京津冀中部地区城市化对夏季城市热岛效应的影响

沈 芳，许 敏#，吕宜谦，路漫漫，高清泉

1.廊坊市气象局，河北廊坊 065000；2.邢台市气象局，河北邢台 054099

城市热岛效应是城市气温比郊区气温高的一种现象，其形成的原因一方面为人们日常生活所发出的热量；另一方面是城市中建筑群密集，城市路面比郊区的土壤、植被对热量的反射率小，吸收率大，造成白天城市储存的太阳能比郊区多，夜晚城市降温缓慢，气温仍比郊区高。此时城市中心一股较强的暖气流上升，而郊外的相对冷的空气下沉，形成了城郊环流，各种污染物在此局地环流下聚集在城市上空，当有强冷空气过境时，污染物才会消散，否则城市的空气污染会加重，人类生存的环境被破坏，造成人类各种疾病的发生，甚至造成死亡[1-2]。

气候条件的变化是造成热岛效应的外因，而城市化才是热岛形成的内因。城市热岛形成的原因主要有以下几点：第一，由于城市中有大量的人工构筑物，使得下垫面的热力属性反射率小，热传导快；第二，工厂生产、交通运输以及居民生活每天都在向外排放大量热量；第三，城市中的大气污染浓度大，会吸收下垫面的热辐射，起到了保温作用，产生温室效应，导致大气进一步升温；第四，城市中的绿植、树木和水体减少导致城市缓解热岛效应的能力下降[3-6]。

国内近几年有许多学者对北京、上海、广州、成都、宁波等大城市进行了城市热岛的成因深入研究。王喜全等[7]利用北京气象站资料对北京城市热岛现状进行分析，发现城市热岛效应在夏季最强，春季最弱，同时冬季夜晚城市热岛呈现较大的波动。许辉熙[8]利用遥感资料获取城市建成信息和反演亮温温度，得出只要城市规划科学合理，城市热岛效应也能得到有效缓解。黄鹤楼等[9]对比城区站、郊区站和海岛站城市化对最高最低气温增幅的影响，研究发现城市化对高温热浪影响尤为显著。郑有飞等[10]利用NCEP/NCAR 再分析资料和DMSP/OLS卫星夜晚灯光数据，分析了1961—2010年城市化对长江中下游的地区温度变化的影响，结果表明：城市化对温度日较差的贡献率最大。

虽然热岛效应现象在一年四季均可出现，但夏季的热岛效应较其他季节对人们生产生活的影响相对较大，尤其是伴随高温天气时。因此，本文利用1995—2020年ERA5地面2 m温度再分析资料，结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜间灯光数据，对京津冀中部城市的夏季地面温度变化与城市化进程的关系进行分析，对比不同城市化进程下城市热岛效应的变化情况，以期对廊坊城市的合理规划、生态城市的建设等提供一定的参考和借鉴。

1 资料和方法

1.1 资料

温度数据来源于1995—2020年ERA5再分析资料中夏季6—8月的地面2 m温度数据，该数据时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.1°×0.1°。该数据具有稳定时间序列与统一的空间序列，适合用作长时间序列的温度统计。

夜间灯光数据1995—2010年采用DMSP/OLS数据，空间分辨率为1 km，2012年DMSP/OLS数据停止更新，被NPP/VIIRS数据所取代，所以2010—2020年采用NPP/VIIRS数据，空间分辨率为500 m，2种数据均来自美国国家地理数据中心，2种数据均排除了亮云与水体的影响，灰度值为0~63。

由于地面2 m温度数据与夜间灯光数据空间分辨率不一致，采用径向基函数（Radial Basis Function，RBF）插值法[11]，选取线性函数作为基函数，将温度场数据分别插值到2种不同的夜间灯光数据格点上进行对比分析。

1.2 方法

1.2.1 温度等级划分均值-标准差法利用地表温度的均值（mean）结合不同倍数的标准差（std）对温度（T）进行分级，能够很好地对城市热岛效应进行有效界定，能够很好地反映热场的空间分布[12]。本文将温度数据处理并计算出年平均温度场，再将温度场根据表1进行划分温度等级。

表1 温度等级划分对应表

1.2.2 划分城市区与非城市区为了提取城市化进程对城市热岛效应的贡献程度，程志刚等验证发现DMSP/OLS夜间灯光数据像元值在35～63之间的区域可作为建成区，即为城市区，其他地区则为非建成区，即为非城市区[13]。

NPP/VIIRS数 据 比DMSP/OLS数据分辨率更高，具有更强的夜光探测能力，杨任飞发现2种数据之间存在明显的相关性，并通过2种数据的拟合获得建成区的提取，其方法为：

DN=24.06×Radiance0.4782-3.299

其中，DN为拟合后得到的像元灰度值，Radiance表示NPP/VIIRS数据的夜光辐射强度，通过拟合之后，NPP/VIIRS数据和DMSP/OLS数据提取建成面积误差较小，并且保持数据在比较时的客观一致性[14]。

1.2.3 城市热岛强度等级划分为了能够更好地表示城市热岛强度的年际变化，葛伟强等将热岛强度表示为研究区域内温度格点值与非城市区温度均值之差t[15]，并将热岛强度划分为7个等级（表2）。采用谢志清等[16]的方法对城市区热岛效应进行进一步的定量分析。

表2 热岛强度等级划分对应表

2 结果与分析

2.1 温度场的时空变化

将地面2 m温度场按照均值-标准差法进行等级划分，可以看出40°N以北的区域基本都处于中温区，低温区和次低温区均稳定位于渤海湾内东及西北部地区，其中中温区和次高温区的变化较为明显（图1）。

1995年次高温区主要分布在保定东南部、廊坊中南部以及沧州地区（图1a）；2000年次高温区向东北方向延伸，新增了北京南部、廊坊北部以及天津大部分地区（图1b）；2005年次高温区面积向西南方向减小，其中廊坊北部和天津北部转为中温区（图1c）；2010年次高温区进一步向西减小，导致廊坊东部以及天津大部分地区转为中温区（图1d）；2015年次高温区面积大幅增加，其中廊坊北部、天津转为次高温区（图1e）；2020年次高温区面积较2015年无明显变化（图1f）。对比1995年与2020年温度场分布来看，次高温区面积明显增大，可以看出京津冀中部地区地面2 m温度场整体成呈上升趋势。

图1 1995—2020年京津冀中部地区夏季温度场分布图

2.2 热岛强度的时空变化

图2为京津冀中部地区1995—2020年夏季热岛强度分布图，可以看出强低温、次强低温、弱低温以及过渡区位置与面积变化不大，其形状很好的对应了河北山脉的走势以及渤海湾的形状，弱热岛的与过渡区的边界位置也基本稳定，而次强热岛面积变化比较明显。1995年次强热岛主要分布在保定东南部以及沧州西部地区（图2a）；2000年次强热岛向东北部扩展，廊坊、天津、北京南部大部分地区由弱热岛转为次强热岛（图2b）；2005年次强热岛略向西南部减弱，廊坊北部和天津北部地区转为弱热岛（图2c）；2010年城市热岛效应进一步减弱，天津和廊坊东部地区转为弱热岛（图2d）；2015年城市热岛效应明显，次强热岛地区进一步向东扩展，天津大部分地区转为次强热岛（图2e）；2020年次强热岛区域继续向东北扩展，面积较2015年略有增加（图2f）。由此可见，城市热岛效应并不是一直持续呈增长趋势的。2020年城市热岛效应分布较1995年有明显增加，总体来说，城市热岛面积与城市热岛强度有很好的对应关系。

图2 1995—2020年京津冀中部地区地区夏季城市热岛强度分布图

2.3 夏季城市热岛效应的变化特征

表3统计了逐5年京津冀中部地区城市夏季热岛强度特征，可以看出整体温度呈升高的趋势，1995—2020年整体城市区温度上升1.46℃，非城市区平均温度上升0.21℃，热岛强度升高0.21℃，城市热岛效应对于区域内的增温贡献上升0.11℃，平均每5年增温0.12℃。

表3 1995—2020年逐5年京津冀中部地区夏季城市热岛效应特征统计表

逐5年温度中2000年温度整体偏高，并且其热岛强度也最大，究其原因发现1995—2020年廊坊夏季平均降水量为338.55 mm，而2000年廊坊夏季降水量仅为223.28 mm，是15年内降水最少的年份，这可能是导致该年温度普遍高于其他年份的主要原因。

3 结论与讨论

本文利用ERA5再分析资料结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS的夜间灯光数据对1995—2020年京津冀中部地区城市化对城市热岛效应进行分析，得出以下结论：

（1）从地面2 m温度场的分布研究发现，低温区和次低温区稳定位于海拔较高和渤海湾地区，研究区域内主要存在中温区向次高温区的转换，总体来看，研究区域中的热岛面积在逐渐增多，当然也存在城市热岛效应缓解的情况。

（2）从热岛强度的分布研究分析，弱热岛以下的等级位置与面积变化不大，其形状很好的对应了河北山脉的走势以及渤海湾的形状，主要存在明显的弱热岛向次强热岛的转换。城市热岛效应明显增加，但并不是一直持续呈增长趋势的。总体来说，城市热岛面积与城市热岛强度有很好的对应关系。

（3）1995—2020年夏季热岛强度增加了0.21℃，城市热岛效应对区域增温分别贡献了0.06℃和0.17℃，变化量为0.11℃，平均每5年贡献0.12℃。说明地面2 m温度的变化与城市化进程密切相关。同时发现降水量对城市热岛效应也有一定程度的影响。

本文仅利用了夏季地面2 m温度场和夜间灯光数据，研究城市化对城市热岛效应的影响，形成城市热岛效应的因素还有很多，还需要结合其他资料和方法来更深的研究城市热岛效应与气候变化的关系。同时，倡导节能减排，合理的规划城市，是降低城市热岛效应的有效途径。