探究西安站城市热岛对温度的作用

　　1  引言

　　全球性的气候变暖已经引起了人们的重视，而且变暖的幅度之大是相当惊人的。虽然气候变化的观测事实及其原因是一个非常复杂的问题，但在计算气温升高的数值时，城市化对地面气温观测记录及其趋势变化的影响应给予足够关注。也就是说很多观测场环境的变化对气温影响很大，即城市热岛。城市热岛反映的是一个温差的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以说存在着城市热岛。因此，一年四季都可能出现城市热岛。我国的学者研究了城市热岛效应，普遍认为大城市的热岛效应是明显的。在过去的研究中对气温资料的处理上也想了很多办法，但由于研究的面积大、气象站点多，加之气温变化有气候变暖和热岛等多因素影响。所以作了一些原则上的处理，没有逐站分别仔细考虑。实际上，从我们的调查中得知，现在已有不少气象观测场或多或少的受到城市建设的影响，保护气象站周围的环境已迫在眉睫。本文用西安周围关中平原的 5 个站 1961-2005 年 45 年历年的年、各月平均气温以及近年各时次气温资料，研究在全球增暖的大背景下西安地区的气温变化及其热岛。  随着经济的快速增长，城市化的发展很快，导致城市中的气温高于外围郊区，城市地面散发的热气形成近地面暖气团，将城市烟尘罩在下面不能流通，加剧了大气污染。所以分析西安市历年的气温变化，可知城市热岛对温度的影响，最大限度的避免和减少城市热岛带来的负面影响。

　　2  气象站点的选取

　　过去有学者在处理城市对温度的影响一般以城市人口的多少来衡量，这是一种较好的资料处理方法。

　　但实际上比这复杂的多。因为有的观测站距城市很远，即使城市扩建也对气象观测数据影响较小。而有的观测站距城市很近，城市扩建就对气象观测数据影响较大。有时建筑物的影响并不是全方位的，可能在某一个方向上。所以说在条件许可时应逐站查询站址环境变化的档案记录或实地考察。根据地理条件，在西安周围的关中平原初选定了西安、长安、周至、户县、高陵、临潼、兴平、武功、泾阳、咸阳、富平、蒲城、渭南、大荔、华阴 15 个气象站。这些站点的纬度和地形基本一致，海拔高度差较小，所以纬度和地形对气温的影响暂不考虑。那么主要侧重考虑气象站点的周围环境、海拔高度、气候变暖、城市热岛对气温的影响。其中西安气象观测站位于西安市北门外肖家村“郊外”，随着城市的扩大，观测站现处在一环外二环内。已不是建站时的“郊外”，而成为市区内。这里将西安作为热岛明显的城市代表站。

　　然后再对其余的站进行仔细严格筛选，希望挑出没有城市热岛影响的几个代表站。这一步工作非常重要，如果不能严格区分气象站是否受到城市建设或其他因素而影响到各站气温观测，就很难与西安作对比，分析出城市热岛的影响。我们希望从实际的温度变化资料中把城市热岛的影响从自然因素中分离出来。最近，陕西省气象局专门组织相关工作人员对全省各气象站环境进行了逐站实地详细考察纪录。根据考察结果资料仔细分析，15 个气象站中长安、周至、武功 3 个站由于城市建设，观测场环境破坏严重。泾阳 1968 年缺测。高陵 1970 年建站，资料序列较短。临潼 1973 年曾迁过站，经仔细分析系列资料，前后略有差异。蒲城、户县、华阴、富平 4 站由于城市建设，观测场环境在某一个方向有破坏。其余的兴平、咸阳、渭南、大荔 4 个站的观测场环境没有任何破坏。同时 4 个站和西安一样都在开阔的关中平原上，海拔高度相近。4 个站中咸阳、渭南、大荔的观测场都在乡村，兴平的观测场在郊外。因此，最终选定了兴平、咸阳、渭南、大荔 4 个站作为没有城市热岛影响的乡村代表站。

　　3  资料处理

　　3.1  相关分析

　　本文拟通过相关分析，检验西安、兴平、咸阳、渭南、大荔 5 个站是否属于相同气候类型。因为气温升高不仅有城市热岛的影响，气候变暖对气温的影响也很大。如果 5 个站属于相同气候类型，各站气候变暖的趋势和程度应该是一致的。如果各站气候变暖的趋势和程度是一致的，那么在作城市与乡村的温差分析时就不必作气候变暖趋势的处理。

　　

　　从表 1 的相关矩阵可以看出各站年平均气温相关很好，通过了信度α=0.001 的显著性检验。说明西安、兴平、咸阳、渭南、大荔 5 个站属于相同气候类型。

　　3.2  气温高度订正

　　气温对海拔高度的影响十分敏感，在同一地区、同一纬度，海拔高度不同，气温显然不同。所以要将各站历年各月的平均气温全部订正为与西安气象观测场同高度上的气温。西安、兴平、咸阳、渭南、大荔 5个站海拔高度分别为：397.5、410.9、472.8、349.2 和 351.4 m。为此我们用干绝热递减率，即每上升 100 m气温下降 0.6℃，把除西安外的其余 4  个站的气温都订正到与西安相同海拔高度 397.5 m 上。因此得到相同高度的 5 个站 45 年各月的平均气温。西安作为有热岛影响的城市代表站。另外 4 个站的平均气温再作 4站平均，作为没有热岛影响的代表站，本文称作乡村站。

　　4  城市热岛效应

　　4.1  气温的年际变化

　　图 1 是西安市年平均气温距平变化曲线。由图可见西安市气温在 1994 年以前以负距平为主，自 1994年以后基本都为正距平。从资料统计出西安市 1961-2005 年 45 年的平均气温为 13.8℃。而 1961-1993 年33 年的平均气温为 13.4℃，1994-2005 年 12 年的平均气温为 14.8℃。后者比前者高出 1.4℃。前后气温的差异，除了反映大尺度气候变暖的增温外，还包含了西安市的热岛效应。图 2 是乡村站年平均气温距平变化曲线。由图可见乡村站气温在 1961-1979 年，气温距平正负交替，负多正少。在 1980-1993 年，气温基本为负距平。1994-2005 年，基本都为正距平。从资料统计出乡村站 1961-2005 年 45 年的年平均气温为13.3℃，比西安站低 0.5℃。1961-1979 年 19 年的年平均气温也为 13.3℃，1980-1993 年 14 年的年平均气温为 13.0℃，即比前 19 年还低了 0.3℃。1994-2005 年的平均气温为 13.8℃，比前期升高了 0.8℃。我们认为前后气温的差异，反映了大尺度气候变暖的增温，不包含热岛效应。另外从图 1 和图 2 也可看出，在 1994年前气温没有连续明显升高，在 1994 年开始气温明显升高，这也说明了气候变暖是从 1994 年开始的。图3 是西安站年平均气温（粗实线）和乡村站年平均气温（细实线）历年的变化。由图 3 中可看出，无论是西安气温还是乡村站气温从1961-2005年总趋势是一直在上升。气温上升的各个阶段还是有差别的。在1994年以前基本不变或缓缓上升，1994 年后气温上升很快。更重要的一点是两站上升的速度不同，即城市站 上升块，乡村站上升慢。也正说明了上升的数值乡村站主要应是全球气候变暖的影响，而西安站主要应由全球气候变暖和城市热岛效应的影响两部分叠加而成。

　　4.2  城市发展对地面气温的影响

　　由于城市的发展，诸如城市人口、车辆、冬季采暖能耗等迅速增长。对西安的热岛效应与西安的人口、车辆、供热能耗关系作相关分析。社会资料来自西安市历年统计年鉴

　　4.2.1  西安市区总人口与西安站城市热岛强度相关分析

　　收集到 1961 年到 2006 年西安市区总人口（不包括所属县）与其对应的西安站城市热岛强度相关分析（图 5）。人口从 1961 年的 130 多万，而后逐年增长，到 2006 年已达到 400 多万，增长两倍，还没包括流动人口的增加。随着人口的增加，热岛强度不断增大，从 1961 年的 0℃增加到 2006 年的 1.2℃。

　　4.2.2  西安市城市公共交通运营车辆与西安站城市热岛强度相关分析

　　收集到 1981 年到 2006 年西安市区城市公共交通运营车辆（辆）（包括汽车、电车）与其对应的西安站城市热岛强度相关分析（图 6）。西安市区城市公共交通运营车辆从 1981 年的 498 辆，而后逐年增长，到 2006 年已达到 5489 辆，增长 11 倍，还没包括出租车辆的增加。随着车辆的增加，热岛强度不断增大，从 1961 年的 0℃增加到 2006 年的 1.2℃。

　　y=0.4206ln(x)-2.2867式中 y 为城市热岛强度，x 为城市公共交通运营车辆。相关系数达到 0.9059。相关显著。

　　

　　4.2.3  西安市区集中供热面积与西安站城市热岛强度相关分析

　　收集到 1961 年到 2006 年西安市集中供热面积与其对应的西安站城市热岛强度相关分析（图 7）。人口从 1961 年的 168 万 m2，而后逐年增长，到 2006 年已达到 2113 万 m2，增长 12 倍，还没包括自供热面积的增加。随着供热面积的增加，热岛强度不断增大，从 1961 年的 0℃增加到 2006 年的 1.2℃。

　　Y=0.2973ln(x)-1.136式中 y 为城市热岛强度，x 为城市集中供热面积。相关系数达到 0.8327。相关显著。

　　4.3   城市热岛的量度

    西安气温与乡村站气温的差值，称作西安的局地气温，它反映了西安站气温滤去了大尺度气候背景变化后的小尺度城乡差异。局地气温可以作为西安城市热岛的量度，这里称作热岛强度。

　　图 3、图 4 给出西安的热岛强度随时间的年际变化，它是用了 45 年的资料所得的结果。我们用西安气温代表城市局地气温；用 4 站气温的平均代表乡村气温，即大气候气温。用它们之间的气温差来定义西安城市热岛强度。由图 3 可见，两条变化曲线间的距离越来越大，即西安增温的速度比乡村站明显加快。用两条变化曲线间的距离作出图 4。由图 4 可以看出，随着时间的推移，西安城市热岛强度越来越强，尤其自 2002 年以来更为明显。  西安城市热岛强度平均为 0.5℃。变化基本可以分为 4 个阶段，1961-1976 年两站的气温基本相同，1977-1992 年热岛强度都小于等于 0.5℃，1993-2001 年热岛强度基本在 0.5~1.0℃之间，2002-2005 年热岛强度在 1.0~1.2℃之间。从各月热岛强度的年际变化趋势看，与年热岛强度的年际变化趋势相同。

　　从各月的分布（表 2）来看，11 月、12 月、2 月热岛强度较强，在 0.6~0.8℃之间，其它各月在 0.5℃以下。从表 1 中看出：城市热岛对温度的影响冬季最大，夏季最小，春秋介于冬夏之间。 另外，根据多年各月温差分布，最小的 7 月和最大的 12 月。抽样选取最近的 2005 年 7 月和 12 月 5站的逐日平均气温分别代表夏季和冬季。按上述方法算出西安两个月逐日的热岛强度，最大的达到 3.1℃。

　　这是在西安的一环外二环内的原观测场的结果。如果在市中心热岛强度会更强。

　　最后抽样选取最近的 2005 年 7 月和 12 月城市站和乡村站的逐日 02、08、14、20 时 4 个时次的气温。

　　按上述方法算出西安两个月逐日 02、08、14、20 时 4 个时次的的热岛强度（表 3），最大的达到 4.5℃。从4 个观测时次的平均情况来看，7 月份：02、20 时两个时次的的热岛强度较强，可达到 1.8 和 1.5℃。08 时次之，14 时不明显。这可能说明了西安夏季晴天的夜间上空常有逆温层存在，并不容易散热，一直到早晨热量才可散去。而乡村由于通风条件好，所以散热快。12 月：02、08、20 时三个时次的的热岛强度较强，可达到 2.5、2.4 和 1.7℃。14 时不明显。这是否说明了西安冬季采暖的能耗大，从夜间到早晨保持着一定的热量。

　　4.4  城市热岛的等级划分

　　为了使用方便，将城市热岛强度的气温度数分类划分成不同的级别。根据国内外热岛研究成果[6]，通过上述年、月、日、四个时次西安的热岛强度的分析计算，并结合西安和本省实际制定下列等级（表 4）注：表中圆括号表示不包括界限值，方圆括号表示包括界限值。

　　根据城市热岛强度等级划分，我们可以看出：西安一环外二环内（现在气象观测场作代表）年热岛强度等级自 2002 年以来为 3 级，属于中等强度。而如果按各时次统计，少部分时间可达到 5 级，热岛强度很强。如 12 月（可代表冬季）的 02 时和 08 时（可代表夜间和清晨）达到 4 级或 5 级强度的时间分别占到近三分之一。西安站从 2005 年由原来的一级站（基准站）改为三级站（一般站）。

　　5  结论与讨论

　　（1）目前城市发展很快，由于城市的扩大，许多原来建在郊外的气象观测站，现在已包在城市中。

　　尽管气象观测站周围禁止高大建筑物的建造，但附近一些低层建筑累见不鲜。这对周围下垫面的受热状况影响很大。所以在做大范围气象要素分析时，应将各种站点分类，区别对待。

　　（2）热岛效应与西安的人口、车辆、冬季采暖面积关系密切。

　　（3）西安气候变暖从 1994 年开始。

　　（4）西安市在二环内热岛效应已非常明显，1993-2001 年热岛强度基本在 0.5~1.0℃之间，2002-2005年热岛强度在 1.0~1.2℃之间。

　　（5）城市热岛对温度的影响冬季最大，夏季最小，春秋介于冬夏之间。

　　（6）从4 个观测时次的平均情况来看，夏季 02、20 时两个时次的的热岛强度相对较强，可达到 1.8 和1.5℃。08 时次之，14 时不明显。冬季 02、08、20 时三个时次的的热岛强度强，可达到 2.5、2.4 和 1.7℃。14 时不明显。
　　（7）西安年热岛强度等级自 2002 年以来为 3 级，属于中等强度。而如果按各时次统计，少部分时间可达到 5 级，热岛强度很强。如 12 月（可代表冬季）的 02 时和 08 时（可代表夜间和清晨）达到 4 级或 5级强度的时间分别占到近三分之一。

　　参考文献 ：

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