南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应.docx
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南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应
南京市四种下垫面气温日变化规律及城市热岛效应
黄良美1,2,黄海霞2,项东云1*,朱积余1,李建龙2
1.广西林业科学研究院,广西南宁530001;2.南京大学生命科学院,江苏南京210093
摘要:
为了监测城市热岛特征、热场空间分布及综合评价城市环境质量,探讨消减城市热岛效应对策,2005年7—9月期间,通过对南京市的中心城区夫子庙、城市湖泊玄武湖、城市森林紫金山、城市郊区浦口四个观测点选取水泥地、草地、林地和水体四种下垫面进行温度、湿度、风速等气象因子的24h同步观测,结果表明,
(1)四个观测点的四种下垫面白天气温呈林地<水体<草地<水泥地的变化趋势,夜晚则是相反,但草地的温度最低;与水泥地比较,其他3种下垫面白昼期有明显的降温效应,均幅度为0.2~2.9℃,而夜晚林地与水体有轻微的保暖效应,晴好无风天气时这种效应更明显。
(2)南京市的热岛强度平均为0.5~3.5℃,凌晨3:
00左右热岛强度较大且平稳,当日出后热岛强度减小,但在中午12:
00左右有一个明显回升,然后下降,至傍晚18:
00~21:
00,热岛强度有个强烈提升的高峰。
(3)利用各观测点温度的时间标准差、空间标准差及时空数据正规化的标准差定量与定性的揭示了城市景观与城市下垫面对城市热岛效应变化的影响机理。
(4)不同观测点舒适度指数表明观测期间人们对温度、湿度和风速日变化的综合生理感觉是暑热到较舒适间的变化过程,紫金山和浦口有时给人舒适的感觉。
基于实验观测数据,对南京市不同下垫面的温度日变化规律、热岛强度特征、舒适度指数以及相关成因机理进行了全面分析与探讨,为城市生态建设、城市规则、城市环境治理及城市绿化建设提供重要的理论参考。
关键词:
城市下垫面;热岛强度日变化;成因与机理分析;舒适度指数
中图分类号:
X16文献标识码:
A文章编号:
1672-2175(2007)05-1411-10
城市热岛是指城市地区整体或局部温度高于周围地区的一种异常温度分布现象,除了当地天气条件、城市地理位置的影响外,城市的街道走向,建筑群密度,工厂生产,植被覆盖率降低,大量人为热排放等,都是导致城市热岛效应产生的因素。
城市热岛以其独特的气候变化对城市生态环境和人类生产活动产生着重大的影响,因此城市热岛现象的研究受到普遍关注和重视。
早在19世纪初,英国科学家Howard就指出伦敦城市中心的气温比周围的乡村高[1];此后各国学者对不同纬度、不同类型的城市陆续做了大量的城、郊气温对比观测,都发现城区气温高于郊区的热岛现象,并对其时空分布、成因机理、数值模型及其环境生态影响作了深入的研究。
Manley将这种城区气温高于郊区的现象命名为“城市热岛”[2],而Oke则定义从地表面到建筑物屋顶面附近为城市覆盖层,从屋顶面附近到上空积云层为城市边界层,并将城市中心区的温度“高峰”值与郊区温度的差值定义为“热岛强度”[3]。
国内外学者对北京、上海、天津等城市的热岛效应已作了大量的研究报道[4-6],而作为“长江上的三大火炉”城市之一的南京城市热岛效应研究还少见报道[7,8]。
随着南京市城市化的迅猛发展,出现了较多的工、商、贸、居住等混杂的区域,城市的环境因子非常复杂。
而城内绿化在各功能区不均匀,较多地方出现较大斑块的绿化空缺及薄弱区,城市生物多样性下降,绿地种质资源锐减,城内绿地面积下降,城效生态环境不断恶化等问题,城市生境较以往更为复杂。
为了监测城市热岛特征、热场空间分布及综合评价城市环境质量,探讨消减城市热岛效应对策,为城市规则、城市环境治理及城市绿化建设提供科学依据,我们通过观测实验,对比分析了2005年7、8、9月间南京市夫子庙、玄武湖、浦口、紫金山四种景观用地的日温变化规律及南京市城市热岛强度特征,综合评价了风、湿、热温因子的环境舒适度。
1实验地与研究方法
南京是江苏省的省会城市,地处长江下游平原,居长江三角洲顶点,北纬31º14’~32º37’,东经118º22’~119º14’,距上游的武汉722km,距下游的上海380km,长江穿越境域;现辖11区4县,面积6597km2。
南京属暖温带向北亚热带过渡地带,四季分明,全市年平均气温16℃,年度最佳气节为秋季9~11月。
南京三面环山,西北方向滨临长江,形成向西北开口的“簸箕”地形。
由于热季东南群山阻挡了海洋季风,热空气不易扩散,所以炎热高温,热岛效应明显。
表1观测日的天气状况
Table1TheweatherconditionoftheobservationdaysintheperiodofJuly—September,2005
观测日
气温/℃
相对湿度/%
云量/decas
风速/(m·s-1)
均值
最大值
最小值
均值
均值
均值
7月17日
30.1
34.1
26.2
68
5.1
2.8
7月18日
29.1
33.5
26.5
70
4.4
3.0
8月13日
29.7
33.1
27.2
70
7.4
2.8
8月14日
30.5
33.8
27.2
68
3.1
4.3
8月26日
23.2
28.4
18.5
77
3.1
1.3
8月27日
25.3
29.8
22.5
76
8.3
1.5
9月9日
24.7
30.5
20.0
70
1.3
1.0
9月10日
24.9
30.4
19.8
73
1.3
1.3
9月17日
28.2
30.9
25.8
78
3.3
2.0
9月18日
26.1
30.2
23.7
82
9.4
2.5
9月24日
21.3
24.9
19.6
69
9.1
2.3
9月25日
21.0
24.3
19.6
73
9.5
3.0
图1南京市主要景观及研究观测点
Fig.1ThelocationoftheobservationsitesandthemajorlandscapeformofNanjing
南京市2005年以6、7、8、9月的气温为最高,平均温度在24.8~28.6℃,湿度在56~77%,风速在2.2~2.8m/s。
7、8、9月期间,我们进行了6次野外观测,观测日有晴、阴、多云等天气情况,但都为不下雨的天气,风速也都<4.5m/s(表1)。
观测点设在紫金山、玄武湖、夫子庙及郊外的浦口,这四个观测点地理位置和景观基质各不相同(图1),其中夫子庙位于城市中心东南部,高楼林立,人流车辆往来频繁,人为热和水汽排放量大。
玄武湖公园是一个由人工桥连接成的三个湖泊小岛,公园面积3.7km2。
紫金山位于南京市东面,是城市的绿肺,海拔高度448m,林地面积达29.7km2,植被群落多以壳斗科的青冈(Cyclobalanopsisglauca)、小叶青冈(C.myrsinaefolia)、石栎(Lithocarpusglaber)和苦槠(L.sglaber),樟科的浙江桂(Cinnamomumchekiangensis)、樟树(C.comphora)和红楠(Machilusthunbergii)等树种为建群种或优势种,呈常绿与落叶阔叶混交林相,观测点位置在一名为流微榭的山谷处。
城市郊区浦口为长江所分隔于南京市主城区,为郊区农田用地,但已成城市郊区开发区状态,我们选择南京大学浦口校区为观测点。
由于景观用地的差异,我们将四个观测点分别作为城市商业中心、城市湖泊、城市森林、城市郊区的景观用地代表。
观测是用阿斯曼通风干湿表,最低温度计,最高温度计,三杯风速风向仪在四个观测点进行全天每小时的同步观测,但是1:
00、3:
00、5:
00、11:
00、17:
00、23:
00部分观测点存在缺测情况,因此数据处理时删除了这6个时间段;观测高度为1.5m。
观测过程中,在每个观测点选择水体、草地、林地、柏油路面或水泥地面等四种下垫面进行温度、湿度和风速观测,其中林地都选择观测点处高大悬铃木(Platanusacerifolia)的树荫下取样(夫子庙为街道树,其他都是林地),林地绿化树种主要有悬铃木(Platanussp),雪松(Cedrusdeodara),枫香(Liquidambarformosan),银杏(Ginkgobiloba),栾树(Koelruteriapaniculata),杨(Populussp),柳(Salixsp),石楠(Photiniaserrulata),海桐(Pittosporumtobira),小叶女贞(Ligustrumquihoui),火棘(Pyracanthafouneana),迎春(Jasminumnudiflorum),桂花(Osmanthusfragrans)等。
草地是选择观测点近旁的宽阔草坪,在南京大学浦口校区的草坪,其草种为高羊茅(FestucaarundinaceaS).、翦股颖(AgrostisstoloniferaL)、草狗牙根(CynodonDacty;on(L.)Pers.),结缕草(ZoysiajaonicaS.)等品种。
水泥地面则是十字路口、泊车广场或操场。
水体在夫子庙是其旁边的秦淮河段观测,玄武湖则是在一伸向湖中的狭长堤道上观测取样,紫金山是在流微榭的湖面上观测取样,浦口由于实际情况没有水体的取样。
本实验由于是实地观测,各观测下垫面面积无法一致,我们以取样观测位置中心点辐射的同质面积至少超过500m2设为小气候观测尺度,这一尺度也可作为景观分辨率尺度。
数据处理:
(1)分析四种下垫面温度日变化特征时,以各观测点水泥地面为参照进行对比;
(2)分析城市热岛效应变化特征时以城市中心夫子庙为参照点进行对比,对比前将水体、草地、林地、水泥地面的温度和湿度进行平均作为该观测点的温度和湿度,风速则是空旷草地上每小时测量的5组连续读数平均值;(3)分析城市热岛时空变化的生境影响时,采用时间、空间及时空数据正规化等3种方差进行比较分析;(4)用北京市气象局1997年发布的人体舒适度指数与陆鼎煌基于环境卫生学的人体舒适度指数[9-11]综合评估了各景观用地的生态气象因子,数据处理(3)与(4)的计算式如下:
(i=1,2,3,…,P=24)
(1)
(j=1,2,3,…,N=4)
(2)
(i=1,2,3,…,P,j=1,2,3,…,N)(3)
(5)
(4)
式
(1)中
是j类生境i时的观测温度,
是水泥、林地、水体和草地四种生境的i时平均温度,
是用
中心化后的第一类矩阵,式
(2)中
则是j类生境的24小时平均温度,
则用
中心化后的第二类矩阵,式(3)中
是用
中心化后再进行其标准差转换后的第三类矩阵;用
、
和
三种4×24矩阵进行标准差计算,就可求出各观测点温度在时间系列、空间系列及时空综合系列的日变异特征。
式(4)
和式(5)
分别是北京市气象局发布的舒适度指数与陆鼎煌基于环境卫生学的舒适度指数,
、
和
两计算式一样,分别是指气温(℃)、相对湿度(%)和风速(m/s)。
(4)式的舒适度划分等级在热季期间是:
59~70为舒适,71~75为较舒适,76~79为微热,80~85为炎热,86~89为暑热,>90为酷热;而(5)式的舒适度划分等级是:
<0.6为不舒适,0.6~0.75为较舒适,0.75~0.85为舒适,≥0.85为很舒适。
由于这两种舒适度指数表征方向不同,即前者舒适度指数越大,而表征的舒适度越差,后者则是舒适度指数越大,其所表征的舒适度越好,因此,将两个指数综合比较运用,可以较好的对南京市不同景观用地的气象环境质量作出评估与预报。
2结果
2.1南京市不同下垫面温度的日变化特征
2.1.1城市中心
城市中心夫子庙观测结果表明水泥地、水体、林地和草地四种下垫面气温日变化差异明显,白昼期间(6:
00~18:
00),气温呈林地<草地<水体<裸地的变化趋势,各下垫面与裸地比较(图2a),温差林地为0.2~2.9℃,草地为0.4~1.7℃,水体为0.2~1.0℃,温差普遍中午时最大,日出前日落后较小。
夜晚至次日凌晨期间(18:
00~次日6:
00),草地和裸地的温度下降较大,四种下垫面温度是林地>水体>裸地>草地;与裸地比较,林地与水体温度高0.2~0.8℃,而草地则低0.2~0.8℃,最低为1.0℃,尤其是深夜期间。
2.1.2城市湖泊
玄武湖公园白昼期间,四种下垫面的气温变化趋势如夫子庙,但与裸地比较(见图2b),其他三种下垫面的降温幅度(0.4~1.9℃)较夫子庙小,如林地最大降温幅度为1.9℃,而草地最大降温也为1.9℃,但时间段上有些不同,林地多为正午前后(10:
00~14:
00),而草地则多是日落期间(18:
00
左右)。
水体的降温要小,仅为0.5℃左右。
这可能是大面积的玄武湖水面在太阳高度角小时对光反射强,而太阳高度角大时对短波光吸收强所致,白昼间有时还观测到湖泊较裸地温度高0.8℃。
夜晚至次日凌晨期间,四种下垫面的温度变化呈现出水体处的温度较其他生境高0.2~0.6℃,其次是林地,尔后是裸地,草地仍是温度最低的下垫面。
2.1.3城市森林
a:
夫子庙
b:
玄武湖
图2观测期间南京市不同生境与水泥地温差日变化特征(a:
夫子庙;b:
玄武湖;c:
紫金山;d:
浦口)
Fig.2ThediurnalchangesofairtemperaturerangesatthefourobservationsitesduringobservationperiodfromJuly-September,2005
(aFuziTemplesite,bXuanwuLakesite,cPurpleMountainsite,dPukoururalsite)
紫金山白昼期间,温度总体变化也是呈现出林地<水体<草地<裸地的趋势,与裸地比较(见图2c),林地的降温幅度较大,中午前后,均降温达到2.5℃,最大达到2.9℃,而水体降温幅度在0.8~1.8℃,也是多出现在正午前后;草地降温幅度较小,并且常出现较裸地温度高的情况,因为在紫金山,裸地只是选择十字公路口,或小型的临时泊车场地,宽阔度较小,公路两旁是山林,泊车处旁也是林地,而草地面积较大,近旁是水体湖泊,因此天空开穹度较大,这样白天观测到的温度往往出现较裸地温度还高的情况。
夜晚期间,四种下垫面温度呈现出水体>林地>裸地>草地的情况,其中水体较其他三种下垫面有时温度高0.9℃。
2.1.4城市郊区
城市郊区浦口白昼期间,林地温度仍是最小的,其次是草地,裸地仍是温度最高的下垫面。
林地与裸地的温差在1.2~2.5℃,草地与裸地的温差在0.8~1.5℃,但由于裸地有时为教学楼和林地所遮挡,温度会较草地低。
夜晚期间,林地会较裸地、草地温度高0.5~1.0℃,草地仍是温度最低的下垫面(见图2d)。
2.2南京市热岛效应变化规律
c紫金山
d浦口
续图2观测期间南京市不同生境与水泥地温差日变化特征(a:
夫子庙;b:
玄武湖;c:
紫金山;d:
浦口)
Fig.2ThediurnalchangesofairtemperaturerangesatthefourobservationsitesduringobservationperiodfromJuly-September,2005
(aFuziTemplesite,bXuanwuLakesite,cPurpleMountainsite,dPukoururalsite)
据Oke及有关学者等[3,4,6,12]把城市中心与近郊同时相及同高度(距地面1.5m)的气温差定义为城市热岛强度,该差值越大表示热岛效应越强的原理出发,我们以南京市市区的夫子庙与郊区浦口、城市森林紫金山和城市水体玄武湖的平均气温日变化进行比较,分析了南京市热岛效应的日变化规律(图3)。
2.2.1南京市城市中心与郊区气温日变化比较
南京市区夫子庙、郊区浦口的平均气温对比表明,热岛强度从12:
00至18:
00有明显的增大,之后的热岛强度变化有所起伏,在20:
00左右出现热岛强度的较大值;从次日凌晨0:
00到5:
00,热岛强度稳定且较强,在次日凌晨2:
00左右也有较大值;从次日5:
00起到12:
00,热岛强度呈减小趋势,但有起伏。
如7:
00左右热岛强度呈现负值,这有可能是因为郊区总体地势开阔,观测时因太阳照射逐渐增强,升温较快,而城市内观测地高楼林立,在一定程度上因遮荫导致升温慢。
总体上夜间热岛强度的变化趋势较白天平缓,但强度较大,如从6:
00到18:
00期间平均热岛强度为0.8℃,而18:
00到次日5:
00,平均热岛强度为1.2℃,总体日平均热岛强度为1.0℃,观测期间最大的热岛强度个例为8月26日20:
00的5.3℃。
2.2.2南京市城市中心与城市森林日温变化比较
城市森林紫金山气温与城市中心夫子庙气温比较明显低,二者形成的热岛强度随时间上的变化亦如上例之郊区比较,但有一个明显的双峰变化,即18:
00~20:
00有个较大的热岛强度,次日凌晨2:
00左右又有个较大的热岛强度。
热岛强度全日平均为2.1℃,而白昼期间(6:
00至18:
00)为1.7℃,夜间为2.7℃,观测期间最大的热岛强度个例为8月
26日20:
00时的5.3℃。
显然,城市森林较郊区浦口与城市中心形成的热岛强度大。
图3观测期间南京市各观测点的温度日变化特征
Fig.3ThediurnalchangesoftheairtemperatureindifferentobservationsitesinNanjingduringobservationperiodfromJuly-September,2005
2.2.3南京市城市中心与城市湖泊气温日变化比较
图4南京市不同观测点四种生境气温的时间、空间及时空标准差
Fig.4ThethreetypesofstandarddeviationofairtemperatureinthefourtypesoflandcoverinNanjingduringobservationperiodfromJuly-September,2005
城市湖泊玄武湖与城市中心夫子庙的气温比较,有一定的降温,特别是在上下斑高峰期间,热岛强度有较明显的体现,其后热岛强度变小,甚至于出现城市湖泊较市中心温度高0.5~1.3℃的情况,尤其是早晨6:
00和中午13:
00,这可能是观测期间玄武湖地势宽阔平坦,没出现如市中心因高楼遮挡温度上升较慢的情况,加上中午时水体对阳光短波的强烈吸收,玄武湖较各观测点温度上升而言是最快的。
玄武湖与夫子庙形成的日均热岛强度为0.8℃,白昼为0.7℃,夜间为0.9℃,观测期间最大的热岛强度个例为8月26日16:
00时的3.5℃。
玄武湖夜晚热岛强度较郊区浦口、城市森林紫金山形成的热岛强度小,这是因为玄武湖本身就是在城市的主城区内,靠火车站及北面的工业区及新的城市中心湖南路段。
因此,受城市内部气候影响较明显,即与城市中心气候环境有趋同性。
2.3南京市热岛效应的生境影响
表2南京市不同观测点两种舒适度指数的日变化特征
Table2Thediurnalchangesoftwotypesofcomfortableindicesatthefourobservationsites
时间
舒适度指数1
舒适度指数2
夫子庙
浦口
玄武湖
紫金山
夫子庙
浦口
玄武湖
紫金山
08:
00
0.72
0.68
0.70
0.78
76.8
77.0
77.0
74.6
09:
00
0.66
0.66
0.67
0.75
78.8
77.8
77.6
76.2
10:
00
0.60
0.60
0.62
0.68
80.4
79.4
78.5
78.1
12:
00
0.44
0.52
0.49
0.56
85.3
84.0
84.2
81.5
13:
00
0.42
0.48
0.50
0.51
85.7
85.1
83.9
83.2
14:
00
0.40
0.45
0.46
0.51
86.3
85.8
84.9
83.0
15:
00
0.42
0.49
0.49
0.53
85.8
84.2
83.9
82.5
16:
00
0.43
0.50
0.54
0.54
85.2
84.0
82.6
82.2
18:
00
0.53
0.59
0.62
0.69
82.4
80.8
79.9
78.1
19:
00
0.57
0.64
0.65
0.75
81.4
79.1
78.7
76.8
20:
00
0.61
0.66
0.68
0.78
80.3
78.0
78.2
75.5
21:
00
0.64
0.65
0.69
0.81
79.6
77.9
77.8
74.9
22:
00
0.71
0.73
0.74
0.82
77.9
76.2
76.0
74.3
00:
00
0.73
0.76
0.76
0.79
76.8
75.1
75.2
73.1
02:
00
0.74
0.80
0.76
0.76
76.2
73.0
74.5
72.1
04:
00
0.75
0.80
0.75
0.75
75.3
71.9
74.1
71.6
06:
00
0.75
0.79
0.75
0.78
75.3
73.5
74.5
72.9
07:
00
0.70
0.76
0.72
0.74
77.0
74.4
75.4
75.2
各观测点不同下垫面气温的时间标准差总体上是水体<林荫<草地<裸地;而空间标准差是林地>裸地>草地>水体(图4)。
时间序列上标准差小表明该下垫面稳定,全天温度变化较小,如林地由于树冠遮荫,温度受天气不稳定变化影响较小,而裸地、草地下垫面受天气人为影响因素较多,一天温度变化较大。
空间序列上标准差小表明该下垫面与总体景观环境温度接近,由于温度变化受光照强度影响较大,林地与裸地作为光照强度变化的两个极端,一个是受光照最小,另一个则最大,因此二者的标准差较大,也即偏离出总体景观温度较大[13-15]。
对温度时空数据正规化后,最小标准差下垫面在城市中心夫子庙是裸地,城市森林紫金山是水体,城市湖泊则是草地,郊区则是水泥地,因此,在统计意义上,水泥地是城市中心热环境的代表下垫面,即最代表该地气温的时空日变化特征,同理,水体是城市森林热环境的代表下垫面,草地是城市湖泊热环境的代表下垫面,水泥地是郊区热环境的代表下垫面。
2.4南京市不同观测点生物舒适度指数
表2是实验采用的两种舒适度指数计算结果,陆鼎煌的舒适度指数表明,在一日之内,从8:
00~10:
00期间,夫子庙、玄武湖、浦口和紫金山都为较舒适,从12:
00~16:
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