北京夏季高温变化特征及对城市热岛强度的影响_黄群芳.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，北京夏季高温变化特征及对城市热岛强度的影响黄群芳（江苏第二师范学院城市与资源环境学院，南京 ）摘要随着全球气候变暖和快速城市化，城市夏季高温及热浪出现频次和强度明显增加，但人口高度集聚的特大城市中夏季高温长期变化特征对城市热岛的影响程度和作用机制仍不甚明了。本文选择京津冀特大型城市群的核心城市北京为研究对象，基于长期气象观测数据计算夏季高温和城市热岛强度，阐明月夏季高温长期变化特征及对城市热岛强度的影响。研究发现，年北京城区夏季高温日数、强度和极端高温均呈现显著增加趋势，相伴随的是高温起始时间明显提前，结束时间显著推迟；高温天最高气温热岛强度呈显著降低趋势，而平均气温和最低气温热岛强度则呈轻微下降趋势；月高温天最高、平均和最低气温多年平均热岛强度分别为 、和 ，明显高于非高温天的 、和 ，高温和非高温天热岛强度差值均在 以上，表明夏季高温放大城市热岛强度。预估未来全球变暖和快速城市化背景下北京城市热岛效应将进一步加剧，会形成更频繁和持续更长的夏季高温，给城市居民带来严重的健康风险。关键词夏季高温；气候变暖；城市化；城市热岛；北京中图分类号：文献标识码：气象科技国家自然科学基金项目（、）、江苏省高等学校自然科学研究项目（）和江苏第二师范学院引进人才科研启动项目（）联合资助作者简介：黄群芳，女，年生，博士，副教授，主要从事城市热岛、高温热浪及其生态环境效应方面研究，：收稿日期：年 月日；定稿日期：年月 日引言当前，全球城市化正在加速推进。根据联合国人口报告，年全球 的人口生活在城市，到 年则有 的人口生活在城市，到 年预计有 的人口生活在城市。因此未来 年生活在城市的人口数量和比例，特别是生活在超大和大型都市圈的人口数量和密度还将持续增加。随着越来越多的人在城市定居，城市在各个层面将面临世界上最大的挑战。其中城市热岛的影响、减缓及人类社会的适应和应对是城市化过程中需要面临的主要挑战之一。伴随城市人口集聚和经济社会快速发展，城市热岛的影响范围和程度也就增加，极端条件下造成城市短时增温可高达 。过去研究表明城市化进程中人口数量、密度和城市建筑面积等增加是解释城市热岛强度的关键因素 。第次报告显示气候危机正在进一步恶化，全球气候变化引发高温热浪、极端降水和台风气旋等许多极端气候气象事件频发 ，正在深刻影响经济社会可持续发展和人类福祉。特别是 年发生在美国和加拿大的高温热浪、德国和中国河南的洪水等，给当地造成重大的人员伤亡和财产损失。许多研究发现，随着全球气候变暖，夏季高温出现频次和强度明显增加，首次发生时间明显提前，而结束时间则明显推迟 ，。由于全球快速城市化和城市热岛的放大效应，大量研究表明高温热浪将造成城市与热有关的疾病和死亡人数的增加以及林火频发，直接对人类健康产生诸多不利影响。如 年高温热浪袭击了欧洲许多国家，据不完全统计直接致死人数 。深入分析表明，城市热岛贡献了 年高温热浪期间英国西米德兰兹 热相关死亡。与此同时，年亚洲许多地区也经历异常的高温热浪，上海记录到过去 年最炎热的夏季，高温热浪造成上海总死亡率增加 。鉴于当前全球城市化和气候变暖正在加速进行，因此未来夏季高温与城市热岛的交互作用将更频繁，会协同放大各自的不利影响。尽管城市热岛研究由来已久，但研究主要集中在城市热岛效应变化特征及其影响因素方面，重点关注气象条件、城市空间形态、下垫面特征和人为热排放等对城市热岛强度与时空变化特征的影响。零星的已有研究表明夏季高温将增加城市热岛强度和影响范围 ，但对于人口高度集聚的特大城市中夏季高温长期变化特征及对城市热岛的影响机制仍不甚明了，缺乏量化表征，因此有待深入解析。北京是京津冀特大型城市群的核心，地处温带季风气候，过去的许多研究已显示北京城区是典型的“热岛”，其热岛强度比中国沿海城市明显，造成北京冬季寒冷期缩短和夏季炎热期增强，加剧城区夏季高温及其影响 。因此，本文选择特大城市北京为研究对象，试图阐明夏季高温和城市热岛强度长期变化特征，比较高温天与非高温天城市热岛强度及影响因素，量化夏季高温对城市热岛的影响程度，以便更好服务于城市局地气候变化的适应和应对研究，为城市夏季高温的应对管理提供科学依据。数据与方法 研究区域本文基于城区的北京观象台（简称北京站）以及郊区的密云观象台和延庆观象台（分别简称为密云站和延庆站）开展研究，其中北京站（位于 ，海拔 ）位于北京市东南部高度城市化区域，周边高楼大厦环绕，土地利用以城市建设用地为主，是典型的城市站（图、）。密云站（位于 ，海拔 ）和延庆站（位于 ，海拔 ）分别位于北京市东北部和西北部临近森林和水库的远郊区，周围建筑多为低矮平房，土地利用以农业用地和森林用地为主，属于典型乡村站（图、）。根据北京市人口分布也可以发现北京站人口密度显著高于密云站和延庆站（图、），其分别能作为城市站和乡村站代表。北京站和密云站海拔高度非常接近，无需进行海拔校正，但延庆站海拔显著高于北京站和密云站，因此按海拔每升高 气温下降 将延庆站气温校正到海拔 以下高度。数据与方法 年个站点长期日观测数据均下载于中国气象局下属的中国气象数据网（：），采用的逐日气象资料属于“中国地面气候资料日值数据集（）。考虑到 年改革开放后经济社会发展、城市规模扩增和热岛强度增加迅速，本文目的主要探讨快速城市化过程中夏季高温对城市热岛的影响，因此选取 年数据进行研究。此外，中国气象局对中国气象数据网公布的数据进行严格质量控制，校正和调整了数据由于观测缺失和迁站引起的不连续性和不一致性，以确保资料的代表性、准确性和比较性 ，其已被广泛应用于各类研究和气候变化评价 。城市热岛效应一般指城乡平均气温的差值，但实际上城乡最高和最低气温也存在差异，因此可以计算不同参数的城市热岛强度。文中城市热岛强度通过城区的北京站气温减去郊区的密云站和延庆站气温平均得到，计算获得日最高气温、日平均气温和日最低气温对应的城市热岛强度，分别代表白天、全天平均和夜间城市热岛强度。在探讨高温长期变化特征及影响时，仅考虑利用城区北京站各气象要素与城市热岛强度进行趋势和统计相关分析。世界各国和地区研究高温所采取的方法不同，其判别标准也有很大差异。目前国际上还没有一个统一而明确的高温标准和判别阈值，大多通过固定最高气温或者百分比阈值来判别和计算高温热浪天数和事件。世界气象组织建议日最高气温大于 为高温天气，持续天以上的天气过程为一次高温热浪，。中国气象局制定了全国统一的高温标准，规定日最高气温 大于 等 于 为高温日，因此本文以全国统一的“日最高气温大于等于”作为高温天的判别标准。依此标准可以计算城区北京站 年以来逐年的高温日数、高温天起始时间、结束时间、跨越时间（起始结束时间跨度）、高温强度，用以全面表征高温长期变化特征，其中高温强度定义为日最高气温与 的差值。基于逐日气象观测数据，日最高气温大于等于 基本上出现在月，因此本研究定义的夏季高温季节为每年的月。用高温天与非高温天热岛强度差值量化表征由高温引起的热岛强度的放大程度。统计分析和图表制作采用 软件对数据结果进行统计分析，包括均值统计、方差分析、线性趋势拟合和要素相关分析。单要素线性相关分析用于阐明城市热岛强度与气象要素间是否存在显著相关。当显著性水平 时为显著，时为极显著。第期黄群芳：北京夏季高温变化特征及对城市热岛强度的影响图研究区范围、气象站点位置以及 世纪 年代和 世纪 年代两个典型时段土地利用类型与人口密度空间分布采用 绘制北京地区土地利用和人口空间分布图，利用 软件绘制其他数据图。结果分析与讨论 北京夏季高温长期变化特征表、图和图给出北京站 年改革开放以来至 年夏季高温主要参数线性拟合长期变化趋势。由表和图可知，北京站过去 多年大于等于 高温日数呈现极显著增加（），变化范围为，多年平均，线性增加速率为 。从起始和结束时间来看，每年高温天起始时间明显提前，但统计上不显著，相反结束时间显著推迟、跨越时间显著延长（表），过去 多年高温结束时间整体延迟了。过去 年高温天起始时间最早出现在 年月日（），最迟出现 年月 日（），而高温天结束时间最早出现在 年月日（），最迟出现在 年月日（），但 年内月份只有天出现 的高温，起始和结束时间最早和最迟均相差个月以上，反映了高温日数、起始和结束时间等存在较大年际变化。与此同时，夏季极端最高气温和高温累计强度也呈现极显著增加趋势（表、图），年极端最高气温最大值为 ，出现在 年，最小值为 ，出现在 年，线性增温速率为 ，整体反映北京城区遭受夏季高温日数、极端高温和高温强度都在持续增加。北京站长期气象观测 结果 与 国 内 其 他 地 区 的 研 究 结 果 比 较 类似 ，也进一步证实了全球许多地方观测或者模拟发现夏季高温及其高温热浪的出现天数、跨越时间和强度等都在显著增加，。气象科技第 卷表北京站 年月夏季高温长期变化趋势（）参数线性拟合决定系数（）显著性水平（）高温日数.高温天起始时间.高温天结束时间.高温天跨越时间.极端最高气温.高温累计强度.夏季高温热岛强度变化特征城区北京站和郊区密云站、延庆站长期气温观测数据显示，夏季高温期间北京地区存在明显的城市热岛效应，其中高温天最高、平均和最低气温日均热岛强度分别为 、和 （表），夜间最低气温热岛强度显著大于最高气温和平均气温热岛强度（）。高温期间晴朗少云，白天城市冠层吸收大量的短波图 年北京夏季最高气温 日数（）、跨越时间（）、起始时间（）和结束时间（）长期变化趋势（阴影代表线性拟合的置信带，下同）图 年北京夏季极端高温（）和高温累积强度（）长期变化趋势第期黄群芳：北京夏季高温变化特征及对城市热岛强度的影响太阳辐射，夜间则释放存储在城市的长波辐射，使得城市夜间仍维持较高气温，而乡村不透水地面和高楼大厦城市冠层等占比减少，而绿地等占比增加，白天吸收的热量在夜间能快速消散掉，使得夜间城市和乡村气温差增加，造成更为明显的城市热岛效应。从长期变化趋势来看，最高气温逐年日均热岛强度呈现显著性下降，下降速率是 （图），而平均气温和最低气温热岛强度则表现为轻微下降趋势，但统计上不显著（）。进一步分析发现，月平均最高气温和极端最高气温均与最高气温热岛强度存在显著负相关（.，；.，），说明随着夏季气温和极端最高气温上升，白天最高气温热岛强度呈现下降趋势，白天城市和乡村最高气温差异变小。表年平均、月非高温天和高温天最高气温、平均气温和最低气温热岛强度对比最高气温热岛强度平均气温热岛强度最低气温热岛强度年平均月非高温天高温天年平均月非高温天高温天年平均月非高温天高温天最小值 最大值 平均值 标准差 图 年北京夏季高温天最高气温热岛强度长期变化趋势 夏季高温对热岛强度影响为探讨夏季高温对城市热岛强度影响方式和程度，对比分析了 年月夏季高温天和非高温天最高气温、平均气温和最低气温城市热岛强度（图、表）。从图和表可知，绝大部分情况下夏季高温条件下城市热岛强度均为正值，只有极少数年份（、和 年）的最高气温热岛强度会出现负值，而平均气温和夜间最低气温热岛强度则均为正值，反映除极少数年份白天存在微弱的城市冷岛现象外其他环境均为明显的城市热岛。统计分析显示，无论是最高气温还是平均气温和最低气温，高温天热岛强度均要显著大于非高温天热岛强度（），高温和非高温天热岛强度差值多年平均都在 以上，其中最低气温热岛强度差值可以达 。但从图也可知，年并不是所有年份高温天热岛强度一定都大于非高温天，实际上少数年份高温天热岛强度甚至明显低于非高温天，如夜间最低气温热岛强度高温和非高温天的差值在 年达到 。与全年平均热岛强度相比，高温天最高气温、平均气温和最低气温热岛强度均要高于全年平均，其中又以最高气温表现最为明显。为了在日尺度上对比高温和非高温天城市热岛强度变化，选择典型高温过程对比分析高温天与临近的非高温天热岛强度的差异。具体来说，我们选择 年月 日至月日开展高温日与非高温日热岛强度对比，期间经历了次明显的高温热浪过程，天最高气温超过，天最高气温低于。从表数据对比来看，高温天最高气温、平均气温和最低气温热岛强度均要高于非高温天，但