第卷第6期年月

氣候 與環(huán) 境研 究ClimatandEnviroentResearch

Vo13 N16Nov. 2008南京城市熱島效應(yīng)研究2 顧麗華1,2 曾 4 21南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京2100442南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院,南京2100443江蘇省氣象科學(xué)研究所,南京4中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,南京210008摘要利用4個(gè)氣象站1961~年氣溫資料,對(duì)南京市的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行了全面、細(xì)致的研究。結(jié)果表明:1)平均而言,南京市的熱島強(qiáng)度基本在5e左右,熱島強(qiáng)度的高值體現(xiàn)在最低氣溫上,極端情況可能達(dá)到6e左右;2)南京城市熱島效應(yīng)具有明顯的季節(jié)變化和日變化特征,夏半年要強(qiáng)于冬半年,夜間強(qiáng)于白天;3)隨著城市規(guī)模的發(fā)展,南京市的城市熱島效應(yīng)為增強(qiáng)趨勢(shì),用年平均氣溫計(jì)算獲得的熱島強(qiáng)度增幅為109e#(0)-1。關(guān)鍵詞城市熱島效應(yīng)南京熱島強(qiáng)度氣溫文章編號(hào)0-985(20)-8-8中圖分類號(hào)P413文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼AtynanatIladfftfajingQIUXi-F1,2,GULiHu1,2,ZENGYa3,4,JIANGAiJn3,ndHEYon-ia1,2JiangsuKLaboratoryofMeteorologicalDisaster,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing 210044SchoolofRemoSensing,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044JiangsuItituteofMeteorologicalScience,Nanji210008NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008Utemperatureaoffourweatherstationsfromto2005,theurbanheatisland(UHI)effctofNanjngwasalaroundivstigated.Teconcusoncanedrawnasfolows:TeUHIntestyofNa-jingisabout15egenerally,thehighvalueofUHIintensitymaifststhelowesttemperatureanditstrememayrabout6e.TUHIeffectNanjingobviouslyseasonalchangeacterstis.UHIintensityofsummerhalfyearhigthanthatofwinterhalfyearandthatinnighttimeishigthanda-time.Awiththedevelopmentofurbanscale,theUHIensityofNanjingincreasing,therate109e#(-1,whichcalculatedyearaveragedairtemperature.urbanislandeffect,Nanjing,urbanislandintensity,temperature收稿日期00-0-21到,200-0-8收到修定稿資助項(xiàng)目國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)CCSF200-32、江蘇省象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目KLME050102和南京市科技局項(xiàng)目20070100作者簡(jiǎn)介新法,男,1966年出生,博士,教授,主要研究向?yàn)橘Y源遙感與地理信息系統(tǒng)。-ml:quxnf@sn1com808

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13卷Vo1131 引言城市化進(jìn)程的不斷加快,對(duì)城市氣候有著深1,2],由其引起的城市熱島現(xiàn)象已經(jīng)引起

的變化,都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2 資料與研究方法南京總面積為6km2,個(gè)市轄區(qū)了廣泛的關(guān)注[3,4]。Manley[5]于年第一次提

和2

,2003

719

萬(wàn)。取出城市熱島(UrbanHIsland)的概念。城市熱島效應(yīng)是指當(dāng)城市發(fā)展到一定規(guī)模,由于城市下墊面性質(zhì)的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區(qū),形成的類似高溫孤島現(xiàn)象。城市氣候最顯著的特點(diǎn)之一是城市熱島效應(yīng)。隨著城市規(guī)模、城市人口的擴(kuò)大和膨脹,城市大氣污染日益嚴(yán)重,人類活動(dòng)對(duì)天氣、氣候的影響日益顯著。溫室氣體以及各種能源消耗產(chǎn)生的熱已經(jīng)超過了自然界的調(diào)節(jié)能力,從而導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)越來(lái)越顯著,已經(jīng)演變?yōu)槌鞘猩?,7]。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)城市的熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究,城市的熱島效應(yīng)不僅會(huì)帶來(lái)酷熱的天氣,還會(huì)造成各種異常城市氣象,如飚風(fēng)及暴雨等,對(duì)城市氣候、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活產(chǎn)生很大的影響。城市熱島不僅對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量及市民健康產(chǎn)生非常不利的影響,也給城市增加了很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)美國(guó)能源部的估計(jì),美國(guó)為緩解熱島效應(yīng)每年要多花費(fèi)高達(dá)億美元的能源成本支出[8]。而且由于城市熱島的熱力作用,形成熱島復(fù)合環(huán)流,造成從郊區(qū)吹向市區(qū)的局地把市區(qū)已擴(kuò)散到郊區(qū)的污染大氣又送回市區(qū),加劇了城市的大氣污染。溫室氣體排放直接加速全球變暖,氣溫上升反過來(lái)又加重?zé)釐u效應(yīng),這因此,對(duì)于城市熱島的研究不僅對(duì)認(rèn)識(shí)城市以及一系列邊界層現(xiàn)象具有重要意義,而且在城市保護(hù)與規(guī)劃、城市建筑設(shè)計(jì)、能源利南京三面環(huán)山,一面向水,一方面具有比較特殊的地理環(huán)境,另一方面又是一個(gè)歷史悠久的百年古城,城市化進(jìn)程比較快,熱島效應(yīng)應(yīng)該有其特殊性。因此,揭示城市化對(duì)南京城市熱島的影響,對(duì)科學(xué)制定城市發(fā)展規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的有機(jī)統(tǒng)一,以及了解南京城市氣候

基本位于南京主城區(qū)范圍、人口最為密集且緯度相近的3個(gè)氣象站的氣溫資料代表南京城市氣溫。這3個(gè)氣象站分別為南京站、江浦站、江寧站,將3站氣溫的平均值作為南京市城市氣溫。句容市毗鄰南京市東部,與南京主城區(qū)緯度相近(圖),03底農(nóng)人為118,此,取句容站氣溫資料作為對(duì)比,分析南京熱島效應(yīng)特南京站、江浦站、江寧站和句容站氣溫資料包括1961~2005年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的年值、月值、日值和1991~2005年逐日4個(gè)時(shí)次(2、8、14和20共4種序列。對(duì)以上4個(gè)氣象站的氣溫資料進(jìn)行如下校正:人工去除明顯錯(cuò)誤記對(duì)缺測(cè)的記錄進(jìn)行插補(bǔ);按平均氣溫大于最低氣溫且小于最高氣溫的原則,將不符合該條件的記錄去除。本文所用的氣溫資料由江蘇省氣象局氣候中心提供,南京有關(guān)城市圖1南京市示意圖F1SketmapofNanjing6期邱新法等:南京城市熱島效應(yīng)研究N6QIUX-Fa,eta.StuyonUrbanHeatIladEffectofNajng11 島度算將南京(NJ)、江寧(JN)、江浦(JP)3站TC,即

億元,到年增長(zhǎng)到2億元左右;南京市建成區(qū)面積從1986年的km2擴(kuò)展到2005年的116km2,長(zhǎng)了19。TC=13

(TNJ+T+T), (

隨著城市人口的增長(zhǎng)和城區(qū)面積的擴(kuò)大,南京的空間結(jié)構(gòu)在時(shí)空上也發(fā)生了很大的變化,自取南京城市氣溫與句容(JR)站氣溫之差代表南H,即H=TC-T, (將以平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫統(tǒng)計(jì)的熱島強(qiáng)度分別用HAM和HN來(lái)表示。12節(jié)數(shù)算將/廣義化,本文中季節(jié)指數(shù)就是用算術(shù)平均法計(jì)算的周期內(nèi)(1961~2005年)各時(shí)期(月)季節(jié)性影響的相對(duì)數(shù),季節(jié)指數(shù)第1步計(jì)算周期內(nèi)各期(即每個(gè)月)的平均數(shù),年來(lái)每個(gè)月的平均水平,序列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M(個(gè)月)為1周期,共有N(則NEiEi=1

1985年以來(lái)南京城市的擴(kuò)張主要沿東北)西南方向。1985~1995年,相對(duì)主城向心運(yùn)動(dòng),擴(kuò)展模式為邊緣1995~相對(duì)主城離心運(yùn)動(dòng),擴(kuò)展模式為分散式和廊道式。南京的城市擴(kuò)展在空間上分為兩個(gè)層次。在水平方向上為城市地域的蔓延,即城市邊緣區(qū)不斷向外擴(kuò)展,城市面積加大,垂直方向上為城市空間的增厚,表現(xiàn)為中心城區(qū)高層建筑的增多和地下空間的開發(fā),城市要素空間密度的加大。這些城市發(fā)展的動(dòng)向4城市熱島的總體特征11季變特征對(duì)41961~2005年月平均氣溫、月k=

N ,k=12,N=(

平均最高氣溫、月平均最低氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),獲得第2計(jì)平數(shù),N MEE

南京不同年代各月熱島強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表。由表可以看出,就平均氣溫而言,1961~2005年的年中,除其他各年代南京市的城市μ= i=1k=1NM

, (

年代之后的熱島強(qiáng)度要明顯μ第3Sk,μk

高于年代,這與南京在年代后城市高速發(fā)展密切聯(lián)系,城市化進(jìn)程的加快,使得南京Sk=

μ,k=12 (

城市熱島強(qiáng)度增大。平均而言,南京市的熱島強(qiáng)此處數(shù)據(jù)序列為根據(jù)4站氣溫計(jì)算獲得的熱島強(qiáng)3 南京是一座處于快速發(fā)展中的城市,1952年9月起為江蘇省省會(huì),至今50年來(lái),城市發(fā)展突年,南京的城市化發(fā)展進(jìn)入197837%上升到1999年的53%,這段時(shí)期是南京現(xiàn)代城市發(fā)展1985年末南京市非農(nóng)業(yè)人到2004年非農(nóng)業(yè)人口增加到19;市內(nèi)總在95為民幣

度本在15e左右,熱島強(qiáng)的高值體現(xiàn)在最低氣溫上,在年代的4由月平均最低氣溫計(jì)的強(qiáng)達(dá)17e。季節(jié)指數(shù)反映了月度變遷對(duì)熱島強(qiáng)度的影響,同時(shí)也反映了該月與總平均值之間的一種比較穩(wěn)定的關(guān)系。如果這個(gè)比值大于就說明該月熱島強(qiáng)度值常常高于總平均值;反之,則說明該月熱島強(qiáng)度值常常低于總平均值。從圖2可以看出,HA、HM和HN的季節(jié)指數(shù)變化趨勢(shì)是基本相同的,即以3、4和5月份的春季為最高,和1月份的秋冬季比較低,總體而言,夏半年高于冬半年。因此,南京市的城市熱島強(qiáng)度在夏半年要高于冬半年。810

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13卷Vo113表11961~2005年南京不同年代熱島強(qiáng)度特征1H年份1月2年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年平均HA1961~19703130444033091317110709241971~19800826393021011916210907191981~19903237675432214951452035411991~20003357807250516476633946582001~2005415275664739385267453151季節(jié)指數(shù)7405593795609811035967HM1961~19704450605136212329292640391971~19803544483636283135312728371981~19902133704231496660281820401991~20003450705659807572432230542001~2005213953474351343027131935季節(jié)指數(shù)7705471198091313785368HN1961~19701416384429161406-04-07-03161971~1980-031046342519190206-16-10141981~19902425605227092735370930311991~20003863079748465678795559672001~2005687403885751547605896377季節(jié)指數(shù)6494826195678693035066根據(jù)4個(gè)氣象站1961~2005年逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫資料,計(jì)算獲1961~2005年南京市逐日熱島強(qiáng)度進(jìn)行不同等級(jí)出現(xiàn)概率的統(tǒng)計(jì)(表,由表可以看出:南京城市熱島出現(xiàn)概率基本在80%左右,其中,絕大多數(shù)熱島強(qiáng)度小于1e,一般不超過2e,出現(xiàn)強(qiáng)熱島的概率較少,其熱島強(qiáng)度較其他知名大城市比較而言并不高。這可能與南京城市的地理?xiàng)l件和南京的城市綠化比較好有關(guān)。日最低氣溫一般出現(xiàn)在夜間,氣溫低,近地面湍流交換弱,更容易突顯城市熱島現(xiàn)象,圖2南京各月城市熱島強(qiáng)度季節(jié)指數(shù)變化2MtchangeoftheseasonofNanjing

因此,以HN(H>2e)的概率為最高,這說明日氣溫達(dá)到最低值時(shí),城市熱島強(qiáng)度會(huì)比較大。不同年代對(duì)照表明,南京市城市熱島出現(xiàn)概(圖3),熱島強(qiáng)度的高值出現(xiàn)概率也為增加趨年代之后要明顯高于年代之前。在年中,由逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫計(jì)算獲得的熱島強(qiáng)度最高值分為1010和13e。上述極端熱島強(qiáng)度即為夏半年。該結(jié)果表明,在以城市化水平較低的句容氣象站為對(duì)照的情況下,南京城市熱島強(qiáng)度的極端情況接近于6e左右。若考慮句容氣象站本身也受到城市化的影響,則南京實(shí)際城市熱島強(qiáng)度的極端情況應(yīng)該還要略12日化征年代后,南京城市化進(jìn)程得到了更加全面的發(fā)展,因此,其城市熱島效應(yīng)也更為突顯。選取4個(gè)氣象站1991~2005年每日2、8、14和20時(shí)共4個(gè)時(shí)次的氣溫資料來(lái)分析南京城市熱島效應(yīng)的晝夜變化特征。6期邱新法等:南京城市熱島效應(yīng)研究N6QIUX-Fa,eta.StuyonUrbanHeatIladEffectofNajng表21961~2005年南京市不同等級(jí)熱島強(qiáng)度出現(xiàn)概率2年份H[年份H[00<H[11<H[22<H[33<H<6HA1961~1970312461183208001971~1980317251408503001981~1990118071326920001991~2000114361118166002001~2005119661364026001961~200521086137302400HM1961~1970216461115466051971~1980212461141747051981~1990211261516268081991~2000118961311942192001~2005215261601766061961~200521486184807909HN1961~1970418341634790001971~1980416041734790161981~1990316851893401191991~2000119351648605522001~2005111951494824611961~200531155114469728圖31961~2005年不同年代南京城市熱島出現(xiàn)概率3OccurrenceprobabilityoftheurbheatislandphenomenaNgfrom1961to圖4是根據(jù)1991~2005年2、8、14和20時(shí)4個(gè)時(shí)次南京城市熱島強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)平均值繪制的南京城市熱島強(qiáng)度日變化曲線,從圖可看出南京城市熱島具有明顯的日變化特點(diǎn),白天的熱島強(qiáng)中午前后最弱。在4個(gè)時(shí)次中,氣溫最高的4時(shí)島強(qiáng)度最,為10e左以氣溫最低的2時(shí)熱島強(qiáng)度最高,為e。這一現(xiàn)象主要與近地面的湍流交換過程有關(guān)。白天日出后,在太陽(yáng)輻射作用下,近地面氣溫迅湍流交換作用加強(qiáng),更有助于城市和郊

圖4南京城市熱島強(qiáng)度日變化F4DychangeofHofN812

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13卷Vo113因此表現(xiàn)出的城市熱島強(qiáng)度較低;夜間,在地面有效輻射作用下,地表溫度迅速下近地面湍流交換作用變?nèi)?更有助于維持城市熱島的存在,因此表現(xiàn)出的城511化勢(shì)圖5(圖(圖5b)。圖中直線為HA與時(shí)間序列((下同),通過了水平的著檢,91~5年HA的增幅為119e#(a)-1,其中以~年代最為明顯,年之后略有下降。由圖可看出,1977年1977年之后基本高于多年平均(即1961~年的。圖和給出了由年平均最高氣溫和最低氣溫計(jì)算獲得的熱島強(qiáng)度的逐年變化,HM和HN合了15和11著。~5年HM增幅為11e#(0a)-1,

HN增為167e#(10a)-1?？梢钥闯?HN增加趨勢(shì)最為明顯,其增幅也最大,這表示城市而HM的增加趨勢(shì)比較平緩,其增幅也最小,說明當(dāng)氣溫比較高時(shí),熱島效應(yīng)并不是很突出。綜上所述,1961~年南京熱島強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)。以58月為夏季、9~月月至翌年2月為冬季,分析南京四季熱島強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。圖6給出了以平均氣溫計(jì)算獲得的1961~2005年南京不同季節(jié)熱島強(qiáng)度年代變化,其中,所有季節(jié)熱島強(qiáng)度趨勢(shì)擬合均通過了11水的著檢,即季節(jié)熱強(qiáng)度均呈明顯上升趨勢(shì)。1220后島度降因析植物通過蒸騰作用,可以從環(huán)境中吸收大量的熱量,降低環(huán)境空氣的溫度。一般認(rèn)為,綠地覆蓋率是一個(gè)減緩城市熱島的重要的生態(tài)因子指標(biāo)。研究表明:城市熱島效應(yīng)與建成區(qū)面積、人口、綠化和景觀等城市環(huán)境有密切關(guān)系[9~11],城市綠化能較好地緩解城市熱島效應(yīng)[12]。從圖5中可以看到2001~2005南京城市熱島強(qiáng)度有明顯的減弱趨勢(shì)。為了探討其成根據(jù)1991~2005年南京統(tǒng)計(jì)年鑒資料提供的城市建設(shè)水平數(shù)圖51961~2005年南京熱島強(qiáng)度變化:(a)HA;(b)HA累計(jì)距平;(HM;(d)HNF5AnnualchangetrendofHofNanjingfromto2005:(a)HA;(b)cumuivedepartureofHA;(HM;(d)HN6期N6

邱新法等:南京城市熱島效應(yīng)研究QIUX-Fa,eta.StuyonUrbanHeatIladEffectofNajng

7。從圖可以看出2001~2005年南京城世紀(jì)年代有十分明顯的下降,而且城市綠化建設(shè)明顯比年代有很大的改善,因此可以得出結(jié)論:南京人口密度的下降和綠化2000年后南京城市熱島強(qiáng)度有所下6本文利用常規(guī)氣象站氣溫資料系統(tǒng)分析了南可以歸納為如下幾點(diǎn)結(jié)論:

過2e。熱島強(qiáng)度的高值體現(xiàn)在最低氣溫上,極端情況可能達(dá)到6e左右。(2)南京城市熱島效應(yīng)具有明顯的季節(jié)變化和日變化特征:以3、4和5月春季為最高,11、和1月秋冬季比較低,總體而言,夏半年高于冬半年;在一天中,白天的熱島強(qiáng)度明顯低于夜間,中午前后最弱。N(3)隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,南京的城市熱島效應(yīng)總體為增強(qiáng)趨勢(shì),尤其是以改革開放后的世紀(jì)90年代最為明顯。1961~2005年HA增為19e#(10a)-1,HM增幅為131N(一年中,南京城市熱島出現(xiàn)概率基本在

e10a)-1,H

增為17e#(0a)-1。左右,平均而言,南京的熱島強(qiáng)度基本在5e左右,絕大多數(shù)熱島強(qiáng)度小于1e,一般不超

(4)南京城市建設(shè)和綠化水平的提高,是2000814

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13卷Vo113本文所用的臺(tái)站資料序列比較整齊,不存在臺(tái)站遷移對(duì)資料均一性影響的問題,但在計(jì)算南京熱島強(qiáng)度時(shí),處理方法比較簡(jiǎn)單,未考慮臺(tái)站本身地理位置不同造成的氣溫固有差異。另外,為保證資料序列的一致性,本文所用資料全部為常規(guī)氣象資料,并未應(yīng)用近年來(lái)氣象部門的加密這些都有待于在今后的工作中進(jìn)一參考文獻(xiàn)(References)[1]PtSTA,CadenassoML,oveJM,al.UrbanecologicalsystLgterrestogy,physical,andsocioeconomiccomponenofropolitanareas.AnualRevwEcyandSystemati,2001,32:127~157[2]ZhouLM,DsonRE,TianYH,etal.EenceforaurbaniioneffectoneChina.PNAS,2004,(26):9540~9544[3]AureAH.Corratnofndueandoverwthmetor-logicalanomalies.J.Appl.Meor.,1978,17:636~643[4]RhM,OkeTR,EmWSatellitederivedurbanheatislandsfromthreetaleuiondataurbclimatology.Int.J.ReSens.,1989,10(11):1699~1720[5]MOnthefrequensnowfallropolitanEngland.Quart.J.R.MeSoc.,1958,84:70~72[6]等.哈爾濱市瞬時(shí)熱力場(chǎng)空間格局分應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(11):1955~1958Ning,WangCheng,Hongzet.AnalysisontaneousspatialpatternofthermalforcefHa-bChineseJournalAappliEcoly(inChinese),

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