绍兴地区热岛效应的季节变化及年际差异的成因分析

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摘要：文章从绍兴市5个气象站的气温数据中挑选城市和郊区的代表性站点研究近30年来的温度变化，发现城郊温差是呈波动上升趋势的;从中挑选期间的4个年份，重点研究绍兴地区热岛效应的季节变化特征，发现四季变化中夏季最容易出现热岛效应，且低强度热岛和中等强度热岛所占比重较大。随后进行年际对比研究，发现年际差异主要显现在2001年以后热岛效应频率和强度的增长幅度均增大，其中是中等强度在次数和强度上的比重加大，在热岛效应增加的角度上有决定性意义。查阅文献分析该结论的产生原因，发现2000-2010年热岛强度呈倍数增长，这可能和2000年以后工业比重逐年增大有关。滨海工业区和袍江工业区的建立带来了产业规模的扩大，引起了工业用地的增加，大量外来人口的流入也带动了基础设施建设、房地产业、商业、餐饮、娱乐等的快速发展，使城区周边地区得到开发。工业的发展和人口的增加是导致绍兴热岛效应年际变化，且主要呈增长趋势的主要原因。

关键词：热岛效应，季节变化，年际差异，经济发展，绍兴

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.008

城市热岛指的是一个地区的气温高于周围地区的现象，也称“大气热污染现象”，这是由于在城市发展进程中，下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热排放等因素使城市温度明显高于郊区，形成热孤岛的现象[1-2]。一般选取中心和周边的代表性测站研究气温差值的变化用来表示热岛效应变化。由于城市人口集中，生活、生产产生的热能和局地大气环流会造成城市中心温度偏高。随着城市化进程发展，城市热岛的研究对城市规划与环境保护具有一定价值[3-4]。

20世纪80年代是我国经济飞跃式发展的阶段，大城市热岛效应的研究已经引起了学者们的广泛重视[5-6]。江汉田等[7]研究发现，上海城市热岛明显呈时间尺度结构，由各种尺度的热岛叠加而成，冬季热岛的尺度结构比较单一，夏季比较复杂。此类研究也可为绍兴城市热岛的研究提供参考。

为了更好地研究城市化进程对绍兴地区的热岛效应影响，本文选取4个年份（1981，1991，2001，2010）研究不同季节城市热岛的尺度叠加方式，以探寻城市热岛的变化和影响因子。

1 研究区域和数据来源

1.1研究区域

绍兴位于长江三角洲南岸，北纬29°13"36"一30°16"17"，东经119°53"02"-121°13"38"，海岸线长40 km，总面积8256 km²。属中、北亚热带季风气候过渡地带，四季分明，气候温和，年平均气温16.0℃～16.5℃[8]。地势南高北低，由北部绍虞平原逐渐过渡为丘陵山地。南部为山村，北部为水乡。境内河道密布，湖泊众多，东北部为水网平原，海拔一般在10m以下。

绍兴市2017年总人口为501万，其中柯桥区和越城区作为城区，其他4个县区（诸暨、新昌、嵊州、新昌）作为郊区。城区人口密度高达873人/km²，郊区人口密度仅约为城区的一半（444人/km²）。

1.2数据来源和研究方法

本文首先选用1981-2010年绍兴市的绍兴（S1）、诸暨（S2）、上虞（S3）、新昌（S4）、嵊州（S5）5个站点的月平均气温数据研究绍兴地区热岛效应年际变化和季节变化特征，参与热岛计算的5个站点的地址迁移都较小，符合热岛强度计算条件的绍兴站位于市区，人口密度较大，其数据可代表城区气温。其余4个站点可代表郊区气温。在此基础上，选取其中1981，1991，2001和2010年4個年份作为代表研究热岛效应的年代差异[9]，数据跨度为30年，涵盖了绍兴市经济出现跃变的时段——20世纪90年代末至21世纪初。

本文又以绍兴（S1）和新昌站（S4）作为个例，计算1981-2010年的平均气温差（△T=S1-S4），研究平均气温差的年际变化，探索其变化与热岛效应之间的关系。城市热岛强度（UHI），即绍兴气温S1与郊区4个站点平均气温的差值。计算公式为：

其中，若假设式（1）中的△T_u-r >0.5℃，则认为热岛效应存在[9]。挑出通过式（1）计算的热岛效应出现的日期，计算其热岛强度之和，即为热岛累计强度，可表示为：

式（2）中，s表示某一季节，即第s个季节，k为该季节中k次热岛的强度。

1.3筛选方式

绍兴站位于绍兴北部人口建筑物较密集的城市中心，新昌位于绍兴南部山区，周围生态条件较好，两站气温差值可代表城郊温差、研究年际变化[1O]。

2 结果与分析

2.1热岛效应的年际变化特征

通过图1的数据可以看出.1）1981-2010年，平均气温（以绍兴站为例）是波动上升的，速率为每10年上升0.79℃，四季的城郊平均气温差也是逐年波动上升的，春夏秋冬上升速率分别为每10年上升0.27℃，0.26℃，0.26℃和0.06℃，因此，平均气温与热岛效应强度存在正相关性。2）夏季平均气温高，出现热岛效应的强度（城郊气温差为例）也最高;冬季平均气温最低，热岛效应出现的强度也最低;春秋出现热岛效应的强度居中。

综合上述分析结果，说明热岛效应出现的概率与平均气温有关。

2.2热岛效应的四季变化特征

选取4年（1981，1991，2001，2010年）的气温资料，依据上述计算方法和筛选方式，统计绍兴出现热岛的天数概率为27.9%。春夏秋冬出现热岛的天数概率如表1所示，分别是6.6%，10.1%，6.2%和4.9%。

根据表1还可看出热岛出现概率的差异。绍兴热岛效应出现的概率总体上并不高，又以夏天概率最高;冬季最低;春秋概率相近，在四季中居中。四季年际平均气温也有相应的对照，夏季平均气温最高，为27.45℃;冬季最低，仅为5.89℃;春秋居中。这与热岛效率发生概率非常相似。虽然春秋平均气温分别为16.08℃和18.35℃，但热岛效应概率却为6.6%和6.2%，这可能由于相似平均气温下，热岛效应概率还受其他因子干扰。计算平均风速发现，春季和夏季平均风速为2.0m/s，秋季为1.7m/s，冬季为1.8mm/s，剔除平均气温这个因子后发现，风速较大的春季发生热岛效应概率较大，这可能是由于城市中建筑物较多，阻挡了空气流通，从而使城郊气温差更加显著。

2.3热岛效应强度的四季变化

为进一步研究四季热岛的差异，我们对每一次出现的热岛进行强度划分[11-12]，并定义热岛强度0.5℃～1.0℃为低强度热岛，1.0℃～1.5℃为中强度热岛，1.5℃～2.0℃为较强热岛，2.0℃以上为强热岛。计算各季节各强度热岛的次数并进行统计，如图2表示。

由图2可知，4种强度热岛在四季中均有出现。从不同季节看，以夏季出现次数最多，4种强度热岛出现的次数均明显多于其他季节;而春、秋、冬3个季节，不同强度热岛出现的次数相差不大。从不同热岛强度出现频率看，低强度热岛在四季中出现频率都是最高的，中等强度热岛次之，第三是较强热岛，强热岛出现频率最少。

2.4热岛效应积累强度的变化特征

表2分季节统计了4个年份的热岛累积强度。从表2中可知，春、夏季热岛效应积累强度在1981—1991年略有减弱，在1991—2001年再次增强，2001—2010年呈倍数增强，2010年的热岛效应积累强度分别为2001年的3倍和4.7倍;秋季在1981—1991年稳定上升，却在1991—2001年维持稳定，略有浮动，2001—2010年又呈倍数增强，2010年的热岛效应积累强度为2001年的8.3倍。

表2数据分析表明，2001年前，年平均热岛强度分别为13.91，10.49，13.20，虽然四季有不同趋势变化，但整体强度变化比较平稳。但2001—2010年，热岛强度以倍数增强，其中增强最快的为秋季。这可能与2001年开始，绍兴城市化建设跨越式发展有关[8]。滨海工业区和袍江工业区的建立带来了产业规模的扩大，引起了工业用地的增加，大量外来人口的流人也带动了基础设施建设、房地产业、商业、餐饮、娱乐等的快速发展，使城区周边地区得到开发。工业的发展和人口的增加是导致绍兴热岛效应年际变化，且主要呈增长趋势的主要原因之一[13]。

2.5不同强度热岛效应的年际变化

从图3中可以看出，各强度热岛都是先减少后增加的趋势，但是减少的年份却并不完全相同。低强度热岛在1981—1991年有显著减少，减少183%;随后1991—2010年中稳定上升。中等强度热岛在1981—2001年都呈稳定减少趋势，但在2001—2010年又迅速增加，增加7倍。1981—1991年均未出现较强热岛和强热岛。1991年后较强热岛开始出现，并在2001年后迅速增加。强热岛在2001年后才出现。

1981年各热岛强度占总热岛数的85%，15%，0%，0%，2010年时各强度热岛变为36%，35%，20%，9%，可以看出低强度热岛随着年代的推进向更高强度的热岛转换，因此随着社会发展，热岛效应也在逐年增强。

3 热岛效应季节变化的成因探析

影响热岛效应的因素很多，主要分为气象条件和人为因素。

3.1气象条件的影响

对年平均气温（绍兴站）的研究发现1981—2010年气温的上升高速率为每10年上升0.79℃。年平均气温是稳定上升的，这也是导致热岛效应出现次数增加的原因之一。而热岛效应在2001—2010年增长的最为明显，我们也可以推测，气温的上升先于城市热岛的发生。

3.2人为因素的影响

1）城市人口快速增加。根据《绍兴统计年鉴》，近年来人口呈快速增加趋势，1999—2000年，增长率超过76%。人口的增长导致了对住房的需求，这也促进了房地产开发必然会向郊区拓展，使周边的耕地被转换成城镇建设用地。尤其是2000年以来，耕地面积总体呈减少趋势，2000—2003年年平均递减率达到4.5%。正是经济发展快速增长，城市扩张明显的这几年，城区附近的耕地被占为它用。越来越多的农业人口向非农业人口转变，农业人口比重越来越小，这也是农村城镇化的原因。

2）经济快速增长，建筑业兴起。绍兴市区GDP由1992年的198974万元增长到2003年的1871462万元，年平均增长率达70%，经济的飞速发展引起了产业结构的变化。2000年以后工业比重逐年增大，滨海工业区和袍江工业区的建立带来了产业规模的扩大，引起了工业用地的增加，也带动了基础设施建设、房地产业、商业、餐饮、娱乐等的快速发展，使城区周边地区得到开发。

4 结论

通过对绍兴城市热岛效应的研究，结果表明：1）近30年来城市热岛效应是逐年增加的，尤其出现在2001—2010年，这与平均气温逐年上升呈正相关性。其中夏季最容易出现热岛，而冬季最少，因此平均气温是影响热岛效应的一个重要因子。2）热岛效应出现概率以夏季最频繁，冬季最少，春秋季相近。其中虽然秋季平均气温较春季高，但春季出现热岛效应的概率较大;除去平均气温这个影响因子后，平均风速也是影响热岛效应出现概率的因子之一。3）在城市化进程中，各层次热岛效应显著增加，其中最明显的方式是低强度热岛向更高强度热岛转化。低强度热岛比例从1981年的85%减少至2010年的36%，其他3种层次热岛效应分别增加20%，20%和9%，随着工业发展、人口增加，热岛强度的层次也在发生着改变。这说明城市化发展是改变热岛强度层次结构的重要因子。

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收稿日期：2018-06-03

第一作者：季丹丹（1988-），女，本科，绍兴市柯桥区气象局气象台副台长，研究方向为气象学。E-mail：251495502@qq.com

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