城市热岛和高温热浪的协同效应学术资讯

来源：北京师范大学

热浪（Heat Wave）表示持续多天的高温天气，是致死率最高的自然灾害之一。近年来，高温热浪的致死率持续增加。在过去100年，全球平均温度已经升高约0.6 °C，并且未来将会以更高的速率持续增加。

尽管已有学者发现了城市热岛和热浪协同效应在日变化上的差异，但是由于受数据时空分辨率的限制，无法对其在时空变化特征上的差异进行很好的描述及归因。此外，不同的区域气候背景被认为是导致城市热岛和热浪协同效应不一致的重要原因。如何更好地研究城市热岛在热浪期间的表现及其影响因素，对城市应对未来热浪灾害、降低死亡率具有重要的意义。本研究将以北京、上海和广州三个超大城市为例，基于2013-2015年的小时气象站点观测数据，研究热浪和城市热岛的协同效应在城市内部以及在不同区域气候背景下的差异，并分析可能的影响因素。

本论文研究在对北京、上海和广州三个不同城市热浪和城市热岛的协同效应进行对比研究时，为了提高对比性，减少城市自动气象站周围复杂环境对结果的影响，在选取城市站点时，我们统一选的都是具有明显城市特征的高地表不透水率站点。

本研究所选的城市站点和郊区站点的地理位置和分布见图1。

图 1 北京、上海和广州的观测站点分布和地表分类状况图

研究结果：一直以来，地表覆盖类型的变化被认为是形成城市热岛的根源之一。城市建筑在白天吸收和储存太阳辐射能量，并在晚上以长波辐射的形式释放出来。因此，太阳辐射对城市热岛的影响十分重要，本章节分析了在热浪天太阳辐射所带来的高温压力（图2）。在图2（a3, b3, c3）中可以看出，在这三个城市中，地表在热浪天接收到的日总太阳辐射大约是普通天的1.5倍。图2（a1-a2, b1-b2和c1-c2）显示了白天气温城市热岛和晚上气温城市热岛与日总太阳辐射的相关性。在北京，晚上的气温城市热岛和日总太阳辐射呈显著的正相关，在热浪天的相关系数r达到0.76（p<0.01），在普通天的相关系数r达到0.3（p<0.01）。对上海来说，白天的气温城市热岛和日总太阳辐射呈显著正相关，在热浪天相关系数达到0.59（p<0.01），在普通天相关系数r达到0.7（p<0.01）。然而，上海晚上的气温城市热岛和日总太阳辐射却没有显著的相关关系（见图2-b2）。对广州来说，热浪天晚上的气温城市热岛和日总太阳辐射呈显著的正相关，相关系数r达到0.31（p<0.01）。而北京和广州白天的气温城市热岛则和太阳辐射日总量没有显著的相关关系。

图 2 北京、上海和广州在热浪天和普通天的气温城市热岛和日总太阳辐射的相关性以及日总太阳辐射的平均值及标准差

分析可得，热浪天增强的太阳辐射对北京和广州晚上的气温城市热岛有显著的正向贡献，对上海白天的气温城市热岛有显著的正向贡献。然而，从图2（b1）中可以看出，在普通天白天，上海的太阳辐射和气温城市热岛也是显著相关。因此，导致上海在热浪天和普通天白天的气温城市热岛差异仍有待进一步研究。

考虑到上海的特殊地理位置，受到海陆热力性质差异以及海陆风的影响较大，研究了风要素在三个城市热浪天和普通天的差别。图3显示了北京、上海和广州这三个城市在热浪天和普通天的风向玫瑰图。结果表明，无论是在热浪天还是普通天，北京和广州在白天和晚上的风向基本一致（见图3：a1-a4和c1-c4），主要风向分别为偏东南风和南风。然而，上海白天的风向在热浪天和普通天却有明显的差异。在热浪天白天，有超过63%的风来自西南方向（见图3-b1），而在普通天白天，有超过70%的风来自东南方向。也就是说，上海的热浪天白天，有更多的风来自西南方向同样处于高温压力的相邻城市，而普通天白天，则有更多的风来自东南方向温度较低的海域，即在热浪天白天，海风明显减少。可以看出，上海热浪天白天风向的改变对白天气温城市热岛的增强具有重要影响。