1 引言

随着我国城市化的不断推进, 城市的面积、人口、经济、交通和信息化等各方面都高速发展。城市不同于郊区的自然、人为特性, 如：城市下垫面的性质特殊、人类活动释放的二氧化碳等温室气体、人为热源等因素, 导致城市气温明显高于郊区^[1], 出现了城市热岛效应(Urban heat island effect)。城市热岛效应易加剧城市大气污染, 造成如雾霾、强降水等气象灾害, 不利于人体健康甚至影响人类生产生活。因此, 对于城市热岛效应的研究和治理, 在人类生产生活以及城市化推进和经济发展等各个方面都有着深远意义。

城市热岛的主要研究方法包括气象站法、遥感测定法和数值模拟法等^[2]。国内外不少专家学者使用过一种或者几种方法来进行城市热岛的研究, Szymanowski^[3]、谢庄等^[4]、孙绩华等^[5]利用传统的地面自动气象站多年观测资料, 采用线性回归、神经网络等统计方法对大量观测数据加以处理计算, 从而分析城市热岛强度的时空分布状况。Dihkan等^[6]、Peres等^[7]、曹畅等^[8]利用遥感法反演地表温度, 同时叠加上土地利用类型进行分析, 进而反演出城市热岛强度时空分布状况以及分析其变化原因。Giannaros等^[9]、苗世光等^[10]、Lidia等^[11]利用数值模拟方法, 基于云物理和边界层物理的相关理论知识, 模拟城市热岛大气边界层的效应, 加以分析城市热岛的分布状况及其与气象因子的相互关系。三种方法都极大推动了城市热岛效应的研究, 但由于遥感测定法和数值模拟法都存在着较大的不确定性^[12-13], 传统的气象站法依然是城市热岛效应研究的首选方法。传统的气象站法由于台站布点等原因, 空间连续性和分辨率较差, 故本研究在对数据做时间变化分析的基础上使用基于ArcGIS的空间插值法将站点数据作栅格化处理, 以便于更直观地研究城市热岛的空间变化状况。

在城市化进程中, 同一种土地利用方式具有相同的用地空间和位置需求, 由此导致同一类活动在城市空间上聚集, 从而形成不同的城市功能分区^[14]。现代城市的大发展使得城市功能区的分类越来越多, 但是不同功能区的自然地理人为因素各不相同, 如商业区建筑物高大密集, 人口数量昼夜差异大；工业区建筑物密集, 植被覆盖率较低, 污染物排放严重；旅游区植被覆盖率高, 人口数量季节性差异大等^[15]。许多学者在利用气象站方法研究城市热岛效应时, 只将研究区分为城区和郊区两个部分, 忽略了其它城市功能分区对城市热岛的影响。

国内许多学者对位于不同气候区的巨型、大型、中型城市如北京^[4]、上海^[16]、包头^[17]、重庆^[18]、福州^[19]、武汉^[20]等, 都做过较为详尽的关于城市热岛效应时空变化的研究, 但是对于区县热岛效应的研究较少。本研究运用气象站法对福建省晋江市2010—2014年40个自动气象站逐小时温度资料加以处理分析, 求算出每个测试站对应基准站的热岛强度值, 再结合空间统计学方法, 使用普通克里金插值法(Ordinary Kriging, OK)实现分散、独立的站点数据在空间上的连续化, 并依据晋江市城市功能区划现状, 将晋江市分为中心城区、产业经济区和旅游区三个部分, 分析不同功能区划下城市热岛强度变化特征, 比较其异同点, 以期为晋江市减缓城市热岛效应提供科学依据, 同时也为以后用气象站法研究城市热岛效应提供参考。

2 材料与方法 2.1 研究区概况

福建省晋江市位于我国东南沿海地区, 其地理位置介于118 °24′~118 °43′E, 24 °30′~24 °54′ N之间, 属于亚热带季风气候区, 年主导风向为东北风(NE)和东北偏北风(NNE), 夏季盛行西南风(SW), 风速较大, 但海陆风日数少, 季节变化明显, 夏季最多, 春季次之, 冬季偏少, 秋季最少^[21]。年平均气温为20~21 ℃, 1月为最冷月, 月平均温度为11.9 ℃, 7月为最热月, 月平均温度为28.2 ℃。年均日照达, 年均降雨量为911~1 231 mm, 7—9月易受台风影响。东邻石狮市, 西与南安市毗邻, 北与泉州市鲤城区相连, 三面临海, 是闽南金三角的核心地带。总土地面积721.64 km², 地势呈西南-东北走向, 地形以丘陵为主, 总体上较为平缓^[22]。

全市主要分成三部分, 一是以清濛开发区、池店镇、陈埭镇以及梅岭、青阳、罗山、灵源和新塘五个街道组成的中心城区, 位于整个晋江市的东北部, 该区地形以丘陵为主, 北部有晋江, 东北部临海, 机场在这一区域；二是包括磁灶镇、内坑镇、安海镇、东石镇和永和镇在内的产业经济区, 整个区基本位于晋江中部内陆区, 地形以丘陵为主, 火车站在这一区域, 该区主要发展工业、制造业以及新兴产业；三是由金井镇、深沪镇、英林镇、龙湖镇组成的旅游区, 该区位于晋江市南部, 地形以平原为主, 东、西、南三面环海, 绿化覆盖面较广, 主要发展旅游业和物流运输等临港产业。按以上三个功能分区将晋江市内所有气象站点做了分区(表 1)。整体上看, 平原多位于晋江市东南部泉州湾和西南部围头湾一带, 而丘陵位于全市各个地方, 海拔均较低。晋江市最高点在紫帽山, 海拔为517.8 m。

2.2 数据资料来源及概况

本研究的气象资料和地理信息资料均来自晋江市气象局。气象资料包括了晋江市40个自动气象站(图 1)2010—2014年逐小时温度资料, 为了保证数据的准确性, 本研究依据“3δ原则”对其做了数据质量控制。地理信息资料包括了晋江市乡镇区域和站点分布情况。

2.3 研究方法 2.3.1 热岛强度计算方法

热岛强度(UHI)是表征热岛效应强弱程度的重要指标。关于热岛强度的定义和计算方法尚无统一标准, 目前使用传统方法计算热岛强度多依据Oke^[23]提出的定义, 即将同时刻同高度的城郊气温差定义为城市热岛强度。考虑到插值精度, 本文在其基础上对此方法做了改进, 具体方法如下。

首先通过比较40个站点的地理空间位置, 本研究选择站点号为F5520的东田气象站作为基准站。该气象站位于郊区林场, 周围没有高大建筑遮挡影响, 受人为影响较小, 能较好地反映其自然下垫面特性^[24]。此外, 该站点通过数据质量控制, 时间序列相对完整, 数据可靠性较高。然后依据温度垂直递减规律^[25], 使用气象学方法(图 2)将不同站点气温拉平至同一高度：

(1)

其中, H_a为基准站的海拔高度, H_b为测试站的海拔高度, T_b0为测试站在原始海拔高度上的温度, T_b为拉平以后测试站在基准站海拔高度上的温度。

最后, 采用同时刻同高度测试站与基准站的气温差对应测试站的热岛强度的值, 其公式为：

(2)

其中, UHI_b为测试站热岛强度值, T_a为基准站某时刻平均气温, T_b为测试站与基准站同高度同时刻的平均气温。

2.3.2 插值方法

基于ArcGIS的空间插值方法是用已知数值的控制点来估算未知点的过程。它包括了许多插值种类。本研究基于2010—2014年冬夏两季的温度数据, 比较分析了距离倒数权重插值法(Inverse distance weighted, IDW)、薄板样条函数插值法(Thin-plate Spline)、普通克里金插值法(Ordinary Kriging, OK)和泛克里金插值法(University Kriging, UK)的交叉验证结果(表 2)。由此决定采用普通克里金法(OK)进行插值来研究晋江市城市热岛的时空分布规律。

克里金插值法是以空间自相关为基础, 利用原始数据和变异函数的结构性, 对区域化变量的未知样本点进行无偏估值^[26]的一种具有随机性的统计学插值方法。它以区域化变量和变异函数为基础, 对满足二阶平稳或固有假设的变量具有很好的估计精度, 是一种最优线性无偏的估计方法(Best Linear Unbased Estimator, BLUE)^[27]。普通克里金插值法(OK)是在不存在漂移即数据变化呈正态分布的假设条件下, 着重考虑空间相关的因素, 直接用拟合过的半变异进行插值的方法, 它的“普通克里金方程组”^[28]为：

(3)

(4)

(5)

其中, C(h_ij)为样点之间的协方差, C(h_i0)为样点与插值点间的协方差, μ为极小化处理中的拉格朗日乘子, σ²为实验方差。本研究将用克里金插值法得到的空间插值结果分成五类, 按红色到蓝色, 依次是高热岛强度区、次高热岛强度区、中热岛强度区、次低热岛强度区和低热岛强度区。

3 结果与讨论 3.1 年变化特征

本研究对晋江市39个站点的热岛强度求算年平均值, 以此对晋江城市整体热岛状况进行评估。从年时间变化尺度(图 3)来看, 晋江市五年间热岛强度持续增加, 由最初的2.04 ℃增至2.35 ℃, 总增幅为0.31 ℃, 其中以2011—2013年两年间的增幅最大, 约达0.26 ℃, 增速为0.13 ℃/年, 占总增幅的87%。2013—2014年期间, 热岛强度仅增加了0.01 ℃, 增速也显著放缓。可见在2010—2014年五年间, 晋江市热岛强度增速经历了迅猛增加而后又显著减缓的过程。

从年空间变化尺度来看(图 4), 晋江市热岛强度呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向, 与晋江市地势地形分布规律基本一致。2010年仅在中心城区和产业经济区交界处有一个高热岛强度区, 旅游区最南端一小块区域为低热岛强度区, 全市热岛强度较温和。2011年高热岛强度区分裂成两个部分, 分别位于晋江市中心城区东北角和产业经济区西部一带, 低热岛强度区零星分布于旅游区东南部和晋江市最北部区域, 热岛强度高值与2010年基本一致, 但是低值较2010年略有增加, 但全市热岛强度依然较温和。但自2012年开始, 原先位于晋江市中心城区东北角的高热岛强度区不断向西南部扩大, 产业经济区西部的高热岛强度区也不断向东北部延伸, 至2013年两个高热岛强度区已连成一片, 占据了晋江市西北部大片区域, 热岛强度值也有明显的增加。可见自2012年开始, 晋江市产业经济区和中心城区城市化水平有显著提高。2010—2014年, 旅游区南部的低热岛强度区也在向北延伸扩大, 其热岛强度数值也在波动增加。可见在2010—2014年五年间, 晋江市“热岛”现象和“冷岛”现象愈加明显, 热岛强度两极分化程度有所增加。

3.2 季节变化特征

图 5~图 7是晋江市三个功能区的热岛强度月变化曲线图。本研究对2012—2014年的热岛强度季节变化趋势作分析。

同一功能区的不同站点热岛强度季节变化的总体趋势基本一致, 三个功能区热岛强度月变化均十分显著。从均值线来看, 中心城区(图 5)的热岛强度高值出现在夏季, 以7月和8月居多, 2012年均值线存在双峰现象, 当年7月和9月有高值出现。该区低值均出现在冬末春初, 以2月和3月居多。历年热岛强度极值差稳定大于1.5 ℃, 三年间热岛强度略有增强。产业经济区(图 6)的热岛强度高值出现在初秋, 以9月和10月居多, 2014年均值线存在双峰现象, 当年7月和9月均出现高值, 高热岛强度区数值基本稳定在2.8 ℃左右。该区低值出现月份与中心城区一致, 低热岛强度区数值以0.2 ℃/年呈线性增加, 增幅不大, 增速较缓。三年间热岛强度极值差持续减小。旅游区(图 7)热岛强度高值出现在秋冬季, 以10月和12月居多, 三年间高热岛强度区强度持续减弱。该区低值出现在冬末春初, 以2月和3月居多, 三年间低热岛强度区强度持续增加。热岛强度数值由极值向中间值靠拢, 极值差持续减小。高值和低值出现月份有延后趋势。

统观三个功能区热岛强度变化趋势可以发现, 旅游区秋冬季热岛强度高于春夏季, 这与大多数学者^{[3-5, 16-20]}的研究结果一致。而中心城区和产业经济区夏秋季热岛强度高于冬春季, 极值出现时间较旅游区略有提前, 这两个功能区的季节变化规律与一些学者的结论略有不同。

经文献调研发现, 关于城市热岛效应时空变化的研究多集中在国内巨型、大型或者中型城市^{[4, 16-20]}, 这些城市的城市化水平都较高, 而学者们在采用气象站法研究热岛效应的时候, 定义的城郊站点仅是就当前城市化水平下的一个相对概念, 即其选择的郊区站点就其他更偏远的地方而言也可看作城市站点。与之不同, 本研究的研究区晋江市是一个城市化水平较低的县级市, 且定义的郊区站点是一个几乎没有人为影响的林场站点, 该点城市化水平极低。由此计算得到的热岛强度值可以看成是结合了自然和人为影响因素的城市热岛效应指标。从三个功能区的季节性变化差异可以发现, 若城区和郊区城市化水平较为接近(都较低或者都较高), 如晋江市旅游区植被覆盖率较高, 为保持自然风光导致城市化水平偏低, 使其与基准站城市化水平接近, 则城市热岛的季节性变化符合秋冬季高于春夏季的规律, 若城区和郊区城市化水平差异较大, 如晋江市中心城区和产业经济区由于商业和工业的发展, 城市化水平迅猛上升, 使其与基准站城市化水平差异加大, 则城市热岛效应极值出现时间会提前。徐伟等^[29]、沈钟平等^[30]通过对上海市城市热岛的研究已发现城市化进程越快, 越有利于热岛强度数值的增加, 而关于城市化水平与城市热岛效应极值出现时间的具体关系, 还有待进一步研究。

本研究将2014年分为冬季(2013年12—2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)四个季节, 使用普通克里金插值法(OK)对热岛强度季节平均值进行插值(图 8), 以此来分析晋江城市热岛的季节空间变化情况。

冬、春、夏、秋四季热岛强度呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向, 晋江市北部地区热岛强度明显高于南部地区。从插值结果来看, 冬季高热岛强度区集中在产业经济区中北部和整个中心城区, 而产业经济区的南部和旅游区热岛效应较为温和。春季高热岛强度区北退, 产业经济区和中心城区西北一带有明显的“热岛”现象, 低热岛强度区南进, 旅游区南部出现“冷岛”区。夏季高热岛强度区与春季一致, 次高热岛强度区向南延伸扩大, 旅游区的“冷岛”消失, 被次高热岛强度区和中热岛强度区替代。秋季高热岛强度区大面积向南延伸, 全市均表现出强热岛效应, 仅旅游区有零星的“牛眼”现象。随着四季的推移, 高热岛强度区经历了一个北退缩小以后又南移扩大的过程, 而低热岛强度区和次低热岛强度区仅在春季出现。可见旅游区热岛强度季节变化较其余两个区域季节变化大。

晋江市城市热岛出现显著的季节性变化主要受季风的季节性转变和人为影响的季节性差异影响。晋江市位于福建省中部, 受台湾海峡“狭管效应”的影响, 风速较大^[22]。典型的亚热带季风气候使得晋江市在不同季节受不同季风的影响, 导致水汽和热量具有季节性差异。此外, 气候的季节性差异导致人为排放量也出现季节性差异, 最终导致晋江市城市热岛效应的季节变化。

春夏季以海风为主, 主导风向为东北偏东-西南偏南风^[21], 来自海面的冷平流^[16]削弱了近海沿岸地表的热量, 导致晋江市“热岛”北退, 高热岛强度区域缩小。海风从近海至内陆递减, 对城市热岛效应的削弱作用也在减小, 旅游区南部和城区西部受到的削弱作用最强, 城区中、西部和产业经济区中、西、北部受到的削弱作用极小。海风也带来了充沛的水汽, 故春夏降水居多, 但夏季受副热带高压的影响, 台风天气居多, 云量增加, 降水也较多, 故春夏季热岛效应偏弱, 但夏季略强于春季^[24]。

旅游区地形以平原为主, 绿色植被覆盖率较高, 春夏季正值植物体生长旺盛阶段, 对太阳辐射的吸收和蒸腾蒸发作用较强^[31], 减弱了该区的热岛效应, 甚至有“冷岛”出现。而中心城区和产业经济区地形以丘陵为主, 多为不透水下垫面, 等量的太阳辐射吸收的热量较旅游区多。两个区域城市化水平较高, 人口基数大, 建筑物密集, 下垫面粗糙度偏大, 导致热量不易散失, 故中心城区和产业经济区“热岛”出现频繁。晋江市夏季高温天气较多, 空调使用量偏大, 导致人为热排放量增加, 故夏季各功能区城市热岛效应都有明显的增强。

秋冬季以陆风为主, 主导风向为西南偏西风-北风^[21], 来自大陆的暖平流^[16]对城市热岛效应有加强作用, 进而导致晋江市“热岛”南移, 高热岛强度区域扩大。虽然晋江市秋冬季气候温和, 中心城区和产业经济区空调使用量大大降低, 人为热排放量减少, 但秋季晋江市受副热带高压的影响, 盛行下沉气流, 云量较少, 降水量减少, 风速偏小, 而冬季受北方冷空气影响, 风速较大, 云量较多, 故秋季热岛强度高于冬季, 达到一年中的最强^[24]。温和舒适的气候使旅游区迎来了旅游旺季, 在此期间旅游区人口数量增加, 人为排放增强, 导致热岛强度增强且高于春夏季。因此, 秋冬季晋江市全市热岛强度都属于高热岛强度区和次高热岛强度区。

综上, 晋江市春季由于降水充沛导致热岛效应最弱, 秋季受副热带高压的影响热岛效应最强。但是, 不同功能区人为排放的季节性差异导致中心城区和产业经济区夏季人为排放量更大, 旅游区冬季人为排放量更大。故中心城区和产业经济区夏季热岛效应更强, 冬季热岛效应偏低, 旅游区与其相反。

3.3 昼夜变化特征

图 9~图 11是晋江市三个功能区的热岛强度日变化曲线图, 图中显示的时间均为世界格林威治时间(T), 而晋江市当地的时间应为T+8时(下文将直接使用当地时间进行论述)。本研究对2012—2014年的热岛强度昼夜变化趋势作分析。

除三民中学站(F5621), 其余各站点热岛强度日变化趋势基本一致。08—20时热岛强度呈显著的“V”型变化规律, 最低值出现在14—16时之间(中心城区2012年陈埭站数据波动较大, 故将其视为异常值), 20时—次日08时热岛强度显著高于白天, 这与国内外大多数学者^[2-20]的研究结论一致。统观三个功能区, 旅游区(图 11)最低值出现在14时, 一天的热岛强度极值差约为2 ℃。产业经济区(图 10)和中心城区(图 9)最低值出现的时间较旅游区略有延迟, 一天的热岛强度极值差也低于旅游区。可见, 虽然大致日变化趋势一致, 但不同功能区极值出现的时间和热岛强度依然有微小的差异。

三民中学站(F5621)白天的热岛强度高于晚上, 与其余各站点变化趋势完全相反。通过调查发现, 三民中学站点设置于裸露的水泥地, 下垫面比热容小, 导热性好, 白天对太阳辐射的吸收力强^[17], 故热岛强度最高值出现在14时。夜间平坦开阔的地形条件加速了热量的散失, 加上学校附近植被覆盖量大, 人流量较少, 人为活动产生的热岛效应减弱, 因此夜间热岛强度较白天降低。

在晋江市热岛强度季节变化的基础上, 本研究对2014年晋江市当地各个季节02时(世界时间为前一天的18时)和14时(世界时间为06时)计算小时热岛强度的季节性平均值, 再利用普通克里金插值法(OK)对其进行插值(图 12), 以此研究晋江市热岛强度的日空间分布格局。

晋江市02时和14时的热岛强度均呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向, 同一季节两个时刻的热岛强度空间分布格局相反, 昼夜空间分布格局差异较大。02时四季全市热岛强度都在中热岛强度以上, 秋冬季除产业经济区西北一带以外, 其余均为高热岛强度区, 春夏季热岛区北移, 以产业经济区和中心城区为主要高热岛强度区, 但范围有所减小。南部旅游区的热岛强度在冬季和春季骤减, 但是在向夏季过渡时又有所增强。14时四季热岛强度带偏多且界限分明, 高热岛强度区主要分布在产业经济区西部内坑镇一带, 低热岛强度区主要分布在南部旅游区, 不同季节冷热岛分布区域略有差异。

晋江市城市热岛出现显著的日变化主要受辐射作用、海陆风环流、下垫面因素和人为因素的影响^[29]。晋江市位于晋江南岸, 三面环海, 受海陆风环流影响较大。由于海陆热力性质差异, 晋江市白天吹海风, 夜间吹陆风^[19], 海陆风的昼夜变化以及人为活动的昼夜差异使得晋江市热岛强度具有显著的日变化规律。

旅游区离海域最近, 东、南、西三面环海, 下垫面多为植被, 蒸腾蒸发作用较强, 加上白天海风带来充足的水汽, 对地面有冷却作用, 降低了该区的热岛强度^[25]。中心城区和产业经济区楼宇密集, 白天人口数量较大, 粗糙的下垫面能吸收大量的太阳短波辐射, 导致下垫面温度快速升高, 城市热岛效应显著强于旅游区。但中心城区东邻海域, 北面有晋江, 白天海(江)风对热岛有减弱作用, 而产业经济区白天工厂的各类活动增加了人为排放量, 对热岛有增强作用。故白天产业经济区热岛强度最高, 中心城区次之, 旅游区最低。夜晚, 地面长波辐射的增温作用和大气逆辐射对地面的保温作用使得整个晋江市热岛强度都偏高, 但由于旅游区, 下垫面较平整, 地势开阔, 地形平坦, 热量消耗较中心城区和产业经济区快, 故夜间旅游区热岛强度略低于中心城区和产业经济区。

4 结论

本研究基于晋江市2010—2014年温度数据, 采用传统的气象学方法与普通克里金插值法结合, 分析了晋江市年、季、昼夜热岛强度时空变化特征, 得到以下结论。

(1) 晋江市热岛强度呈带状分布, 等值线呈西南?蛳东北走向, 与晋江市地势地形分布规律基本一致。五年间热岛强度持续增强, 但增幅不大, 增速放缓, 总体热岛强度不强。高热岛强度区和低热岛强度区分跨晋江市南北两地, 北部热岛强度显著高于南部。五年间晋江市“热岛”现象和“冷岛”现象愈加明显, 城市热岛效应两极分化程度有所增加。

(2) 晋江市四季热岛强度呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向。旅游区季节变化较中心城区和产业经济区大。高热岛强度区多分布在晋江市北部产业经济区和中心城区一带, 随着由冬入秋的季节变化, 高热岛强度区先北退后南移, 范围也先缩小后扩大。旅游区秋冬季热岛强度高于春夏季, 中心城区和产业经济区夏秋季热岛强度高于冬春季, 由此可知城市化水平的提高会导致城市热岛强度高值出现的时间提前, 该结论还需进一步加以研究。

(3) 晋江市昼夜热岛强度呈带状分布, 等值线呈西南-东北走向, 城市热岛效应昼夜空间分布格局差异性大, 夜间热岛强度显著高于白天, 旅游区热岛强度最低值出现在北京时间的14时左右, 中心城区和产业经济区最低值出现时间略有推迟, 约在16时之前, 三个功能区的最高值均出现在凌晨。

需要指出的是：由于研究中使用的数据资料时间序列较短, 本研究得出的晋江市时空分布特征仅符合五年间的变化规律, 期待更长的时间序列来验证这个特征的准确性, 但是本研究得到的结论对未来晋江市城市热岛的时空分布特征分析依然具有参考价值。由于气象数据种类单一, 在上文对晋江市热岛效应时空分布特征的影响因素分析中, 无法进行定量分析, 只能通过文献调研、专业知识以及实际考察情况进行定性分析。由于人口、经济水平等社会数据的缺乏, 在上文讨论中提出“城市化水平的提高会导致城市热岛强度高值出现的时间提前”的猜想无法得到验证。这些都将是接下来需要对本研究进行完善以及改进的地方。