探究西安站城市熱島對溫度的作用

時(shí)間：2020-09-03 15:08:16 物理畢業(yè)論文我要投稿

探究西安站城市熱島對溫度的作用

　　全球性的氣候變暖已經(jīng)引起了人們的重視，而且變暖的幅度之大是相當(dāng)驚人的，下面是小編搜集整理的一篇探究西安站城市熱島對溫度作用的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　1引言

　　雖然氣候變化的觀測事實(shí)及其原因是一個非常復(fù)雜的問題，但在計(jì)算氣溫升高的數(shù)值時(shí)，城市化對地面氣溫觀測記錄及其趨勢變化的影響應(yīng)給予足夠關(guān)注。也就是說很多觀測場環(huán)境的變化對氣溫影響很大，即城市熱島。城市熱島反映的是一個溫差的概念，只要城市與郊區(qū)有明顯的溫差，就可以說存在著城市熱島。因此，一年四季都可能出現(xiàn)城市熱島。我國的學(xué)者研究了城市熱島效應(yīng)，普遍認(rèn)為大城市的熱島效應(yīng)是明顯的。在過去的研究中對氣溫資料的處理上也想了很多辦法，但由于研究的面積大、氣象站點(diǎn)多，加之氣溫變化有氣候變暖和熱島等多因素影響。所以作了一些原則上的處理，沒有逐站分別仔細(xì)考慮。實(shí)際上，從我們的調(diào)查中得知，現(xiàn)在已有不少氣象觀測場或多或少的受到城市建設(shè)的影響，保護(hù)氣象站周圍的環(huán)境已迫在眉睫。本文用西安周圍關(guān)中平原的5個站1961-2005年45年歷年的年、各月平均氣溫以及近年各時(shí)次氣溫資料，研究在全球增暖的大背景下西安地區(qū)的氣溫變化及其熱島。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，城市化的發(fā)展很快，導(dǎo)致城市中的氣溫高于外圍郊區(qū)，城市地面散發(fā)的熱氣形成近地面暖氣團(tuán)，將城市煙塵罩在下面不能流通，加劇了大氣污染。所以分析西安市歷年的氣溫變化，可知城市熱島對溫度的影響，最大限度的避免和減少城市熱島帶來的負(fù)面影響。

　　2氣象站點(diǎn)的選取

　　過去有學(xué)者在處理城市對溫度的影響一般以城市人口的多少來衡量，這是一種較好的資料處理方法。

　　但實(shí)際上比這復(fù)雜的多。因?yàn)橛械挠^測站距城市很遠(yuǎn)，即使城市擴(kuò)建也對氣象觀測數(shù)據(jù)影響較小。而有的觀測站距城市很近，城市擴(kuò)建就對氣象觀測數(shù)據(jù)影響較大。有時(shí)建筑物的影響并不是全方位的，可能在某一個方向上。所以說在條件許可時(shí)應(yīng)逐站查詢站址環(huán)境變化的檔案記錄或?qū)嵉乜疾�。根�?jù)地理?xiàng)l件，在西安周圍的關(guān)中平原初選定了西安、長安、周至、戶縣、高陵、臨潼、興平、武功、涇陽、咸陽、富平、蒲城、渭南、大荔、華陰15個氣象站。這些站點(diǎn)的緯度和地形基本一致，海拔高度差較小，所以緯度和地形對氣溫的影響暫不考慮。那么主要側(cè)重考慮氣象站點(diǎn)的周圍環(huán)境、海拔高度、氣候變暖、城市熱島對氣溫的影響。其中西安氣象觀測站位于西安市北門外肖家村“郊外”，隨著城市的擴(kuò)大，觀測站現(xiàn)處在一環(huán)外二環(huán)內(nèi)。已不是建站時(shí)的“郊外”，而成為市區(qū)內(nèi)。這里將西安作為熱島明顯的城市代表站。

　　然后再對其余的站進(jìn)行仔細(xì)嚴(yán)格篩選，希望挑出沒有城市熱島影響的幾個代表站。這一步工作非常重要，如果不能嚴(yán)格區(qū)分氣象站是否受到城市建設(shè)或其他因素而影響到各站氣溫觀測，就很難與西安作對比，分析出城市熱島的影響。我們希望從實(shí)際的溫度變化資料中把城市熱島的影響從自然因素中分離出來。最近，陜西省氣象局專門組織相關(guān)工作人員對全省各氣象站環(huán)境進(jìn)行了逐站實(shí)地詳細(xì)考察紀(jì)錄。根據(jù)考察結(jié)果資料仔細(xì)分析，15個氣象站中長安、周至、武功3個站由于城市建設(shè)，觀測場環(huán)境破壞嚴(yán)重。涇陽1968年缺測。高陵1970年建站，資料序列較短。臨潼1973年曾遷過站，經(jīng)仔細(xì)分析系列資料，前后略有差異。蒲城、戶縣、華陰、富平4站由于城市建設(shè)，觀測場環(huán)境在某一個方向有破壞。其余的興平、咸陽、渭南、大荔4個站的觀測場環(huán)境沒有任何破壞。同時(shí)4個站和西安一樣都在開闊的關(guān)中平原上，海拔高度相近。4個站中咸陽、渭南、大荔的觀測場都在鄉(xiāng)村，興平的觀測場在郊外。因此，最終選定了興平、咸陽、渭南、大荔4個站作為沒有城市熱島影響的鄉(xiāng)村代表站。

　　3資料處理

　　3.1相關(guān)分析

　　本文擬通過相關(guān)分析，檢驗(yàn)西安、興平、咸陽、渭南、大荔5個站是否屬于相同氣候類型。因?yàn)闅鉁厣卟粌H有城市熱島的影響，氣候變暖對氣溫的影響也很大。如果5個站屬于相同氣候類型，各站氣候變暖的趨勢和程度應(yīng)該是一致的。如果各站氣候變暖的趨勢和程度是一致的，那么在作城市與鄉(xiāng)村的溫差分析時(shí)就不必作氣候變暖趨勢的處理。

　　從表1的相關(guān)矩陣可以看出各站年平均氣溫相關(guān)很好，通過了信度α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。說明西安、興平、咸陽、渭南、大荔5個站屬于相同氣候類型。

　　3.2氣溫高度訂正

　　氣溫對海拔高度的影響十分敏感，在同一地區(qū)、同一緯度，海拔高度不同，氣溫顯然不同。所以要將各站歷年各月的平均氣溫全部訂正為與西安氣象觀測場同高度上的氣溫。西安、興平、咸陽、渭南、大荔5個站海拔高度分別為：397.5、410.9、472.8、349.2和351.4m。為此我們用干絕熱遞減率，即每上升100m氣溫下降0.6℃，把除西安外的其余4個站的氣溫都訂正到與西安相同海拔高度397.5m上。因此得到相同高度的5個站45年各月的平均氣溫。西安作為有熱島影響的城市代表站。另外4個站的平均氣溫再作4站平均，作為沒有熱島影響的代表站，本文稱作鄉(xiāng)村站。

　　4城市熱島效應(yīng)

　　4.1氣溫的年際變化

　　圖1是西安市年平均氣溫距平變化曲線。由圖可見西安市氣溫在1994年以前以負(fù)距平為主，自1994年以后基本都為正距平。從資料統(tǒng)計(jì)出西安市1961-2005年45年的平均氣溫為13.8℃。而1961-1993年33年的平均氣溫為13.4℃，1994-2005年12年的平均氣溫為14.8℃。后者比前者高出1.4℃。前后氣溫的差異，除了反映大尺度氣候變暖的增溫外，還包含了西安市的熱島效應(yīng)。圖2是鄉(xiāng)村站年平均氣溫距平變化曲線。由圖可見鄉(xiāng)村站氣溫在1961-1979年，氣溫距平正負(fù)交替，負(fù)多正少。在1980-1993年，氣溫基本為負(fù)距平。1994-2005年，基本都為正距平。從資料統(tǒng)計(jì)出鄉(xiāng)村站1961-2005年45年的年平均氣溫為13.3℃，比西安站低0.5℃。1961-1979年19年的年平均氣溫也為13.3℃，1980-1993年14年的年平均氣溫為13.0℃，即比前19年還低了0.3℃。1994-2005年的平均氣溫為13.8℃，比前期升高了0.8℃。我們認(rèn)為前后氣溫的差異，反映了大尺度氣候變暖的增溫，不包含熱島效應(yīng)。另外從圖1和圖2也可看出，在1994年前氣溫沒有連續(xù)明顯升高，在1994年開始?xì)鉁孛黠@升高，這也說明了氣候變暖是從1994年開始的。圖3是西安站年平均氣溫(粗實(shí)線)和鄉(xiāng)村站年平均氣溫(細(xì)實(shí)線)歷年的變化。由圖3中可看出，無論是西安氣溫還是鄉(xiāng)村站氣溫從1961-2005年總趨勢是一直在上升。氣溫上升的各個階段還是有差別的。在1994年以前基本不變或緩緩上升，1994年后氣溫上升很快。更重要的一點(diǎn)是兩站上升的速度不同，即城市站上升塊，鄉(xiāng)村站上升慢。也正說明了上升的數(shù)值鄉(xiāng)村站主要應(yīng)是全球氣候變暖的影響，而西安站主要應(yīng)由全球氣候變暖和城市熱島效應(yīng)的'影響兩部分疊加而成。

　　4.2城市發(fā)展對地面氣溫的影響

　　由于城市的發(fā)展，諸如城市人口、車輛、冬季采暖能耗等迅速增長。對西安的熱島效應(yīng)與西安的人口、車輛、供熱能耗關(guān)系作相關(guān)分析。社會資料來自西安市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒

　　4.2.1西安市區(qū)總?cè)丝谂c西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析

　　收集到1961年到2006年西安市區(qū)總?cè)丝?不包括所屬縣)與其對應(yīng)的西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析(圖5)。人口從1961年的130多萬，而后逐年增長，到2006年已達(dá)到400多萬，增長兩倍，還沒包括流動人口的增加。隨著人口的增加，熱島強(qiáng)度不斷增大，從1961年的0℃增加到2006年的1.2℃。

　　4.2.2西安市城市公共交通運(yùn)營車輛與西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析

　　收集到1981年到2006年西安市區(qū)城市公共交通運(yùn)營車輛(輛)(包括汽車、電車)與其對應(yīng)的西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析(圖6)。西安市區(qū)城市公共交通運(yùn)營車輛從1981年的498輛，而后逐年增長，到2006年已達(dá)到5489輛，增長11倍，還沒包括出租車輛的增加。隨著車輛的增加，熱島強(qiáng)度不斷增大，從1961年的0℃增加到2006年的1.2℃。

　　y=0.4206ln(x)-2.2867式中y為城市熱島強(qiáng)度，x為城市公共交通運(yùn)營車輛。相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9059。相關(guān)顯著。

　　4.2.3西安市區(qū)集中供熱面積與西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析

　　收集到1961年到2006年西安市集中供熱面積與其對應(yīng)的西安站城市熱島強(qiáng)度相關(guān)分析(圖7)。人口從1961年的168萬m2，而后逐年增長，到2006年已達(dá)到2113萬m2，增長12倍，還沒包括自供熱面積的增加。隨著供熱面積的增加，熱島強(qiáng)度不斷增大，從1961年的0℃增加到2006年的1.2℃。

　　Y=0.2973ln(x)-1.136式中y為城市熱島強(qiáng)度，x為城市集中供熱面積。相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8327。相關(guān)顯著。

　　4.3城市熱島的量度

　　西安氣溫與鄉(xiāng)村站氣溫的差值，稱作西安的局地氣溫，它反映了西安站氣溫濾去了大尺度氣候背景變化后的小尺度城鄉(xiāng)差異。局地氣溫可以作為西安城市熱島的量度，這里稱作熱島強(qiáng)度。

　　圖3、圖4給出西安的熱島強(qiáng)度隨時(shí)間的年際變化，它是用了45年的資料所得的結(jié)果。我們用西安氣溫代表城市局地氣溫;用4站氣溫的平均代表鄉(xiāng)村氣溫，即大氣候氣溫。用它們之間的氣溫差來定義西安城市熱島強(qiáng)度。由圖3可見，兩條變化曲線間的距離越來越大，即西安增溫的速度比鄉(xiāng)村站明顯加快。用兩條變化曲線間的距離作出圖4。由圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，西安城市熱島強(qiáng)度越來越強(qiáng)，尤其自2002年以來更為明顯。西安城市熱島強(qiáng)度平均為0.5℃。變化基本可以分為4個階段，1961-1976年兩站的氣溫基本相同，1977-1992年熱島強(qiáng)度都小于等于0.5℃，1993-2001年熱島強(qiáng)度基本在0.5~1.0℃之間，2002-2005年熱島強(qiáng)度在1.0~1.2℃之間。從各月熱島強(qiáng)度的年際變化趨勢看，與年熱島強(qiáng)度的年際變化趨勢相同。

　　從各月的分布(表2)來看，11月、12月、2月熱島強(qiáng)度較強(qiáng)，在0.6~0.8℃之間，其它各月在0.5℃以下。從表1中看出：城市熱島對溫度的影響冬季最大，夏季最小，春秋介于冬夏之間。另外，根據(jù)多年各月溫差分布，最小的7月和最大的12月。抽樣選取最近的2005年7月和12月5站的逐日平均氣溫分別代表夏季和冬季。按上述方法算出西安兩個月逐日的熱島強(qiáng)度，最大的達(dá)到3.1℃。

　　這是在西安的一環(huán)外二環(huán)內(nèi)的原觀測場的結(jié)果。如果在市中心熱島強(qiáng)度會更強(qiáng)。

　　最后抽樣選取最近的2005年7月和12月城市站和鄉(xiāng)村站的逐日02、08、14、20時(shí)4個時(shí)次的氣溫。

　　按上述方法算出西安兩個月逐日02、08、14、20時(shí)4個時(shí)次的的熱島強(qiáng)度(表3)，最大的達(dá)到4.5℃。從4個觀測時(shí)次的平均情況來看，7月份：02、20時(shí)兩個時(shí)次的的熱島強(qiáng)度較強(qiáng)，可達(dá)到1.8和1.5℃。08時(shí)次之，14時(shí)不明顯。這可能說明了西安夏季晴天的夜間上空常有逆溫層存在，并不容易散熱，一直到早晨熱量才可散去。而鄉(xiāng)村由于通風(fēng)條件好，所以散熱快。12月：02、08、20時(shí)三個時(shí)次的的熱島強(qiáng)度較強(qiáng)，可達(dá)到2.5、2.4和1.7℃。14時(shí)不明顯。這是否說明了西安冬季采暖的能耗大，從夜間到早晨保持著一定的熱量。

　　4.4城市熱島的等級劃分

　　為了使用方便，將城市熱島強(qiáng)度的氣溫度數(shù)分類劃分成不同的級別。根據(jù)國內(nèi)外熱島研究成果[6]，通過上述年、月、日、四個時(shí)次西安的熱島強(qiáng)度的分析計(jì)算，并結(jié)合西安和本省實(shí)際制定下列等級(表4)注：表中圓括號表示不包括界限值，方圓括號表示包括界限值。

　　根據(jù)城市熱島強(qiáng)度等級劃分，我們可以看出：西安一環(huán)外二環(huán)內(nèi)(現(xiàn)在氣象觀測場作代表)年熱島強(qiáng)度等級自2002年以來為3級，屬于中等強(qiáng)度。而如果按各時(shí)次統(tǒng)計(jì)，少部分時(shí)間可達(dá)到5級，熱島強(qiáng)度很強(qiáng)。如12月(可代表冬季)的02時(shí)和08時(shí)(可代表夜間和清晨)達(dá)到4級或5級強(qiáng)度的時(shí)間分別占到近三分之一。西安站從2005年由原來的一級站(基準(zhǔn)站)改為三級站(一般站)。

　　5結(jié)論與討論

　　(1)目前城市發(fā)展很快，由于城市的擴(kuò)大，許多原來建在郊外的氣象觀測站，現(xiàn)在已包在城市中。

　　盡管氣象觀測站周圍禁止高大建筑物的建造，但附近一些低層建筑累見不鮮。這對周圍下墊面的受熱狀況影響很大。所以在做大范圍氣象要素分析時(shí)，應(yīng)將各種站點(diǎn)分類，區(qū)別對待。

　　(2)熱島效應(yīng)與西安的人口、車輛、冬季采暖面積關(guān)系密切。

　　(3)西安氣候變暖從1994年開始。

　　(4)西安市在二環(huán)內(nèi)熱島效應(yīng)已非常明顯，1993-2001年熱島強(qiáng)度基本在0.5~1.0℃之間，2002-2005年熱島強(qiáng)度在1.0~1.2℃之間。

　　(5)城市熱島對溫度的影響冬季最大，夏季最小，春秋介于冬夏之間。

　　(6)從4個觀測時(shí)次的平均情況來看，夏季02、20時(shí)兩個時(shí)次的的熱島強(qiáng)度相對較強(qiáng)，可達(dá)到1.8和1.5℃。08時(shí)次之，14時(shí)不明顯。冬季02、08、20時(shí)三個時(shí)次的的熱島強(qiáng)度強(qiáng)，可達(dá)到2.5、2.4和1.7℃。14時(shí)不明顯。

　　(7)西安年熱島強(qiáng)度等級自2002年以來為3級，屬于中等強(qiáng)度。而如果按各時(shí)次統(tǒng)計(jì)，少部分時(shí)間可達(dá)到5級，熱島強(qiáng)度很強(qiáng)。如12月(可代表冬季)的02時(shí)和08時(shí)(可代表夜間和清晨)達(dá)到4級或5級強(qiáng)度的時(shí)間分別占到近三分之一。

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