2014—2017年西安市城市热岛、冷岛精细化时空特征分析

金丽娜，李雄飞

（1.西安市气象局，陕西 西安 710016；2.陕西省水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710004）

西部大开发战略的实施，使西安市政治、经济和文化飞速发展，加快了城市化进程的步伐，根据统计年鉴分析，2014—2017年西安的国民生产总值、常住人口和建成区面积分别以644.12亿元/a、31.41万人/a和52.81 km2/a的速度增长。城市规模的不断增大，对城市生态环境和气候产生了不可估量的影响。其中，由城市热岛、冷岛引发的一系列环境、生态问题已经影响城市进一步发展，并改变了人居生态环境。目前，城市热岛、冷岛的研究大多采用常规气象观测资料[1-9]和卫星遥感数据[10-15]。但常规气象观测资料的时空分辨率不够高，卫星遥感数据在可靠性方面还有待进一步改善，而高分辨率的加密气温资料在该领域的应用较为鲜见。任何地区的气候条件都是由不同的小气候组成的，尤其是在城市内部区域，复杂多样的下垫面类型形成了“马赛克”式的城市下垫面结构，从而形成不同的城市局地小气候。晏海等[16]选取北京奥林匹克公园及其周边城市区域作为研究对象，对局地空气温度的时空变化特征及其影响因子进行分析，发现即使在小尺度的城市区域内仍存在明显的气温差异。为了进一步揭示城市热岛、冷岛的精细化结构特征，有必要利用国家质量控制的加密观测数据对城市热岛、冷岛的精细化结构开展更深入的研究。作为国家中心城市，西安市自21世纪初陆续建立了包括加密自动气象站在内的城市综合观测体系，为城市热岛、冷岛的精细化特征研究提供了重要的观测数据基础。

1 研究区概况

西安市地处我国西北地区东部、黄河流域中部的关中盆地，位于33°42′～34°45′N，107°40′～109°49′E，为全国热点旅游城市，地势东南高西北低，南邻秦岭。现有11区2县，11区包括未央区、新城区、莲湖区、雁塔区、碑林区、灞桥区、长安区、阎良区、临潼区、鄠邑区、高陵区，2县包括蓝田县、周至县。

2 数据选取与研究方法

2.1 数据选取

2.1.1年代际变化研究数据

根据行政区划定义西安气象站为城区站，鄠邑区、长安区、高陵区、临潼区气象站为郊区站，周至县、蓝田县气象站为郊县站。选取7个气象站1971—2017年共47 a气温资料。

2.1.2精细化特征研究数据

根据西安市城市建设情况和区域气象站周边探测环境特点，确定未央区、新城区、莲湖区、雁塔区、碑林区内站点为城区站，灞桥区、长安区、临潼区、鄠邑区、阎良区、高陵区内站点为郊区站，周至县、蓝田县内站点为郊县站。西安市气象局从2006年开始全面加快区域自动气象站的建设。截至目前，已建成并有效使用的自动区域气象站有近两百个，主要观测温度、雨量、气压、风速、风向、相对湿度。为了保证数据的完整性、精确性，研究选取2014年1月1日—2017年12月31日、观测环境统一（即距离地面1.5 m处、未安装在楼群中或楼顶上）、观测记录完整的103个国家考核区域站点以及7个国家气象站点的逐时气温资料（图1），研究西安市城市热岛、冷岛的年、季平均空间结构分布，进一步展现四季热岛、冷岛在强度和位置等方面的精细化气候特征，并选取城区、郊区、郊县典型代表站，分析逐日热岛、冷岛变化规律，为高分辨城市热岛及相关的精细化监测、预报、预警服务提供科学依据。

图1 西安市站点分布

2.2 研究方法

2.2.1年代际分析方法

分别选用平均气温、最高气温、最低气温分析5个年代际的气温变化程度，用城区站与郊区站（4个郊区站平均值）的温差、城区站与郊县站（2个郊县站平均值）的温差确定热岛强度。

2.2.2精细化年、季尺度方法

由于不同时间尺度的平均气温空间差异较大，在进行城市热岛、冷岛精细化空间差异对比中，采用气温空间差异相对全区平均气温的大小进行分析，可以更合理地揭示城市热岛的空间结构[17]。定义标准化相对气温如下：

式中：i为站号，TSi为第i站的标准化相对气温，Ti为第i站的气温为全区域的平均气温，σγ为该区域所有站点组成的气温序列的标准差。这里，采用标准化相对气温来分析西安市城市热岛、冷岛分布的空间差异，以揭示热岛、冷岛的气候精细结构。

2.2.3精细化日尺度方法

选取城区、郊区、郊县典型站点，分别代表城区、郊区、郊县的逐时气温，采用标准化相对气温算法，分析城区、郊区、郊县在年、季尺度中热岛、冷岛的日变化特征。

3 城市热岛、冷岛的年、季精细化气候特征

3.1 西安年代际气温变化特征

表1为1971—2017年西安城区、郊区、郊县年平均、最高和最低气温年代际变化情况。1971—2017年西安城区、郊区和郊县的年平均、最高和最低气温总体均呈上升趋势，增温速率为城区>郊区>郊县，1971—2017年城区年平均、最高和最低气温变化率分别为0.56、0.43、0.69 ℃/10 a，郊区分别为0.35、0.36、0.40 ℃/10 a，郊县分别为0.26、0.36、0.25 ℃/10 a。即，城区和郊区的最低气温增温最显著，郊县的最高气温增温最显著。与20世纪逐年代际相比，进入21世纪后，西安城市热岛效应较为显著，2001—2010年、2011—2017年年平均气温城郊差分别为0.9、0.7 ℃，城县差分别为1.2、1.4 ℃，这与“一般在百万人口大城市平均气温约高于郊区0.5～1.0 ℃”的研究结果基本一致，且差值较大，说明西安市城郊、城县存在明显的热岛效应。

表1 1971—2017年西安城区、郊区、郊县3种气温要素年代际变化℃

3.2 精细化城市热岛、冷岛的年分布特征

图2为2014—2017年逐年及4 a平均气温热岛、冷岛空间分布。在西安市发展过程中，城市热岛、冷岛现象明显，精细结构均表现出“多中心”特征。西安市城市热岛范围（即标准化气温＞0）的区域主要分布在城区、灞桥区西部及长安区的北部，周至县、鄠邑区、蓝田县有区域性热岛效应。2014和2017年热岛现象及“多中心”特征明显，各年冷岛现象比较一致。城区主要热岛中心（即标准化气温＞1）为丰庆路空管局、星火路立交、电子科大、北关、钟楼、大雁塔。2014年郊区主要热岛中心为灞桥区十里铺斡耳垛小学、鄠邑区石井镇，郊县主要热岛中心为周至县集贤镇和四屯镇、蓝田县辋川镇。2015年郊区主要热岛中心为灞桥区十里铺斡耳垛小学，郊县主要热岛中心为周至县集贤镇和四屯镇、蓝田县辋川镇。2016年郊区主要热岛中心为长安区郭杜镇和五台镇、灞桥区政府，郊县无主要热岛中心。2017年郊区主要热岛中心为长安区五星镇、郭杜镇和五台镇，灞桥区政府、阎良区政府，郊县主要热岛中心为周至县四屯镇。综合来看，城区有6个主要热岛中心，郊区有4个主要热岛中心（长安区郭杜镇和五台镇、灞桥区十里铺斡耳垛小学和灞桥区政府），郊县有1个热岛中心（周至县四屯镇）。热岛中心多为以建筑物为主的商业区和住宅区，人类生产生活中消耗能量、排出废热，致使温度较周围高。2014—2017年西安市主要冷岛中心（标准化气温＜-1）均分布在周至南部山区及蓝田东部山区，集中在蓝田县葛牌镇、灞源镇、蓝桥镇、金山镇和厚镇，周至县板房子镇和王家河镇。

西安城市热岛、冷岛呈现出多中心特征的原因大致有三点：一是由于西安的经济发展、城镇建设，人口集中活动区域呈多中心发展特征，导致了西安城市热岛、冷岛多中心特征。二是从城区热岛分布特征与郊区热岛分布特征来看，城区热岛中心主要分布在老城区、旅游中心，其建筑密度较大，硬化面积较广、水域绿被较差、人口较为集中，郊区热岛多集中于人口较为集中的郊县老城区。三是冷岛区域分布于西安东南、西南地区，该类区域多为地势较高、水域绿被覆盖较大、非人口密集区的秦岭坡脚线附近，这类区域因海拔、水域绿被、人类活动、秦岭山脉等因素综合影响，导致该类地区表现较为明显的冷岛特征。

图2 年平均气温热岛、冷岛空间分布

图3 四季年平均气温热岛、冷岛空间分布

3.3 精细化城市热岛、冷岛的季节分布特征

图3为西安市四季年平均城市热岛、冷岛分布。春、夏季城区、郊区热岛中心一致，夏季郊县无热岛中心；秋、冬季热岛中心较分散，其原因可能为秋、冬季反气旋增多，且冬季供暖影响，造成城乡温差更大，城市热岛更分散。四季冷岛中心较一致，主要分布在郊县，城区均无冷岛现象，春、夏、秋三季郊区仅鄠邑区涝峪镇为冷岛中心，冬季郊区无冷岛中心。

综合来看，西安市四季城区主要有5个热岛中心（丰庆路空管局、北关、电子科大、星火路立交、大雁塔），无冷岛中心；郊区主要有3个热岛中心（灞桥区十里铺斡耳垛小学和灞桥区政府、长安区郭杜镇），2个冷岛中心（鄠邑区涝峪镇、灞桥区白鹿原）；郊县主要有1个热岛中心（周至县四屯镇），7个冷岛中心（蓝田县灞源镇、葛牌镇、蓝桥镇、金山镇、三官庙镇和周至县板房子镇、王家河镇）。

根据四季热岛分布图及观测站点建设环境对比分析可知，用地类型与热岛中心存在明显的相关性，热岛区域大部分在西安市主城区范围内，热岛中心基本均在城市建设用地，公园、绿地、湿地均不在主要热岛区域之内；冷岛区域主要位于两个郊县，且冷岛中心基本在南部山区。

4 城市热岛、冷岛强度的日变化特征

为了更好地研究城市热岛、冷岛强度的日变化，选取丰庆路空管局、电子科大、北关、星火路立交、大雁塔作为城区代表站，灞桥区政府、灞桥区白鹿原、长安区郭杜镇、鄠邑区涝峪镇作为郊区代表站，周至县四屯镇、周至县搬房子镇、蓝田县灞源镇、蓝田县葛牌镇作为郊县代表站，分析2014—2017年年和四季的热岛、冷岛日变化特征。

图4为年及四季热岛、冷岛强度日变化曲线图，可以看到：城区代表站的年、春季、夏季、秋季热岛日变化不明显，冬季08时以后热岛强度明显减小，13时达到最小值后逐渐增大。年、春季、夏季热岛强度最大值出现在06—07时，秋季、冬季热岛强度最大值出现在23时。郊区代表站年和四季热岛、冷岛强度有明显的日变化特征。春季、夏季夜间及凌晨有明显的热岛效应，白天有弱冷岛效应。年、秋季夜间及凌晨有弱热岛效应，白天有较明显的冷岛效应。冬季夜间及凌晨基本处于临界状态，白天处于冷岛效应。郊县代表站年和四季冷岛强度也有明显的日变化，08时后冷岛开始减弱，12—13时为最弱后开始增强，年、春季、夏季冷岛强度最大值出现在06—07时，秋季、冬季冷岛强度最大值出现在02时。年及四季12—13时城区、郊区、郊县气温差异最小，甚至冬季出现郊县略高于郊区的情况。

5 结论与讨论

（1）1971—2017年西安城区、郊区和郊县的年平均、最高和最低气温总体呈上升趋势，增温速率城区>郊区>郊县。城区和郊区的最低气温增温最显著，郊县的最高气温增温最显著。进入21世纪后，西安城市热岛效应较为显著。

图4 年和四季热岛、冷岛强度日变化曲线

（2）西安市城市热岛、冷岛现象明显，且均表现为“多中心”特征。讨论其原因，热岛多为区域性小气候导致，城市热岛中心一般位于西安老城区，即建筑物密集和人口密度大的地方；冷岛中心多为地势较高、水域绿被覆盖较大、非人口密集区的秦岭坡脚线附近，这类区域因海拔、水域绿被、人类活动、秦岭山脉等因素综合影响，导致该类地区表现较为明显的冷岛特征。

（3）城区的热岛中心主要为丰庆路空管局、北关、电子科大、星火路立交、大雁塔，郊区的热岛中心主要为灞桥区十里铺斡耳垛小学和灞桥区政府、长安区郭杜镇。主要冷岛中心均分布在周至南部山区及蓝田东部山区，分别为鄠邑区涝峪镇、灞桥区白鹿原、蓝田县灞源镇、葛牌镇、蓝桥镇、金山镇、三官庙镇和周至县板房子镇、王家河镇。

（4）城区代表站的年和四季热岛日变化不明显，尤其是年、春季、夏季、秋季基本处于平稳状态，年、春季、夏季06—07时热岛强度最大，秋季、冬季23时热岛强度最大。郊区代表站和郊县代表站的年及四季热岛、冷岛强度均有明显的日变化特征，变化趋势相反。郊区代表站10时热岛转为冷岛，春、夏季16—17时转为热岛，年及秋、冬两季19—20时转为热岛。郊县代表站08时后冷岛开始减弱，12—13时为最弱后开始增强，年、春季、夏季06—07时冷岛强度最大，秋季、冬季02时冷岛强度最大。

由于高质量自动站资料还比较缺乏，资料质量有待提高，所以本文仅依据2014—2017年质量较好的观测记录进行了初步分析，其结果对于开展精细化城市天气预报、气候服务和城市建设规划，均具有一定参考意义。