基于气温日较差的城市热岛强度指标初探_李庆祥

An Urban H eat Island Intensity Index Based on Temperature D iurnal Range
L I Q ing-x iang1, 2, HUANG J ia-you3, DONG W en- jie4
( 1. In stitute of A tm ospheric Phys ics, Ch ina A cadem y of S cien ces, Beij ing 100049, Ch ina; 2. N at ional M eteorological Inform at ion Cen ter, Ch ina M eteorological A dm in ist ration, B eijing 100871, C h ina;
本文提出使用测站气温日较差 ( d iurnal temperature range, 简称 DTR )变化, 作为度量热岛效应。就目 前对最高、最低气温研究表明, 它们的年际变化存在 不对称性, 最 低气 温增 加趋 势速度 要比 最高 气温 快 [ 23-24] , 其原因, 城市的人类活动应该是其主要影响 因素。因为人类活动过程 (汽车尾气排放、取暖燃烧 煤和天然气等 ) 会排放大量的气溶胶, 气溶胶变化引 起大气浑浊度改变, 从而影响到辐射, 进而引起 DTR 变化。本文将主要利用 DTR 变化研究城市热岛效 应, 建立关于度量城市热岛强度指标的问题。
第 4期
李庆祥, 等: 基于气温日较差的城市 热岛强度指标初探
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球气 温变 化中 城市 热岛 的贡 献 约为 015 e , P arker[ 4-5 ] 从风速变化的角度指出全球气候增暖主要贡 献者不可能是城市热岛。
对于区域性的城市热岛的影响, 国内外均有许 多论述, 但结论也不尽相同。例如, K arl等 [ 6 ] 指出, 美国城市化平均的影响约 0106 e , 而 K uk la等 [ 7] 认 为城市化对温度的影响为 0112 e / ( 10 a), Peterson 等 [ 8-9] 指出, 热岛对美 国大尺度的气 候增暖贡献非 常次要, 仅仅因城市化的元数据选取不同而略有差 异。对于中国现有温度序列中热岛效应研究已经很 多。赵宗慈 [ 10] 提出中国城市化的影响存在于现有
气温序列中, 分析了城市化影响各类站气温的变化, 计算得到城市化使大城市站在 1951) 1989年期间 增温 0127~ 0145 e 。初子莹等 [ 11] 指出, 近 20 a热 岛效应因素使国家基本、基准站季节平均温度每 10 年增暖 0133 e 。陈正洪等 [ 12] 指出, 湖北基本和基 准站热岛增温贡献率可达 60% 以上。林学椿等 [ 13] 指出, 随着北京城市建设和城市化速度的加快, 热岛 强度的增温率为 0131 e / ( 10 a )。范绍佳等 [ 14 ] 指 出, 由于城市发展造成广州平均气温增温幅度约为 014 e 。朱家其等 [ 15] 指出, 由于城市发展造成上海 日平均强度夏季 7月大约为 216 e , 春季 4 月可达 317 e , 冬季 1 月在 1 e 以下。全年平均的热岛强 度约为 017 e 。平均气温增温幅度约为 014 e 。白 虎志等 [ 16] 研究了中国城市站、基本 /基准站和乡村 站三类代表站合成的年平均温度的 变化曲线指出
似, 现在的全球温度时间序列没有明显地受到城市 热岛效应影响。实际上, Jones等 [ 3] 指出, 近百年全
收稿日期: 2008-10-31; 改回日期: 2009-01-14 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 40605021) ; 科技部基础条件平台项目 ( 2005DKA 31700-01) 作者简介: 李庆祥 ( 1973) ) , 男, 湖南新宁人, 博士, 高级工程师, 研究方向为气候与气候变化, l iqx@ cm a. gov. cn.
看来, 仅仅从热岛对区域, 或者全球大尺度的增 暖趋势作用来说, 目前很难取得一致的结果。因此 如何描述热岛强度是一个值得探讨的问题, 上述不
同研究的结论中, 显然也与的热岛强度计算方法不 同有关。传统热岛强度定义有多种, 其一, 在许多研 究工作中分别采用日平 均气温、最高气温、最低气 温、月平均气温、年平均气温等进行讨论。计算热岛 效应时, 通常都以单个城市站与乡村站相比较, 即城 市站热岛效应等于城市站实测气温减去虚拟乡村站 气温。但随着城市化的快速发展, 许多城市站在附 近已找不到经纬海拔相近的乡村站了。如果选择的 乡村站距离城市站较远, 则应消除因纬度、经度、海 拔高度等自然因素所带来的偏差。而且乡村站随着 经济的发展, 站点温度受到热岛影响。其二, 一些研 究认为, 经验正交函数第 2特征向量可以指示城市 热岛效应或土地利用对局地温度的影响 [ 17] 。并将 年和季节平均温度 EOF 第 2特征向量为负值站作 为 / 乡村 0站。定义不同类型城市 站与乡村站的增 温速率差值为平均热岛增温率。其三, 有的研究用 虚拟乡村站模拟自然因素对城市站气温的影响, 虚 拟乡村站使用 NCEP /DOE AM IP) Ò 再分析资料, 利用高空环流整体模拟测站点的气温, 作为自然因 素对城市站气温的影响 [ 22 ] 。但是 再分析资料包含 的年份从 1979年至今, 与观测时段差异较大, 使用 困难, 而且需要准确地把网格气温值插值到测站的 经纬度, 除了十分麻烦外, 还存在插值误差, 其误差 幅度可能与城市热岛影响的幅度相当, 甚至可能比 后者还大。因此有必要进行包含气温的新的城市热 岛效应的度量指标研究。
3. D epartm ent of A tm ospheric Sciences, Schoo l of Physics, Pek ing U n iversity, Beijing 100871, Ch ina; 4. State K ey Laboratory of Earth Surface Processes and Ecology R esource, Beijing N ormal U n iversity, Beijing 100875, Ch ina)
40多年来, 城市站、乡村站和基本 /基准站线性增温 率 分 别 为 0138、0123、0129 e / ( 10 a )。 刘 学 锋 等 [ 17] 研究了河北省城市热岛强度变化对区域地表
平均气温序列的影响, 认为城市站、国家基本 /基准 站增温趋势较强, 乡村站增温趋势最小, 季节中以冬 季增温为最大。但是, 研究认为城市热岛效应增强 因素对季节增暖的作用, 在夏秋季较大, 冬季最小。 而最近, 随着台站数据的不断丰富, 关于气温增暖对 热岛的贡献问题也得出了许多新的结论, 但有的认 为城市热岛在中国气温增暖过程中 的贡献达到了 40% 以上, 在北京, 甚至超过 80% [ 18-20] 。但在全国 所有 730个左右的国家基本、基准站范围内对全国 5个分区内剔除了 / 热岛台站 0后发现, 剔除后温度 序 列与包含城 市站在内 的温度序列 几乎不可 区分 [ 21] 。
0 引言
IPCC 第四次评估报告 [ 1] 就城市热岛和土地利 用对温度的影响问题进行了论述, 指出热岛效应有 较强的局地性, 热岛效应趋势的量级比温度年代际
趋势明显地小, 对现有的全球格点温度序列影响极 小。报告采纳了 Peterson等 [ 2 ] 的观点, 认为全球乡 村站温度时间序列与所有 站温度时间序列 非常相
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大气科学学报
基于气温日较差的城市热岛强度指标初探
李庆祥 1, 2, 黄嘉佑3, 董文杰4
( 1. 中国科学院 大气物理研究所, 北京 100049; 2. 国家气象信息中心, 北京 100081; 3. 北京大学 物理学院 大气科学系, 北京 100871; 4. 北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京
第 32卷第 4期 2009年 8月
大气科学学报
T ransactions o f A tm ospheric Sciences
李庆祥, 黄嘉佑, 董文杰. 基于气温日较差的城市热岛强度指标初探 [ J] . 大气科学学报, 2009, 32 ( 4) : 530-535.
பைடு நூலகம்
Vo.l 32 N o. 4 Aug. 2009
1 资料与方法
采用 1951) 2004年经均一化订正的中国地面 气象台站观测的气温记录, 此资料是国家气象信息 中心收集整理的全国 730个测站附近站点地面观测 的逐月平均最高、最低和平均气温资料, 使用偏最小 二乘法对缺测资料进行恢复 [ 25-27] , 得到 1951) 2004 年完整的资料集。
100875)
摘要: 选取 1951) 2004年中国东部地区 9个大城市和较近距离的 9个小城市, 对城市逐月平均最 高、最低和平均气温资料进行不同季节的城市热岛效应分析, 对描述热岛效应的热岛强度指标进行 研究, 并提出一种基于气温日较差的新的热岛强度指标。结果表明, 1980年以后, 无论大、小城市, 城市化的热岛影响均有所加强。大城市年热岛强度 10 a 约增加 0120 ~ 0134 e , 小城市约增加 0114~ 0120 e 。大城市的热岛强度无论季节或年增加幅度均比小城市大, 特别是冬、秋季, 而小城 市则主要表现在夏、秋季。 关键词: 城市化; 季节温度; 热岛强度 中图分类号: P423 文献标识码: A 文章编号: 1674-7097( 2009) 04-0530-06
Abstract: Several ex isting urban heat island( UH I) intensity ind ices are exam ined in th is paper by using the m onthly average m ax im um, m in im um, m ean tem peratures data in n ine b ig cities and their n ine nearest sm a ll c ities in eastern China; then a new HU I intensity index based on tem perature diurnal range( TDR ) is proposed. T he research resu lts show that the effect of HU I since 1980 both in the n ine b ig cites and n ine sm all contrast c ities has enhanced; the intensity of HU I increased about 0120~ 0134 e per ten years in the b ig cities, and about 0114~ 0120 e per ten years in the sm a ll cities; its increase am plitude whether on seasonal or annual tim e scale w as larger in the b ig cit ies than in the sm all c ities, espec ia lly in w in ter and autum n, wh ile the increase am p litude in the sm all c ities w as larger in summ er and autum n than in w inter and spring. K ey w ord s: urban ization; seasonal tem perature; urban heat island intensity