城市热岛(UHI)是指由于人类活动导致的城市市区温度高于其周围郊区温度的现象, 城市热岛强度用城市市区的温度与同一时间郊区温度的差值来判定。其研究方法主要有对比法, 如城乡对比法、历史对比法和类型对比法(陈云浩等, 2004)。本文城市热岛的研究采取的是城乡对比法, 定义为城市建成区地表温度高于其周围郊区地表温度的情况。城市热岛与城市的发展情况、人口密度大小、工业发展程度以及交通运输繁忙状况有关(刘转年等, 2008)。近年来能源消耗产出的热量, 超过自然调节能力, 城市热岛效应逐年增强, 如今已成为城市生态环境的主要危害(祝宁等, 2003)。

1958年Manley(1958)第一次提出了城市热岛, 1833年Howard(1833)发现并分析了城市热岛效应, 之后国内外众多学者展开深入研究。城市热岛研究类型分为4种, 第一种是城市热岛效应产生原因的研究, 这是当前城市气候研究的基础。如: Memon et al (2008)认为太阳辐射的消耗和人为热源是产生城市热岛的主要原因; Streutker (2003)发现休斯顿城市热岛平均面积由38 %增至88 %, 与人口增长有关; 邓玉娇等(2010)研究表明广州城市热岛现象是由于城市化加剧和温室效应导致; 徐军昶等(2006)发现咸阳城市热岛与自然地理环境和城市功能有关。第二种是对数值模拟的研究, 主要根据气候统计方法和城市边界层模式(黄良美等, 2011)。如: Herbert et al(2002)通过数值模拟风热气候和能量预算, 发现城市街道的长度和宽度影响气候热场分布; Lemonsu et al(2002)模拟了反气旋, 研究城市边界层厚度与城市热岛的关系; 宋玉强等(2014)利用WRF模式发现南京城市的非均匀分布会影响城市的气温; 张赟程等(2017)运用数值模拟发现城市热岛可以调节局地降水过程; 郑玉兰等(2017)用WRF耦合模式模拟分析显示人为活动与城市热岛存在一定关联。第三种是城市热岛效应治理方法研究。如: Weng et al(2004)认为美国印第安纳波利斯城市地表温度与城市植被指数有关; 吴彦樨等(2016)发现城市地表温度和植被覆盖指数呈负相关。第四种是对城市热岛进行预测和评估, 常采用遥感技术(朱焱等, 2010), 还运用一些植被覆盖资料(Imhoff et al, 2010)。目前对于内蒙古城市热岛的研究仅限于单个城市, 全区范围研究较少, 本文利用第一种方法研究了内蒙古西中东部的城市热岛效应, 揭示城市热岛现象的存在, 找出内蒙古城市热岛的规律推测城市热岛发生的原因。

研究城市热岛的数据分为两种, 第一种利用自动气象站观测资料来分析城市热岛的温度日、月、年变化规律, 如孙绩华等(2015)运用自动气象站观测的数据, 分析了昆明城市热岛变化规律。第二种使用遥感手段反演地表温度, 分析城市热岛的昼夜、季节变化等特征。如赵亚芳等(2017)利用MODIS/Aqua地表温度产品分析城市地表温度和城市热岛的时空变化特征, 遥感观测的好处在于能够提供时间连续性好、覆盖面积广的资料, 保持空间上的连续性(都瓦拉等, 2008; 东高红等, 2015)。本文利用美国陆地卫星数据, 反演地表温度进行内蒙古各城市城市热岛效应研究。

内蒙古自治区地处中国北部边疆, 由东北向西南延伸, 南北跨纬度15°50′, 东西跨经度28°52′, 全区总面积118.3×10⁴ km²(朱文泉, 2005)。地貌以蒙古高原为主, 气候为温带大陆性季风气候, 春秋温度升降幅度大, 大风天气多, 夏季炎热短暂, 降水集中, 冬季漫长严寒, 寒潮天气多发。2015年平均气温为6 ℃, 气温年较差28~47 ℃, 气温日较差10~17 ℃, 降水量由东北向西南递减, 年总降水量64~697 mm。内蒙古日照充足, 全年太阳辐射量从东北向西南递增。

本研究采用美国国家航空航天局(NASA)的相关网站(https://modis.gsfc.nasa.gov/data/)提供的地表温度月均值产品(LST)。下载了内蒙古范围内2015年1—12月EOS/MODIS Aqua卫星的地表温度产品, 产品格式为HDF, 进行了投影转换, 对各月的MODIS影像采用最大值合成方法, 并分为白天与夜间, 提取各月份的平均值, 产品的空间分辨率为0.01°, 能够满足城市热(冷)岛效应的宏观研究。EOS/MODIS是搭载在美国宇航局发射的地球观测系统(EOS)系列卫星中Aqua和Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪, 在0.4~14 μm的电磁波谱范围内具有36个光谱通道, 空间分辨率有250 m、500 m和1000 m, 扫描宽度为2330 km(刘玉洁, 2001)。Aqua在13 : 30(北京时, 下同)和01 : 30左右过境, 此时地表温度分别接近日最高值和最低值, 适合研究城市热(冷)岛效应。NASA卫星数据经过完整的质量控制, 经过验证不存在缺测问题, 同时将NASA卫星数据与国家自动站地表温度月均值数据利用SPSS进行相关分析和t检验, 结果显示这两种观测数据方法的相关系数在0.972~0.998之间, 且相关系数检验的双侧p_值＜0.001, 两个变量之间有很高的正相关统计学意义, 后对其进行t检验, 得出有5个城市的p_值＜0.05, 两组观测数据不存在显著性差异, 有7个城市的p_值 > 0.05, 存在显著性差异。由于用遥感方法反演地表温度会考虑大气和辐射面的多重影响, 会受到城市下垫面异常复杂性影响, 某些地区的反演存在一定误差(胡华浪等, 2005); 同时自动站观测数据具有局地性特点, 不及遥感覆盖面积广, 也存在一定误差。所以在正相关性高的情况下, 一些城市t检验存在显著性差异, 针对大范围面积的研究遥感方法更为适用。对于冬季雪面温度的算法采取路面温度反演的分裂窗算法, 计算的是积雪表面温度, 详细推导过程参考Mao et al (2005)和周纪等(2007)的文献。文中所涉及的地图底图是基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙S(2017)029号的标准地图制作, 底图无修改。

选取2015年12个城市, 西部城市有巴彦浩特、临河、乌海、东胜和包头; 中部城市有呼和浩特、集宁与锡林浩特; 东部城市有赤峰、通辽、乌兰浩特和海拉尔。把每月的市区、郊区温度作为研究对象, 市区、郊区在结合地形图选取同一海拔、同一纬度、避免工厂和水域表面等地形因素, 分别选取1个像元36 km²的范围, 6 km×6 km的市区和6 km×6 km的郊区作比较, 其中6 km×6 km的市区选择城市发展过程中的核心区域, 人口密度大, 建成区已具有相当规模。城市热岛(冷岛)的判别方法:若T_市区-T_郊区 > 0 ℃, 则判定为城市热岛, 反之为冷岛。

分析城市热岛出现的概率, 计算公式为: η_UHI=N_热岛/N_总(η_UHI为城市热岛出现的概率; N_热岛为城市热岛出现的个数; N_总为城市热岛研究月份的总个数, 共12个月), 计算的结果如图 1。分别求出各城市白天与夜间的温差, 计算公式为: ΔT=T_市区- T_郊区, 结果如图 2。白天西部地区出现城市热岛概率较小[图 1(a)], 没有中部地区和东部地区的城市热岛概率大, 其中乌海(0 %)为全区白天出现城市热岛概率最小值, 对比白天西部城郊温差[图 2(a)], 西部地区除包头11月份有温差极值9.14 ℃, 其余城郊温差大多在0 ℃下浮动, 这说明西部地区白天呈冷岛效应; 白天中部地区出现城市热导概率没有东部地区大, 但集宁是特例, 它是全区城市热岛出现概率最多的城市(83.33 %), 中部地区城郊温差有正有负[图 2(b)], 除集宁在0~1.5 ℃间浮动外, 其余城市热冷岛呈现对半趋势, 呈波动状态; 白天东部地区城市热导出现概率最多, 以东南部地区的赤峰(58.33 %)和通辽(66.67 %)尤为显著, 东部地区城郊温差[图 2(c)], 除海拉尔以外, 总体在0 ℃附近浮动, 且0 ℃以上偏多。

图 1(Fig. 1)

图 1 2015年内蒙古各区域白天(a)与夜间(b)城市热岛出现的概率 Fig. 1 Probability of urban heat island effect in Inner Mongolia during daylight (a) and nighttime (b) in 2015

图 2(Fig. 2)

图 2 2015年内蒙古西部(左)、中部(中)和东部(右)各城市城郊温差 Fig. 2 Temperature difference in the suburbs of western (left), central (middle) and eastern (right) cities of Inner Mongolia in 2015

各城市夜间市区与郊区均出现城市热岛概率大于等于50 %的情况[图 1(b)], 且中部地区出现城市热岛的概率最大, 西部地区和东部地区城市热冷岛出现的概率相当。每个区域都出现了城市热岛概率为100 %的现象, 这些城市是乌海(西部)、呼和浩特(中部)与乌兰浩特(东部)。同时夜间西部城市城郊温差除乌海常年在4~6 ℃浮动外[图 2(d)], 其余城市在-2~2 ℃间浮动, 呈现热冷岛对半趋势; 中部区域在0~2 ℃间浮动居多[图 2(e)], 表现为热岛效应, 这与城市热岛出现概率图 1(b)相吻合, 且呼和浩特夜间城郊温差较大, 在5~8 ℃间浮动。东部地区城郊温差大多在-1~1 ℃间浮动, 城郊温差不明显[图 2(f)], 这与东部地区概率图[图 1(b)]相吻合。由此夜间内蒙古城市热岛效应强于白天, 中部地区出现城市热岛的概率最为严重, 西部地区和东部地区城市热冷岛出现的概率相当。

选取呼和浩特、集宁和赤峰三个典型城市的城郊温差来研究内蒙古城市热岛季节变化趋势(图 3)。全区的热岛、冷岛效应在不同的城市有不同的体现, 并没有表现出统一的规律。白天全年冷岛(除个别月份)的有巴彦浩特、乌海(沙漠城市), 最大温差分别是5.62 ℃和4.44 ℃。冬季为热岛的城市有锡林浩特、海拉尔、集宁和通辽, 最大温差分别为3.48, 1.38, 1.56和1.28 ℃, 其中锡林浩特的温差最大。夏季为热岛的城市有呼和浩特、乌兰浩特, 最大温差分别为5.94 ℃、4.10 ℃。热冷岛存在明显季节变化规律的城市有赤峰、海拉尔、乌兰浩特、锡林浩特, 其中冬季为热岛, 夏季为冷岛的有海拉尔、锡林浩特; 冬季为冷岛, 夏季为热岛的是乌兰浩特。城郊温差最大值出现在包头11月9.14 ℃, 其余月份为冷岛。

图 3(Fig. 3)

图 3 2015年内蒙古呼和浩特(左)、集宁(中)和赤峰(右)三个典型城市城郊温差 Fig. 3 Temperature difference in the suburbs of Huhhot (left), Jining (middle) and Chifeng (right) in Inner Mongolia in 2015

各城市夜间市区与郊区温度对比, 全区的热岛效应在不同的城市有不同的体现, 也并未表现出统一规律。夜间呼和浩特全年为热岛, 最大差值出现在3月8.64 ℃。全年热岛(除个别月份)的有集宁、通辽、乌海、乌兰浩特和锡林浩特, 其中最大差值出现在乌海4月6.28 ℃。春季为热岛, 其余季节无明显变化规律的是临河, 最大温差8.07 ℃, 临河也是夜间所有盟市温差幅度最大的区域。秋季为热岛, 其余季节无明显变化规律的有赤峰和东胜, 最大温差分别为1.90 ℃和0.26 ℃。热冷岛存在明显季节变化规律的城市有巴彦浩特、海拉尔、包头, 其中冬季为热岛, 秋季为冷岛的是巴彦浩特; 冬季为冷岛, 夏秋两季为热岛的是海拉尔; 冬季为冷岛, 其余季节为热岛的是包头。

以典型城市呼和浩特为例, 分析其城市热岛特征, 夏季白天6、7、8月呈现明显的热岛效应(表 1), 城郊温差分别为0.18 ℃、5.94 ℃、5.92 ℃, 同时也为热岛效应最为严重的月份, 为更能直观反映出呼和浩特总体区域热(冷)岛特征, 使用图 4反应城郊温度分布情况。

表 1(Table 1)

表 1 2015年呼和浩特市区与郊区白天、夜间温度对比 Table 1 Comparison of daylight and nighttime temperatures between urban and suburban in Huhhot in 2015 区域 温度/℃ 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 市区(白天) -1.87 2.85 12.95 24.01 32.47 33.77 35.35 35.03 27.67 17.59 1.85 -2.83 郊区(白天) 0.69 7.53 18.99 28.37 35.73 33.59 29.41 29.11 23.19 17.63 -0.53 -6.07 市区(夜间) -10.95 -8.31 -0.97 6.47 11.99 17.57 21.79 19.61 14.01 5.71 -1.79 -9.15 郊区(夜间) -18.17 -14.99 -9.61 0.55 6.79 13.09 17.35 14.09 9.25 0.07 -6.65 -16.25

表 1 2015年呼和浩特市区与郊区白天、夜间温度对比 Table 1 Comparison of daylight and nighttime temperatures between urban and suburban in Huhhot in 2015

图 4(Fig. 4)

图 4 2015年呼和浩特7月和12月白天、夜间地表温度月均值(单位: ℃) Fig. 4 Average monthly surface temperature during daylight and nighttime in July and December of 2015 in Huhhot.Unit: ℃

从7月呼和浩特白天地表温度月均值[图 4(a)]可以看出色调越暖区域温度越高, 市区温度明显高于周围郊区, 以市中心高温最为明显。7月夜间地表温度月均值显示[图 4(b)]市区尤其是市中心的温度高于周围温度, 郊区保温作用不明显, 夜间温度易骤降, 城市夜间热岛效应范围更大, 郊区温度除其西部土默特左旗的局部地区有高温, 其余郊区温度低于市区。夏季7月无论白天、夜间, 呼和浩特市区都是城市热岛效应。市区人口密集、工业活动多, 易产生热量。土默特左旗部分高温的原因在于其靠近金川开发区, 此地多有工厂, 工业活动较为频繁, 导致局部热岛效应明显。

12月呼和浩特白天地表温度月均值显示[图 4(c)]冬季白天市区表现为热岛, 但热岛范围不及夏季。12月夜间市区依旧表现为热岛[图 4(d)], 市中心热岛效应更为严重。相对于白天, 夜间的城市热岛效应更强。城区人为活动频繁使用汽车、煤炭燃烧供暖都会增加空气中温室气体的含量, 且夜间易发生大气逆辐射, 所以冬季夜间更易出现城市热岛效应。

集宁情况也较为特殊, 除5月、7月、12月为冷岛, 其余月份全为热岛(表 2)。白天2月热岛效应最强, 6月热岛效应最弱。集宁热岛效应的月份虽多, 但城郊温差较小, 平均温差0.74 ℃, 热岛效应较弱。

表 2(Table 2)

表 2 2015年集宁市区与郊区白天、夜间温度对比 Table 2 Comparison of daylight and nighttime temperatures between urban and suburban in Jining in 2015 区域 温度/℃ 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 市区(白天) 0.65 6.35 17.81 26.31 32.29 32.33 33.21 31.19 26.09 18.41 -0.31 -6.33 郊区(白天) 0.31 4.79 16.61 25.41 32.65 32.29 33.79 30.63 25.39 17.77 -0.53 -7.55 市区(夜间) -16.71 -14.07 -8.93 -0.21 5.87 11.45 16.09 14.47 9.29 1.21 -5.11 -16.81 郊区(夜间) -16.97 -15.17 -9.65 -1.77 4.51 10.09 14.67 13.13 8.25 0.43 -7.89 -15.89

表 2 2015年集宁市区与郊区白天、夜间温度对比 Table 2 Comparison of daylight and nighttime temperatures between urban and suburban in Jining in 2015

7月集宁白天地表温度月均值如图 5(a)所示, 市区和郊区温度差异不明显, 市区为冷岛效应, 低于郊区0.58 ℃(表 2)。7月夜间市区和郊区以15~16 ℃为主[图 5(b)], 市中心局部地区达到17~18 ℃, 略高于郊区, 城市热岛效应不明显, 这与集宁地理位置有关, 此区易有大风, 城市热量无法大量堆积, 影响城市热岛效应。

图 5(Fig. 5)

图 5 2015年集宁市7月和12月白天、夜间地表温度月均值(单位: ℃) Fig. 5 Average monthly surface temperature during daylight and nighttime in July and December of 2015 in Jining.Unit: ℃

冬季白天呈现热岛效应, 从12月至次年2月城郊温差分别为1.22, 0.34和1.56 ℃, 且2月热岛效应为全年最强(表 2)。12月白天市区温度在-6~ -4 ℃之间, 郊区温度在-10~-6 ℃之间。12月夜间体现为冷岛效应[图 5(d)], 市区温度低于郊区0.92 ℃(表 2), 冷岛强度较弱。这是由于白天市区建筑物多、人为活动多吸收的短波辐射比郊区多, 增温比郊区快, 夜晚没有阳光照射, 市区建筑物释放的长波辐射比郊区多, 能量损失大, 同时集宁多有大风天气, 所以集宁12月夜间为弱冷岛效应。

经研究内蒙古各城市城市热岛并不是一个很稳定的结果, 这与研究区域范围较广有一定关联, 其次与城市工业活动、人为活动和绿化程度等相关, 还与城市类型有关。白天西部地区的城市热岛效应不明显在于西部地区的城市工业活动、人为活动强度较弱并绿化较好。城市建成区面积大、常住人口多、生产总值高和建筑企业单位数多的地区城市热岛效应强(表 3), 西部地区城市工业活动、人为活动强度没有中部地区和东部地区大, 包头虽建成区面积大, 建筑企业单位数多、人口众多, 但城市热岛不明显, 这是由于其重工业区如包钢等集团都移至了郊区; 巴彦浩特城市建筑企业单位数最少, 其工业活动和人为活动不频繁, 热岛效应弱; 东胜工业化和人为活动强度虽较西部其他城市大, 但城市热岛出现概率也不足50 %。中部地区集宁城市热岛活动为全区最频繁, 但热岛效应不强, 这与集宁地理位置有关, 集宁位于阴山山脉灰腾梁南麓, 丘陵众多, 前后都有阻挡, 形成了通道效应, 从呼和浩特和卓资吹来的西风, 到集宁继续向东和东南方向碰到丘陵等, 形成了一个像半封闭小漏斗状的漩涡, 多大风天气, 城市无法大量堆积热量, 热岛效应不强; 呼和浩特的建成区面积、城市常住人口为最大, 不过其绿化程度也相对较好, 所以城市热岛出现的概率为50 %; 锡林浩特工业活动和人为活动不强, 但由于地理位置、城市绿化不足等原因, 其城市热岛概率出现情况与东胜相同。东部地区是城市热岛出现概率最为频繁的地方, 除去海拉尔常年受东北冷涡影响, 紧靠大兴安岭降雨量充沛植被覆盖率大, 城市热岛效应不显著外, 赤峰、通辽都是两个建成区面积大、人为活动多、GDP高、工业活动最为频繁的城市, 城市热岛效应明显。

表 3(Table 3)

表 3 2015年内蒙古12个城市工业活动、人为活动等信息表 Table 3 Information on industrial activities and human activities in 12 cities of Inner Mongolia in 2015 区域 城市 建成区面积/km2 城市常住人口/人 生产总值GDP/(万元) 建筑企业单位数/个 西部地区 巴彦浩特 - - 2526446 15 临河 51 551200 2870800 42 乌海 62.3 312400 2515371 40 东胜 116.42 658800 9625600 151 包头 195.79 1835200 24737000 75 中部地区 呼和浩特 260 2156800 20548534 181 集宁 60 - 1816327 22 锡林浩特 42.00 26300 2101811 20 东部地区 赤峰 105 1394500 7907185 70 通辽 61.2 - 6912804.602 31 乌兰浩特 38.5 331000 1618518 27 海拉尔 59.46 - 2878539 31

表 3 2015年内蒙古12个城市工业活动、人为活动等信息表 Table 3 Information on industrial activities and human activities in 12 cities of Inner Mongolia in 2015

夜间内蒙古各城市城市热岛效应强于白天, 这是由于夜间气温下降, 水汽易凝结成雾, 城市的人为活动、工厂排放的废气存在烟雾中, 吸收了地面辐射的红外线, 大气逆辐射变强, 地面辐射损失能量减少, 地面得到保温。尤其冬季夜间, 燃烧取暖、汽车尾气等, 人为的碳排放量增多, 不仅增强了城市热岛效应, 同时污染了大气环境, 这也是夜间极易出现城市热岛的原因。

本研究采用MODIS数据, 反演地表温度对内蒙古各城市昼夜的城市热岛空间分布和季节变化进行研究, 主要得出以下结论:研究结果有效地反映内蒙古各城市热岛特征, 有助于促进城市区域规划研究, 具有一定实用性。同时本研究也存在着一定局限性, 首先本文仅选取了2015年逐月数据, 没有针对长时间序列的各城市热岛变化进行研究; 其次城市样本共12个, 取点范围存在局限性。

(1) 白天内蒙古西部地区城市热岛概率小; 中部地区除集宁外, 出现的城市热岛概率没有东部地区大, 中部地区的城郊温差有正有负, 城市热岛概率呈对半趋势; 东部地区城市热岛出现概率最多, 以赤峰、通辽尤为显著。夜间内蒙古12个城市均出现了城市热岛概率大于50 %的情况, 各区域城市热岛效应明显, 其中中部地区城市热岛最为严重。内蒙古大部区域夜间城市热岛效应强于白天。

(2) 内蒙古城市热岛并没有表现出统一季节变化规律, 白天, 冬季出现城市热岛的有锡林浩特、海拉尔、集宁和通辽, 其中温差最大的是锡林浩特; 夏季为热岛的城市有呼和浩特、乌兰浩特。夜间, 呼和浩特全年为热岛, 基本全年热岛(除个别月份)的有集宁、通辽、乌海、乌兰浩特和锡林浩特; 春季为热岛的是临河; 秋季为热岛的有赤峰和东胜; 热岛存在季节变化规律的有巴彦浩特、海拉尔、包头。

(3) 呼和浩特夏季6—8月呈现热岛效应, 也为热岛效应最为严重的季节, 并市区温度明显高于周围郊区。冬季12月表现为热岛效应, 且夜间城市热岛效应更为严重, 市中心与郊区温差显著, 人为活动、煤炭燃烧和大气逆辐射都易增强热岛效应。

(4) 集宁除5月、7月、12月为冷岛, 其余月份全为热岛; 7月白天市区为弱冷岛效应, 7月夜间为热岛效应, 城郊温差较小。冬季12月白天, 集宁市区为热岛效应, 12月夜间呈现弱冷岛效应。