶>冷溫帶>暖溫帶>極地帶,其中,極地帶有較強(qiáng)的冷島效應(yīng);冬季：干帶>冷溫帶>暖溫帶>熱帶>極地帶,其中,極地帶表現(xiàn)為較強(qiáng)的冷島效應(yīng),熱帶表現(xiàn)為較弱的冷島效應(yīng)。

圖3 各季節(jié)UHI氣候帶差異分布圖Fig.3 UHI distribution of different climatic zones in each season

表3 不同氣候帶各季節(jié)累年平均UHII(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)/℃

2.2 城市熱島的季節(jié)性差異

在不同區(qū)域氣候背景下量化了各季節(jié)城市熱島效應(yīng)(圖4)。其強(qiáng)弱依次為,熱帶：夏季>秋季>春季>冬季,其中冬季出現(xiàn)較弱的冷島效應(yīng);暖溫帶：夏季>秋季>春季>冬季,全年各季節(jié)均出現(xiàn)熱島效應(yīng);冷溫帶：春季>冬季>夏季>秋季,全年均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng);極地帶：僅夏季出現(xiàn)較弱的熱島效應(yīng),其他季節(jié)均出現(xiàn)強(qiáng)冷島效應(yīng),其中冷島效應(yīng)強(qiáng)度依次為,冬季>春季>秋季;干帶：春季>冬季>夏季>秋季,各季節(jié)熱島強(qiáng)度均為各氣候帶最高。

圖4 各氣候帶UHI季節(jié)性差異分布圖Fig.4 UHI distribution of different seasons in each climate zone

對(duì)各個(gè)氣候帶不同季節(jié)之間的城市熱島強(qiáng)度的差異進(jìn)行了顯著性分析(表4),發(fā)現(xiàn)各個(gè)氣候帶中不同季節(jié)之間城市熱島強(qiáng)度具有顯著性差異。如,熱帶夏熱冬暖、四季降水充沛,春、夏、秋季氣溫差異不大,僅冬季氣溫相對(duì)較低時(shí)城市熱島強(qiáng)度才與其他季節(jié)具有顯著差異性。暖溫帶四季均較溫暖、降水充沛,各季節(jié)氣溫、降水等氣候差異較小,因此氣候帶之內(nèi)的城市熱島效應(yīng)的季節(jié)差異性并不如其他氣候帶顯著。冷溫帶夏熱冬冷,氣候帶之內(nèi)的季節(jié)差異性顯著,但其季節(jié)差異性并不如其他氣候帶顯著;其主要原因可能是由于冷溫帶地區(qū)冬季大量的供暖增加了城市能耗,加劇了冬季原本較低的城市熱島強(qiáng)度,從而減小了氣候帶內(nèi)的季節(jié)差異性。極地帶四季氣溫均較低,一般僅夏季氣溫在0℃以上,夏季表現(xiàn)為較弱的熱島效應(yīng),其他季節(jié)均表現(xiàn)為較強(qiáng)的冷島效應(yīng);又因冬季氣溫極低且缺乏供暖系統(tǒng)、人為熱排放較少,冬季表現(xiàn)為極強(qiáng)的冷島效應(yīng);從而冬、夏季與其他季節(jié)形成了顯著的差異性。干帶夏熱冬冷、城市熱島效應(yīng)四季均較強(qiáng);由于四季降水缺乏、氣候常年干燥,城市熱島強(qiáng)度受降水調(diào)節(jié)的影響較為直接,當(dāng)夏、秋季節(jié)降水較多時(shí),市區(qū)降溫效果明顯,但在郊區(qū)少量的植被也具有一定的恒溫調(diào)節(jié)能力,導(dǎo)致夏秋季城市熱島明顯下降,從而夏、秋季與其他季形成了顯著的差異性。

表4 各季節(jié)UHII差異顯著性

統(tǒng)計(jì)了全國(guó)各季節(jié)六個(gè)熱島強(qiáng)度等級(jí)的城市數(shù)量特征(表5),發(fā)現(xiàn)全國(guó)城市春、夏、秋、冬四季普遍存在城市熱島效應(yīng),其發(fā)生率(熱島城市數(shù)量)分別為：70.6% (48個(gè))、76.5% (52個(gè))、63.23% (43個(gè))、60.3% (41個(gè));城市熱島效應(yīng)主要處于低熱島強(qiáng)度(0—1℃)范圍;極少數(shù)城市在春、夏、冬三季出現(xiàn)強(qiáng)熱島效應(yīng)(>2℃),其中冬季出現(xiàn)強(qiáng)熱島效應(yīng)的城市最多(4個(gè))。另外,在各個(gè)季節(jié)也存在部分城市冷島效應(yīng)的現(xiàn)象,主要集中于弱冷島強(qiáng)度(-1—0℃)范圍;僅冬季有少量城市(4個(gè))出現(xiàn)強(qiáng)冷島效應(yīng)(<-2℃)的現(xiàn)象 ?？傮w來(lái)說(shuō),秋季城市熱島效應(yīng)較為穩(wěn)定,熱島和冷島效應(yīng)均主要處于弱強(qiáng)度范圍;春、冬季城市熱島效應(yīng)較為波動(dòng),易出現(xiàn)強(qiáng)熱島、強(qiáng)冷島效應(yīng)的極端現(xiàn)象;夏季熱島效應(yīng)發(fā)生率最高,但熱島強(qiáng)度相對(duì)較弱。

表5 不同季節(jié)熱島強(qiáng)度等級(jí)的城市數(shù)量特征

2.3 城市熱島的時(shí)間演變規(guī)律

利用各城市不同季節(jié)1991—2019逐年熱島強(qiáng)度進(jìn)行氣候帶平均化,并利用SG濾波法進(jìn)行平滑處理,得出各氣候帶不同季節(jié)1991—2019年逐年平均熱島強(qiáng)度變化曲線(圖5)。(1)干帶：各年份四季幾乎均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng),各季節(jié)熱島效應(yīng)逐年變化趨于同一趨勢(shì),呈現(xiàn)先升高后降低的起伏狀態(tài);在2010—2015年四季熱島效應(yīng)均達(dá)到較高的狀態(tài),2010年后逐漸降低。熱島強(qiáng)度季節(jié)特征2010年前表現(xiàn)為：冬季>春季>夏季>秋季;2010年后表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季。(2)極地帶：各年份各季節(jié)中僅夏季出現(xiàn)較弱的熱島效應(yīng),其余均表現(xiàn)為冷島效應(yīng),且冬季冷島效應(yīng)最強(qiáng)。各季節(jié)熱島效應(yīng)(冷島效應(yīng))逐年變化趨于同一趨勢(shì),呈下降-上升-下降-上升的波動(dòng)狀態(tài),到2010年后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),且各個(gè)季節(jié)開(kāi)始出現(xiàn)較弱的熱島效應(yīng)。整體熱島強(qiáng)度季節(jié)性特征表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季,(冷島強(qiáng)度季節(jié)性特征表現(xiàn)為：冬季>春季>秋季>夏季)。(3)冷溫帶：各年份四季節(jié)均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng),各季節(jié)熱島效應(yīng)逐年變化趨于同一趨勢(shì),2005年前較為平穩(wěn),2005年后各季節(jié)城市熱島強(qiáng)度逐漸降低。整體熱島強(qiáng)度季節(jié)性特征表現(xiàn)為：春季>冬季>夏季>秋季。(4)暖溫帶：各年份四季節(jié)均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng),且強(qiáng)度較為平穩(wěn);各季節(jié)熱島效應(yīng)逐年變化趨于同一趨勢(shì),2010年后各季節(jié)城市熱島效應(yīng)逐漸降低。整體熱島強(qiáng)度季節(jié)性特征表現(xiàn)為：夏季>春季≥秋季>冬季。(5)熱帶：除了冬季少數(shù)年份出現(xiàn)城市冷島效應(yīng)外,各年份其他季節(jié)均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng);各季節(jié)熱島效應(yīng)逐年變化趨于同一趨勢(shì),2010年左右以前較為平穩(wěn),2010年以后有上升趨勢(shì)。整體熱島強(qiáng)度季節(jié)性特征表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季?？傮w來(lái)說(shuō),各季節(jié)城市熱島效應(yīng)演變規(guī)律在同一氣候帶都趨于同一趨勢(shì),不同氣候帶又具有較大差異。2010年前后是各氣候帶各季節(jié)城市熱島效應(yīng)的變化拐點(diǎn);2010年后,干帶、冷溫帶、暖溫帶熱島效應(yīng)均有所下降,熱帶、極地帶有所上升。

圖5 各氣候帶不同季節(jié)1991—2019年逐年平均UHI變化曲線Fig.5 The Variation curves of annual average UHI in different seasons of each climate zone from 1991 to 2019

3 討論

3.1 本研究結(jié)果與以往研究的差異

本研究基于全國(guó)各城市氣象數(shù)據(jù)揭示了不同氣候帶各季節(jié)大氣城市熱島的時(shí)空規(guī)律,目的在于針對(duì)不同氣候帶、不同季節(jié)的城市熱島效應(yīng)的緩解措施給予參考。本研究結(jié)論與以往研究存在一定的差異,如本研究中熱島效應(yīng)各季節(jié)最強(qiáng)的城市主要集中于干帶地區(qū),區(qū)域主要位于我國(guó)的西北地區(qū);而 Zhou等研究了我國(guó)32個(gè)主要城市熱島效應(yīng)的空間格局,發(fā)現(xiàn)東南部地區(qū)白天較高、北部地區(qū)夜間較高,尤其是氣候濕冷的東北地區(qū),城市熱島效應(yīng)最強(qiáng)[14]。其原因主要是兩個(gè)方面：其一是數(shù)據(jù)來(lái)源的差異,以往對(duì)我國(guó)全國(guó)尺度或區(qū)域尺度的城市熱島效應(yīng)多是基于遙感數(shù)據(jù)反演的地表城市熱島效應(yīng),熱島強(qiáng)度受城市下墊面、建筑材料等更直接的影響;而本文所利用的是氣象數(shù)據(jù)量化的大氣城市熱島效應(yīng),熱島強(qiáng)度受氣流、空氣質(zhì)量、城市形態(tài)等更直接的影響;影響因素權(quán)重不同,自然結(jié)果也就有所差異。另外,氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)時(shí)間、空間分辨率差異較大,氣象數(shù)據(jù)有較連續(xù)的時(shí)間序列,能更好的研究城市熱島的時(shí)間演變規(guī)律,遙感數(shù)據(jù)具有較好的空間分辨率,能更準(zhǔn)確的量化各城市整體熱島效應(yīng),二者本身量化熱島效應(yīng)的時(shí)空尺度差異較大,這在以后的研究中需要尤其注意的問(wèn)題。

3.2 存在問(wèn)題

以往研究表明,城市熱島效應(yīng)在時(shí)間尺度上具有季節(jié)性、晝夜性差異。而本文所研究的時(shí)間尺度僅僅考慮到季節(jié)性差異,量化的是各季節(jié)全天平均城市熱島效應(yīng),缺乏進(jìn)一步對(duì)各季節(jié)晝夜差異的探討,因此在后期研究中有必要對(duì)城市熱島效應(yīng)的晝夜差異做出細(xì)致劃分。此外,本研究采用氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,由于各氣候帶中適合作為城市熱島效應(yīng)研究的城郊站點(diǎn)數(shù)量有限,無(wú)法保證各個(gè)氣候帶都有相同且足夠統(tǒng)計(jì)量的城市數(shù)目進(jìn)行研究。因此,對(duì)于各個(gè)氣候帶的差異分析可能存在一定的不足或偏差。但對(duì)于各氣候帶中的季節(jié)差異性研究,因?yàn)楦鳉夂驇е懈鞒鞘械牟煌竟?jié)的數(shù)據(jù)是一一對(duì)應(yīng)的,且滿足統(tǒng)計(jì)量分析,因此對(duì)于各個(gè)季節(jié)的差異分析具有可信性。

3.3 研究啟示

對(duì)于城市熱島效應(yīng)的治理,我們考慮從解決其兩個(gè)方面的危害出發(fā),首先是城市熱島效應(yīng)加劇了高溫天氣、降低了城市生活舒適度;另外就是影響了局部小氣候,使氣壓環(huán)流向城市中心匯聚,導(dǎo)致了如市區(qū)內(nèi)部極端降水事件的增加增強(qiáng)、有毒有害氣體向市區(qū)中心匯聚、加速光化學(xué)污染速率等現(xiàn)象。對(duì)于兩種危害而言,不同氣候帶、不同季節(jié)所呈現(xiàn)的作用效果不同。對(duì)于不同季節(jié),如一些城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步升高了夏季高溫天氣氣溫,降低了城市生活舒適度、增加了制冷能耗,但在冬季卻在一定程度上增加了舒適度、降低了供暖能耗。與此同時(shí),對(duì)于一些如冬季霧霾天氣較多的城市,城市熱島效應(yīng)也加劇了污染物的匯聚。再者,對(duì)于不同氣候帶,如干帶地區(qū)夏熱冬冷、降水較少、植被較為低矮稀疏、自然風(fēng)速較大,植被對(duì)熱島效應(yīng)的緩解效果較低,但市區(qū)與郊區(qū)的大氣熱量和物質(zhì)交換較快,一定程度上降低了城市熱島效應(yīng);而對(duì)于暖溫帶地區(qū)夏熱冬暖、降水充沛、植被高大茂盛,卻也在一定程度上降低了城郊的大氣交換效率,加劇了城市熱島效應(yīng)。因此針對(duì)城市熱島效應(yīng)的緩解必須首先考慮到各個(gè)城市的季節(jié)特征以及氣候地理適宜性,從而選擇各個(gè)氣候帶適宜的植被、建筑材料、建筑物類(lèi)型等;其次再是充分考慮城市發(fā)展?fàn)顩r及需求、環(huán)境污染特征等,從而做出適合的城市景觀格局規(guī)劃和工程措施。

城市熱島效應(yīng)時(shí)空特征規(guī)律是一個(gè)受多維因素綜合影響的結(jié)果,如氣候帶背景、季節(jié)、晝夜、地形、城市化程度、城市形態(tài)等尺度劃分差異都有可能導(dǎo)致最終結(jié)果的差異。因此,在今后的城市熱島的研究中首先有必要對(duì)城市熱島效應(yīng)的時(shí)空特征規(guī)律進(jìn)行更精細(xì)的量化。充分利用氣象數(shù)據(jù)較高時(shí)間分辨率的特點(diǎn),以及遙感數(shù)據(jù)較高的空間分辨率特點(diǎn),二者相結(jié)合,增強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間序列的連續(xù)性、細(xì)化不同時(shí)間階段的分類(lèi),精確大尺度研究的空間特征及其延續(xù)性;其次,對(duì)多種影響因素進(jìn)行綜合考量,進(jìn)一步細(xì)化研究城市對(duì)象的分類(lèi),為城市熱島效應(yīng)治理應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

基于我國(guó)69個(gè)城市的市區(qū)-郊區(qū)氣象站點(diǎn)1991—2019年逐年月均溫及月均降水?dāng)?shù)據(jù),對(duì)我國(guó)不同氣候帶城市熱島效應(yīng)的時(shí)空特征規(guī)律進(jìn)行研究,主要結(jié)論：

(1)區(qū)域差異：我國(guó)城市熱島效應(yīng)干帶明顯高于其他氣候帶,極地帶最弱,且表現(xiàn)為較強(qiáng)的冷島效應(yīng),熱帶、暖溫帶、冷溫帶較弱;其中,冷溫帶京津冀地區(qū)各季節(jié)熱島效應(yīng)較強(qiáng),溫暖帶南部地區(qū)熱島效應(yīng)較為明顯。全國(guó)各季節(jié)城市熱島效應(yīng)最強(qiáng)的城市主要集中于干帶地區(qū),熱島效應(yīng)最弱(冷島效應(yīng)最強(qiáng))的城市主要集中于冷溫帶和極地帶地區(qū)。

(2)季節(jié)性差異：我國(guó)各季節(jié)城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱關(guān)系在不同氣候帶有所不同;但從全國(guó)范圍來(lái)看,秋季城市熱島效應(yīng)較為穩(wěn)定,熱島和冷島效應(yīng)均主要處于弱強(qiáng)度范圍;春、冬季城市熱島效應(yīng)較為波動(dòng),易出現(xiàn)強(qiáng)熱島、強(qiáng)冷島效應(yīng)的極端現(xiàn)象;夏季熱島效應(yīng)發(fā)生率最高,但熱島強(qiáng)度相對(duì)較弱。各氣候帶四季熱島強(qiáng)度表現(xiàn)為,熱帶：夏季>秋季>春季>冬季,其中冬季出現(xiàn)較弱的冷島效應(yīng);暖溫帶：夏季>秋季>春季>冬季,全年各季節(jié)均出現(xiàn)熱島效應(yīng);冷溫帶：春季>冬季>夏季>秋季,全年均出現(xiàn)城市熱島效應(yīng);極地帶：僅夏季出現(xiàn)較弱的熱島效應(yīng),其他季節(jié)均出現(xiàn)強(qiáng)冷島效應(yīng),其中冷島效應(yīng)強(qiáng)度依次為,冬季>春季>秋季;干帶：春季>冬季>夏季>秋季,各季節(jié)熱島強(qiáng)度均為各氣候帶最高。

(3)時(shí)間演變規(guī)律：各季節(jié)城市熱島效應(yīng)逐年演變規(guī)律在同一氣候帶趨于同一趨勢(shì),不同氣候帶又具有較大差異。2010年前后是各氣候帶各季節(jié)城市熱島效應(yīng)的變化拐點(diǎn),2010年后,干帶、冷溫帶、暖溫帶熱島效應(yīng)均有所下降,熱帶、極地帶有所上升。