紹興地區熱島效應的季節變化及年際差異的成因分析

季丹丹 陳璽文 胡燕華 許志超

摘要：文章從紹興市5個氣象站的氣溫數據中挑選城市和郊區的代表性站點研究近30年來的溫度變化，發現城郊溫差是呈波動上升趨勢的;從中挑選期間的4個年份，重點研究紹興地區熱島效應的季節變化特征，發現四季變化中夏季最容易出現熱島效應，且低強度熱島和中等強度熱島所占比重較大。隨后進行年際對比研究，發現年際差異主要顯現在2001年以后熱島效應頻率和強度的增長幅度均增大，其中是中等強度在次數和強度上的比重加大，在熱島效應增加的角度上有決定性意義。查閱文獻分析該結論的產生原因，發現2000-2010年熱島強度呈倍數增長，這可能和2000年以后工業比重逐年增大有關。濱海工業區和袍江工業區的建立帶來了產業規模的擴大，引起了工業用地的增加，大量外來人口的流入也帶動了基礎設施建設、房地產業、商業、餐飲、娛樂等的快速發展，使城區周邊地區得到開發。工業的發展和人口的增加是導致紹興熱島效應年際變化，且主要呈增長趨勢的主要原因。

關鍵詞：熱島效應，季節變化，年際差異，經濟發展，紹興

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2019.00.008

城市熱島指的是一個地區的氣溫高于周圍地區的現象，也稱“大氣熱污染現象”，這是由于在城市發展進程中，下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱排放等因素使城市溫度明顯高于郊區，形成熱孤島的現象[1-2]。一般選取中心和周邊的代表性測站研究氣溫差值的變化用來表示熱島效應變化。由于城市人口集中，生活、生產產生的熱能和局地大氣環流會造成城市中心溫度偏高。隨著城市化進程發展，城市熱島的研究對城市規劃與環境保護具有一定價值[3-4]。

20世紀80年代是我國經濟飛躍式發展的階段，大城市熱島效應的研究已經引起了學者們的廣泛重視[5-6]。江漢田等[7]研究發現，上海城市熱島明顯呈時間尺度結構，由各種尺度的熱島疊加而成，冬季熱島的尺度結構比較單一，夏季比較復雜。此類研究也可為紹興城市熱島的研究提供參考。

為了更好地研究城市化進程對紹興地區的熱島效應影響，本文選取4個年份（1981，1991，2001，2010）研究不同季節城市熱島的尺度疊加方式，以探尋城市熱島的變化和影響因子。

1 研究區域和數據來源

1.1研究區域

紹興位于長江三角洲南岸，北緯29°13'36"一30°16'17"，東經119°53'02"-121°13'38"，海岸線長40 km，總面積8256 km。屬中、北亞熱帶季風氣候過渡地帶，四季分明，氣候溫和，年平均氣溫16.0℃～16.5℃[8]。地勢南高北低，由北部紹虞平原逐漸過渡為丘陵山地。南部為山村，北部為水鄉。境內河道密布，湖泊眾多，東北部為水網平原，海拔一般在10m以下。

紹興市2017年總人口為501萬，其中柯橋區和越城區作為城區，其他4個縣區（諸暨、新昌、嵊州、新昌）作為郊區。城區人口密度高達873人/km，郊區人口密度僅約為城區的一半（444人/km）。

1.2數據來源和研究方法

本文首先選用1981-2010年紹興市的紹興（S1）、諸暨（S2）、上虞（S3）、新昌（S4）、嵊州（S5）5個站點的月平均氣溫數據研究紹興地區熱島效應年際變化和季節變化特征，參與熱島計算的5個站點的地址遷移都較小，符合熱島強度計算條件的紹興站位于市區，人口密度較大，其數據可代表城區氣溫。其余4個站點可代表郊區氣溫。在此基礎上，選取其中1981，1991，2001和2010年4個年份作為代表研究熱島效應的年代差異[9]，數據跨度為30年，涵蓋了紹興市經濟出現躍變的時段——20世紀90年代末至21世紀初。

本文又以紹興（S1）和新昌站（S4）作為個例，計算1981-2010年的平均氣溫差（△T=S1-S4），研究平均氣溫差的年際變化，探索其變化與熱島效應之間的關系。城市熱島強度（UHI），即紹興氣溫S1與郊區4個站點平均氣溫的差值。計算公式為：

其中，若假設式（1）中的△T >0.5℃，則認為熱島效應存在[9]。挑出通過式（1）計算的熱島效應出現的日期，計算其熱島強度之和，即為熱島累計強度，可表示為：

式（2）中，s表示某一季節，即第s個季節，k為該季節中k次熱島的強度。

1.3篩選方式

紹興站位于紹興北部人口建筑物較密集的城市中心，新昌位于紹興南部山區，周圍生態條件較好，兩站氣溫差值可代表城郊溫差、研究年際變化[1O]。

2 結果與分析

2.1熱島效應的年際變化特征

通過圖1的數據可以看出.1）1981-2010年，平均氣溫（以紹興站為例）是波動上升的，速率為每10年上升0.79℃，四季的城郊平均氣溫差也是逐年波動上升的，春夏秋冬上升速率分別為每10年上升0.27℃，0.26℃，0.26℃和0.06℃，因此，平均氣溫與熱島效應強度存在正相關性。2）夏季平均氣溫高，出現熱島效應的強度（城郊氣溫差為例）也最高;冬季平均氣溫最低，熱島效應出現的強度也最低;春秋出現熱島效應的強度居中。

綜合上述分析結果，說明熱島效應出現的概率與平均氣溫有關。

2.2熱島效應的四季變化特征

選取4年（1981，1991，2001，2010年）的氣溫資料，依據上述計算方法和篩選方式，統計紹興出現熱島的天數概率為27.9%。春夏秋冬出現熱島的天數概率如表1所示，分別是6.6%，10.1%，6.2%和4.9%。

根據表1還可看出熱島出現概率的差異。紹興熱島效應出現的概率總體上并不高，又以夏天概率最高;冬季最低;春秋概率相近，在四季中居中。四季年際平均氣溫也有相應的對照，夏季平均氣溫最高，為27.45℃;冬季最低，僅為5.89℃;春秋居中。這與熱島效率發生概率非常相似。雖然春秋平均氣溫分別為16.08℃和18.35℃，但熱島效應概率卻為6.6%和6.2%，這可能由于相似平均氣溫下，熱島效應概率還受其他因子干擾。計算平均風速發現，春季和夏季平均風速為2.0m/s，秋季為1.7m/s，冬季為1.8mm/s，剔除平均氣溫這個因子后發現，風速較大的春季發生熱島效應概率較大，這可能是由于城市中建筑物較多，阻擋了空氣流通，從而使城郊氣溫差更加顯著。

2.3熱島效應強度的四季變化

為進一步研究四季熱島的差異，我們對每一次出現的熱島進行強度劃分[11-12]，并定義熱島強度0.5℃～1.0℃為低強度熱島，1.0℃～1.5℃為中強度熱島，1.5℃～2.0℃為較強熱島，2.0℃以上為強熱島。計算各季節各強度熱島的次數并進行統計，如圖2表示。

由圖2可知，4種強度熱島在四季中均有出現。從不同季節看，以夏季出現次數最多，4種強度熱島出現的次數均明顯多于其他季節;而春、秋、冬3個季節，不同強度熱島出現的次數相差不大。從不同熱島強度出現頻率看，低強度熱島在四季中出現頻率都是最高的，中等強度熱島次之，第三是較強熱島，強熱島出現頻率最少。

2.4熱島效應積累強度的變化特征

表2分季節統計了4個年份的熱島累積強度。從表2中可知，春、夏季熱島效應積累強度在1981—1991年略有減弱，在1991—2001年再次增強，2001—2010年呈倍數增強，2010年的熱島效應積累強度分別為2001年的3倍和4.7倍;秋季在1981—1991年穩定上升，卻在1991—2001年維持穩定，略有浮動，2001—2010年又呈倍數增強，2010年的熱島效應積累強度為2001年的8.3倍。

表2數據分析表明，2001年前，年平均熱島強度分別為13.91，10.49，13.20，雖然四季有不同趨勢變化，但整體強度變化比較平穩。但2001—2010年，熱島強度以倍數增強，其中增強最快的為秋季。這可能與2001年開始，紹興城市化建設跨越式發展有關[8]。濱海工業區和袍江工業區的建立帶來了產業規模的擴大，引起了工業用地的增加，大量外來人口的流人也帶動了基礎設施建設、房地產業、商業、餐飲、娛樂等的快速發展，使城區周邊地區得到開發。工業的發展和人口的增加是導致紹興熱島效應年際變化，且主要呈增長趨勢的主要原因之一[13]。

2.5不同強度熱島效應的年際變化

從圖3中可以看出，各強度熱島都是先減少后增加的趨勢，但是減少的年份卻并不完全相同。低強度熱島在1981—1991年有顯著減少，減少183%;隨后1991—2010年中穩定上升。中等強度熱島在1981—2001年都呈穩定減少趨勢，但在2001—2010年又迅速增加，增加7倍。1981—1991年均未出現較強熱島和強熱島。1991年后較強熱島開始出現，并在2001年后迅速增加。強熱島在2001年后才出現。

1981年各熱島強度占總熱島數的85%，15%，0%，0%，2010年時各強度熱島變為36%，35%，20%，9%，可以看出低強度熱島隨著年代的推進向更高強度的熱島轉換，因此隨著社會發展，熱島效應也在逐年增強。

3 熱島效應季節變化的成因探析

影響熱島效應的因素很多，主要分為氣象條件和人為因素。

3.1氣象條件的影響

對年平均氣溫（紹興站）的研究發現1981—2010年氣溫的上升高速率為每10年上升0.79℃。年平均氣溫是穩定上升的，這也是導致熱島效應出現次數增加的原因之一。而熱島效應在2001—2010年增長的最為明顯，我們也可以推測，氣溫的上升先于城市熱島的發生。

3.2人為因素的影響

1）城市人口快速增加。根據《紹興統計年鑒》，近年來人口呈快速增加趨勢，1999—2000年，增長率超過76%。人口的增長導致了對住房的需求，這也促進了房地產開發必然會向郊區拓展，使周邊的耕地被轉換成城鎮建設用地。尤其是2000年以來，耕地面積總體呈減少趨勢，2000—2003年年平均遞減率達到4.5%。正是經濟發展快速增長，城市擴張明顯的這幾年，城區附近的耕地被占為它用。越來越多的農業人口向非農業人口轉變，農業人口比重越來越小，這也是農村城鎮化的原因。

2）經濟快速增長，建筑業興起。紹興市區GDP由1992年的198974萬元增長到2003年的1871462萬元，年平均增長率達70%，經濟的飛速發展引起了產業結構的變化。2000年以后工業比重逐年增大，濱海工業區和袍江工業區的建立帶來了產業規模的擴大，引起了工業用地的增加，也帶動了基礎設施建設、房地產業、商業、餐飲、娛樂等的快速發展，使城區周邊地區得到開發。

4 結論

通過對紹興城市熱島效應的研究，結果表明：1）近30年來城市熱島效應是逐年增加的，尤其出現在2001—2010年，這與平均氣溫逐年上升呈正相關性。其中夏季最容易出現熱島，而冬季最少，因此平均氣溫是影響熱島效應的一個重要因子。2）熱島效應出現概率以夏季最頻繁，冬季最少，春秋季相近。其中雖然秋季平均氣溫較春季高，但春季出現熱島效應的概率較大;除去平均氣溫這個影響因子后，平均風速也是影響熱島效應出現概率的因子之一。3）在城市化進程中，各層次熱島效應顯著增加，其中最明顯的方式是低強度熱島向更高強度熱島轉化。低強度熱島比例從1981年的85%減少至2010年的36%，其他3種層次熱島效應分別增加20%，20%和9%，隨著工業發展、人口增加，熱島強度的層次也在發生著改變。這說明城市化發展是改變熱島強度層次結構的重要因子。

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收稿日期：2018-06-03

第一作者：季丹丹（1988-），女，本科，紹興市柯橋區氣象局氣象臺副臺長，研究方向為氣象學。E-mail：251495502@qq.com