關(guān)鍵詞 城市熱島強度； 冠層城市熱島； 氣象條件； 自動氣象站； 武漢市

隨著城市規(guī)模的不斷擴展和內(nèi)部建筑密度的持續(xù)增加，城市熱島效應(yīng)不斷增強［1］，并加劇了大氣污染惡化、人體熱舒適下降等諸多城市氣候環(huán)境問題［2］。準(zhǔn)確分析城市熱島強度及其時空變化對城市熱環(huán)境緩解策略的制定具有重要意義?；跀?shù)據(jù)來源，城市熱島效應(yīng)評估主要包含城市地表熱島和城市冠層熱島2 個層面［3-4］。由于衛(wèi)星反演的陸地表面溫度數(shù)據(jù)無法有效評估城市自然及人工要素對行人層熱環(huán)境的綜合影響，且受過境時間限制而無法開展多時段監(jiān)測［5-7］。近年來借助逐步完善的城市氣象觀測網(wǎng)絡(luò)，研究者們對城市冠層熱島的時空分異特征開展了相關(guān)研究［3-4， 8-9］，探究城市空間結(jié)構(gòu)對晝夜冠層熱島空間分布的影響，利用插值分析等技術(shù)識別城市冠層熱島變化的擴張方向及其強度變化。通過揭示冠層城市熱島特征，相關(guān)研究為科學(xué)地理解城市熱環(huán)境及相關(guān)熱緩解策略制定提供了參考，但冠層城市熱島時空分異的精細化分析仍有待進一步提升，主要體現(xiàn)在，一是對日加熱周期間的熱島強度變化關(guān)注不夠［10］，尤其缺少在不同城市建設(shè)環(huán)境下揭示升溫和降溫過程中的熱島強度變化規(guī)律研究［11-13］；二是相關(guān)研究在評估過程中忽視了變化的氣象條件對觀測城市熱島的影響［14-16］，影響研究結(jié)果的適用性。

在冠層城市熱島強度（canopy urban heat island in?tensity，CUHII）的計算方法層面，目前對城市效應(yīng)的分析多使用城鄉(xiāng)對比法進行［17］，大部分研究主要采用典型城市氣象站與所選單個或多處鄉(xiāng)村站點的平均氣溫差值作為該城市站代表區(qū)域的城市熱島強度。然而，對于超大型現(xiàn)代城市，差異化的片區(qū)發(fā)展模式和復(fù)雜的下墊面空間結(jié)構(gòu)不僅加劇了城市熱島問題，也導(dǎo)致城市熱島分布特征更加復(fù)雜，且已有學(xué)者指出傳統(tǒng)方法簡單的平均計算可能難以有效反映建成空間對周邊熱環(huán)境的影響［18］，不利于對城市內(nèi)部熱島強度的準(zhǔn)確判斷。

針對上述問題，本研究以我國中部超大型城市武漢市為例，利用城市高密度氣象網(wǎng)絡(luò)的夏季逐時氣溫數(shù)據(jù)，嘗試建立一種考慮城市不同片區(qū)空間發(fā)展?fàn)顩r的冠層熱島強度計算方法，并結(jié)合基于“城-郊”二分法的傳統(tǒng)算法，在多種氣象條件下評估和比較片區(qū)算法與傳統(tǒng)算法下的城市冠層熱島時空分異特征以綜合分析其可行性，旨在為識別城市熱環(huán)境重點治理及保護區(qū)域，為城市熱環(huán)境緩解及優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

武漢市地處江漢平原東部，是華中地區(qū)最大、城市化程度最高的城市，其建成區(qū)面積由2000 年的210 km2 擴張至如今925 km2，常住人口1 377.4 萬人。武漢經(jīng)歷了多個階段的城市化歷程，高強度的城市擴張使得大量自然地表被城市建筑替代，并形成了復(fù)雜多樣的下墊面空間特征。其中，長江與漢江將武漢市中心區(qū)域劃分為武昌、漢口和漢陽3 大片區(qū)。受城市規(guī)劃、經(jīng)濟發(fā)展等多方面因素的綜合影響，不同城市片區(qū)的發(fā)展模式各異。武昌片區(qū)在分布大量高密度高層建筑的同時，還具備東湖、南湖等大型自然水體；漢口片區(qū)集中了眾多商圈和高密度住宅區(qū)，自然斑塊面積較小；漢陽片區(qū)則分布有大面積的自然地表且城區(qū)整體開發(fā)強度相對較低。總體上，武漢市中心城區(qū)內(nèi)部的不同片區(qū)呈現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性［19］，而城市形態(tài)和發(fā)展模式的差異也使得中心城區(qū)的冠層城市熱島時空分布高度復(fù)雜化。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及城鄉(xiāng)代表站篩選

所用氣象觀測資料來源于武漢市氣象部門，包括武漢市中心城區(qū)范圍內(nèi)自動氣象站（圖1）2022 年夏季（6―8 月）的逐時氣溫資料，本研究使用的武漢市地圖底圖來源于國家標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/），審圖號為GS（2019）1652 號。為盡可能保證氣象觀測過程的準(zhǔn)確性，中心城區(qū)所選氣象站海拔統(tǒng)一為20～30 m，且氣象站數(shù)據(jù)采集的信息丟失率低于0.5%［20］。中心城區(qū)內(nèi)共篩選出34 處城市氣象站，所選站點均具有相對開敞的觀測條件，以避免鄰近的植被或建筑體對觀測過程產(chǎn)生直接干擾。在此基礎(chǔ)上，針對武昌、漢口、漢陽片區(qū)各選取5 處郊區(qū)站進行熱島強度計算。其中，所選郊區(qū)站不僅滿足相應(yīng)的下墊面要求，站點間的位置盡可能均勻地分布于對應(yīng)片區(qū)的外圍從而降低外部來流條件變化對評估結(jié)果的影響［21］。

1.3 典型氣象日選取

本研究利用3 種天氣條件探討中心城區(qū)的冠層城市熱島特征：第一類是高溫天氣，參照2012 年印發(fā)的《防暑降溫措施管理辦法》及GB /T 27962—2011《氣象災(zāi)害預(yù)警信號圖標(biāo)》，將日最高氣溫≥35 ℃的天氣定義為高溫天氣；第二類是晴朗天氣，定義日最高氣溫lt;35 ℃且少云微風(fēng)的天氣為晴朗天氣；第三類是降水天氣，將最小累計降水量≥0.1 mm 的天氣定義為降水天氣（表1）。

1.4 城市冠層熱島強度計算

武漢市位于長江流域中游，被漢江和長江分為3個部分，即武昌、漢口和漢陽。隨著多年的城市化發(fā)展，3 個片區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀有著明顯差異，以往傳統(tǒng)城郊站算法將城市全部郊區(qū)站的均值作為郊區(qū)站溫度，可能無法準(zhǔn)確刻畫出武漢市不同片區(qū)熱島的變化特征，因此引入基于城市片區(qū)的城市冠層熱島強度CUHII 計算方法，對武漢市3 個片區(qū)城市熱島進行研究。

1.5 城市冠層熱島強度空間分布插值

克里金空間插值法建立在變異函數(shù)理論結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，可通過對空間上已知點的數(shù)據(jù)加權(quán)后預(yù)測未知點的值［22-24］。本研究利用該方法通過有限的氣象觀測站點對武漢市中心城區(qū)范圍內(nèi)的CUHII空間分布特征及其日變化過程進行綜合評估；基于Arc GIS 平臺，選用半方差函數(shù)模型對中心城區(qū)夏季02：00 和14：00 的CUHII 分別進行插值計算并形成CUHII 空間分布圖；為準(zhǔn)確識別和劃分城市冷熱島中心，結(jié)合城市下墊面特征，將熱島強度低于?1.2 ℃視為冷島低值區(qū)，將熱島強度高于2.4 ℃視為熱島高值區(qū)［25］。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季平均城市冠層熱島強度日變化

由圖2 可知，2 種算法下的城市冠層熱島效應(yīng)具有明顯的“夜強晝?nèi)酢钡娜兆兓?guī)律，不同片區(qū)和中心城區(qū)冠層熱島強度變化趨勢相似程度較高：從00：00―06：00 時開始緩慢下降，07：00―09：00 快速下降，10：00―15：00 相對平坦，16：00―21：00 熱島強度快速增加，后趨于穩(wěn)定。

針對不同算法，不同片區(qū)冠層熱島強度展現(xiàn)出較大差異。對于傳統(tǒng)算法，不同片區(qū)和中心城區(qū)冠層熱島強度大小非常接近，差值穩(wěn)定在0.28 ℃以內(nèi)，與之相反，片區(qū)算法下不同片區(qū)的冠層熱島強度大小差異較大，差值最小為0.04 ℃，最大達1.05 ℃。與傳統(tǒng)算法相比，漢口片區(qū)全天冠層熱島強度的變化趨勢并未有較大變化，但數(shù)值上整體高出0.2 ℃；漢陽片區(qū)晝夜冠層熱島強度差異變小，夜間熱島強度低0.5 ℃左右，晝間未有較大變化；武昌片區(qū)變化最為顯著，主要體現(xiàn)在晝間出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，最大冷島強度達?0.35 ℃，下降近0.6 ℃，這在傳統(tǒng)算法中并未體現(xiàn)。

2.2 典型氣象條件下城市冠層熱島日變化特征

為探究不同算法是否受氣象影響，對3 種典型天氣條件下城市冠層熱島強度日變化進行分析。由圖3 可知，傳統(tǒng)算法展現(xiàn)的熱島強度曲線總體趨勢大致相似，而片區(qū)算法展現(xiàn)的熱島強度差異顯著，這種差異在高溫天氣和降水天氣尤其明顯。高溫天氣和晴朗天氣的熱島強度具有鮮明的日變化特征，降水天氣的晝夜變化特征差異較小。

高溫期間城市冠層熱島強度日變化表現(xiàn)出與夏季平均城市熱島強度較為一致的變化特征，主要體現(xiàn)在2 種算法下各片區(qū)的晝夜熱島強度差異較大，晝間熱島強度處于較低水平，夜間熱島強度則較高。傳統(tǒng)算法下，3 個片區(qū)與中心城區(qū)熱島強度表現(xiàn)出一致的變化趨勢，最大差值僅為0.49 ℃（03：00），熱島強度由大到小依次為漢口gt;中心城區(qū)gt;武昌gt;漢陽。片區(qū)算法下，3 個片區(qū)的熱島強度變化差異顯著，熱島強度由大到小依次為漢口gt;武昌gt;漢陽（夜間），漢口gt;漢陽gt;武昌（晝間）；武昌片區(qū)熱島強度在夜間達到更高水平，最高達2.36 ℃，上升0.3 倍；晝間出現(xiàn)冷島現(xiàn)象，最高達?0.57 ℃，熱島強度下降4.5倍。傳統(tǒng)算法下漢口片區(qū)晝間熱島強度被低估，2 種算法同時期相比最大相差0.57 ℃（16：00），上升1 倍；漢陽片區(qū)夜間熱島被明顯高估，2 種算法熱島差值最大達0.54 ℃（00：00），下降0.3 倍。

晴朗條件下2 種算法差異較小。傳統(tǒng)算法下，3個片區(qū)及中心城區(qū)冠層熱島強度大小排序大致依次為漢口gt;中心城區(qū)gt;漢陽gt;武昌（晝間），漢陽gt;漢口gt;中心城區(qū)gt;武昌（夜間），最大差值為0.35 ℃（11：00）。片區(qū)算法下，3 個片區(qū)的熱島強度大小排序為漢口gt;漢陽gt;武昌（晝間），漢口gt;武昌gt;漢陽（夜間）；漢口片區(qū)的熱島強度明顯高于其他2 個片區(qū)，晝間熱島強度未呈現(xiàn)較大差異，但夜間熱島強度上升0.24 ℃；漢陽片區(qū)晝間熱島強度減少0.50 ℃，晝間熱島強度并未發(fā)生明顯變化；武昌片區(qū)熱島強度在2 種算法下則未呈現(xiàn)明顯差異。

降水條件下城市冠層熱島強度晝夜變化特征不穩(wěn)定，表明降水不利于城市熱島的形成，在調(diào)節(jié)熱島效應(yīng)中起至關(guān)重要的作用，這與Cui 等［26］的研究結(jié)果一致。傳統(tǒng)算法下，3 個片區(qū)及中心城區(qū)熱島強度大小排序依次為漢陽gt;武昌gt;中心城區(qū)gt;漢口，且這種排序隨著逐時變化并不穩(wěn)定。片區(qū)算法下，3 個片區(qū)的熱島強度大小排序為漢口gt;漢陽gt;武昌；漢口片區(qū)和武昌片區(qū)的熱島強度變化顯著；漢口片區(qū)熱島強度整體上升，最大差值為1.03 ℃（14：00 和15：00），提高了17 倍；武昌片區(qū)出現(xiàn)明顯的晝夜熱島強度變化規(guī)律，即晝間低，夜間高，晝間出現(xiàn)明顯冷島現(xiàn)象，最大冷島強度達-0.77 ℃，這在傳統(tǒng)算法中并未體現(xiàn)。

2.3 不同算法下冠層熱島及冷島中心空間分布特征

結(jié)合CUHII 的克里金插值計算結(jié)果，由圖4 可知，02：00 時，傳統(tǒng)算法識別出的冠層熱島中心主要集中在二環(huán)和三環(huán)之間的漢口片區(qū)及漢陽片區(qū)居住區(qū)及工業(yè)園區(qū)較密集區(qū)域；片區(qū)算法識別出的冠層熱島中心范圍更大，呈連續(xù)帶狀橫貫武漢市中心城區(qū)西北部和南部居住及商業(yè)密集區(qū)域，從漢口片區(qū)延續(xù)至武昌片區(qū)。14：00 時，傳統(tǒng)算法識別出的冷島區(qū)域共有3 處，呈片狀分散在武漢市中心城區(qū)大型水體附近，其中臨近三環(huán)北部的天興洲附近出現(xiàn)冷島中心；片區(qū)算法識別出集中在長江、東湖及南湖等大型藍色空間附近的連續(xù)大范圍冷島區(qū)域，其中二環(huán)線外東湖南部和北部形成2個較為顯著的冷島中心。

3 討論

冠層城市熱島由于更易受到復(fù)雜多樣的人工及自然下墊面要素的綜合驅(qū)動［27］，使得CUHII 算法的選擇對于城市熱環(huán)境時空變化的準(zhǔn)確評估至關(guān)重要。針對超大型城市高度異質(zhì)化的空間肌理，本研究提出了基于城市片區(qū)的CUHII 計算方法，并結(jié)合基于“城-郊”二分法的傳統(tǒng)算法，研究比較2 種算法下的冠層城市熱島日變化及空間分布特征，結(jié)果表明片區(qū)算法有助于在不同城市片區(qū)深入挖掘城市熱島效應(yīng)的內(nèi)部時空分異，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)算法可能掩蓋的熱島特征。

傳統(tǒng)算法下不同城市片區(qū)的CUHII 日變化趨勢及強度高度一致，而片區(qū)算法下不同城市區(qū)域的CUHII 差異顯著，且識別出了具有大型自然空間且建設(shè)強度高的武昌片區(qū)強烈的晝夜熱島差異及晝間持續(xù)的冷島現(xiàn)象。同時，天氣條件會進一步加劇不同算法下的城市熱島日變化差異，尤其是高溫和降水天氣會顯著加劇片區(qū)算法中城市不同區(qū)域的CUHII 差異。高溫天氣下，強烈的太陽輻射導(dǎo)致城市內(nèi)的建筑物和硬質(zhì)表面吸收并儲存了大量熱，并在夜間通過熱量釋放加劇建成環(huán)境的CUHII 上升［15， 28］。因此，具有大量高密度高層建筑的漢口片區(qū)和武昌片區(qū)的夜間熱島強度顯著高于城市建設(shè)強度較低的漢陽片區(qū)。降水條件下，降水過程會促進污染物擴散，這種上升運動將城市熱量向高空運輸，在增強城區(qū)近地面溫度降幅的同時造成城郊氣溫差異下降［29］，且部分區(qū)域如武昌片區(qū)建成區(qū)溫度長時間低于郊區(qū)溫度并表現(xiàn)出冷島特征。然而，傳統(tǒng)算法很大程度上低估了多種天氣條件下城市不同片區(qū)的CUHII 差異，且各城市片區(qū)保持了相似的CUHII日變化趨勢及高于0 ℃的熱島強度特征。

空間維度方面，傳統(tǒng)算法識別的冷熱島中心范圍均較小并集中分布于中心城區(qū)的外圍邊界。與之相反，片區(qū)算法識別的熱島中心呈帶狀覆蓋城區(qū)中部高密集開發(fā)區(qū)，包含武昌片區(qū)中部建設(shè)程度較高且商業(yè)活動頻繁的區(qū)域及漢口片區(qū)南部工業(yè)區(qū)域和人口高度密集的中央商務(wù)區(qū)，這與尹杰等［30］的結(jié)論一致。此外，大型生態(tài)空間具有緩解城市熱效應(yīng)的重要作用［31］，但傳統(tǒng)算法并未觀測到中心城區(qū)內(nèi)的大型湖泊對周邊環(huán)境的降溫效果?；谄瑓^(qū)算法，本研究發(fā)現(xiàn)在武昌片區(qū)東湖、南湖等大型藍色空間周邊的建成區(qū)域識別出了較大范圍的冷源匯集區(qū)，Cheng 等［32］依據(jù)數(shù)值模擬手段同樣發(fā)現(xiàn)了東湖附近存在的強冷島區(qū)域。因而，未來城市熱緩解工作還需關(guān)注如何隔斷當(dāng)前連續(xù)的城市高溫區(qū)并預(yù)防其向城市南北方向的擴張。

綜上所述，基于城市片區(qū)的CUHII 計算方法是對傳統(tǒng)方法的補充，可以更好地捕捉超大型城市內(nèi)部建設(shè)環(huán)境的熱島時空分異特征，從而可為基于熱環(huán)境改善的規(guī)劃管控策略制定提供參考依據(jù)。應(yīng)當(dāng)說明的是，郊區(qū)站與城區(qū)的空間距離也會潛在地影響CUHII 評估的準(zhǔn)確性。然而，當(dāng)前有限的站點分布使得目前仍難以將城郊站點間的空間關(guān)系納入到CUHII 的計算分析。隨著城市氣象站密集化布設(shè)的不斷推進，對于更多的超大型城市案例，還可以結(jié)合多種城市分區(qū)情景以進一步驗證算法的適用性。