济南市城市热岛效应的时空分布特征

摘要：论文应用区域自动气象站2007～2008年逐时气温观测资料，分析了济南城市热岛的时空分布特征，结果表明，无论春、夏、秋、冬，济南的城市热岛在空间分布上均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。热岛强度以冬季最强，秋、春季次之，夏季最弱。对城市热岛进行小波分析发现，济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显，夏季旬变化略强于冬季。济南城市热岛以日为周期呈规律性变化，城市热岛强度表现为夜间强，白天弱。

关键词：热岛效应 区域自动气象站 小波分析 时空分布特征

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

城市热岛效应( Urban Heat Island Effects，UHI)是指由于人类活动造成的城市气温高于周围自然环境气温的现象[1]，温度较高的城市地区被温度较低的郊区所包围或部分包围，它是热量在城市空间范围内聚集的现象。

城市热岛效应是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化对气候影响最典型的表现[2] 。在我国，周淑贞[3]、束炯[4]、张景哲[5]等对城市热岛效应及形成机制进行了多方面的研究。过去50多年来济南城市经历了快速发展，城市建筑、功能、综合实力、以及城市形态与环境面貌等都发生了巨大变化，城市发展导致城市下垫面状况发生极大改变，同时在某些方面影响了城市小气候[6-7]。

济南是山东的省会，通过对济南城市热岛效应的研究和分析，对了解气候演变特征和短期气候预测提供科学依据，并且对指导城市绿地规划与建设，改善城市生态环境和城市居民居住环境有重要的现实意义。

1. 研究资料和方法

济南市自动气象站网通过多年建设，到2006年11月，已完成51个区域自动气象站的建设并投入业务运行。该论文通过区域自动站资料研究济南市区及郊区热岛效应空间分布情况，即应用市区及近郊区区域自动气象站与郊区乡村站气温数据进行对比分析，即：QUHI=T市区-T郊区，温差越大热岛强度越强，反之则越弱[8]市区站选取城市建筑和人口较为密集的市中心区域，共16个站点，分别是：济南大学、泉城公园、泉城广场、市政府、百花公园、交通学院、热电公司、供销公司、山师北院、农科院、龟山、历城二中、外国语中学、高新区、河务局和天桥收费站。这些站点既包括人口较密的市中心点，也包括离市中心稍远的市区，还包括刚进入城市化进程的近郊，能够综合反映整个城市的热岛空间分布特征。考虑到城市区域的不规则性，城市的边缘地区有可能具有与城市相似的地表结构，又根据地区温度分布的自然特点，郊区参考站点选取市区北边的孙耿、崔寨、白云湖，市区东边的圣井、曹范，市区西南边的潘村、长清工会干部学院、张夏苗圃，取八个站点的平均温度作为背景温度，可以避免订正热岛效应时出现偶然因素，能够比较客观的反映城市热岛强度。

在采样时间上，区域自动气象站资料从2007～2008年的数据比较完整，为了能充分反映一年中热岛情况，按季节取2007、2008年2年的数据。春季：3～5月，夏季：6～8月，秋季：9～11月，冬季：12月，次年1～2月。从中选择代表性的月份2007～2008年的1月、4月、7月和10月份的数据来计算各个季节的热岛强度。

小波分析是继傅里叶变换之后兴起的中还可以看出，其波峰 (正中心)主要出现在变换对带有奇异性的信号不是很有效的弱点,具有多分辨率分析的特点;在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率[9]。小波分析已成功地应用于信号处理、图像处理、语音识别和机械故障诊断等各领域,在气候研究中也应用广泛。小波分析不仅可以给出某一时间序列变化的尺度,还可以显示出各频率随时间的变化以及不同频率之间的关系。本文采用标准Morlet小波来分析济南城市热岛效应的周期性特征,并利用小波方差来诊断各周期振荡的强度。Morlet小波[10]是复数形式的小波,其实部和虚部位相相差π/2,可以消除实数形式小波变换系数模的振荡,因而比实数形式的小波在应用上有更多的优点。

2. 济南市区热岛水平空间分布特征

该论文选取16个市区及近市区站点，选取八个郊区站点的平均温度作为背景温度，即T郊区=（T圣井+T曹范+T潘村+T长清工会干部学院+T张夏+T崔寨+T孙耿+T白云湖）/8，逐个计算16个市区站的QUHI值，得出济南市水平空间热岛强度的分布特征（图1-图2）。

从热岛强度分布图上可以看出，济南城市热岛与城市空间形态结构基本一致的，以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。由于济南市区东部平坦开阔，发展很快，城市热岛逐步向东部发展，热岛中心有呈东西条状发展的趋势。到达天桥收费站、河务局等济南近郊区，城市热岛迅速降低，但因为在城乡交界带上，已有城市热岛特征体现。早期Oke[11]根据北美加拿大多次观测城市热岛的实例概括的城市热岛气温剖面图：从郊区到城郊结合部，气温陡升，被称为“陡崖”(cliff)；到了市区气温保持平缓一致，因下垫面不同有所起伏，该段称为“高原”(plateau)；在市中心人口密集人类活动最为集中的区域，气温达到最高点，称之为“高峰”(Peak)。济南城市热岛的空间分布也遵循了这一规律，泉城广场、市政府是济南的“高峰”，天桥收费站、河务局是“陡崖”区，而市区热岛分布并不平缓，由于城市发展不是很均衡，下垫面差异较大，热岛强度有所差别。

3. 济南市区热岛效应的时间分布特征

3.1 济南城市热岛的季节变化在时间域上的分布

为了分析济南市区热岛效应的时间分布特征，取2008年1月、7月每天24个热岛强度值作为研究对象，进行墨西哥帽小波变换。取1月代表冬季，7月代表夏季，画出相应的小波变换等值线图和曲线图(见图3和图4)。等值线图表示的是不同尺度下的小波变换；曲线图表示的是小波方差。

从小波波幅变化情况来看，小波中心形成正负振荡的形式，与城市热岛形成很好的一一对应关系。热岛越强,热岛变化越剧烈，则对应的波幅等值线越密集，波幅的绝对值越大；反之，波幅等值线越稀疏，表示热岛变化不明显，对应的热岛越弱， 即正的波幅对应强热岛，且热岛变化剧烈；反之则与弱热岛对应，热岛变化缓慢。

由图3a可见,济南冬季热岛变化存在准24 h和准270 h的主振荡周期,以及准90 h、准110 h 准170 h的次周期。分析它们存在的阶段可知，准24 h和准270 h的主振荡周期在整个时间序列中一直明显存在；准90 h的次周期在整个时间序列中也有所表现，准110 h的次周期主要存在于上旬和中旬；准170 h的次周期主要存在于下旬。

从小波方差(图3b)所反映的各周期对应的振荡强度来看,在整个周期域上，准24h所对应的日变化周期最显著,其反映的小波方差最大。其次是准270 h所代表的旬变化，其他尺度周期所反映的小波方差都相对较小，表明日变化和旬变化是济南冬季城市热岛的主要振荡周期。对于准270 h周期所代表的热岛强度的旬变化。从图3a中还可以看出，其波峰 (正中心)主要出现在1月4日、14日及25日前后。波谷(负中心)主要出现在1月9日、19日及30日前后。

在夏季(图4a) ，济南热岛变化存在准24h、220～300 h的主振荡周期，以及60～90h的次周期。准24h、220～300h的主振荡周期在整个时间序列内一直明显存在。准60～90h的次周期在整个时间序列中也有所表现。对于220～300h周期所代表的旬变化，从图3a7月5日、15日及25日前后。波谷(负中心)主要出现在7月10日、20日及30日前后。

各周期对应的小波方差(图4b)表明，准24h所对应的日变化最显著,其次是220～300h所代表的旬变化。其他尺度周期所反映的小波方差都相对较小，表明济南夏季城市热岛的主要振荡周期仍然是日变化和旬变化。比较夏季和冬季日变化和旬变化，小波方差可以发现，夏季日变化不如冬季明显，但旬变化略强于冬季。

3.2 济南城市热岛的日变化特征分析

小波正负振荡明显,小波波幅变化能较好地反映城市热岛强度的振荡变化情况。我们从24h尺度上来看，可以明显的看出无论冬季还是夏季，城市热岛以日为周期呈规律性变化。城市热岛强度表现为夜间强，白天弱，这是由于白天和夜间的能量平衡的差异、市区与郊区的下垫面性质、大气污染和人为热等不同。白天由于太阳辐射的作用，大气层结一般处于不稳定状况，风速较大，使得城郊近地层湍流加强，热量的垂直和水平交换比夜间强，城市、郊区温差迅速缩小，城市热岛较弱。夜晚的大气层结较为稳定，甚至出现低层逆温，不利于大气湍流的发展；而且城市下垫面多为水泥、柏油、混凝土等构成，颜色较深，它们具有热容量大，导热率高的特点，能吸收大量的太阳辐射。这些在白天吸收和贮存的热量，夜晚又会散发到大气之中，通过长波辐射提供给空气的热量比郊区多，再加上市区空气中大量的CO2等温室气体及颗粒污染物更多地吸收地面长波辐射，加热大气使空气中的热量不易很快散失，导致城市大气温度进一步上升，相对于快速降温的郊区来说，容易形成夜间城市热岛，因此夜间城市、郊区温差迅速增大，城市热岛较强。

4. 结论

（1） 在空间分布上，无论春、夏、秋、冬，济南城市热岛均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。

（2） 热岛强度以冬季最强，秋、春季次之，夏季最弱。

（3） 济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显，夏季旬变化略强于冬季。

（4）城市热岛以日为周期呈规律性变化。城市热岛强度表现为夜间强，白天弱。

参考文献:

[1] 周淑贞.束炯.城市气候学[M]。北京：气象出版社，1994.

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