戴高菊，李 艳，张子曰

(北京市朝阳区气象局，北京 朝阳区 100016)



北京市朝阳区热岛效应特征分析

戴高菊，李 艳，张子曰

(北京市朝阳区气象局，北京 朝阳区 100016)

利用1961—2014年朝阳、密云、上甸子3个站气温地面观测数据，对朝阳区与郊区温度年际变化、热岛强度年际变化进行了分析，并利用卫星反演数据分析了热岛效应的空间分布特征，得到以下主要结论：① 朝阳区在20世纪70年代末城市热岛效应不太明显，之后城市热岛效应开始显现，热岛强度逐年增强，80年代末到90年代初略有减弱，2000年以后热岛强度有明显增强。② 朝阳与郊区平均温差达1.5℃左右，为强热岛效应。热岛效应增强使得夏季高温日数增加，冬季低温日数减少。冬季为一年中热岛强度最强的季节。③ 朝阳区的热岛效应表现为西强东弱，热岛强度逐渐有向东、向南发展的趋势。强热岛区域集中在三环以内的城区。弱热岛区域集中在奥林匹克森林公园等下垫面多为大面积的水体和植被的地区。

北京朝阳区；热岛效应；年际变化

1 引言

近年来，大城市规模化发展迅速，城市建成区内高楼大厦、柏油路面、钢筋水泥建筑日益增多，造成地表长波辐射状况较自然地面显著变化，城市下垫面状况及城市热环境分布发生了巨大改变，加之工业、交通、商业等人类活动产生的热量，使城市气温比周围的环境气温高，从而产生城市热岛效应。城市内的气温上升、高温频发与城市热岛效应关系非常密切。城市热岛效应是人类活动对气候系统产生的最显著的城市气候效应[1]。

20世纪末以来，热岛效应研究也逐渐受到我国科学领域和各级政府的重视，越来越多的学者开展城市热岛效应方面的研究工作，对城市热岛效应工作中的热点问题做了许多研究和讨论[2]。寿亦萱等[3]对城市热岛效应的研究历史进行了系统地回顾，重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述。白杨等[4]研究指出，随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀，因城市下垫面的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市居住环境和居民健康的重要因素。周淑贞[5]对城市热岛效应形成机制进行了多方面研究，吕云峰[6]、肖荣波[7]等相继探讨了热岛效应的监测方法。张艳等[8]对超大城市热岛效应的季节变化特征及年际变变化差异进行了分析，宫阿都[9]、张兆明[10]等利用TM数据对北京市热岛状况进行了近似反演，并分析了热岛分布特征与时间变化特征。王郁等[11]对1993—2003年10 a来北京地区气象台站7、8月的温度资料进行分析，指出北京夏季城市热岛的水平范围扩大到近郊区和远郊区的通州，分布特征由“单中心”转变为“多中心”；平均热岛强度呈逐渐增强趋势。张本志等[12]对北京中心商务区夏季近地面气温进行分析，发现商务中心区存在附加热岛效应。

目前针对北京市朝阳区热岛效应与城市进程方面的研究较少，因此利用现有观测数据，对朝阳区城市热岛时空特征进行研究，为缓解城市热岛效应，建设生态文明绿色环保城市，提高人民的生活质量，维持城市可持续发展具有重要意义。笔者利用1961—2014年共计54 a朝阳、密云、上甸子3个站气温观测数据，对朝阳区与郊区温度年际变化、热岛强度年际变化进行了分析，并利用卫星反演数据分析了热岛效应的时空分布特征。

2 资料与方法

采用1961—2014年，共54 a朝阳、密云、上甸子3个站一天4个时次的地面观测数据。定义城区与郊区站的气温差为热岛强度，即：

UHI=Tu-Ts

其中Tu为城市观测站温度，Ts为郊区观测站温度。文章选取密云站和上甸子站作为郊区站，其中密云站为北京气候基准气象站，上甸子高山站为国家大气本底站，可视该地区温度变化受人类活动影响较少，可反映气温的自然变化；朝阳站作为市区站，主受人类活动影响，反映城市的气温变化。

同时，利用Landsat/TM卫星影像资料处理方法，按照叶彩华[1]地表热岛强度计算法来估算城市地表热岛强度，即：

其中，UHIIi为图象上第i个象元所对应的热岛强度，Ti为地表温度，n为郊区农田内的有效象元数，Tcrop为郊区农田地表温度。利用北京市1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年Landsat/TM地表温度按上式计算出朝阳区城市热岛强度。并按热岛强度值的大小，将热岛强度划分为7级：强冷岛、较强冷岛、弱冷岛、无热岛、弱热岛、较强热岛和强热岛等。

3 结果分析

3.1 朝阳区热岛强度变化

3.1.1 年际变化 图1为54 a朝阳、密云、上甸子各站平均气温年际变化。3个站的年平均气温变化相关性较好，总体呈上升趋势，但朝阳站自2000年后升温速率明显高于郊区2站。3个站的年平均气温增速有所不同(虚线)，上甸子增温速率最慢，每10 a升高约0.07℃；密云站每10 a增温速率为0.16℃；朝阳站增温最快，每10 a升高近0.31℃。上甸子为高山站，54 a间测站周围基本没有建设以及较大范围的人类活动，其温度变化最能反映自然气候的变化；密云县受城市发展影响增温速率略高于上甸子，但其城市规模，人口密度相对于朝阳区发展较缓慢。

图1 朝阳、密云、上甸子平均气温年际变化和趋势(单位：℃)

计算朝阳区热岛强度时，需考虑因海拔高度对温差造成的影响。通常情况下气温随高度直减率为6℃/km，根据上甸子和密云站与朝阳站海拔高度差，可得出朝阳站与上甸子站温差约为1.5℃，与密云站温差为0.2℃。从朝阳区热岛强度年际变化(图2)可以看出，朝阳站与密云站温差、朝阳站与上甸子站温差年际变化虽略有波动，但总体呈上升趋势，利用多项式拟合法对朝阳站与密云站温差、朝阳站与上旬子站温差平均值进行拟合，得到趋势线(虚线)可知，2004年后温度差上升趋势明显增大。朝阳站与密云站温差(红线)从20世纪60年代初0.3℃左右增加到2014年的1.5℃左右；而朝阳站与上甸子站温差(蓝线)由之前0℃左右增加到2014年的1.25℃左右。在20世纪70年代末以前朝阳地区的环境较好，城市热岛不太明显，70年代末以后城市热岛效应开始显现，热岛强度逐步增强，并在2000年后热岛强度有明显增强的趋势。

通过朝阳区热岛强度年际变化趋势可看出，20世纪60年代朝阳区热岛强度基本不变，60年代末到80年中期有增强趋势，80年代中期到90年代末相对平稳略有减弱。而2000年以后，朝阳区城市建设和人口规模有较大幅度的增加，热岛强度也较大幅度的增强。

3.1.2 气温的季节和极端变化 对朝阳区四季温度进行平均并作图(图略)，其中春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季9—11月，冬季为12—次年2月。结果表明四季温度年际变化整体呈上升趋势，其中春、冬两季增温趋势最为明显，约为每10 a增温0.4℃，夏、秋两季变化略小，为每10 a增温0.2℃。

图3为朝阳区四季的热岛强度(朝阳站与上甸子站温差)年际变化，冬季热岛强度明显强于其他3个季节。春、夏、秋季热岛强度2003年以前波动较大，有明显的季节差异，自2003年以后波动减小，季节性差异逐渐减弱。2003年前后开始各季节热岛强度变化趋势有所加强。

图3 朝阳区四季热岛强度年际变化(单位：℃)

对朝阳站与密云站年极端气温变化进行比较(图4a)，朝阳站与密云站年平均极端最高温度差异较小，朝阳站年平均极端最高温度为37.3℃，密云为36.8℃。朝阳站极端最高温度年际变化可知，20世纪60年代末到90年代初，极端最高温呈下降趋势，而90年代中后期到2010年总体呈上升趋势。年极端最低温度朝阳与密云差异较大(图4b)，朝阳为-14.9℃，密云为-18.6℃。20世纪60—80年代中期，极端最低气温变化相对平稳，80年代中后期极端最低气温有增暖趋势。从极端最高、最低温差(图4c)可知，极端最高温差年际变化幅度较小，而极端最低温差变化略呈上升趋势。

基于语料库的二语构式创新用法教学 …………………………………………………… 陈松松 程文华（3.61）

图4 朝阳站与密云站年极端气温年际变化

3.1.3 高、低温日数年际变化 统计1961—2014年高温(≥35℃)日数年际变化(图5)，从高温日数年际变化趋势线可知，高温日数略呈上升趋势，但每年高温日数变化也较为明显。2000年为高温日数发生最多年，为23 d，而1970年、1976年、1977年、1985年、1995年均无高温日出现。同时看到，1961—1965年、1997—2005年这两个时间段为高温日数连续出现较多的年份，尤其2000年前后高温日数出现偏多。

同样对低温日数年际变化也进行统计(图略)，发现低温日数(≤9℃)在逐年减少，20世纪80年代后期低温日数有明显减少趋势，1990年以前年平均低温日数为36.8 d，而1990年以后平均仅为18.8 d，其中1969年低温日数达到极值，为63 d，而2007年仅出现4 d。20世纪90年代起年均低温日数逐渐减少，而至2000年后年均高温日数增多。

图5 1961—2014年高温(≥35℃)

3.2 朝阳区城市热岛的时空分布

由于部分年份资料缺失，因此选取1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年城市用地面积卫星反演图分析朝阳区城市建设情况。从这几年的变化(图6)可以看出，朝阳区城镇用地面积从1986—2011年明显扩大，城镇由1986年分布在朝阳区西部逐渐向东部扩展。农田从1986年约占全区60%以上面积，缩减至几乎消失。通过对朝阳区1987年、1992年、2001年、2005年、2008年和2011年的Landsat/TM地表温度计算，得热岛强度监测(图7)结果，对比发现朝阳区强热岛区域与城市用地区域基本一致。朝阳区热岛强度经历了由弱到强再变弱再变强的发展历程，其中2001年达到次高峰，这可能是因为申奥成功后奥运村附近大规模的绿化改造，使得强度有所减弱。

以2012年朝阳区年平均气温空间分布(图8)为例进行分析。最高与最低温度相差1.6℃。较高温度区主要分布在北京中央商务区、京通快速沿线以及西部安贞、和平街街道等中心城区，这些区域人员和车辆密集，地表硬化程度高，植被相对较少。而较低温度分布在西北部奥林匹克公园、西北部金盏乡、东南部以及中部朝阳公园附近。这与之前分析热岛分布特征相一致。综上所述，有大范围植被覆盖的地表和水体周围温度明显低于其他地方。

图6 城市用地面积卫星反演图(a、b、c、d、e、f依次为1986年、1990年、1994年、2000年、2005年、2011年)

图7 朝阳区城市热岛变化图(a、b、c、d、e、f依次为1987年、1992年、2001年、2005年、2008年、2011年)

图8 2012年朝阳区平均气温空间分布(单位：℃)

4 结论

本文利用1961—2014年朝阳、密云、上甸子3个站气温观测数据，对朝阳区与郊区温度年际变化、热岛强度年际变化进行了分析，并利用卫星反演数据分析了热岛效应的时空分布特征，得到以下主要结论：

② 朝阳区与郊区平均温差达1.5℃左右，为强热岛效应。热岛效应增强使得夏季高温日数增加，冬季低温日数减少。冬季是一年中热岛强度最强的季节。

③ 空间上朝阳区的热岛效应表现为西强东弱，热岛强度逐渐有向东、向南发展的趋势。强热岛区域集中在三环以内的城区。弱热岛区域集中在奥林匹克森林公园，等下垫面多为大面积的水体和植被的地区。

[1] 叶彩华，刘勇洪，刘伟东，等.城市地标热环境遥感监测指标研究及应用[J].气象科技，2011，39(1)：95-101.

[2] 黄良美，邓超冰，黎宁.城市热岛效应热点问题研究进展[J].气象与环境学报，2011，27(4)：54-58.

[3] 寿亦萱，张大林.城市热岛效应的研究进展与展望[J].气象学报，2012，03：338-353.

[4] 白杨，王晓云，姜海梅，等.城市热岛效应研究进展[J].气象与环境学报，2013，29(2)：101-106.

[5] 周淑贞，张超.上海城市热岛效应[J].地理学报，1982(37)4：372-382.

[6] 吕云峰.城市热岛效应现状及监测方法[J].长春师范学院学报，2006，25(4)：80-82.

[7] 肖荣波，欧阳志云，李伟峰.城市热岛时空特征及其影响因素[J].气象科学，2007，27(2)：230-236.

[8] 张艳，鲍文杰，余琦，马蔚纯.超大城市热岛效应的季节变化特征及其年际差异[J].地球物理学报，2012，04：1121-1128.

[9] 宫阿都，江樟焰，李京，等.基于Landsat TM图像的北京城市地表温度遥感反演研究[J].遥感信息，2005a.21(3)：18-20.

[10] 张兆明，何国金，肖荣波，等.北京市热岛演变遥感研究[J].遥感信息，2005(6)：46-48.

[11] 王郁，胡非.近10年来北京夏季城市热岛的变化及环境效应的分析研究[J].地球物理学报，2006，01：61-68.

[12] 张本志，任国玉，张子曰，等.北京中心商务区夏季近地面气温时空分布特征[J].气象与环境学报，2013，29( 5)：26-34.

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Urban heat island effect characteristics of Chaoyang District， Beijing

DAI Gaoju， LI Yan， ZHANG Ziyue

(Chaoyang Meteorological Bureau of Beijing，Beijing 10016)

This study investigates the historical inter-annual variabilities of urban heat island(UHI) effect over the Chaoyang distract and its suburb regionsin Beijing.The observed surface air temperaturedata during 1961—2014 from three observatories，namely Chaoyang，Miyun and Shangdianzi，is further used to analyze the impact of UHI to the frequency of extreme temperature.We also apply the satellite retrieval data to analyze the spatial distribution of UHI effect.The results show an increased trend in UHI effect during the last 54 years.The UHI signal is comparatively weak before the late 1970 s and tends to be intensified since the early 1980 s.However，a period of relatively weak UHI is also found duringthe late 1980s to the early 1990 s.The difference in temperature between the Chaoyangdistrict and its outer suburbs is 1.5℃，indicating a strong UHI effect.With increased UHI，the resultshows an increase in high temperature days of summer and decrease in low temperature days of winter as well.The seasonality of UHI intensity shows that the most intenseUHI tends to occur in winter.The spatial climatology shows that the UHI over the west Chaoyangdistrict tent to be stronger than the east.The UHI effect over the Beijing inner core area(e.g.area within the 3rd Ring Road)is found to be stronger as compared with the outer area of Beijing(e.g.the Olympic forest park).This is considered as the result of the high coverage of water and vegetation in the outer Beijing that brings relatively great contrasts to the land surfaceproperty.

Chaoyang District of Beijing；Heat island effect； Interannual variation

2015-10-26

戴高菊(1987—)，女，助工，主要从事城市气象方面研究工作。

北京市朝阳区科技计划项目“朝阳区热岛效应监测和商务中心区气象节能措施研究”( KC1103)

1003-6598(2015)06-0013-06

P458.1+21

A