泰安市热岛效应与降水关系研究

杨熙昊　罗小青　敖艳龙　何孜妍　蒋乙弘　陈予洋　朱霞

摘要 城市热岛是城市地区温度高于周边农村地区的一种现象，也是城市气候研究中最为关注的热点之一。目前国内外学者对城市热岛问题进行了广泛研究，但研究对象主要集中在大城市或特大城市，对于中小城市研究偏少，基于此，以泰安市为例，对中等城市热岛时空演变及其影响因素进行分析。冠层热岛具有显著的日变化和季节变化特征，其强度与城市发展、下垫面粗糙度息息相关。主要采用山东省泰安市2016—2020年5年逐日地面气象观测资料，选取代表城市的5个站点（财源、东湖、上高、泰安二中、泰山区），以及代表郊区的6个站点（夏张、满庄、房村、马庄、良庄、颜谢坝）的平均气温和降水资料，并采用统计方法研究了泰安城市热岛年际变化特征及其与降水的关系，发现城市热岛效应强度与降水的负相关关系。

关键词 泰安;热岛效应;降水

中图分类号：X16 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0126–03

早在1833年，英国气候学家Lake Howard就对伦敦城市中心温度比郊区高的现象进行了文字记载[1]。而现今所有的城市热岛的概念，则是由Manley于1958年提出，即城市热岛效应（Urban heat island effect，UHI）的名词性概念，指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”，城市中的气温明显高于外围郊区的现象[2]。

根据张树钦等[3]研究表明，“雨岛效应”与“热岛效应”密切相关，“热岛效应”造成城区空气辐合上升，有利于对流云的形成，易导致城区局地降水增强而形成“雨岛效应”。而根据其关于汕头的研究，“雨岛效应”主要出现在5—6月，集中分布于夏季，7月“雨岛效应”最强。由于夏季水汽充沛，城区和郊区气温差最大，“热岛环流”较强，有利于城区局部对流的发展，易形成热雷暴和超级单体风暴等强对流天气，给城区带来短时强降水，有利于“雨岛效应”的形成。

王喜全等[4]研究了城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响可知，城市化缓慢期与快速期对北京不同地区年均降水量的影响程度不大，城市所处的气候区对城市气候的影响要大于城市化的影响。

Jauregui等[5]认为，热岛效应增强了城市的局地对流，从而引发对流性降水。孙继松等[6]研究了北京城市 热岛效应的年际变化及其对降水的影响，结果表明：热岛效应对降水量、降水日数的影响在冬夏季及城市不同区域表现出不同特征。周健康等[7]的研究指出，受城市化影响，南京地区发生大雨、暴雨的频率及年降水量有增加的趋势。孟秀敬等[8]的研究显示，河西走廊的气温在过去57年呈显著上升趋势，年降水量也呈显著增加趋势， 总体向暖湿化发展。王建鹏等[9]的研究表明，由于城市规模不断扩大，西安在冬夏季均形成了以西安为中心的明显“热岛”，由热岛效应和季节性变化的环境风场间相互作用，降水的季节空间分布差异是由冬夏盛行风变化引起的。以上研究均表明气象要素（气温、降水）的分布因城市热岛效应而发生改变。

1 资料选取以及其处理

1.1 台站选取

小组采用了山东泰安2016—2020年11个区域站（其中“泰安二中”站由于其建站时间较迟，本小组采用其2017年后的数据）的平均温度和降水进行研究（表1）。

1.2 资料处理

归纳整合数据，求取每个站点的逐月平均气温和降水量，再对各站点所处地区进行分类整合，分为郊区（夏张、满庄、房村、马庄、良庄、颜谢坝）和城区（财源、东湖、上高、泰安二中、泰山區）两个大类，分别求取郊区和城区平均降水量、平均气温。并以此为基础，求出每个月的城市冠层热岛强度，计算公式见公式（1）。

T热岛强度=T城区-T郊区           （1）

2 结果分析

由表2可以看出，热岛强度最强是2020年9月，热岛强度为2.97，而降水总量只有45.27 mm.

根据所得的结果，绘制了近年来的雨季冠层热岛效应强度的散点图，并添加趋势线（图2）。

根据已有数据和已知山东泰安的气候特点，泰安市地处鲁中山区，属于温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，寒暑适宜，光温同步，雨热同季。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪。降水时空分布不均，年际变化大。雨季出现在6—9月份，其中7月份降水量最多，经常出现暴雨、大暴雨，全区年平均暴雨日数2.5 d。春季降水量较少，秋季常有连阴雨天气出现。

根据图3和图4可知，随着年份的增加，城市化的加剧，城区的雨季降水总量大体呈上升趋势，且由于山东泰安处于季风区，降水受夏季风的状态影响较大，降水总量随年份出现上下浮动的现象。

拟合降水总量和冠层热岛强度的比较分析曲线，从趋势线可以看出城郊降水和冠层热岛强度呈一定的负相关关系（图5），为证明这一点的真实性，选取2020年8月4—7日的降水及热岛强度关系，并绘制曲线（图6）。两者的相关系数为-0.925 620 25，从利用标准值所画出的图来看，可以看出两者强烈的负相关关系。

3 结论与展望

随着城市规模的不断扩大，“城市热岛效应”也逐渐成为各气象科研工作者重视的议题。国内外许多研究表明，城市热岛效应的研究方法具有阶段性，起源是利用城市和郊区气温、降水观测资料，研究城市热岛时空变化过程;前沿是利用卫星遥感资料反演地表温度，结合3S技术或气象模型进行模拟与分析，研究城市热岛特征及其环境效应。研究视角从单纯对城市热岛的描述性研究逐步发展为对城市热岛发生原因和发展机制的研究、模型量化与模拟的 研究以及相关对策的研究，并逐渐将3S技术、景观学理论和生态学理论等新工具、新视角运用到城市热岛现象的研究中。城市热岛会利于城市降水的产生，尤其对城市下风方向降水影响显著。本研究则从热岛强度入手，建立其与降水的关系，从而得到了上述的结论。

參考文献

[1] 刘施含，曹银贵，贾颜卉，等.城市热岛效应研究进展[J].安徽农学通报，2019， 25（23）：117-121.

[2] 许睿，董家华，王凤兰.城市热岛效应的影响因素、研究方法及缓解对策研究进展[J].仲恺农业工程学院学报，2020，33 （4）：65-70.

[3] 张树钦，黄哲帆，唐若莹，等.广东汕头市近十年来城市热岛效应分析[J/OL].中国海洋大学学报（自然科学版），2021，51（8）：1-4.（2021-12-18）[2021-08-26].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1414.P.20210825.1646.002.html.

[4] 王喜全，王自发，齐彦斌，等.城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响[J].中国科学（D辑：地球科学），2008，38（11）： 1438-1443

[5] Jauregui E， Romales E. Urban effects on convective precipitation in Mex⁃ ico city[J]. Atmospheric Environment，1996（20）：3383-3389.

[6] 孙继松，舒文军.北京城市热岛效应对冬夏季降水的影响研究[J].大气科学， 2007，31（2）：311-320.

[7] 周建康，黄红虎，唐运忆，等.城市化对南京市区域降水量变化的影响[J].长江科学院院报，2003，20（4）：44-46.

[8] 孟秀敬，张士锋，张永勇.河西走廊57年来气温和降水时空变化特征[J].地理学报，2012，67（11）：1482-1492.

[9] 王建鹏，孙继松，王式功，等.盆地地形下西安城市热岛效应对周边降水的影响[J].干旱气象，2011，29（2）：168-181.

责任编辑：黄艳飞

Study on the Relationship Between Heat Island Effect and Precipitation in Tai’an City

YANG Xihao et al（Guangdong Ocean University College of Oceanography and Meteorology， Zhanjiang， Guangdong 524000）

Abstract Urban heat island was a phenomenon that the temperature in urban areas was higher than that in surrounding rural areas. It was also one of the most concerned topics in urban climate research. At present， scholars at home and abroad had conducted extensive research on Urban Heat Island， but the research objects were mainly concentrated in large cities or mega cities， and there was little research on small and medium-sized cities. Based on this， this paper takes Tai’an city as an example to analyze the temporal and spatial evolution of heat island and its influencing factors in medium-sized cities. Canopy heat island had significant diurnal and seasonal variation characteristics， and its intensity was closely related to urban development and underlying surface roughness. Based on the daily surface meteorological observation data of Tai’an city in Shandong province from 2016 to 2020， the average temperature and precipitation data of 5 stations representing the city （Caiyuan， East Lake， Shanggao， Tai’an No. 2 middle school and Taishan District） and 6 stations representing the suburbs （Xiazhang， manzhuang， Fangcun， Mazhuang， Liangzhuang and yanxieba） were selected， and the interannual variation characteristics of urban heat island in Tai’an and its relationship with precipitation were studied by statistical methods， It was found that the intensity of urban heat island effect was negatively correlated with precipitation.

Key words Tai’an; Heat island effect; Precipitation