城市热岛效应对降雨量的影响

孙永远 ，李传书

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏 徐州 221006）

0 引言

随着城市化的不断推进，城区的面积不断扩大，城市道路、房屋的建设改变了原来的下垫面，城区建筑多、导热能力强，特别是能够吸收太阳的热辐射，如何分析判断热岛效应对降水量的影响，难点之一是缺少城市雨量站网规划的导则，缺少在城市区域布设较为合理密度的雨量站点，缺少长时间序列的雨量观测资料。徐州市自 1982 年开始，布设城市雨量观测站，积累了部分观测资料，为城市洪水治理研究提供雨情资料[1]。济南市 2010 年开始汇编城市水文年鉴[2]，北京市 2012 年在城区布设城市雨量站[3]，有效监测到了“2012.7.21”特大暴雨。布设城市雨量站网、水生态站网、排涝站网[4]将成为城市水文研究的新领域。本文以徐州市为例，探讨城市热岛效应对降雨量的影响。

1 面雨量的计算

1.1 水文特征

徐州市地处我国东部、华北平原的东南部、江苏省北部，2010 年普查人口为 858 万，其中市辖区内人口 306 万，海拨 30～50 m 之间。属暖温带季风气候区，受东南季风影响较大，有时受海洋性气候影响，年日照时数为 2 284～2 495 h，日照率52%～57%，年均气温 14 ℃，年均无霜期 200～220 d，年均降水量 800～930 mm，雨季降水量约占全年的 70%。四季分明，光照充足，雨量适中，雨热同期。四季之中春、秋季短，冬、夏季长，春季天气多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭。

1.2 城区的范围

本文所指的城区是指城市管理的核心区域和建成区的主体。徐州市城区，由改革开放初期内环线内（北至二环北路，东至东三环，南至云龙湖，西至西三环）50～100 km2的范围，已经扩展到高速公路环城线，面积达 800 km2，如图 1 绕城高速所包围的区域所示。

1.3 雨量站密度

1）城区的代表雨量站。1982—1991 年期间，布设云龙湖、茶棚 2 处雨量站，1992 年开始，增设了翟山、湖滨、矿务局、养护处、黄山垄、下淀、孟家沟、水利局等 8 处雨量站。

2）城区周边代表雨量站。1982 年以来，布设有蔺家坝闸、解台闸、汉王镇、三堡镇等 4 处国家基本雨量站，从图 1 上可以看到，4 处雨量站分布在城区的四周，把城区包围在里面。

图1 徐州市城区周边雨量站分布图

1982—1991 年 2 处雨量站，城区面积 100 km2，每站控制面积 50 km2，雨量站离周边（绕城高速）5～8 km；1991 年增设了雨量站，雨量站站数达到 10 处，按现有城区面积 800 km2计，每站控制面积 80 km2，雨量站离周边约 1～3 km。按照 SL34-92《水文站网规划技术导则》，平原水网区雨量站密度要求达到每站控制 250～300 km2。根据《江苏省水文站网规划》（2010 年）的统计，江苏省雨量站密度为每站控制面积 210 km2。城市雨量站控制面积比全省实际雨量站密度提高了约 3 倍。

2 雨量场次的选择

2.1 时间序列的选择

从新中国成立（1949年）到改革开放（1979 年）的 31 a 间，城市发展缓慢，城区缺乏雨量站点。1982—2010 年是改革开放以来城市发展最快的时期，为适应城市防汛要求，徐州市在城区相继布设雨量观测站点，收集并积累雨量资料。本次使用这 29 a 的雨量观测资料用于计算分析。

2.2 雨量场次的选择

分析出城区内与外雨量值的差别，场次雨量（日雨量）的大小是重要的影响因素。从实际资料分析得出，一般日雨量小，降雨的区域不够大，降雨的均匀性差，面雨量值的代表性不高，难以比较城区与城区周边降雨量的差异。反之，随着日雨量值的增大，雨区覆盖面增大，降雨的均匀性越来越好。实际资料统计计算也得出与理论相近的结果。

根据资料分析，选择日雨量值作为场次雨量。经对比分析，即当市区周边 4 处雨量站的平均雨量达到 40 mm 以上时，徐州市与周边邻省、邻市均处于降雨状态，降雨的范围大， 从计算成果上看，“城区平均雨量”与“城区周边平均雨量”比值的平均值趋于稳定。当然，大暴雨的形成受很多因素的影响，从时间上看，平均雨量达到 40 mm 的时间，主要分布在 5—9 月，与东部海河流域[5]相近。城市暴雨一般强度大[6]，汇流速度快，易形成城市洪涝。

3 城区平均雨量与周边平均雨量的比较

3.1 城区平均雨量与周边平均雨量的计算

城区布设的 10 处雨量站，分布较为均匀，故采用算术平均法计算面雨量[7]，城区周边布设 4 处雨量站，也采取算术平均法计算面雨量。从 1982—2010 年的 29 a 资料中，符合城区周边平均雨量达到 40.0 mm 的日雨量资料共有 52 次，场次雨量主要分布在每年的 5—9 月份，其中 7 月份为最多，共有 25 次。最大日降雨量为 235.7 mm，城区周边平均日雨量从 40.3～235.7 mm 中，40.3～80.0 mm 的有 35 次、80.0～100.0 mm 有 11 次、100～235.7 mm 有 6 次。内外比值大于 1.0 的有 30 次，占 57.7%，比值小于 1.0 的有 22 次，占 43.3%。

3.2 城市热岛效应对降雨量的影响

经过计算，52 次城区与周边平均雨量的平均比值为 1.099 5，从总体上看，热岛效应引起的雨量增加值为 9.95 %，详见表 1。

4 热岛效应产生的主要原因

1）硬质下垫面增加。徐州市是一个人口多，密度大，工业化程度较高的大城市，市内有大型工厂、密集居民区，集中的商业区，具有一般大城市的普遍特征。随着城市化的不断推进，部分乡村变成了城市，水泥沥青道路[8]不断增加，硬质下垫面增大。

表1 城区平均雨量与周边平均雨量统计表

2）导热系数提高。生活小区楼房、商业大楼等一栋连着一栋，高楼平地起，房屋等所构成的导热系数提高。建筑物与空气间的热传递，提升了空气的温度。

3）散发热量增大。工厂燃烧各种燃料、空调加热、集中的人群每天都在向外排放和散发大量的热量。据有关统计，城市消耗了大约 75% 的能源，产生了 80% 的温室气体排放量。城市相对农村来说是一个热源。

4）吸收热能力强。城市空气污染物多、建筑物多，因此，吸收太阳能的能力增强；通过吸收太阳能，再散发出来。

5）空气流动阻力增加。城市建筑物多而高耸，6 层楼房超过 20 m，25 层的高层建筑一般超过 80 m，城区的楼房主要是 6，11 层，高层及少量的超高层，随着建筑物增多和楼层高度的增加，不利于空气流通，不利于热量扩散，易形成高温中心，并由此向周围递减。随着城市面积的逐步扩大，城市热岛效应非常明显。

6）城区雨城区周边温度的对比。根据近 20 a 气象资料统计发现，城区气温比周围郊区和农村气温高 2 ℃ 左右。

5 结语

城市是人类最重要的聚集地，城市化是当今中国推进城镇化的发展目标。城市化地区用水量增加、气候变化和人类活动频繁[9]。通过对徐州市 29 a 中 52 场雨量资料的分析，城区内、外平均雨量比值大于 1.0 的次数占 57.7%，比值小于 1.0 次数占43.3%；从 52 场雨量的总量上比，城区比周边的雨量增加了 9.95%。从总体上看，影响主要来自于区域自然下垫面变化、城区面积的增大和人类活动[10]。需要指出的是，为了有效比较城区和周边雨量值的变化，克服不均匀降雨带来的影响，所选择的场次雨量的大小较为关键，本文研究的是场次雨量（日雨量）达到 40.0 mm 以上时的情况，这个“阈值”与城区面积有关，在其它条件下的影响程度，还需要下一步深入研究。

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