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北京城市热岛强度的时空特征

摘要

发展起来的中国北京自动气象站，每小时的数据集用来分析组合区域城市热岛强度的时空特征(UHII)。组合区域内共有56个站[在六环路(RR)]作为城市站。组合区域周围郊区的8个站作为参考站。参考站的选择利用遥感方法。在环路的基础上进一步将城市网站划分为三个区域。发现最大的城市热岛强度一般在四环路，最小的城市热岛强度发生在五环路和六环路之间的外围的组合区域。六环路北部和南部附近的地区呈现最弱的城市热岛现象。在季节性的基础上，最强的城市热岛强度通常发生在冬季和最弱的城市热岛强度居多发生在夏季和春季。每个城市区域的热岛强度昼夜变化的特点是：从地方太阳时(LST)2100到0600有规则的热岛强度持续强劲阶段，从1100到1600是热岛强度削弱阶段。在0600至1100期间和1600 - 2100分别经历迅速下降和上升。全年都显现出城市热岛强度昼夜变化，但在冬季和秋季（夏季和春季)，热岛强度持续强劲阶段在夜间更长(短)和热岛强度稳步削弱阶段在白天比较短(长)。

1. 引言

人类活动已经修改了地球表面的成分，结构和能量平衡，以及高度工业化地区的低层大气，比如欧洲、北美、和亚洲东部。这些人为因素确定的大城市当地气候，表示为城市气候。城市整改对自然土地覆盖、城市表面大气温度相对于城市周围的郊区显著增加。这种现象成为城市热岛效应。已确定两种不同热岛组成的树冠层和边界层。第一层是微尺度性质，由周边环境控制，第二层是局部的中尺度性质，会被城市下边界的存在(Oke 1976)所影响。城市化是最重要的特性是城市结构、城市覆盖，城市建筑物以及城市的新陈代谢 (Oke 2006)。

在过去的几十年里城市热岛的特点被广泛研究(Landsberg 1981; Oke1988; Arnfield 2003)。世界大部分地区 (Morriset al. 2001; Grimmond 2006; Grimmond et al. 2010)的大热岛效应已经被测和报道。一些大城市在清新和平静的冬夜，已经观察到一个热岛强度(UHII)达到 (Jauregui 1973; Sakakibara and Owa 2005; Rosenzweig et al. 2005)。

同时，研究人员对热岛形成的原因特别感兴趣。研究表明热岛效应与城市/农村的能量平衡差异密切相关。也发现城市化的影响是为了支持显热能量分区而不是潜热，增加蓄热系统的重要性。

异常的森林植被机制不同于边界层的，以往组成的广泛的检测系统在很大程度上体现在直接网站特征，后者可能代表平流积累和内部辐射的影响(Oke 1982, 1987)。同时，城市规模和天气的天气条件都是至关重要的原因，特别是对于长时期而言 (Oke 1988; Karl et al. 1988)。针对短期内，不管怎样，局部范围的因素像位置暴露，土地覆盖，表面水分、人类活动等是更重要的 (Davey and Pielke 2005; Peterson 2003; Kim and Baik 2005; Stewart and Oke 2012)。

在中国，大城市已经进行了热岛分析，因此引出了有趣的结论。之前的工作主要是基于气象台STA数据(Wang et al. 1990;Zhou et al. 2004; Chu and Ren 2005; Feng et al. 2010;A. Y. Zhang et al. 2010)，车辆温度的遍历和遥感技术也被用于研究热岛的空间结构 (Weng 2001; Zhang et al. 2005; Xu et al. 2006; Xie and Yang 2008;Fang et al. 2011; Ren and Ren 2011)。在中国上海热岛特性的调查中，已经表明热岛强度在秋冬季节夜间相对于夏季的白天更强(Deng et al. 2001)。中国北京的其他作者的其他研究，也在城市地区发现了一个明显的热岛(Zhang et al 2002; Xu et al. 2006; Yang et al. 2013)。此外，对于不同大小的引用，过去50年，中国大陆气象台附近热岛强度时空特征增加显著增强了SAT趋势(Zhou et al. 2004; Chu andRen 2005;Hu et al. 2006;Renet al. 2007, 2008, 2010; A. Zhang et al. 2010)。也有一些大城市的热岛效应的分析利用从卫星地球资源，卫星专题等产品获取的数据检索的地表温度，像卫星遥感映射器(TM)和较好分辨率成像光谱仪的地球观测系统(MODIS; e.g.,Zhang et al. 2005; Fang et al. 2011)。结果是相关的，但是使用表面空气温度数据，它们不具有直接可比性 (Roth et al. 1989)。

中国热岛时空特征在以前研究学习中，在气象特征上一个主要的问题是详细的日变化但却经常忽略空间分布(Hu et al. 2009)。同样的，UHII的昼夜特征的深入研究，研究空间时却忽视UHII的结构 (J. Zhang et al. 2010)。像2007年李等研究北京7月热岛的基础上手动站和自动气象站显示的特点(AWS)，显示UHII的空间分布和日变化。在2003年，因为只使用了两个AWS的数据，详细的功能空间和暂时的变化仍然需要调查。其它的研究也仅限于热岛的描述，或者只通过使用从一对城乡站的一个季节数据。这一矛盾的主要原因是观察的不足，尤其是有限的常规气象观测。

　通过运用北京AWS每小时SAT数据，在本文中详细研究了UHII的气候特征。在下面几节中，首先介绍包括站的信息和气候特征等基本条件。然后是空间分布、季节变化和城市地区的UHII昼夜循环。此外，详细分析了北京的城市区域划分的三个空间的UHII差异。并根据之前的结论简要地讨论了UHII变化的因果。

2. 研究区域、数据来源和分析方法

北京市，面积160万平方公里，位于华北平原的北部，燕山山脉南部。是东南平原占地总面积的38.8%。大多数地区的海拔都在100米以下，北京是一个典型的温带大陆性气候，炎热的夏季和寒冷的冬季。季节降水特征高度集中于夏季。

　自1980年以来，中国城市化迅猛发展。到2007年，相比1980年，城市化地区扩展和覆盖面积比更大。目前组合领域的程度在图1中用粉色标记出来(Mu et al. 2012)。当前北京市的人口是2000万，这是1986年两次人口普查的结果。其中超过50%的人生活在市区和附近的郊区，本文的研究区域是图1中概述的这些区域组合在一起而形成的。

图1 四环路—六环路研究区域和本文研究的98个温度测量站

城市扩张的结果，表明交通系统成为了北京的必要，图1中的多环交通系统已经发展起来 (Wang et al. 2010)。四环路于2001年通车，全长65.3公里，且四环路内达到大约300平方公里的地区。五环路(长98.6 km)于2003年开始营运，远离城市中心10公里。六年后，六环路(长187.6 km)建来缓解北京城市的交通压力（图1中的红圈）。　不同环路内的区域，实际上代表城市人口和建筑的径向扩展和不同密度的区域。在本文中，北京六环路里面的站被认为是城市站，四环路内的站被认为是中心城市站。

　北京市2007年 至2010年185个站的每小时温度数据由北京气象局气象信息中心提供 (MIC/BMB)。AWS温度传感器从地面表面的高度是2米，这符合手动站的一致标准。
通过考虑到城市结构，城市覆盖、城市结构和新陈代谢(Oke 1981, 2006)，BMB安装AWS 　　基于世界气象组织指导的，符合中国气象局颁发的操作标准 (China Meteorological Administration 2003, 104–125)。

为了提高分析精度， MIC/BMB每小时温度数据已经经过检查和质量控制。缺失值占总记录的0.37%。利用空间插值的反加权方法，得到最近的五站的瞬时有效值取而代之 (Lin et al. 2002)。错误的数据可能已发现、证明和调整，已经排除了那些太多错误的记录的站。杨的研究中已经提供质量控制的细节(2011)。

因此，选择均匀地分布在整个研究区域的98个观测点(图1)来描述气候特征。在下面的的UHII特征分析中，然而，只使用了在6环路内的56个城市站和8个参考站。实际上，参考站的选择值得注意。确定一个城市的UHII，周围的组合是关键。我们利用遥感方法严格标准来选择8个参考站(Ren and Ren 2011)。通过指定城市站的位置来确定的地表温度分布，确定那些不受UHI和背景气候条件影响的站。相对于用于气象站分类的其他方法，遥感方法并不太依赖社会和经济数据，数据更新也可以轻松完成 (Ren and Ren 2011)。此外，参考站，要与城市组合区域足够远。位于城市的不同方向，并且都位于距离城市中心—天安门广场53.7公里内[Long Wan Tun (LWT)]。所有的参考站位于空旷的农村环境，完全消除　　来自高层建筑的影响。　参考站的平均海拔是39.6米，仅仅低于56个城市站(48.4米)8.8米，　在相似地形的基础上，为了确保UHI更准确的估计。

为区分组合区域内不同的网站的UHII，我们在分析中调查了三组城市站，包括那些在四环路内的站（25个站），四环和五环路内的站（14个站），五环和六环内的站（17个站）。

　图2 2007年—2010年北京平均气温的空间分布()

(a)为全年，（b)为春天，(c)为夏天，(d)为秋天，(e)为冬天。

这样分类的原因是环路位于这个城市中心周围，它们在城市功能方面，人口的密度，建筑物，一些其它的功能区域很好的分化(He et al. 2002; Miao et al.2011)。何（2002年）研究表明，在1997年四环路城市化率达到了94.6% ，四环到五只有68.4%，且低于五环外。环路很好的呈现出北京1984年至2007年期间城乡边界的不同 (Mu et al. 2012)，最密集的和最高的建筑物和几乎所有的中央商业领域出在四环内。因此，合理作出这样的城市站热岛效应的宏观和集成特性的一维分类图。

图3 城市和农村研究地区地区昼夜循环的平均温度

(a)为五个一组的平均温度，(b)年平均温度。　　

在这项研究中，通过计算UHII估算城市和农村之间的区别(地区)。农村的SAT是8个参考站的均值用表示，城市的SAT是任何一个城市站或在任何特定的城市地区的平均SAT值，用表示。因此，UHII或者可以表示为：

( 1 )

1. 温度特征

研究SAT的年平均和季节性的范围如图2所示。在这四年期间，年平均是13.04，最大值14.71出现在出现在和平西桥(HPXQ)附近的中央区域(CA)和朝阳(CY)地区的联合带。最低温度11.82出现在顺义地区西南部的顺义赛马场 (SYSMC)。相对较高的出现在四环内和中央区域，四环临近的区域，像朝阳区，丰台区 (FT)，海淀区 (HD)。次高温度主要出现在FT的西南部，门头沟 (MTG)，HD区和CY区北部。西北和东北，SAT年平均一般低于12。

表1 城市和农村地区的年平均和季节性温度

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