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绍兴市热岛效应的季节变化及年际差异

摘要 本文以绍兴市为例,分析了近三十年城郊温差的四季变化趋势。从绍兴市5个气象站的气温数据中挑选代表城市和郊区的代表性站点着手,研究了近三十年来整体的温度变化,发现城郊温差是呈波动上升趋势的。同时挑选期间4个年份,重点研究了绍兴地区热岛效应的季节变化特征,结果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贡献加大,在热岛效应增加的角度上有决定性意义。查阅文献分析本文结论的产生原因,2000年到2010年期间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,使得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,主要呈增长趋势的主要原因。


1  引言
城市热岛指的是城区温度比周边高。一般温度较高区域位于城市的中心。这大概由于城市人口集中,生活生产产生的热能和局地大气环流所造成的。城市热岛的研究对城市规划与环境保护有一定的价值。
    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。江汉田等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[1]。对此借鉴,也可作为绍兴城市热岛研究的方法。
 本文选取城市化进程中的四个年份(1981、1991、2001、2010),研究不同季节城市热岛的尺度叠加方式,探寻影响城市热岛的主要因素。


2  研究区域和数据来源
2.1 研究区域
选取浙江绍兴为研究区域。绍兴位于长江三角洲南岸,会稽山北麓,北临杭州湾,南接天台山,东起曹娥江,西抵富春江。北纬29°13′36″至30°16′17″,东经119°53′02″至121°13′38″,东西宽130.03km,南北长116.86km,周边长356.59km,海岸线长40km,总面积8256km2。[2]属中、北亚热带季风气候过度地带,四季分明,气候温和,湿润多余,年平均气温16.0~16.5℃。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[2]。
    到2013年绍兴市总人口433万,其中柯桥区和越城区作为城区,其他四个县区作为郊区,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(S1)、新昌(S4)2个站点的月平均气温数据研究绍兴市气温季节变化的总体趋势。在此基础上,选取其中四个年份1981、1991、2001、2010年作为代表,研究热岛效应的年代差异。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。所选取的数据为,绍兴市5个站点绍兴(S1)、诸暨(S2)、上虞(S3)、新昌(S4)、嵊州(S5)。其中绍兴站位于市区,人口密度较大,其数据可代表城区气温。其余四个站点可代表郊区气温。参与热岛计算的五个站点的地址迁移都较小,符合热岛强度的计算条件。城市热岛强度(UHI)的大小计算公式为:


即绍兴气温S1与郊区四个站点平均气温的差值。其中,若假设>0.5℃,则认为热岛效应存在[3]。挑出其中出现热岛效应的日期,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。
2  近30年来绍兴城郊温差的季节变化
近30年来,城区和郊区的气温都在明显的上升。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,如图1表示了近30年绍兴四季平均城郊温差的变化。总体上看,四季城郊温差都呈波动上升态势;分季节来看,春夏秋冬天四季城郊温差平均值分别为0.19,0.42,0.21,0.02℃。其中夏季温差最大,冬季则最小,这也暗示了夏季最容易出现热岛效应,而冬季出现热岛效应相对比较低。
3   热岛效应的季节变化特征
   选取四年(1981、1991、2001、2010年)的气温资料,依据1.2节确定的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%,4.9%,年平均热岛强度为0.54℃。
   从表1可以看出,城郊温差在四季都有可能出现,热岛效应的四季特征可体现为:
(1)热岛出现概率的差异。由数据显示,绍兴的热岛效应出现的概率并不算高,其中夏天热岛出现概率高于其他三季,基本上偏多2倍左右,冬季则最低。
(2)热岛强度的差异。热岛平均强度与出现概率并不一致,其中春季热岛强度最强,为0.9℃,而秋季最弱,仅为0.23℃。


图1近30年绍兴四季平均城郊温差(绍兴—新昌)的年际变化


表1 绍兴市四季热岛平均出现频率和平均强度
季节
热岛效应频率 6.6% 10.1% 6.2% 4.9%
热岛平均强度 0.90℃ 0.71℃ 0.23℃ 0.54℃


    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的划分,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。




图2 不同强度等级热岛四季出现次数的差异
   
   分析图2可知,在热岛出现频繁的夏季,四种强度热岛出现的次数均明显多于其他季节,而春、秋、冬三个季节,不同强度热岛出现的次数相差不多。这也表明了,绍兴市热岛效应的四季差异在各个强度热岛下都比较明显。


4  热岛季节变化的年际差异
表2 逐年热岛效应累积强度季节特征
年份 热岛效应累积强度/℃
年平均
1981 16.75 31.78 1.88 5.25 13.91 
1991 14.28 11.75 9.25 6.68 10.49 
2001 15.35 18.85 9.13 9.48 13.20 
2010 46.98 88.28 76.10 45.65 64.25 
四季累积 93.35 150.65 96.35 67.05 101.85 


    表2分季节统计了四个年份的热岛累积强度。从表中可见,冬季热岛强度从1981到1991年有小幅度减弱[减弱还是增强?],此外,春、夏两季的1981年和1991年也略有回落,除上述时段,其余的热岛累积强度是逐年略有递增的,总的来说,1981年到2001年间,热岛累积强度较为均匀的。但是在2001年到2010年中,热岛强度增加幅度明显变大,尤其在秋冬季更为显著,2010年四季热岛累积强度比2001年增长分别为206%,368%,734%,382%。表3 逐年热岛效应出现频次的季节特征
年份 热岛效应出现频次
年平均
1981 20 40 3 7 18
1991 15 15 13 10 13
2001 18 24 12 12 17
2010 44 69 63 42 55
四季平均 24 37 23 18 26


热岛累积强度取决于热岛出现频次和热岛强度两个因素。表3为统计的四个年份中各季节热岛出现的频次。从表中可以看出热岛出现频次的四季差异较为明显,夏季出现的频次明显多于其他季节,并高于年平均。除1981年夏季热岛出现频次高于四季平均频次以外,1981年,1991年和2001年各季节均小于四季平均频次。但到了2010年四季频次分别高于四季平均频次83%,86%,172%,133%。从热岛频次来看,随着年份变化,2001年到2010年热岛频次成倍数增长, 热岛效应显著升高。
总体而言,夏季的热岛效应出现最多,且强度最大,因此我们单独对夏季热岛强度和频次进行研究,如图3所示。依照表3中对热岛的划分,统计了夏季每一强度等级的热岛各年份出现的频次。
从图3中可以看出低强度热岛虽然在1991年后有一定程度的反弹,但是相较于1981年有明显减少。而中等强度以上热岛在2001年以后均有增加,增加速度最快的是中等强度热岛,其次是较强热岛,强热岛增加最少。[可以再写一点2010年各强度热岛的比重和之前年份有什么不同]由此可以推断,随着年代的推进,低强度热岛有向中等强度及较强强度热岛转化的趋势,总的来说,夏季热岛强度总体上趋于增强。而正是这种趋势导致了全年热岛强度的增强

图3 不同强度等级夏季热岛出现次数变化趋势


5  热岛效应季节变化的成因探析
 影响热岛效应的因素很多,主要可以分为气象条件和人为因素。首先,对年平均气温(绍兴站)的研究发现1991年比1981年上升了0.4℃。2001年比1991年上升了0.9℃,2010年比2001年增长了0.4℃。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年到2010年间增长的最为明显,我们也可以推测,气温的上升先于城市热岛的发生。
其次,人为因素方面:
    1、城市人口快速增加。根据《绍兴统计年鉴》显示,近年来人口数呈快递趋势,尤其1999年到2000年间,增长率超过76%。人口的增长也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,使得周边的耕地北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年至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,使得城区周边地区得到开发。
6  总结
  针对绍兴城市热岛效应的研究,我们发现(1)近30年来城市热岛效应是逐年增加的,尤其出现在2010年到2001年间,这可能与2001年-2010年这段时间内绍兴城市化进程加快有关。(2)夏季最容易出现热岛,而冬季最少。其中低等强度热岛占最大比重。(3)各层次热岛中,低强度热岛出现次数总体是有减少的,主要是中等强度热岛频次的增加导致热岛效应频繁出现。




参考文献
[1]Murphy D J R.The relation between land-cover and the urban heat island in northeastern Puerto Rico.New York:State University of New York ,2007
[2]房丽珍,绍兴市城区扩张与热岛效应的研究,2005。
[3]张艳、鲍文杰,余琪等。超大城市效应的季节变化特征以及年际差异。地球物理学报,2012,55(4):1121-1128
论文发表 | 论文范文 | 0 | 2018/1/11 15:15:40 | 小张
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