北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析.pdf

DOI：023.02.001(NATURASCIENCE)Mar.,20232023年3 月JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYVol.59,No.2第59 卷第2 期南京大学学报（自然科学）北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析张昊，张宁1.2*，潘志华3（1.南京大学大气科学学院，南京，2 1 0 0 2 3；2.中国气象局城市气象重点开放实验室，北京，1 0 0 0 8 9；3.中国农业大学资源与环境学院，北京，1 0 0 1 9 3）摘要：城市热岛效应是城市气候的突出现象之一，由于观测手段差异和数据代表性的不同，对城市热岛存在多种定义，其中冠层城市热岛和地表城市热岛的应用最广泛，但是目前两者之间的比较工作开展相对较少。“城市效应”是指由于城市的出现对一个地区气候的影响，城市热岛本质上属于城市效应的表征之一，分离“城市效应”常用的方法有“城乡差异”和“城市化前后对比”两种，二者分别从观测资料的空间和时间差异着手计算，目前对两种方法结论的一致性分析尤为欠缺.以北京地区为研究对象，利用地面气象站和卫星遥感观测数据，对比分析了该地区气温和地表温度、冠层热岛和地表热岛的数值与变化情况，并进一步分析了分离“城市增温效应”两种方法的可比性，结果表明：（1)2 0 0 9 一2 0 1 7 年北京地区五种热岛指标均值比较为：由卫星遥感反演得到的日间地表热岛最大，其次为地面观测得到的最低气温冠层热岛和卫星遥感反演得到的夜间地表热岛，二者数值相近，地面观测得到的平均气温冠层热岛再次，而地面观测得到的最高气温冠层热岛远小于其他四类；（2)以通州站为例，1 9 8 0 一2 0 1 7 年用以分离“城市增温效应”的城市化前后差异和城乡对比两种方法的结果分别为0.6 5/（1 0 a)和0.6 1/（1 0 a），结论基本一致，虽然由于乡村站平均气温受到城市化影响，城乡对比法存在低估现象，但误差在可接受范围内，两种方法仍具有相互替代性，关键词：城市热岛效应，冠层城市热岛，地表城市热岛，城市效应中图分类号：P49文献标志码：AComparative analysis of different urban heat island indicators andurban effects research methods in BeijingZhang Hao,Zhang Ningl.*,Pan Zhihua(1.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing,210023,China;2.Key Laboratory of Urban Meteorology,China Meteorological Administration,Beijing,100089,China;3.College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing,100193,China)Abstract:Urban heat island effect is one of the prominent phenomena of urban climate.Due to the difference in observationmethods and data representativeness,there are many definitions of urban heat island,among them,the canopy layer urban heatisland and the surface urban heat island are the most widely used.However,the comparison between the two is relatively rareat present.The urban effects refer to the impact of the emergence of cities on the climate of a region.Urban heat island isessentially one of the characteristics of urban effects.There are two commonly used research methods for separating theurban effects:urban-rural difference and comparison before and after urbanization,which are calculated from the spatialand temporal differences of observed data respectively.At present,the consistency analysis of the two methods conclusions is基金项目：国家自然科学基金（4 1 9 7 50 0 6，4 2 0 7 51 8 2），中国气象局城市气象创新团队（CMA2022ZD09）收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 2*通讯联系人，E-mail:190第59 卷南京大学学报（自然科学）particularly lacking.Taking Beijing area as the research object,this paper compares and analyzes the values and changes of airtemperature and surface temperature,canopy layer heat island and surface heat island in this area by using the groundmeteorological station and satellite remote sensing observation data,and further analyzes the comparability of the twomethods to separate urban warming effect.The results show that:(1)The mean values of the five UHI(Urban Heat Island)indicators in Beijing from 2009 to 2017 were as follows:the daytime surface heat island obtained by satellite remote sensinginversion was the largest,followed by the minimum air temperature canopy layer heat island obtained from groundobservation and the nighttime surface heat island obtained by satellite remote sensing inversion.The two values were similar.The average temperature canopy layer heat island obtained from ground observation was lower than the former,and themaximum temperature canopy layer heat island obtained from ground observation was much smaller than the other four types.(2)Taking TongZhou station as an example,the results of the two methods of separating urban warming effect from 1980 to2017 were 0.65 C/(10a)and 0.61 C/(10a),which were basically consistent.Although there was an underestimationphenomenon in the urban-rural comparison method due to the impact of urbanization on the average temperature of ruralstations,the error was within an acceptable range,and the two methods were still mutually substitutable.Key words:urban heat island effect,canopy layer urban heat island,surface urban heat island,urban effects城市的快速发展和城市化进程的不断推进对城市气候有着重要影响.随着城市建设和人类活动不断改变土地覆盖类型及其影响支配的城市气候环境，城市气候逐渐得到了国内外学者的广泛关注 1-2 。其中，城市热岛效应作为城市气候的突出特征之一，鉴于其特有的城乡温度差异特征和对其他气候现象以及城市居民健康的影响，逐渐成为领域的研究热点：对于城市热岛效应的研究已逐渐从单纯的热岛强度、热岛范围计算分析、热岛成因探究延展到了城市热岛与城市空间形态、土地覆盖类型、城市人口、经济发展等的关系研究，更广泛地关注到了热岛对居民健康的影响、热岛与气候的相互影响、热岛的治理以及城市规划与城市生态等方面，在数据来源平台、研究手段、研究的时间和空间尺度等方面也有了进步 3-9 城市热岛效应的形成归于城市的发展改变了区域的能量平衡，根据高度、尺度、能量平衡过程、测量方式等差异，城市热岛效应可分为地下城市热岛、地表城市热岛、冠层城市热岛、边界层城市热岛1 0-1 .目前研究最广泛的是地表城市热岛和冠层城市热岛：从两类热岛的数据来源看，冠层城市热岛通常基于气象站定点观测或移动式温度观测车得到的气温数据进行计算，地表城市热岛则通过遥感数据反演得到的地表温度开展研究.在两类温度数据的相关性方面，除比较研究外，研究人员也提出了多种利用卫星遥感数据估算气温的方法 1 2-1 5,目前国内外关于冠层热岛和地表热岛的单独研究已经大规模开展，然而对两者的比较相对缺乏.其中北京市作为我国首都，也是国内城市化水平最高的城市之一，针对北京地区冠层热岛和地表热岛的单独研究也已经经历了较长时期的发展，在两类热岛的比较这一领域同样存在空白 1 6-2 1 。已有的研究表明：空气温度和地表温度具有较大相关性，地表温度的日较差大于气温：目前热岛强度的表征指标和计算方法较为多样，其数值大小取决于所选指标，较为普适的结论是城市冠层热岛和地表热岛在夜间的相关性较强 2 2-2 9 .基于两者之间形成机理、在强度特征方面的相关关系、差异比较等研究仍然较为缺乏。在两类热岛的形成方面，地表温度对百叶箱高度的空气温度有重要影响，空气温度和地表温度的根本不同在于一一地表温度是地表与大气，即固-气界面处的温度，而空气温度则是单纯的气相温度.热岛强度的计算通常是由温度取差得到，地表温度和空气温度的差异导致了地表热岛和冠层热岛的差异，城市效应是指由于城市的出现对一个地区气候的影响，城市热岛效应从本质上来看是城市效应的指标之一，用以表征城市化改变局地热环境191张第2 期昊等：北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析的能力目前对城市效应的分离基于劳里框架，多使用城乡对比的方法进行 3 0 .此方法以“城市-乡村的差”,即单个或多个“典型”城市与乡村站点观测值的差异表示城市效应.由于其数据获取难度相对较低，计算方法简单，得到了较为广泛的应用.本研究中使用的“城市化影响”这一指标就是对该方法的应用，由城市站与乡村站气温均值的差来分离得到由城市化引起的单站气温变化趋势 3 1-3 2 。但此方法存在缺陷，以上计算的理论基础为所选城乡站点都处于同样的气候背景下，同时乡村站点均在城市的影响范围之外，而实际的实践操作过程中，这些假设可以近似但很难严格满足.尤其是在城市化背景下，部分乡村站逐渐被纳入城市发展规划的范围内,增温显著，原本的乡村属性减弱，因此以城乡差异来表征城市效应可能会存在低估的问题 3 2 .此外，对于城市效应的分离还有城市化前后对比这一方法，即“城市-城市化前的差：在同一站点，其环境由于城市化的影响从自然条件变为城市所导致的差异，这一方法基于同一地点不同时段的温度差异来表征城市效应.而单站的温度变化由两部分引起，首先是气候背景的变化，其次是自身发展变化，在这里尤指城市化的影响.因此在实际计算过程中，需要在差值计算的基础上去除气候背景的变化，最终得到城市化影响下单站的增温速率。但此方法的实际应用中较为困难，城市化前的观测数据实际获取难度极高，即使存在也无法完全排除人类活动的影响.两种方法各有优劣，机制上存在时空差异，在之前的研究中，二者的比较鲜少得到关注。本文以北京地区为例，利用气象和遥感观测数据，对冠层城市热岛和地表城市热岛进行对比分析.同时选定特征站点，对“城市效应”的两种分离方法进行计算和比较研究。1材料与方法1.1研究区域和数据本文选择北京地区作为研究对象，北京市位于东经1 1 5.7 1 1 7.4,北纬39.44 1.6，地形西北高，东南低，平原和山地的海拔高度差异较大.北京地区属于暖温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥.如表1 所示，本文选取北京地区2 0 个国家级气象站点1 9 8 0 一2017年的最高温度、最低温度、平均温度数据，用于研究北京地区的气温和冠层热岛强度变化特征，2 0 个站点均匀分布在北京地区的城区和乡村，海拔高度不等，空间分布相对均匀，气温数据资料具有较好的代表性.本研究也基于MODIS遥感数据反演得到的北京地区2 0 0 9 一2 0 1 7 年逐月的日间、夜间地表温度，卫星过境时间为每日1时和1 3 时，数据精度为0.0 50.0 5，进行北京地区地表温度和地表热岛强度的时空变化特征分析，研究区域共计7 0 0 余个格点，数据量较大且无缺省值，满足分析要求。表1 北京地区2 0 个国家级气象站经纬度、海拔高度Table 1 Longitude,latitude and altitude of 20 nationalweather stations in Beijing站号站名经度(E)纬度(N)海拔(m)54398顺义116.6240.1328.654399海淀116.2839.9845.854406延庆115.9740.45487.954410佛爷顶116.1340.601224.754412汤河口116.6340.73331.654416密云116.8740.3871.854419怀柔116.6340.3775.754421密云上甸子117.1240.65293.354424平谷117.1240.1732.154431通州116.6339.9243.354433朝阳116.5039.9535.354499昌平116.2240.2276.254501斋堂115.6839.97440.354505门头沟116.1039.9392.754511观象台116.4739.8031.154513石景山116.2039.9565.654514丰台116.2539.8755.254594大兴116.3539.7237.654596房山116.2039.7739.254597霞云岭115.7339.73407.71.2数据处理与研究方法根据北京地区2 0 个国家站分别的年均温与其增长率，选取年均温最高的站点作为城区代表站，并取年均温最低且气候倾向率始终较低的站点作为乡村代表站.由于本文两个主要研究内容对应不同研究时段，192第59 卷南京大学学报（自然科学）1980一2 0 1 7 年与2 0 0 9 一2 0 1 7 年，考虑到该地区的快速城市化进程，针对不同内容选择的城乡代表站点有所差异，1.2.1冠层城市热岛强度和地表城市热岛强度的计算章针对2 0 0 9 一2 0 1 7 年北京地区城市冠层热岛与地表热岛的比较研究，本文从气温和地表温度的比较人手，进而深人探究两类热岛特征的不同.为保证温度和热岛强度比较中的空间一致性，基于北京地区空气温度为2 0 个站点温度均值，以2 0 个气象站所在格点的地表温度均值代表北京地区的地表温度：此外，在冠层热岛的计算方面选取城乡代表站，以多个城乡代表站温度求平均后取差得到冠层热岛强度.在地表热岛强度的求算方面，为了与冠层热岛保持时空上的一致性,基于城乡代表站的经纬度进行选点，对其城乡代表站格点地温取平均后作差得到地表热岛强度,如式(1)中，Tu为城市站温度,TR为乡村站温度，T为城乡代表站温度差，即城乡差表征的热岛强度.TH=Tu-TR(1)根据2 0 0 9 一2 0 1 7 年2 0 个站点的气温变化特征重新进行城乡代表站的选择：城市代表站为通州站、朝阳站、观象台站、丰台站、石景山站，乡村代表站为延庆站、佛爷顶站、汤河口站、密云上甸子站、斋堂站、霞云岭站.由于北京地区地形西北高、东南低的特点，所选城市代表站的海拔高度均在7 0 m以下，除佛爷顶站海拔最高为1 2 2 4.7 m外，四个乡村代表站海拔高度均在2 9 0 4 9 0 m.虽然从海拔高度上看，佛爷顶站与其他站点差异较大，但由于佛爷顶站属于高山远郊站，地理位置及海拔高度决定了其是北京地区诸多站点中受到人类活动影响最少的站点之一,具有代表性在林学椿和于淑秋 1 7 的研究中也选择了佛爷顶站作为乡村代表站点，因此将佛爷顶站纳人计算.在这样的站点选择之下，所得计算结果也可与前人不同城乡站点选择得到的冠层热岛强度形成比较.此外，由于本研究的重点在于冠层热岛与地表热岛的比较，所以在冠层热岛强度的计算中不能对站点的气温序列进行海平面订正处理，较大的海拔差异可能会给计算带来影响，高估北京地区的冠层热岛强度，1.2.2分离“城市效应”的两种方法及站点选择关于1 9 8 0 一2 0 1 7 年北京地区两种分离“城市效应”方法的比较，在城乡差异这一方法的计算中，基于任国玉提出的城市化影响这一概念，以T.为城市站气温变化趋势，T，为代表气候变化背景场的乡村典型站的气温变化趋势，如式(2)作差得到Tur为所选城市站的城市化影响值 2 1-2 2 ,T u r=T u-T,(2)针对城市化前后对比这一方法，在选定城乡特征年份的基础上，进行式（3)的计算，Vu为所选站城市特征年份段平均温度，V为所选站点乡村特征年份段平均温度，则取差得到的VH为单站城乡特征年份温度差：VH=Vu-VN(3)由单站城乡特征年份温度差除以时间得到其温度变化速率，其中包括气候背景变化和城市化影响，因此需要在选定站点VH计算值的基础上减去乡村代表站平均的特征年份温度差，除以时间的结果即为城市化影响下单站的增温速率，本部分选取的城市代表站为：观象台站、丰台站、石景山站、海淀站，乡村代表站为：佛爷顶站、汤河口站、斋堂站、密云上甸子站、霞云岭站.针对城市化前后差异这一方法，取平均气温气候倾向率最大的站点一一通州站作为研究站点。通过与城乡代表站的对比，进行通州站城乡代表时段的选定.2结果与分析2.1北京地区空气温度与地表温度的比较本部分对北京地区2 0 0 9 一2 0 1 7 年日间、夜间两类地表温度和平均、最高、最低三类气温进行比较.在年际变化比较方面，从图1 所示的点线变化来看，2009一2 0 1 7 年北京地区的平均、最高、最低气温和日间、夜间地温的变化情况高度相似，数值大小上始终保持日间地温最大，夜间地温最小，最高气温、平均气温、最低气温在两类地温之间依次排列，其中最低气温和夜间地温的数值大小最接近，而地温的日较差大于气温的日较差在图2 所示的四季比较中，五类温度四季变化规律不一，增长率数值差异较大，春季增温明193张第2 期昊等：北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析平均气温最高气温一最低气温日间地温夜间地温241812620092011201320152017Year图1北京地区2 0 0 9-2 0 1 7 年地表温度与空气温度年均值比较Fig.1Comparison of annual average values of surfacetemperature and air temperature in Beijing from 2009to 2017显，冬季次之，夏秋两季的变化极小，但总体来看，四季与年均值五类温度的数值大小顺序相同，且四季均保持最低气温和夜间地温最为接近的特点.地表温度的日较差春季最大，夏季和冬季相近，秋季最小。2.2北京地区冠层热岛与地表热岛的比较根据年际平均气温、最高气温、最低气温、日间地表温度、夜间地表温度五类温度表征的两种热岛的比较，在图3 中可以看到，夜间地表热岛和最低气温表征的冠层热岛的数值大小最为接近，二者均与日间地表热岛的强度相近，平均气温表征的冠层热岛强度始终低于前三者，其与最低气温、最高气温表征的冠层热岛强度变化规律相似，而最高气温表征的冠层热岛强度始终为五种热岛强度中最小的，五种热岛强度指标在2 0 0 9 一2 0 1 7 年的逐年数值波动较大，变化趋势不明显，研究时段内日间地表热岛、最低气温冠层热岛、夜间地表热岛、平均气温冠层热岛、最高气温冠层热岛的具体数值依次为：4.6 5,4.59,4.55,4.0 7,2.6 5（）.(a)Spring(b)Summer3037(。)2027100172009201120132015201720092011201320152017YearYear(c)Autumn(d)Winter23813-23-122009201120132015201720092011201320152017YearYear平均气温最高气温一最低气温日间地温夜间地温图2北京地区2 0 0 9-2 0 1 7 年地表温度与空气温度四季均值比较Fig.2Comparison of four season mean values of surface temperature and air temperaturein Beijing from 2009 to 2017194第59 卷南京大学学报（自然科学）平均气温热岛一最高气温热岛+一最低气温热岛日间地表热岛一夜间地表热岛5.474.6(O)IIHn3.83.02.220092011201320152017YearUHI:Urban Heat Island Intensity图3北京地区2 0 0 9-2 0 1 7 年地表热岛与冠层热岛年均值比较Fig.3Comparison of annual mean values of surfaceheat island and canopy layer heat island in Beijing from2009to2017如图4 所示，四个季节的五种热岛强度指标变化各异，除冬季最低气温表征的冠层热岛和夜间地表热岛强度差值在0.5左右波动外，两者强度始终相近；除春季外，三类气温表征的冠层热岛强度在变化趋势上相似程度较高；除冬季外，最高气温表征的冠层热岛强度始终保持五种热岛强度指标中的最低水平；日间地表热岛的波动性最大，四季变化趋势不同，且其数值大小在与其他热岛的比较中也不固定，春季保持中间值，夏季远大于其他四种热岛，秋季虽然总均值最大，但除2015年外，整体与最低气温表征的冠层热岛和夜间地表热岛强度相近，冬季数值大小与最高气温表征的冠层热岛强度相近，处于五种热岛强度指标中的较低水平.在春季，夜间地表热岛和最低气温表征的冠层热岛强度的数值大小相近，其中2 0 1 0 一2 0 1 2 年的差值在0.2 以内，后半段差距渐大，二者为五种热岛中的最大值，2 0 0 9 一2 0 1 7 年的总均值分别为4.6 6 和4.4 8；日间地表热岛和平均气温表征的冠层热岛强度虽然变化趋势差异大，但研究时段内均值为五种热岛中的中间值，数值大小分别是4.0 7 和3.9 7；而最高气温表征的冠层热岛强度为最低值2.6 9.在夏季，日间地表热岛始终维持较高水平，且增幅明显，2 0 0 9 一2 0 1 7 年的总均值为7.2 9；夜间地表热岛和最低气温表征的冠层热岛强度的数值大小最接近，平均气温表征的冠层热岛强度与前两者始终保持相对固定的差值大小，三者在研究时段内总均值分别为4.3 3,4.2 2,3.8 3，为五种热岛中的中间值；最高气温表征的冠层热岛强度为最低值2.6 9,始终保持平稳增长.在秋季，日间地表热岛、最低气温表征的冠层热岛强度、夜间地表热岛三者在2 0 0 9 一2 0 1 7 年的总均值相近，分别为4.2 7，4.2 4，4.2 3，但日间地表热岛与其他二者不同，其波动性与增长率均较大；三类气温表征的冠层热岛强度变化趋势最为相似，平均气温表征的冠层热岛强度与夜间地表热岛和最低气温表征的冠层热岛强度的差值相对固定，在0.3 0 左右波动，研究时段内平均气温表征的冠层热岛强度总均值为3.9 3；最高气温表征的冠层热岛强度始终保持低值，总均值为2.53.在冬季，最低气温表征的冠层热岛强度是五种热岛中的最高值，2 0 0 9 一2 0 1 7 年的总均值为5.47；次高值为夜间地表热岛，其波动性极小，总均值为5.0 2；平均气温与最低气温表征的冠层热岛的变化趋势相近，总体呈现弱降低趋势，其总均值为4.6 2；日间地表热岛和最高气温表征的冠层热岛强度均较小，其总均值分别为3.0 8 和2.7 6,前者的波动性较强，而后者的变化趋势与其他两类气温表征的冠层热岛相似。在地表热岛方面，城市地表类型相对乡村更加复杂，从城市的基本形态一一城市街谷来看，其组成包括街道及其两侧的建筑，白天建筑物屋顶低反射率、低传导率和干燥的特性使其温度显著高于乡村，虽然墙壁和道路基于其较高热惯性在晨间进行有效储热，但综合来看，街谷各组成部分的温度均大于乡村地温，这就导致了日间地表城市热岛的形成 3 3-3 4 .城市中的屋顶天空视野较大，建筑自身的隔热属性阻止内部散热，致使其在夜间有较强的冷却效应，温度通常低于乡村.但在街谷内部，虽然由于墙体和地面相对避风、天空可视因子较小，加之其自身的日间储热，冷却率减小，但综合来看，街谷的均温仍然高于乡村，这就195张第2 期昊等：北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析(a)Spring(b)Summer6957(0.)IHn(O.)IHn453322009201120132015201720092011201320152017YearYear(c)Autumn(d)Winter655(.)IIHn(.)IHn43322009201120132015201720092011201320152017YearYear日间地表热岛一夜间地表热岛平均气温热岛最高气温热岛+一最低气温热岛一图4 北京地区2 0 0 9-2 0 1 7 年地表热岛与冠层热岛四季均值比较Fig.4 Comparison of four season mean values of surface heat island and canopy layer heat islandin Beijing from 2009 to 2017是夜间地表城市热岛的形成原因 3 5-3 6 同时，街谷各组成部分与乡村温度的比较关系也导致了理想条件下，日间地表热岛强度高于夜间.在本研究对地表热岛的计算比较中，日间与夜间地表热岛无显著规律，且整体波动较大，年际比较中二者数值相近，季节比较中差异较大，春季夜间数值整体偏大，秋季相近，夏季则为日间地表热岛显著大于夜间，冬季相反.究其原因可能与地表覆盖类型有关 3 7 .鉴于两类热岛的空间一致性前提，格点的选择对于单纯的地表热岛计算不具有代表性，其地表覆盖类型的特征和变化都对地表温度和相应的热岛强度有着显著影响，因此在数值比较上不能得出更多的普遍结论。冠层热岛受天气条件的影响较大，最大的冠层热岛可能出现在无云、微风的平静晴朗夜晚.在理想的天气条件下，城市和乡村的温度波动幅度都很大，但是乡村的幅度更大。城市地区由于较小的天空可视因子、较高的人为排放热及与乡村地区地表属性的不同，二者虽然在白天气温最大值相当，但在傍晚和晚上，城市无法像乡村环境那样迅速冷却，所以乡村地区的夜间最小值要低得多 3 8-4 0 1.冠层热岛效应的本质是一种夜间现象，城乡之间升温与冷却率的差异导致了冠层热岛的日变化.而最低气温一般出现在夜间，由此产生了最低气温表征的冠层热岛强度远大于最高气温表征的冠层热岛强度的现象，而平均气温由于是最高气温和最低气温的平均值，其表征的冠层热岛强度介于以上二者之间.196第59 卷南京大学学报（自然科学）2.3分离“城市效应”两种方法的计算与比较根据1 9 8 0 一2 0 1 7 年北京地区的2 0 个气象站点的平均气温气候倾向率来看，通州站的平均气温增长最显著，研究时段内其年均温逐渐从2 0 个站点中的较低水平提升至较高水平，气候倾向率为0.71/（1 0 a).而基于对城乡代表站点的选择，1980一2 0 1 7 年北京地区城市代表站点年均温的增长率为0.4 5/（1 0 a），乡村代表站点年均温的增长率为0.1 0/（1 0 a），城区典型站气温递增速率大于乡村典型站，原因可能在于研究时段内北京地区城市化水平逐步提升，城区仍处于不断发展状态.而通州站随着北京城市化的发展，1980一2 0 1 7 年其年均温的气候倾向率超过了位于城市中心区域的城区典型站，也说明其平均温度变化受到城市化的显著影响。由于通州站与乡村典型站的海拔高度差别较大，在通州站与乡村典型站的比较中均使用订正后气温进行.如图5和图6，1 9 8 0 一2 0 1 7 年通州站与城区代表站订正前年均气温以及通州站与乡村代表站订正后年均气温的比较可以得到，在研究时段内，通州站符合从乡村特征站点变为城市特征站点的特点，根据年均温变化情况和差值比较结果，以1 9 8 0 一1 9 9 0 年作为通州站仍为乡村站的代表时段，2 0 0 5一2 0 1 5年作为通州站成为城市站的代表时段。15通州站订正前0.8城市代表站订正前140.213-0.412-1.011-1.6198019861992199820042010201619801986199219988200420102016YearYear图51980-2017年通州站与城区代表站订正前年均气温比较Fig.5 Comparison of annual average temperature before altitude correction between TongZhou station and urbanrepresentative station from 1980 to 201715.21.2通州站订正后乡村代表站订正后0.814.00.412.80.0-11.6-0.410.4-0.819801986199219982004201020161980198619921998200420102016YearYear图61980-2017年通州站与乡村代表站订正后年均气温比较Fig.6 Comparison of annual average temperature after altitude correction between TongZhou station and rural rep-resentativestationfrom1980to2017197第2 期张昊等：北京地区不同城市热岛指标和城市效应研究方法的对比分析以通州站两个代表时段总均温的差值2.05除以两个时段中间年份的差值，得到其温度变化速率为0.8 2/（1 0 a）.而通州站的温度变化由两部分引起，首先是气候背景变化，其次是自身发展变化，在这里尤指城市化对通州站气候变化造成的影响用同种计算方法得到的乡村代表站两个时段均值差为0.4 4，温度变化速率为0.17/（1 0 a），这一数值在一定程度上代表了气候背景场的变化.作差得到城市化影响下通州站的增温速率为0.6 5/（1 0 a).此外，根据城市化影响式（2)计算得到的通州站的城市化影响值为0.61/（1 0 a），二者数值上相近.但二者的差异在于：0.6 5/（1 0 a)是1 9 8 0 2 0 1 7 年北京地区城市化影响下通州站自身的平均气温发展变化，而0.61/(1 0 a)是研究时段内在同一气候背景场下，通州站相较于乡村代表站的平均气温发展变化.0.0 4/(1 0 a)的差值说明所选乡村代表站在1980一2 0 1 7 年平均气温受到了城市化的影响，存在上升趋势，同时，城乡差异法计算得到的0.61/（1 0 a)是对通州站平均气温受到城市化影响程度的低估.此差值在城市化前后对比法得到的0.6 5/(1 0 a)中占比约6.2%，这一误差处于可接受的范围内，因此得证在研究时段内以通州站为例，虽然城乡差异法相较城市化前后对比法存在低估现象，但误差可以接受，分离“城市效应”常用的两种方法结论基本一致，具有可替代性.3结果与讨论本文以北京地区为例，利用2 0 0 9 一2 0 1 7 年的平均、最高、最低气温和MODIS遥感反演的日间、夜间地温数据，对气温和地表温度、冠层城市热岛和地表城市热岛进行对比分析.同时基于各站点的温度特征和增长率选定通州站为研究对象，对“城市效应”的两种分离方法进行计算和比较.在气温和地温的比较中，从与空气温度保持时空上一致性的角度出发，基于北京地区2 0 个气象站的经纬度对地温格点进行选取，得到2 0 0 9 一2017年北京地区日间和夜间的地表温度，年季比较中大小规律始终为日间地温最高，夜间地温最低，二者之间，最高气温、平均气温、最低气温依次排列，其中最低气温和夜间地温最为接近，且气温和地表温度的变化趋势始终相近.在冠层热岛强度和地表热岛强度的比较中，选取城乡代表站进行均值取差计算，同时针对城乡代表站的经纬度进行地温的选点和城乡均值取差计算，以保证冠层热岛和地表热岛的时空一致性.2 0 0 9 一2 0 1 7 年的年均值比较为：日间地表热岛最大为4.6 5，其次为最低气温冠层热岛和夜间地表热岛，二者数值最为相近，分别是4.59 和4.55，平均气温冠层热岛为4.0 7，最高气温冠层热岛强度远小于其他四类，总均值为2.65.日间地表热岛、最低气温表征的冠层热岛、夜间地表热岛三者强度始终相近，最高气温表征的冠层热岛强度始终为五种热岛强度中最小的.而五种热岛强度的四季变化不一，缺乏一致规律。选定通州站作为研究对象，对估算“城市效应”的两种方法进行比较分析，针对城市-城市化前的差”这一方法，分别选定城乡代表年份，计算得到1 9 8 0 一2 0 1 7 年北京地区城市化影响下通州站自身的平均气温增率为0.6 5/（1 0 a），而研究时段内由城市化影响计算公式得到的，在同一气候背景场下，通州站相较于乡村代表站的平均气温发展变化为0.6 1/(1 0 a）.0.0 4/（1 0 a）的差值代表了研究时段内城市化进程对乡村代表站平均气温的扰动，使其呈现增温趋势，同时，城乡差异法计算得到的0.6 1/(1 0 a)是对通州站平均气温受到城市化影响程度的低估，但差值处于可接受的范围内.证明在1 9 8 0 一2 0 1 7 年的北京地区，以通州站的年均温变化来表征北京地区的“城市效应”是行之有效的，且在研究时段内，以通州站为例，分离