天津城市热岛效应的时空变化特征

黄利萍，苗峻峰，刘月琨

(1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044;2.天津市气象局，天津300074)

0 引言

城市是一种特殊的下垫面，它能对气候产生显著的影响。城市化发展使得城市中心的气温明显高于周围环境，城市犹如一个温暖的岛屿伫立于周围乡村冷的海洋上，称为“城市热岛”效应(urban heat island，UHI)。Luke(1833)是伦敦热岛的首倡者，此后各国学者对不同纬度、不同类型的城市陆续做了大量的城、郊气温对比观测亦发现类似现象。城市热岛强度具有日变化和年变化的周期性规律:在城郊地形平坦、高压控制、晴朗小风的静稳天气条件下，城市热岛日变化表现为夜晚强、白天午间弱(Oke and East，1971;邓莲堂等，2001);城市热岛的年变化比较复杂，各国年变化颇不一致，因资料年代和区域气候条件而异，我国大多以秋、冬季较强，夏季和晚春较弱(周淑贞和张超，1982;张尚印等，2006)。城市热岛强度的非周期性变化则与城市规模、人为热排放、天气条件和地形等因子有关(Oke，1973;Landsberg，1981;谢庄等，2006;李丽光等，2011)。Sundborg(1950)首次利用多元线性回归方法分析了云量、风速、气温和绝对湿度与城市热岛强度的相关性，此后的研究陆续采用多元非线性回归、多维尺度分析、神经网络、波谱分析、聚类分析等方法来研究各种气象因子与城市热岛强度的关系(Duckworth and Sandberg，1954;Morris et al.，2001;Kim and Baik，2002，2004)。海滨城市与内陆城市相比，即使城市规模大于内陆城市，但日最大热岛强度的年平均值仍然较小(苗曼倩和唐有华，1998;Gedzelman et al.，2003;Kim and Baik，2004)。城市热岛效应一方面会对天气系统产生影响，例如夏季强对流天气增多和城市下风方向降水增加(Robert and Qing，2000;Karen，2006);另一方面也会对城市污染物的扩散产生影响(苗曼倩，1990;韩素芹等，2009)。天津地区城市热岛效应的研究自20世纪80年代就陆续展开，热岛效应的总体特征表现为:冬、秋季强，夏季最弱;夜晚强，午间弱;整个城市热岛的形状、走向、位置与建成区一致(边海和铁学熙，1988;孙弈敏和边海，1988);随着城市的发展，热岛强度随年代以0.11℃/(10 a)速率加强，城市热场的范围也呈扩大趋势，热中心的形成与下垫面的土地利用形式有关，多与工业高能耗区相对应(韩素芹等，2007)。天津地区城市热岛效应因气候和地形的影响有其独特性，研究表明:天津地区的地理环境特征能使城市热岛环流和海陆风环流相互耦合(刘树华等，2008)，海陆风效应对天津城市热岛效应有一定的削弱作用(于恩洪和陈彬，1987)。

城市热岛效应使得夏季城市高温灾害频发、强对流天气增多，造成能源消耗增加、环境质量综合下降，更易发生城市内涝，严重影响城市社会经济正常运转和城市基础设施安全。天津位于渤海湾西部，是环渤海经济区的中枢城市之一，研究天津市热岛效应的时空变化特征，对于天气预报、污染治理和城市规划等都有重要意义。地面站一日四次的常规数据能很好地诠释城市热岛的年季特征，但由于时空分辨率有限，在揭示热岛日变化规律方面存在不足，所以本文的研究资料使用的是2008年天津市14个地面自动站的逐时观测资料，站点空间分布密集，资料的时空分辨率较高，试图进一步揭示天津市热岛效应的日变化特征。以往的研究大多是利用位于城市和郊区观测站的气温之差来度量城市热岛强度，很少研究城郊站点的选择不同对城市热岛强度的影响，而关于城郊代表性站点如何选取也一直存在争议，并没有一个统一标准。本文将根据天津地区14个自动站的空间分布对其进行区域划分，试图研究城郊站的选取对城市热岛强度的影响，希望得到一个合理的选站方案，并通过分析天津站与城区周边不同区域站点的逐时温差变化来探讨各站点对天津城市热岛效应的贡献。

1 资料和方法

1.1 数据来源和站点分布

本文数据资料采用的是天津市14个地面自动气象站2008年的逐时气温、相对湿度、风向风速资料，天津市地面常规气象观测站6 h一次的云量、云高资料。天津共有14个地面自动气象观测站(图1)，本文以天津站为圆心，分别取半径为45.5 km和91 km的两个同心圆区域，作为天津城市热岛效应的研究区域，内圆区域为天津站和近郊站(武清、北辰、西青、静海、东丽、津南)，圆环区域为远郊站(宝坻、宁河)和沿海站(汉沽、塘沽、大港)。天津市北部的蓟县站和渤海湾的A平台站分别受山地地形和海洋环境影响较明显，并且都距离天津市区100 km以上，故本文不考虑这两个站点对天津城市热岛效应的贡献。另外，由于天津市周边区域都不同程度上受到天津城市化发展的影响，故本文将外圆区域内除天津站之外的11个站统称为“周边站”。

1.2 分析方法和数据处理

1.2.1 热岛强度的定义

“城市热岛强度”是指城市中心区的气温与周围郊区气温的差值，用它来表征城市小气候影响下城区与郊区温差的程度。由热岛强度的定义可知，它反映的是一个区域的均量，因此如何合理选择城郊代表性观测站显得尤为重要。关于城郊代表性站点的选择及城市热岛强度的计算方法，目前并没有一个统一标准，一般使用城区各站平均气温与同时间同高度各郊区站平均气温的差值来表示城市热岛强度(刘继韩，1987)，计算公式为:ΔTU－R=¯TU－¯TR，其中:ΔTU－R为城市热岛强度值;¯TU为城区各站气温的平均值;¯TR为郊区各站气温的平均值。为了更客观地认识天津市热岛强度的时空特征，本文采用4种方案(表1)对城区站和郊区站的代表性进行了对比分析，试图得到一个合理的选站方案。

图1 天津地区自动气象站分布(以天津站为圆心的两个同心圆，内、外圆半径分别为45.5 km、91 km)Fig.1 Distribution of the automatic weather stations in Tianjin(Tianjin station is the center of two concentric circles，and the radiuses of the inside and outside circles are 45.5 km and 91 km respectively)

表1 天津市城区站和郊区站的4种选择方案Table 1 Four plans to choose the urban and suburban stations in Tianjin

周淑贞和束烔(1994)曾使用城区某一代表性的观测站与郊区某一代表性观测站的气温差值来表示热岛强度，所以本文为了分析天津城区周边区域不同站点对天津城市热岛效应的贡献，分别取天津站与同时刻11个周边站的气温之差作为“天津市区站与该11站的温差”，计算公式为:ΔTU－Ri=TUt－T(Rt)i，其中:ΔTU－Ri为t时刻天津市区站与第i个周边站的温差;TUt为t时刻天津站气温;T(Rt)i为t时刻第i个周边站气温，i=1，2，…，11。“天津市区站分别与11站的温差”实质上是定义了11个不同的天津市热岛强度，当选择城区周边不同站点作为郊区站代表时，天津市热岛强度也随之改变，某时刻天津市区站与某个周边站的温差越大，则表示使用该站作为郊区站时得到的天津市热岛强度越强。因此，利用“天津市区站与11个周边站的温差”可以统计出周边各站对天津市热岛强度的贡献。

1.2.2 热岛强度的分类

本文季节的定义:将2008年1月、2月和12月定义为2008年冬季，其他季节仍使用气象上标准的季。本文参考以往研究关于热岛强度等级的划分标准(周明煜等，1980)，将热岛强度分为四类。1)强热岛:春季(热岛强度≥2.5℃)，夏季、年(热岛强度≥2℃)，秋、冬季(热岛强度≥4℃);2)弱热岛:春季(0.5℃≤热岛强度＜2.5℃)，夏季、年(0.5℃≤热岛强度＜2℃)，秋、冬季(0.5℃≤热岛强度＜4℃);3)无热岛:春、夏、秋、冬、年(－0.5℃≤热岛强度＜0.5℃);4)冷岛:春、夏、秋、冬、年(热岛强度＜－0.5℃)。

1.2.3 数据处理

对2008年14个自动站小时资料进行质量控制:对一日内(00时—23时，北京时间，下同)缺测时次达10 h以上的，该日不参加统计;对一日内缺测时次不超过10 h的，缺测时次不参加统计，该日其余时次仍参加统计。结果显示:大港站参加统计的时次为8 770个，塘沽站为8 782个，静海站为8 775个，渤海A平台站为8 769个，其余10站均未出现缺测，统计时次均为8 784个。因此，“天津市热岛强度”样本容量为8 784个，“天津市区站与11个周边站的温差”样本容量除大港为8 770个、塘沽为8 782个，静海为8 775个外，其余8站均为8 784个。

2 天津地区气温的时空分布特征

为分析2008年天津地区温度场的时空特征，本文使用经验正交函数(empirical orthogonal function，EOF)分析法，对2008年天津市14个自动站的逐小时气温进行了时空分解，14站的统计时次均为8 744个。

在进行EOF分解时，各特征向量是正交并且相互独立的，而实际计算中却不一定能保持这种性质，原因是所取的样本数有限，易造成取样误差，使得特征向量不能相互独立，尤其是相邻的特征向量。因此，需要对EOF分析的结果进行取样误差估计，计算公式(North et al.，1982)如下:

其中:N为样本容量;δλα为特征值的取样误差;Δλα为相邻两个特征值之差λα－λα';δΦα(i)为特征向量的取样误差。当δλα大于等于Δλα时，特征向量的分量的取样误差就达到或超过相邻特征向量的分量，当处在这种情况时，该特征向量的估计就无意义了(吴洪宝和吴蕾，2005)。

对2008年14个站的小时温度场进行EOF分解，经North et al.(1982)验证，发现前两个模态之间的独立性较好，累积方差贡献率为99.37%，其中第一模态的方差贡献率达到了98.52%，表示2008年天津地区温度场的分布特征与第一模态表现出的特征基本一致。如图2a所示，第一模态特征向量场在天津区域为一致的正值区，说明2008年整个天津区域气温变化一致，高值中心位于天津站和近郊的东丽、津南站附近，低值中心在渤海A平台和远郊的宝坻站。从第一模态所对应的时间系数序列(图2c)可以得到，2008年1—3月、11—12月期间，温度持续偏低，12月中旬有一负向峰值，温度偏低最明显，而4—10月期间温度持续偏高，其中7月至8月上旬温度偏高最明显。

图2 天津地区14个自动站2008年小时温度场的EOF分解得到的第一模态(a;×10－2)、第二模态的空间分布(b;×10－2)和第一(c)、第二(d)模态所对应的主分量Fig.2 Spatial distribution of the(a)first and the(b)second mode of the result of EOF decomposition of the hourly temperature from 14 automatic stations in Tianjin in the year 2008;temporal coefficient series diagram of(c)the first and(d)the second mode of the result of EOF decomposition of the hourly temperature from 14 automatic stations in Tianjin in the year 2008

第二模态特征向量场(图2b)呈“西北负东南正”的分布型，正值中心位于渤海A平台站和沿海的塘沽站，负值中心在宝坻、武清一带，说明西北内陆站与东南沿海站的温度呈反向变化。根据第二模态的空间型所对应的时间系数(图2d)，2008年沿海站和内陆站温度的反向变化较为平稳，2—7月西北内陆气温略偏高，东南沿海地区则稍偏低，而在1月、8—12月西北内陆温度略偏低，东南沿海温度稍偏高。

综上所述:EOF分析的第一模态表明2008年天津地区存在城市热岛现象，热岛中心位于天津、东丽、津南站附近，同时也反映了天津地区气温的季节变化特征，第二模态表现出因海陆热力差异而导致的温度时空分布差异，春、夏季内陆气温高于沿海，秋、冬季相反。因此，天津地区四季分明，热岛现象显著，同时由于地处渤海湾西岸，气温时空变化在一定程度上受到海洋环境的影响，下文将进一步分析天津城市热岛效应的时空特征。

3 天津市热岛效应的时空特征

3.1 天津市热岛效应的日变化特征

根据表1中的4种方案得到了2008年天津市热岛强度的4种日变化曲线(图3)，可以发现:方案UHI1、UHI2和UHI4的日变化趋势基本一致，呈“两峰一谷”型分布:夜间和日出前各有一个峰值，白天存在一个谷值，这种分布型与城、郊地表辐射收支情况相吻合，也与以往研究结论基本一致(孙弈敏和边海，1988);而方案UHI3的热岛日变化曲线与方案UHI1、UHI2和UHI4的日变化趋势正好相反，夜间热岛消失，白天午后存在一个热岛强度的日极大值(16时)。由此可见，城、郊站的选择对城市热岛强度的计算有显著影响，下面将进一步对比分析方案UHI1、UHI2和UHI4的日变化曲线，选出能客观反映热岛强度日变化规律的合理方案。方案UHI1中，天津市白天无热岛，夜间为弱热岛，而方案UHI2、UHI4的白天和夜间均出现弱热岛;方案UHI1、UHI2和UHI4中，热岛强度的日最大值分别出现在04时、19时、04时，日最小值分别出现在14时、11时、12时;在08—21时，方案UHI2的热岛最强、UHI4次之、UHI1最小，22时—次日07时则正好相反，并且方案UHI1中热岛强度的日变化最大，方案UHI4次之，方案UHI2最小。分析方案UHI1、UHI2和UHI4中热岛强度日变化不同的原因可能是:沿海站因受海洋环境的影响，白天气温低于内陆站，夜间气温高于内陆站，而远郊站因距离城区较远，白天和夜间的气温均小于近郊的内陆站，所以方案UHI2、UHI4与方案UHI1相比，白天热岛较强，夜间热岛较弱。由此可见，方案UHI1相比方案UHI2、UHI4而言更为客观，城、郊站点基本不受局地地形和海岸环境的影响，所以选择方案UHI1作为计算天津市热岛强度的最终方案。

因此，天津市热岛强度的计算公式为:ΔTU－R=TUt－¯TRt，其中:ΔTU－R为t时刻天津市热岛强度值;TUt为t时刻天津站气温;¯TRt为t时刻近郊站(武清、北辰、西青、静海、东丽、津南)气温的算术平均值。

图3 4种方案得到的2008年天津市热岛强度的日变化曲线(单位:℃)Fig.3 Diurnal variation curves of hourly urban heat island intensity in Tianjin according to four different plans in 2008(Units:℃)

由图4可知，2008年秋、冬季天津市日最大热岛强度的平均值ΔTU－R为2.2℃，春、夏季平均为1.3℃，年平均1.7℃。2008年天津市热岛强度的全年和四季的日变化曲线基本一致，呈“两峰一谷”型分布:ΔTU－R值在12—16时之间存在一个谷值，此后热岛强度迅速增加，夜间22时左右达到第一个峰值，此后几乎为常值，04—07时达到第二个峰值，日出后热岛强度迅速减小，并且日出后热岛下降曲线比日落后热岛增加曲线更陡峭，这可能是因为日出前辐射逆温最强，日出后逆温层迅速被破坏。秋、冬季热岛强度的日变化幅度明显大于春、夏季，热岛强度冬夜最强，春昼最弱，且秋、冬季ΔTU－R达到夜间第一个峰值的时间早于春、夏季，而达到第二个峰值的时间晚于春、夏季，这是由于秋、冬季节日落早，日出迟，夜晚长，有利于形成稳定深厚的逆温层。热岛强度的这种日变化特征与城乡地表辐射热量收支差异有关，郊区地表热容量小，日出后升温较快，热岛强度迅速减小;午后的平流和垂直方向的湍流使城郊热量交换达到最强，此时热岛强度最弱;日落之后，郊区辐射降温作用非常明显，而城市下垫面更易贮存热量，降温比较缓慢，一旦郊区形成稳定的逆温层，城郊降温速率基本一致，因而热岛强度达到第一个峰值后几乎稳定不变，日出前郊区辐射逆温最强，热岛强度到达第二个峰值。

下面使用“天津市区站分别与11个周边站的温差”日变化来分析11个周边站对天津市热岛强度日变化的贡献，其中温差类型的划分标准与热岛强度的类型相同。图5为2008年天津市区站分别与11个周边站的小时平均温差的日变化情况，可以发现:由于海陆热力差异，天津市区站与沿海的塘沽、大港和汉沽站的温差日极大值出现在17—18时，且温差值夜间稳定少变，而天津市区站与其余8个内陆站的温差日极大值均出现在午夜和日出之前，且午后均有一个极小值。天津市区站与远郊的宝坻和近郊的武清站的温差昼夜差值较大，而天津市区站与远郊的宁河、近郊的东丽、沿海的大港和汉沽站的温差值日变化较小。天津市区站分别与11站的日最大温差值，总体上呈自西北内陆站向沿海站减小的趋势，但近郊的东丽站比较特殊，东丽站于2006年向西迁至天津市区边缘，基本上与市区融为一体，探测环境为“集镇”，因而天津站与其温差的日最大值小于其余10站。

天津市区站与沿海的塘沽和大港站的温差类型，白天大多能达到弱热岛标准，夜间多为无热岛标准，汉沽站因位于海岸线西北部，天津市区站与汉沽站温差的日极大、极小值都出现在白天。天津市区站与沿海的汉沽和远郊的宁河站，昼夜温差类型几乎均达到弱热岛标准。天津市区站与近郊站(除北辰和武清站)的温差类型，白天为无热岛标准，夜间达到弱热岛标准，天津市区站与北辰站的温差类型，白天为无热岛标准，夜间达到强热岛标准。天津市区站与远郊的宝坻站和近郊的武清站的温差类型，白天多为弱热岛标准，夜间达到强热岛标准。因此，天津市区站与11个周边站的温差类型中，白天沿海站达到弱热岛标准，近郊站为无热岛和弱热岛，远郊站为弱热岛，夜间沿海站为无热岛和弱热岛，内陆近郊站和远郊站均为弱热岛和强热岛，可见郊区站地理位置的变化对热岛强度的日变化有很大的影响。

图4 2008年春、夏、秋、冬季和全年的天津市热岛强度的日变化曲线(单位:℃)Fig.4 Curves of hourly urban heat island intensity in Tianjin in the year 2008 and that in four seasons(Units:℃)

图5 2008年天津市区站分别与11个周边站的小时平均气温差值(单位:℃)Fig.5 Average hourly temperature difference of Tianjin urban station with 11 surrounding stations in the year 2008(Units:℃)

3.2 天津市热岛效应的月变化特征

分析2008年天津市热岛强度月平均值的日变化三维曲面(图6a)可知:天津市热岛强度的峰值出现在冬季，夏季为谷值，各月午夜和日出前都各有一个峰值，白天午间存在一个谷值，各月热岛强度总体呈“冬强夏弱，夜强昼弱”的分布，与上述结论一致。各月夜间和白天(分别取05时和13时为代表)的热岛强度的逐月变化如图6b所示，显然各月夜间热岛强度均大于白天，其中4—8月热岛强度的昼夜变化趋势相同，并且热岛强度的昼夜差值较小，而其余月份热岛强度的昼夜变化趋势相反，热岛强度昼夜差值较大。夜间各月的热岛曲线呈“三峰两谷”型，热岛强度最大值出现在2月和11月(2.4℃)，夜间各月热岛强度变化较大，差值最大可达1.5℃;白天各月的热岛曲线呈“三高三低”型，高值出现在5月、8月和12月，最大值为0.4℃，白天各月热岛强度差异不大，差值最大仅为0.4℃。2008年天津市各月夜间均为弱热岛，热岛强度的平均值2月和11月最大，6月最小;各月白天均为无热岛，热岛强度的平均值8月最大，2月最小。

图6 2008年天津市月平均热岛强度的日变化三维曲面(a)、05时和13时天津市平均热岛强度的月变化曲线(b)(单位:℃)Fig.6 (a)Three-dimensional curved surface figure of diurnal variation of monthly average urban heat island intensity;(b)distribution of monthly average urban heat island intensity at 05:00 BST and 13:00 BST in Tianjin city in the year 2008(Units:℃)

图7 2008年天津市区站分别与11个周边站的小时温差的逐月平均值(单位:℃)Fig.7 Monthly variation of average hourly temperature difference of Tianjin station with 11 surrounding stations in the year 2008(Units:℃)

2008年天津市区站分别与11个周边站的小时温差的逐月平均值分布如图7所示:天津市区站与沿海的塘沽和大港站温差的逐月变化特征基本一致，高值出现在5月、6月，天津市区站与汉沽站温差的最大值出现在2月，天津市区站与沿海站温差的低值均出现在9月、10月，其中天津市区站与沿海站中汉沽站的各月温差都较大，与塘沽站温差的月变化幅度最大，与大港站温差的月变化最小;天津市区站与内陆近郊站和远郊站的各月温差的高、低值均分别出现在11月和6月，但宁河站因距离海岸线较近，温差最大值出现在5月;在天津市区站与11个周边站的各月温差中，月差异最大的是远郊的宝坻站，近郊的东丽站月变化最小。

3.3 天津市热岛效应的年变化和季节变化特征

统计表明:2008年天津市热岛强度的小时平均值ΔTU－R，秋冬季较强(1.4℃)，春夏季较弱(0.7℃)，年平均值为1.0℃，结果与天津城市热岛强度的历年平均值0.7～1.1℃(孙弈敏和边海，1988)基本一致。

表2显示:当郊区站的选择不同时，不仅对天津市热岛强度的日变化和月变化有影响，而且热岛强度的年、季节特征也会随之改变。2008年天津市区站分别与11个周边站的年平均小时温差中，远郊的宝坻站最大，近郊的东丽和沿海的大港站最小;温差类型除天津市区站与宝坻站的温差达到强热岛标准外，天津市区站与其余10站的温差类型均为弱热岛标准。

表2 2008年天津市区站分别与11个周边站的春、夏、秋、冬、年平均小时温差分布Table 2 Average hourly temperature difference between Tianjin and 11 surrounding stations respectively in the year 2008 and that in four seasons℃

在2008年的四季当中，天津市区站分别与11个周边站的温差值，秋季各站差别最大、冬季次之、夏季差异最小。根据天津市区站分别与11个周边站的温差季节变化特征，可将11个周边站划分为三类:一是“春夏强，冬秋弱”型，包括沿海的大港、塘沽站;二是“冬春强，秋夏弱”型，主要有沿海的汉沽站和远郊的宁河站;三是“秋冬强，春夏弱”型，其余7个内陆站均属于该类型。因此，天津市区站分别与11个周边站的温差季节变化与郊区站的地理位置有密切关系，海陆热力差异使得天津市区站与沿海站和内陆站的温差季节变化相反。

由图8a可知:2008年天津市区站与静海、北辰和塘沽站的4种类型温差的出现频率分布比较均衡，而天津市区站与津南、东丽、宝坻和汉沽站的4种类型温差的发生频率差值较大。在天津市区站与宝坻站的4种温差类型中，达到强热岛标准的温差出现频率最大，而天津市区站与其余10站的温差类型中，出现频率最大的均为弱热岛标准的温差，其中天津市区站与近郊的津南站的温差达到弱热岛标准的频率最大。

图8 2008年天津市区站分别与11个周边站的4种类型小时温差的频率分布(横坐标从左至右依次为:温差达到冷岛、无热岛、弱热岛、强热岛标准)a.全年;b.春季;c.夏季;d.秋季;e.冬季Fig.8 Distribution of four types of hourly temperature difference frequency probability between Tianjin station and 11 surrounding stations respectively in Tianjin in(a)the year 2008，(b)spring，(c)summer，(d)fall and(e)winter(The horizontal coordinate from the left to the right indicates that the temperature differences meet the standards for cold island，no heat island，weak heat island and strong heat island)

根据2008年天津市区站分别与11个周边站的温差达到4种类型热岛标准的频率大小，可将11个周边站划分为五类(其中，“=”表示频率相当，并不一定完全相等):

1)宝坻站。天津市区站与其温差达到4种类型热岛标准的频率大小依次为:强热岛的频率＞弱热岛的频率＞无热岛的频率＞冷岛的频率。

2)武清、宁河和汉沽站。天津市区站与其温差达到4种类型热岛标准的频率大小依次为:弱热岛的频率＞强热岛的频率＞无热岛的频率＞冷岛的频率。

3)静海、北辰、西青和东丽站。天津市区站与其温差达到4种类型热岛标准的频率大小依次为:弱热岛的频率＞无热岛的频率＞强热岛的频率＞冷岛的频率。

4)津南站。天津市区站与其温差达到4种类型热岛标准的频率大小依次为:弱热岛的频率＞无热岛的频率=强热岛的频率＞冷岛的频率;

5)塘沽和大港站。天津市区站与其温差达到4种类型热岛标准的频率大小依次为:弱热岛的频率＞无热岛的频率＞强热岛的频率=冷岛的频率。

比较2008年天津市区站分别与11个周边站的温差达到4种类型热岛标准的频率大小可知:天津市区站与各站的温差达到强热岛标准的频率中，宝坻最大，东丽、大港最小;达到弱热岛标准的频率中，津南、东丽、汉沽、宁河较大，宝坻最小;温差符合无热岛标准的频率中，东丽、大港最大，宝坻、宁河、汉沽、武清较小;温差符合冷岛标准的频率中，塘沽、静海较大，津南、东丽、汉沽、宁河较小。因此，2008年天津市区站与11个周边站的温差达到强热岛标准的站点多为西北内陆远郊站，天津市区站与近郊站和沿海站温差达到弱热岛和无热岛标准的频率较大，而与沿海站和西北近郊站的温差达到冷岛标准的频率较大。

分析图8b—e可以得到如下结论:2008年春季，除天津市区站与近郊的静海、西青和东丽站的4种温差类型中无热岛出现频率最大外，其余8站均为弱热岛发生频率最大;夏、秋、冬三季，天津市区站分别与11个周边站的4种温差类型中出现频率最大的均为弱热岛。春、夏、秋、冬四季天津市区站与各周边站的温差达到强热岛标准的频率均为内陆远郊站较大，近郊各站达到弱热岛标准的频率较大，天津市区站与各站的温差达到无热岛和冷岛标准的频率最高的区域，春、夏季为内陆站，秋、冬季为沿海站。

4 气象要素对天津市热岛效应的影响

以往的研究表明，云量、云高、空气湿度、风向风速等气象要素都会对城市热岛效应产生影响，为了研究究竟何种因子对天津市的热岛效应起主导作用，利用多元线性回归方法来分析各个气象要素的影响大小。在回归模型中，天津市热岛强度(ΔTU－R)为因变量，自变量为5种气象要素，分别为云量、云高、风向、风速和相对湿度。在进行回归分析之前，先对因变量和所有的自变量进行标准化处理(无量纲标准化)，使所有变量转化为同一量级，便于进行对比分析。各要素均使用天津站6 h一次的资料，样本数均为1 460个时次。将风向按SE、SW、NE、NW四个象限分成4类，分别用1、2、3、4表示。

表3显示的是5种气象要素的标准化回归系数、回归模型的复相关系数、决定方差、样本数N和F方差检验对应的概率P。以全年数据得到的结果为例，对多元线性回归分析的结果进行讨论。回归模型的复相关系数R为0.504，F方差检验对应的概率P小于信度σ=0.05显著性检验，所以回归模型有效。对回归系数的T检验表明，除相对湿度的概率大于显著度0.05外，云量、云高、风向、风速均通过了95%的显著性检验，所以云量、云高、风向、风速与2008年天津市热岛强度之间存在显著的线性关系。比较回归模型的各项标准化回归系数可知:5个自变量中最显著的因子是风速，其标准化回归系数为－0.403，与热岛强度呈负相关，表明风速越大，天津市热岛越弱，因为随着风速的增大，空气的平流和湍流增强，城郊之间的温差减小;第二显著因子为风向，热岛强度与风向呈正相关，当风来自南风的两个象限时，热岛较弱，而当风来自北风的两个象限时，热岛较强;第三显著因子为云高，与热岛强度呈正相关，表明热岛强度随着云高的增加而增强;再次是云量，与热岛强度呈负相关，说明天空云量越少，热岛越强;显著性最小的因子是相对湿度，与热岛强度呈负相关，说明空气湿度越大，热岛越弱，这可能是因为城市下垫面的蒸发和植被的蒸腾作用会吸收热量，使得城市气温降低，所以城郊温差减小，同时空气中的水蒸气使得城市大气的水汽压和饱和水汽压增加，故相对湿度增大，但相对湿度与热岛强度的线性关系未通过95%显著性检验。上述分析表明，2008年天津市热岛强度大小与云高、风向呈正相关，而与云量、风速呈负相关，即:当天空无云或无低云，风速较小，风向为西北象限时，易出现强热岛;反之则热岛消失。从决定方差R2可知，这5种气象因子只能解释2008年天津市热岛强度25.4%的变化。另外，分别使用方案UHI2、UHI3、UHI4对2008年一日四次的热岛强度与这5种气象因子做了多元线性回归分析，发现这三种方案得到的决定方差均小于25.4%(分别为10.7%、15.2%、19.1%)。由此可见，当在热岛强度计算中加入远郊站和沿海站之后，气象因子对热岛强度的影响反而下降了。因此，气象要素对城市热岛效应的影响仅是部分因素，可能还与局地地形、人为热、城市规模和探测环境等其他因子有关。

表3 5种气象要素(云量、云高、风向、风速、相对湿度)对天津市热岛强度影响大小的多元线性回归Table 3 The multiple linear regression analysis of the impact of five meteorological predictors(CL，cloudiness;CH，height of cloud base;WD，wind direction;WS，wind speed;RH，relative humidity)on the urban heat island effect in Tianjin

对比2008年白天和夜间的热岛强度分别与5种气象因子的线性回归分析结果可知:回归模型的复相关系数夜间较大，标准化回归系数的符号与表3的第2列一致;白天时，风速、风向与天津市热岛强度的线性关系较显著，夜间时，风速、相对湿度、风向与天津市热岛强度存在显著的线性关系，且白天和夜间均为风速因子的影响最显著。夜间回归模型的决定方差可以解释天津市热岛强度39.3%的变化，明显大于白天(21.9%)和全年(25.4%)，该结论与Sundborg(1950)和Kim and Baik(2002)的研究一致。

为了进一步分析不同季节时，气象要素对热岛强度的影响大小，分别对2008年春、夏、秋、冬季的热岛强度与5种气象因子进行了多元线性回归分析。对回归系数的T检验表明:各季通过95%显著性检验的变量的回归系数的符号均与全年的结果一致，但通过显著性检验的变量各季有所不同，春季为风速、云高、相对湿度与天津市热岛强度之间存在显著的线性关系，夏季为风速、相对湿度，秋冬季为风速、风向、云高;其中四季均为风速因子与热岛强度的线性关系最显著，显著性次于风速的变量，春季为云高，夏季为相对湿度，秋、冬季均为风向。四季的决定方差为冬季最大、秋季次之，夏季最小，但决定方差总体上都相对较小。

总之，天津市热岛效应在一定程度上会受到气象要素的影响，其中起主导作用的是风速因子，天津市热岛消失的临界风速约为5 m·s－1，但气象要素对天津城市热岛效应的影响相对较小，仅是部分因素，可能还与局地地形、人为热、城市规模和探测环境等其他因子有关，本文不再进行探讨。

5 结论与讨论

天津地处渤海湾西岸，对天津地区14个自动站逐时气温的EOF分析显示，2008年天津市热岛效应显著，海洋环境的影响使得天津城市热岛呈现独特的时空特征。本文主要对2008年天津城市热岛的日变化、月变化和年、季特征进行了分析，并利用天津市区站分别与11个周边站温差的逐时变化，对不同时间条件下周边各站对天津市热岛效应的贡献进行了探讨，结论如下:

1)日变化特征。2008年天津市热岛强度的全年和四季的日变化趋势基本一致，在午夜和日出前分别有一个峰值，白天午后有一个谷值，秋、冬季热岛的日变化明显大于春、夏季，热岛强度冬夜最强，春昼最弱。2008年天津市区站分别与11个周边站的小时平均温差的日变化规律为:日最大温差总体为由西北内陆站向东南沿海站减小，天津市区站与沿海站温差的日极大值出现在17—18时，而天津市区站与内陆站温差的日变化规律与天津市热岛强度的日变化一致。天津市区站分别与11个周边站的温差类型的昼夜变化特征为:白天沿海站达到弱热岛标准，近郊站为无热岛和弱热岛，远郊站为弱热岛，夜间沿海站为无热岛和弱热岛，内陆近郊站和远郊站均为弱热岛和强热岛。

2)月变化特征。天津市2008年各月夜间热岛强度均大于白天，4—8月昼夜变化趋势一致且日变化较小，其余月份昼夜变化相反，日变化较大;夜间各月热岛差异较大，白天热岛差异较小;各月夜间均为弱热岛，热岛强度的平均值2月和11月最大，6月最小，各月白天均为无热岛。天津市区站分别与11个周边站的小时温差的月变化规律为:天津市区站与沿海站温差的高值多出现在5月、6月，低值均出现在9月、10月;除天津市区站与宁河站温差的最大值出现在5月外，天津市区站与内陆站温差的高、低值均分别出现在11月和6月;天津市区站分别与11个周边站的各月温差中，宝坻站各月差异最大，东丽站的月变化最小。

3)季节特征。2008年天津市热岛强度秋冬季较强，春夏季较弱。天津市区站分别与11个周边站的小时温差的各季平均值变化规律为:天津市区站分别与11个周边站的温差值中，秋季各站差异最大、冬季次之、夏季最小;天津市区站与沿海站和内陆站的温差季节变化相反，分别为“春夏强，冬秋弱”、“秋冬强，春夏弱”，但天津市区站与宁河和汉沽站的温差季节变化表现为“冬春强，秋夏弱”。天津市区站分别与11个周边站的各季温差达到4种类型热岛标准的频率分布显示:四季天津市区站与周边各站的温差达到强热岛标准的频率均为内陆远郊站较大，近郊各站达到弱热岛标准的频率较大，天津市区站与各站的温差达到无热岛和冷岛标准的频率最高的区域，春、夏季为内陆站，秋、冬季为沿海站。

4)年特征。2008年天津市热岛强度的小时平均值为1.0℃，与历年平均值基本一致。2008年天津市区站分别与11个周边站的小时平均温差最大的是宝坻站，天津市区站与东丽和大港站的温差最小;温差类型除天津市区站与宝坻站的温差达到强热岛标准外，天津市区站与其余10站的温差类型均为弱热岛。2008年天津市区站分别与11个周边站的温差达到4种类型热岛标准的频率分布规律为:天津市区站与各个周边站的温差达到强热岛标准的站点多为西北内陆远郊站，天津市区站与近郊站和沿海站的温差达到弱热岛和无热岛标准的频率较大，温差达到冷岛标准的频率较大的站点为沿海站和西北近郊站;天津市区站分别与11个周边站的温差达到4种类型热岛标准的频率大小与周边站的地理位置有密切关系，据此可将11个周边站归为5类。

上述研究揭示的是2008年天津城市热岛效应的时空特征，最后利用多元线性回归模型分别分析了云量、云高、风向、风速、相对湿度这5种气象要素对2008年的全年、白天、夜间和四季的天津市热岛强度的影响，结果发现:5种气象要素中风速因子对天津市热岛强度的影响最显著，在整个对流层相对湿度很小，有弱的西北风的晴朗夜晚常出现强热岛，但回归模型的决定方差都相对较小，说明气象要素对天津城市热岛效应的影响仅是部分因素，可能还与局地地形、人为热、城市规模和探测环境等其他因子有关，本文没有进行深入研究。另外，本文仅使用了2008年的逐时资料对天津市热岛效应的时空特征进行了研究，存在一定的局限性，但由于资料的时空分辨率较高，也能较好地诠释天津市热岛效应的时空特征，今后我们将使用多年的自动站逐时资料来进一步研究天津市热岛效应的时空特征。

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