杭州城市热岛空间分布及时域-频域多尺度变化特征 - 生态环境学报

生 态 环 境 学 报 2009, 18(6): 2200-2205Ecology and Environmental Scienceshttp://www.jeesci.comE-mail: editor@jeesci.com杭 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多 尺 度 变 化 特 征骆 杨1 , 周 锁 铨1 , 孙 善 磊1 , 薛 根 元2 , 顾 人 颖1 , 黄 珏1. 南 京 信 息 工 程 大 学 气 象 灾 害 省 部 共 建 教 育 部 重 点 实 验 室 , 江 苏 南 京 210044;2. 宁 波 市 气 象 局 , 浙 江 宁 波 3150121摘 要 : 利 用 杭 州 20 个 自 动 气 象 站 逐 时 数 据 计 算 2006 年 四 季 各 站 平 均 热 岛 强 度 , 用 薄 盘 样 条 函 数 法 研 究 杭 州 城 市 热 岛 的 空 间变 化 , 发 现 : 夏 秋 季 时 较 强 , 而 春 冬 季 强 度 较 弱 ; 总 体 趋 势 是 杭 州 市 主 体 城 区 最 大 , 向 外 辐 散 , 逐 渐 减 弱 。 利 用 2006 年 2月 ~2007 年 2 月 逐 时 气 象 数 据 , 结 合 Morlet 小 波 变 换 方 法 分 析 了 杭 州 热 岛 周 期 变 化 特 征 , 发 现 : 其 在 频 域 上 具 有 多 尺 度 的 周期 振 荡 , 尺 度 主 要 是 24 h( 日 )、168 h( 周 ) 和 1 490 h(2 月 )。 以 日 为 周 期 的 热 岛 强 度 与 局 地 气 候 系 统 、 地 面 长 波 辐 射 、近 地 层 热 量 交 换 、 人 为 热 的 日 周 期 变 化 有 关 ; 而 以 周 为 周 期 的 热 岛 强 度 变 化 成 因 主 要 与 人 类 活 动 及 城 市 大 气 污 染 物 排 放 的 “ 周末 效 应 ” 有 显 著 的 关 系 ; 以 2 个 月 为 周 期 的 变 化 特 征 与 一 些 较 大 尺 度 的 自 然 变 化 相 关 。 结 果 表 明 , 杭 州 城 市 热 岛 时 空 变 化 是天 气 系 统 、 地 面 长 波 辐 射 、 下 垫 面 、 大 气 污 染 、 人 为 热 、 人 类 活 动 、 近 地 层 热 量 交 换 等 共 同 作 用 的 结 果 。关 键 词 : 自 动 气 象 站 ; 薄 盘 样 条 函 数 ; 城 市 热 岛 ; 小 波 分 析 ; 杭 州 市中 图 分 类 号 :X16 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1674-5906(2009)06-2200-06城 市 热 岛 效 应 是 城 市 气 候 的 基 本 特 征 之 一 [1] 。由 于 城 市 规 模 不 断 发 展 、 人 口 过 于 集 中 、 人 为 热 迅速 增 长 、 城 市 建 筑 物 猛 增 等 , 热 岛 现 象 已 从 一 般 的气 象 问 题 变 为 城 市 生 态 条 件 的 重 要 指 标 [2-3] 。19 世纪 初 , 英 国 化 学 家 Lake Howard 通 过 对 伦 敦 城 市 中心 区 和 临 近 地 区 城 镇 气 温 的 观 测 比 较 后 , 首 次 提 出了 “ 城 市 热 岛 效 应 ”。 此 后 各 国 气 候 学 家 相 继 在 不 同纬 度 的 平 原 或 山 地 、 具 有 湿 润 或 干 燥 气 候 的 城 市 发现 城 市 热 岛 现 象 的 存 在 [4-9] , 并 致 力 于 观 测 城 市 与 其周 围 郊 区 的 气 温 差 [7,10-12] 。 我 国 对 城 市 热 岛 的 研 究可 以 追 溯 到 20 世 纪 80 年 代 初 , 许 多 学 者 对 城 市 热岛 的 时 空 变 化 、 形 成 机 制 以 及 城 市 热 岛 的 影 响 进 行了 深 入 研 究 [13-20] [21]。 邓 莲 堂 等 对 利 用 上 海 Davis 自动 气 象 观 测 数 据 , 对 上 海 市 城 市 热 岛 的 变 化 特 征 进行 了 初 步 分 析 , 发 现 上 海 市 城 市 热 岛 全 年 出 现 概 率为 87.8 %, 月 平 均 热 岛 强 度 值 大 于 0.8 ℃。 近 年 来 ,随 着 遥 感 技 术 的 不 断 发 展 , 遥 感 技 术 也 被 广 泛 的 应用 在 城 市 热 岛 研 究 中 , 这 为 研 究 热 岛 又 提 供 了 一 个有 利 的 手 段 , 并 取 得 了 丰 硕 的 研 究 成 果 [22-23] 。 李 强[24]等 对 杭 州 湾 城 市 群 进 行 温 度 反 演 , 发 现 了 杭 州 湾在 1970-2006 年 里 热 岛 强 度 以 0.13 ℃·(10 a) -1 的 速率 加 剧 。近 10 年 来 , 杭 州 市 经 济 飞 速 发 展 , 跨 海 大桥 的 建 设 给 杭 州 带 来 更 多 的 发 展 机 遇 , 使 得 杭州 的 城 市 扩 展 更 加 迅 速 。 至 2006 年 底 杭 州 市 的总 面 积 约 达 1.66×10 4 km 2 , 其 中 市 辖 区 3 068km 2 , 常 住 总 人 口 666.1 万 人 [25] 。 随 着 经 济 的 大 力发 展 , 城 市 不 断 扩 张 , 使 得 城 市 热 岛 效 应 有 加 剧 的趋 势 。 有 统 计 表 明 , 杭 州 市 夏 季 高 温 中 暑 的 人 数 呈上 升 趋 势 ; 同 时 , 由 于 城 市 热 岛 的 热 力 作 用 , 加 之城 市 能 耗 增 加 , 形 成 了 热 岛 复 合 环 流 , 局 地 风 从 郊区 吹 向 市 区 , 把 市 区 已 扩 散 到 郊 区 的 污 染 大 气 又 送回 市 区 , 加 剧 了 整 个 杭 州 市 区 的 大 气 污 染 , 使 得 人居 环 境 恶 化 [23] 。 本 文 利 用 杭 州 自 动 气 象 站 监 测 系 统2006 年 ~2007 年 的 自 动 监 测 数 据 , 运 用 局 部 薄 盘 样条 函 数 (Partial thin plate smoothing splines) 插 值 法和 小 波 分 析 (wavelet analysis), 分 析 了 杭 州 城 市热 岛 的 时 空 变 化 特 征 , 为 研 究 以 杭 州 为 中 心 的 杭 州湾 城 市 群 热 岛 的 时 空 变 化 规 律 及 其 与 经 济 和 环 境之 间 的 关 系 提 供 了 科 学 依 据 。1 研 究 方 法1.1 数 据 来 源 与 站 点 分 布根 据 自 动 站 各 月 实 际 运 行 的 稳 定 性 , 从 中 选 取20 个 自 动 观 测 站 ( 图 1) 的 逐 时 数 据 来 研 究 杭 州 热[26]岛 随 季 节 的 空 间 变 化 规 律 。 利 用 孙 善 磊 等 提 取 的2006 年 环 杭 州 湾 地 区 城 镇 用 地 , 根 据 各 站 所 处 位置 , 选 取 河 上 站 、 四 岭 站 和 瓶 窑 站 3 个 站 的 平 均 气温 代 表 郊 区 气 温 ; 杭 高 站 、 下 沙 站 、 三 堡 站 、 浦 沿站 和 城 厢 镇 站 5 个 站 的 平 均 气 温 代 表 城 市 气 温 。 各站 与 同 时 刻 3 个 郊 区 站 的 平 均 气 温 的 差 值 代 表 该 站的 热 岛 强 度 , 即 :△T tSi =T tSi -(T t 河 上 +T t 四 岭 +T t 瓶 窑 )/3 (1)其 中 ,T tSi 为 t 时 刻 站 点 S i (i=1,2,…,20)的 温 度 。基 金 项 目 : 浙 江 省 科 技 厅 项 目 (2004C33082); 江 苏 省 气 象 灾 害 重 点 实 验 室 资 助 项 目 (KLME05017)作 者 简 介 : 骆 杨 (1984 年 生 ), 女 , 硕 士 研 究 生 , 研 究 方 向 是 陆 气 相 互 作 用 、 气 候 预 测 。E-mail:luoyang0917@sina.com* 通 信 作 者 : 周 锁 铨 , 男 , 教 授 , 博 士 生 导 师 ,E-mail: zhousuoquan@nuist.edu.cn收 稿 日 期 :2009-10-05

骆 杨 等 : 杭 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多 尺 度 变 化 特 征 2201图 1 气 象 站 分 布 情 况Fig.1 Spatial distribution of the weather sites为 研 究 季 节 尺 度 的 热 岛 时 间 变 化 规 律 , 城 市 站与 郊 区 站 同 时 刻 的 差 值 代 表 该 时 刻 杭 州 的 城 市 热岛 强 度 , 即 :△T t =(T t 杭 高 +T t 下 沙 +T t 三 堡 +T t 浦 沿 +T t 城 厢 镇 )/5-(T t 河 上 +T t 四 岭 +T t 瓶 窑 )/3 (2)1.2 数 据 处 理 与 研 究 方 法1.2.1 局 部 薄 盘 光 滑 样 条 函 数 法空 间 插 值 在 一 般 的 地 理 信 息 系 统 软 件 中 都 能实 现 , 如 在 ARCGIS 中 可 以 实 现 多 种 方 法 的 空 间 插值 , 但 专 门 针 对 气 候 数 据 , 兼 顾 准 确 性 、 方 便 性 与时 间 序 列 性 的 系 统 软 件 并 不 多 。 澳 大 利 亚 科 学 家Hutchinson 基 于 薄 盘 样 条 理 论 编 写 了 针 对 气 候 数 据曲 面 拟 合 的 专 用 软 件 ANUSPLIN [27-28] , 可 以 说 是 一个 代 表 。ANUSPLIN 允 许 引 进 多 元 协 变 量 线 性 子 模型 , 模 型 系 数 可 根 据 数 据 自 动 确 定 , 因 此 可 以 平 稳地 处 理 二 维 以 上 的 样 条 , 这 就 为 引 入 多 个 影 响 因 子作 为 协 变 量 , 进 行 气 象 要 素 空 间 插 值 提 供 了 可 能 。更 为 重 要 的 是 它 能 同 时 进 行 多 个 表 面 的 空 间 插 值 ,对 于 时 间 序 列 的 气 象 数 据 尤 其 适 合 。ANUSPLIN 已在 国 际 上 得 到 广 泛 应 用 [29-30] 。本 文 以 2006 年 的 3~5 月 、6~8 月 、9~11 月 和12~2007 年 2 月 分 别 代 表 2006 年 的 春 夏 秋 冬 四 季 。自 动 站 气 温 数 据 为 1 h 记 录 1 次 , 分 别 计 算 20 个 站各 月 的 月 平 均 气 温 , 然 后 用 各 站 月 平 均 值 减 去 河 上站 、 四 岭 站 和 瓶 窑 站 3 站 的 平 均 值 , 即 得 到 各 站 的月 平 均 热 岛 强 度 。 根 据 温 度 变 化 的 空 间 连 续 性 , 用ANUSPLIN 软 件 对 杭 州 城 市 热 岛 强 度 进 行 空 间 插值 。1.2.2 小 波 分 析 方 法小 波 分 析 同 时 具 有 时 间 和 频 率 两 个 分 辨 率 的特 征 , 在 时 域 和 频 域 上 同 时 具 有 局 部 性 , 可 以 对 信号 进 行 多 时 间 尺 度 分 析 并 能 聚 焦 到 所 研 究 对 象 的任 意 微 小 细 节 [31] 。 目 前 , 小 波 分 析 已 广 泛 用 于 气温 变 化 分 析 、 降 水 变 化 分 析 、 降 水 场 空 间 结 构 分 析 、多 尺 度 分 析 、 洪 涝 期 间 的 气 象 要 素 分 析 等 , 并 取 得[32]了 一 些 成 果 。 孙 娟 等 利 用 上 海 市 城 区 和 郊 区 的 6个 Davis 自 动 站 数 据 通 过 小 波 分 析 , 研 究 了 上 海 市[33]城 市 热 岛 效 应 的 时 间 多 尺 度 特 征 ; 江 学 顶 等 分析 了 广 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多 尺 度[34]变 化 特 征 ; 樊 高 峰 等 利 用 小 波 分 析 了 杭 州 近 50年 夏 季 气 温 变 化 , 发 现 杭 州 市 夏 季 平 均 气 温 发 生 过[35]4 次 转 折 ; 马 德 栗 等 分 析 了 合 肥 市 53 年 气 温 变化 特 征 , 得 到 了 气 温 存 在 30 年 左 右 的 大 尺 度 周 期振 荡 。Morlet 小 波 的 方 差 贡 献 的 大 小 代 表 相 应 时 间 尺度 成 分 的 多 少 , 反 映 了 它 对 应 时 间 段 的 时 间 尺 度 的周 期 性 是 否 明 显 。 用 小 波 的 方 差 贡 献 来 作 为 判 别 气候 资 料 中 包 含 的 各 尺 度 周 期 性 的 大 小 及 这 些 周 期在 时 域 分 布 的 判 据 , 能 够 消 除 用 实 型 小 波 变 换 系 数作 为 判 据 而 产 生 的 虚 假 信 息 , 使 分 析 结 构 更 准 确 。本 文 选 取 Morlet 小 波 作 为 母 小 波 , 其 表 达 式 如 下 :()g t=21/4 iω0t t /2'π −e e−式 中 ,g(t) 为 基 本 小 波 , 即 母 小 波 ,t 为 时 间 ,ω 0 为 无 量 纲 频 率 , 本 文 取 ω 0 =6.0, 数 据 采 样 时 间 间隔 为 1 h。2006 年 春 夏 秋 冬 四 季 样 本 数 分 别 为 2208、2208、2184 和 2160 个 , 样 本 总 数 充 足 , 不 需 要 对数 据 进 行 外 延 。2 结 果 与 分 析2.1 杭 州 城 市 热 岛 的 空 间 变 化 特 征图 2 为 2006 年 杭 州 市 四 季 热 岛 强 度 的 空 间 分布 图 , 可 以 看 出 杭 州 市 热 岛 主 要 存 在 以 下 特 征 :(1) 杭 州 市 最 大 热 岛 强 度 以 夏 秋 季 最 为 突 出 ,可 达 3.4 ℃; 而 春 冬 季 最 大 热 岛 强 度 相 对 较 小 , 分别 为 2.4 ℃、2.8 ℃。 对 照 图 1, 不 难 看 出 最 大 热 岛[22,36]强 度 出 现 在 市 中 心 位 置 , 城 乡 下 垫 面 的 差 异 以[23,37]及 当 地 人 口 是 造 成 这 种 差 异 的 主 要 因 素 之 一 ;另 一 方 面 , 城 市 人 为 热 的 释 放 、 城 市 大 气 污 染 、 不同 季 节 控 制 杭 州 市 的 主 要 天 气 系 统 也 是 造 成 这 一现 象 的 原 因 。 夏 季 热 岛 强 度 最 大 , 主 要 是 由 于 此 时正 当 高 温 季 节 , 高 温 天 较 多 , 而 郊 区 植 被 覆 盖 度 较高 , 土 壤 水 分 接 近 饱 和 , 温 度 升 高 相 对 较 慢 ; 而 市区 由 于 存 在 大 量 的 建 筑 物 , 温 度 上 升 较 快 , 所 以 使得 城 郊 之 间 的 温 度 差 异 较 大 , 有 利 于 热 岛 的 形 成 。而 秋 季 最 大 热 岛 强 度 的 出 现 , 主 要 是 因 为 此 时 大 气层 结 相 对 稳 定 , 晴 天 增 多 , 云 量 较 小 , 风 速 较 小 ,且 同 时 郊 区 的 植 被 开 始 干 枯 , 地 面 裸 露 , 有 利 于 地面 的 辐 射 冷 却 , 因 而 郊 区 的 失 热 大 于 市 区 , 有 利 于热 岛 的 形 成 。(2) 杭 州 热 岛 强 度 分 布 总 体 趋 势 是 杭 州 市 主 体

2202 生 态 环 境 学 报 第 18 卷 第 6 期 (2009 年 11 月 )(a)(b)(c)(d)图 2 杭 州 四 季 热 岛 强 度 分 布 ( ℃ ) (a. 春 季 ; b. 夏 季 ; c. 秋 季 ; d. 冬 季 )Fig.2 UHI intensity of four seasons in Hangzhou ( ℃ ) (a. spring; b. summer; c. autumn; d. winter)城 区 最 大 , 向 外 辐 散 , 逐 渐 减 弱 , 在 远 郊 地 区 ( 余杭 的 西 北 部 、 萧 山 的 东 北 部 及 南 部 ) 温 度 最 低 。 在下 沙 区 的 东 部 、 滨 江 区 、 萧 山 区 的 中 部 存 在 着 较 弱的 热 岛 现 象 。 热 岛 空 间 分 布 与 杭 州 的 植 被 覆 盖 、 森林 覆 盖 及 城 市 的 功 能 区 划 的 分 布 特 征 极 其 相 似 , 杭州 的 植 被 和 森 林 覆 盖 度 从 西 向 东 逐 渐 减 少 , 其 中 市区 覆 盖 度 最 低 , 例 如 在 主 体 城 区 的 东 西 两 侧 各 存 在一 个 较 为 明 显 的 冷 岛 , 这 里 分 别 为 西 湖 景 区 及 下 沙区 与 主 体 城 区 的 预 留 空 地 , 因 此 植 被 和 森 林 覆 盖 是影 响 杭 州 市 热 岛 分 布 的 一 个 重 要 因 素 。 城 市 热 岛 空间 分 布 还 与 城 市 的 功 能 区 划 分 有 着 密 切 的 关 系 , 例如 在 下 沙 区 的 东 部 、 滨 江 区 、 萧 山 区 的 中 部 及 西 部也 存 在 着 较 弱 的 热 岛 现 象 , 这 些 热 岛 地 区 分 别 对 应着 下 沙 区 的 杭 州 经 济 技 术 开 发 区 、 滨 江 区 的 杭 州 高新 技 术 产 业 开 发 区 、 萧 山 中 部 的 区 中 心 及 萧 山 经 济技 术 开 发 区 、 西 部 的 萧 山 国 际 机 场 和 萧 山 江 东 工 业城 , 这 些 地 区 人 口 较 多 , 污 染 物 相 对 较 多 , 在 较 稳定 的 天 气 条 件 下 , 大 气 污 染 物 强 烈 吸 收 地 面 长 波 辐射 , 并 吸 收 大 部 分 因 大 气 污 染 造 成 的 地 表 减 少 的 太阳 辐 射 , 增 大 了 城 市 大 气 中 的 热 量 , 有 利 于 热 岛 的形 成 。(3) 春 夏 季 的 热 岛 空 间 分 布 相 似 , 热 岛 变 化 不明 显 , 只 是 夏 季 主 体 城 区 热 岛 表 现 的 更 强 一 些 。 夏季 至 秋 季 , 萧 山 东 北 部 由 冷 岛 转 热 岛 , 这 一 地 区 靠近 海 洋 , 且 分 布 有 大 量 的 湿 地 , 说 明 了 湿 地 及 海 洋对 气 候 的 调 节 作 用 。 秋 冬 季 时 , 主 体 城 区 依 然 表 现为 较 强 的 热 岛 ; 西 湖 景 区 亦 为 一 冷 岛 , 而 下 沙 与 主体 城 区 之 间 冷 岛 的 消 失 , 转 为 较 弱 的 热 岛 ; 萧 山 东北 部 转 为 较 弱 的 热 岛 。从 杭 州 热 岛 的 空 间 分 布 特 征 来 看 , 其 空 间 分 布主 要 受 下 垫 面 特 征 、 天 气 系 统 、 城 市 功 能 区 划 、 大气 污 染 等 因 素 的 影 响 。2.2 杭 州 市 热 岛 时 域 - 频 域 尺 度 的 变 化 特 征运 用 小 波 分 析 方 法 分 析 了 杭 州 2006 年 度 四 季热 岛 的 小 波 特 征 。 图 3 分 别 是 2006 年 四 季 的 小 波变 换 系 数 的 实 部 。 从 整 体 上 看 , 秋 冬 季 小 波 图 的 小波 系 数 要 大 于 春 夏 季 , 说 明 秋 冬 季 的 气 温 变 化 幅 度较 大 , 春 夏 季 的 气 温 变 化 比 较 平 缓 。 小 波 系 数 的 疏密 程 度 及 幅 度 变 化 与 天 气 系 统 有 很 大 关 系 , 其 中 气压 场 、 云 雨 过 程 、 风 向 风 速 等 都 会 影 响 小 波 等 值 线的 分 布 [34] 。由 小 波 分 析 结 果 可 看 出 , 杭 州 市 不 同 季 节 的 城

骆 杨 等 : 杭 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多 尺 度 变 化 特 征 2203(a)(b)(c)(d)图 3 小 波 变 换 系 数 实 部 (a. 春 季 ; b. 夏 季 ; c. 秋 季 ; d. 冬 季 )Fig.3 The real part of wavelet analysis of different seasons(a. spring; b. summer; c. autumn; d. winter)市 热 岛 强 度 的 周 期 变 化 具 有 显 著 的 差 异 性 。 四 季 城市 热 岛 在 时 间 频 域 上 都 存 在 24 h(1 日 )、168 h(1周 ) 和 1490 h( 约 2 个 月 ) 的 周 期 。 另 外 , 春 季 城市 热 岛 在 时 间 频 域 上 还 存 在 一 个 288 h、754 h 的 周期 ; 夏 季 城 市 热 岛 在 时 间 频 域 上 还 存 在 一 个 232 h、838 h 的 周 期 ; 秋 季 城 市 热 岛 在 时 间 频 域 上 还 存 在一 个 608 h、936 h 的 周 期 ; 冬 季 城 市 热 岛 在 时 间 频域 上 还 存 在 一 个 540 h、1018 h 的 周 期 。以 日 为 周 期 的 热 岛 强 度 变 化 特 征 的 主 要 因 素有 :(1) 局 地 气 候 系 统 的 日 变 化 , 例 如 : 海 陆 风 、山 谷 风 的 转 变 ;(2) 地 面 长 波 辐 射 、 近 地 层 的 显热 与 潜 热 湍 流 交 换 以 及 人 为 热 的 日 周 期 变 化 。 而 以周 为 周 期 的 热 岛 强 度 变 化 成 因 主 要 与 人 类 活 动 及城 市 大 气 污 染 物 排 放 的 “ 周 末 效 应 ” 有 显 著 的 关 系[38-39] , 在 工 作 日 , 工 厂 或 机 动 车 辆 等 排 放 的 人 为 热和 大 气 污 染 物 比 周 末 要 多 [40] 。 以 2 个 月 为 周 期 的 变化 特 征 与 一 些 较 大 尺 度 的 自 然 变 化 相 关 , 例 如 太 阳活 动 与 地 球 自 转 造 成 的 太 阳 辐 射 变 化 、 大 尺 度 气 候系 统 变 化 等 [33] 。3 结 论利 用 杭 州 市 2006 年 2 月 ~2007 年 2 月 20 个 自动 观 测 站 的 逐 时 数 据 , 使 用 ANUSPLIN 软 件 结 合薄 盘 样 条 函 数 法 插 值 , 能 够 较 好 地 反 映 出 杭 州 市 各季 节 的 热 岛 空 间 分 布 并 能 反 映 其 变 化 特 征 。 杭 州 市热 岛 的 季 节 特 征 主 要 表 现 为 : 夏 秋 季 时 较 强 , 而 春冬 季 强 度 较 弱 , 这 是 天 气 系 统 、 地 表 长 波 辐 射 、 人为 热 和 下 垫 面 特 性 共 同 作 用 的 结 果 。杭 州 热 岛 强 度 分 布 总 体 趋 势 是 杭 州 市 主 体 城区 最 大 , 向 外 辐 散 , 逐 渐 减 弱 。 一 方 面 , 杭 州 的 植被 和 森 林 覆 盖 度 从 西 向 东 逐 渐 减 少 , 其 中 市 区 覆 盖度 最 低 , 如 在 主 体 城 区 的 东 西 两 侧 各 存 在 一 个 较 为明 显 的 冷 岛 , 这 里 分 别 为 西 湖 景 区 及 下 沙 区 与 主 体城 区 的 预 留 空 地 ; 另 一 方 面 , 热 岛 出 现 的 地 区 分 别对 应 着 主 题 城 区 、 主 要 的 开 发 区 和 机 场 。 因 此 , 杭州 的 植 被 覆 盖 、 森 林 覆 盖 及 城 市 的 功 能 区 划 是 影 响杭 州 市 热 岛 空 间 分 布 的 主 要 原 因 。运 用 小 波 分 析 方 法 分 析 了 杭 州 2006 年 度 四 季热 岛 的 小 波 特 征 。 从 整 体 上 看 , 秋 冬 季 小 波 图 的 小波 系 数 要 大 于 春 夏 季 , 说 明 秋 冬 季 的 气 温 变 化 幅 度较 大 。 并 发 现 : 杭 州 市 不 同 季 节 的 城 市 热 岛 强 度 的周 期 变 化 具 有 显 著 的 差 异 性 。 四 季 城 市 热 岛 在 时 间频 域 上 都 存 在 24 h(1 日 )、168 h(1 周 ) 和 1 490

2204 生 态 环 境 学 报 第 18 卷 第 6 期 (2009 年 11 月 )h( 约 2 个 月 ) 的 周 期 。 以 日 为 周 期 的 热 岛 强 度 与局 地 气 候 系 统 的 日 变 化 、 地 面 长 波 辐 射 和 近 地 层 的显 热 与 潜 热 湍 流 交 换 以 及 人 为 热 的 日 周 期 变 化 ; 而以 周 为 周 期 的 热 岛 强 度 变 化 成 因 主 要 与 人 类 活 动及 城 市 大 气 污 染 物 排 放 的 “ 周 末 效 应 ” 有 显 著 的 关系 ; 以 2 个 月 为 周 期 的 变 化 特 征 与 一 些 较 大 尺 度 的自 然 变 化 相 关 , 例 如 太 阳 活 动 与 地 球 自 转 造 成 的 太阳 辐 射 变 化 、 大 尺 度 气 候 系 统 变 化 等 。参 考 文 献 :[1] 周 淑 贞 , 束 炯 . 城 市 气 候 学 [M]. 北 京 : 气 象 出 版 社 , 1994: 315-334.ZHOU Shuzhen, SHU Jiong. Urban Climate[M]. Beijing: China MeteorologicalPress, 1994: 315-334.[2] 祝 宁 , 李 敏 , 柴 一 新 . 哈 尔 滨 市 绿 地 系 统 生 态 功 能 分 析 [J]. 应 用 生态 学 报 , 2002, 13(9): 1117-1120.ZHU Ning, LI Min, CHAI Yixin. Ecological functions of green landsystem in Harbin[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(9):1117-1120.[3] 祝 宁 , 王 成 , 周 洪 泽 , 等 . 哈 尔 滨 市 瞬 时 热 力 场 空 间 格 局 分 析 [J].应 用 生 态 学 报 , 2003, 14(11): 1955-1958.ZHU Ning, WANG Cheng, ZHOU Hongze, et al. Analysis on instantaneousspatial pattern of thermal force field in Harbin[J]. ChineseJournal of Applied Ecology, 2003, 14(11): 1955-1958.[4] SAITOH T S, SIMADA T, HOSHI H. Modeling and simulation of theTokyo urban heat island[J]. Atmospheric Environment, 1996, 30(20):3431-3442.[5] 孙 奕 敏 , 边 海 . 天 津 市 城 市 热 岛 效 应 的 综 合 性 研 究 [J]. 气 象 学 报 ,1988, 46(3): 12-18.SUN Yimin, BIAN Hai. A comprehensive study on urban heat islandeffect in Tianjin[J]. Acta Meteorologica Sinica, 1988, 46(3): 12-18.[6] TAHA H. Urban climates and heat islands albedo, evapotranspirationand anthropogenic heat[J]. Energy and Buildings, 1997, 25: 95-103.[7] LANDSBERG H E. The Urban Climate[M]. New York: AcademicPress, 1981: 275-304.[8] KARL T R, DIAZ H F, KUKL A G. Urbanization: Its detection andeffect in the United States climate record[J]. Journal of Climate, 1988,(1): 1099-1123.[9] KUKLl A G, GAVIN J. Urban warning[J]. Journal of Climate andApplied Meteorology, 1986, 25: 1265-1270.[10] OKE T R, MAXWELL G B. Urban heat island dynamics in Montrealand Vancouver[J]. Atmospheric Environment, 1975, 9: 191-200.[11] OKE T R. City size and the urban heat island[J]. Atmospheric Environment,1973, 7: 769-779.[12] SPRONEKEN-SMITH R A. Comparison of summer and winter timesuburban energy fluxes in Christchurch, New Zealand[J]. InternationalJournal of Climatology, 2002, 22: 979-992.[13] 周 淑 贞 . 上 海 城 市 气 候 中 的 “ 五 岛 ” 效 应 [J]. 中 国 科 学 : B 辑 , 1988,(11): 1226-1234.ZHOU Shuzhen. “The five island” effect of urban climate of Shanghai[J].Science in China, Ser. B, 1988, (11): 1226-1234.[14] 周 淑 贞 . 温 室 效 应 与 城 市 热 岛 [J]. 上 海 环 境 科 学 , 1990, 9(9): 28-32.ZHOU Shuzhen. The greenhouse effect and urban heat island[J].Shanghai Environmental Sciences, 1990, 9(9): 28-32.[15] SHU J, LI C Y, LONG H N, et al. On some features of the urban climateof Shanghai-ten-year’s research review(1983-1992)[C]// ICHI-NOSE TOSHIAKI. International symposium on monitoring and managementof urban heat island, proceeding. Kanagawa: Keio University,1997: 35-51.[16] 桑 建 国 , 张 治 坤 , 张 伯 寅 . 热 岛 环 流 的 动 力 学 分 析 [J]. 气 象 学 报 ,2000, 58(3): 321-327.SANG Jianguo, ZHANG Zhikun, ZHANG Boyin. Dynamical analyseson heat island circulation[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2000, 58(3):321-327.[17] 张 景 哲 , 刘 继 韩 , 周 一 星 , 等 . 北 京 城 市 热 岛 的 几 种 类 型 [J]. 地 理学 报 , 1984, 39(4): 428-435.ZHANG Jingzhe, LIU Jihan, ZHOU Yixing, et al. Some patterns ofthe heat island in Beijing[J]. Acta Geographica Sinica, 1984, 39(4):428-435.[18] 周 淑 贞 , 张 超 . 上 海 城 市 热 岛 效 应 [J]. 地 埋 学 报 , 1982, 37(4):372-382.ZHOU Shuzhen, ZHANG Chao. Urban heat island in Shanghai[J].Acta Geographica Sinica, 1982, 37(4): 372-382.[19] 陈 沈 斌 , 潘 莉 卿 . 城 市 化 对 北 京 平 均 气 温 的 影 响 [J]. 地 理 学 报 ,1997, 52(1): 27-36.CHEN Shenbin, PAN Liqin. Effects of urbanization on the annualmean temperature of Beijing[J]. Acta Geographica Sinica, 1997, 52(1):27-36.[20] 徐 兆 生 , 沈 建 柱 . 北 京 城 市 热 状 况 及 热 岛 形 成 原 因 的 探 讨 [J]. 地 理研 究 , 1987, 6(3): 17-24.XU Zhaosheng, SHEN Jianzhu. An analysis of the temperature situationand the causes of urban heat island in Beijing[J]. GeographicalResearch, 1987, 6(3): 17-24.[21] 邓 莲 堂 , 束 炯 , 李 朝 颐 . 上 海 城 市 热 岛 的 变 化 特 征 分 析 [J]. 热 带 气象 学 报 , 2001, 17(3): 273-280.DENG Liantang, SHU Jiong, LI Chaoyi. Characteristics analysis ofShanghai urban heat island[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2001,17(3): 273-280.[22] 任 永 建 , 周 锁 铨 , 吉 宗 伟 , 等 . 基 于 遥 感 的 绍 兴 市 热 岛 效 应 研 究 [J].科 技 通 报 , 2008, 24(4): 473-479.REN Yongjian, ZHOU Suoquan, JI Zhongwei, et al. Study on heat islandeffect based on remote sensing in Shaoxing city[J]. Bulletin ofScience and Technology, 2008, 24(4): 473-479.[23] 张 新 刚 , 周 斌 , 王 珂 . 杭 州 市 热 岛 效 应 的 遥 感 监 测 [J]. 科 技 通 报 ,2004, 20(6): 501-505.ZHANG Xingang, ZHOU Bin, WANG Ke. Change detection of heatisland in Hangzhou city based on Landsat TM6[J]. Bulletin of Scienceand Technology, 2004, 20(6): 501-505.[24] 李 强 , 周 锁 铨 , 向 亮 , 等 . 杭 州 湾 城 市 群 热 岛 时 空 特 征 分 析 [J]. 科技 通 报 , 2009, 25(4): 395-418.LI Qiang, ZHOU Suoquan, XIANG Liang, et al. The analysis on temporal-spatialcharacters of urban agglomeration island effect in HangzhouBay[J]. Bulletin of Science and Technology, 2009, 25(4):395-418.[25] 杭 州 统 计 局 . 杭 州 统 计 年 鉴 [M]. 北 京 : 中 国 统 计 出 版 社 , 2006:19-21.Bureau of Statistics of Hangzhou. Hangzhou Statistical Yearbook[M].Beijing: China Statistics Press, 2006: 19-21.[26] 孙 善 磊 , 周 锁 铨 , 魏 国 栓 , 等 . 环 杭 州 湾 地 区 城 市 扩 张 的 遥 感 动 态监 测 [J]. 自 然 资 源 学 报 , 2008, 23(2): 327-355.SUN Shanlei, ZHOU Suoquan, WEI Guoshuan, et al. Dynamic monitoringof urban expansion in the region around Hangzhou Bay[J].Journal of Natural Resources, 2008, 23(2): 327-355.[27] HUTCHINSON M F, GESSLER P E. Splines-more than just a smoothinterpolator[J]. Geoderma, 1994, 62: 45-67.[28] HUTCHINSON M F. ANUSPLIN Version 4. 3 User Guide. Canberra:The Australia National University, Center for Resource and EnvironmentStudies, 2004[EB/OL]. http: //cres. anu. edu. au/ outputs/ sofuware.php.[29] HUTCHINSON M F. The application of thin plate splines tocon-tinent-wide data assimilation, Data Assimilation Systems, BMRCResearch Report NO. 27[R]. Melbourne: Bureau of Meteorology, 1991:

骆 杨 等 : 杭 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多 尺 度 变 化 特 征 2205104-113.[30] HIJMANS R J, CAMERON S E, PARRA J L, et al. Very high resolutioninterpolated climate surfaces for global land areas[J]. InternationalJournal of Climatology, 2005, 25: 1965-1978.[31] 吴 慧 , 陈 小 丽 . 海 南 省 四 十 年 来 气 候 变 化 的 多 时 间 尺 度 分 析 [J]. 热带 气 象 学 报 , 2003, 19(2): 213-218.WU Hui, CHEN Xiaoli. Multi-time scales analysis of climate variationin Hainan province during 40 years[J]. Journal of Tropical Meteorology,2003, 19(2): 213-218.[32] 孙 娟 , 束 炯 , 乐 群 , 等 . 上 海 市 城 市 热 岛 效 应 的 时 间 多 尺 度 特 征 [J].华 东 师 范 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 , 2007, (2): 36-43.SUN Juan, SHU Jiong, YUE Qun, et al. Multi-scale characteristics ofthe urban heat island intensity in Shanghai[J]. Journal of East ChinaNormal University: Natural Science, 2007, (2): 36-43.[33] 江 学 顶 , 夏 北 成 , 郭 泺 , 等 . 广 州 城 市 热 岛 空 间 分 布 及 时 域 - 频 域 多尺 度 变 化 特 征 [J]. 应 用 生 态 学 报 , 2007, 18(1): 133-139.JIANG Xueding, XIA Beicheng, GUO Luo, et al. Characteristics ofmulti-scale temporal-spatial distribution of urban heat island inGuangzhou[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(1):133-139.[34] 樊 高 峰 , 苗 长 明 . 用 小 波 分 析 方 法 诊 断 杭 州 近 50 a 夏 季 气 温 变 化 [J].气 象 科 学 , 2008, 28(4): 431-434.FAN Gaofeng, MIAO Changming. Diagnostic study of summer temperaturevariation in Hangzhou during the last 50 years using waveletanalysis[J]. Scientia Meteorologica Sinica, 2008, 28(4): 431-434.[35] 马 德 栗 , 缪 启 龙 , 朱 公 群 . 合 肥 市 53 年 气 温 变 化 特 征 分 析 [J]. 气 象与 减 灾 研 究 , 2008, 31(3): 35-42.MA Deli, MIU Qilong, ZHU Gongqun. Characteristics of temperaturevariation over the past 53 Years in Hefei[J]. Meteorology and DisasterReduction Research, 2008, 31(3): 35-42.[36] 胡 志 斌 , 何 兴 元 , 陈 玮 , 等 . 沈 阳 市 城 市 森 林 结 构 与 效 益 分 析 [J].应 用 生 态 学 报 , 2003, 14(12): 2108-2112.HU Zhibin, HE Xingyuan, CHEN Wei, et al. Structure and ecologicalbenefits of urban forest in Shenyang build-up area[J]. Chinese Journalof Applied Ecology, 2003, 14(12): 2108-2112.[37] 孙 善 磊 , 周 锁 铨 , 薛 根 元 , 等 . 杭 州 湾 地 区 生 态 - 气 候 监 测 预 警 系 统及 其 应 用 [J]. 科 技 导 报 , 2009, 27(11): 39-47.SUN Shanlei, ZHOU Suoquan, XUE Genyuan, et al. Monitoring andearly warning system for ecology and climate and its application inHangzhou Bay[J]. Science & Technology Review, 2009, 27(11):39-47.[38] 李 文 莉 , 李 栋 梁 , 杨 民 . 近 50 年 兰 州 城 乡 气 温 变 化 特 征 及 其 周 末 效应 [J]. 高 原 气 象 , 2006, 25(6): 1161-1167.LI Wenli, LI Dongliang, YANG Min. Change characteristics of urbanand rural air temperature of Lanzhou city and its weekend effect in recent50 years[J]. Plateau Meteorology, 2006, 25(6): 1161-1167.[39] 章 志 芹 , 唐 健 , 汤 剑 平 . 无 锡 空 气 污 染 指 数 、 气 象 要 素 的 周 末 效 应[J]. 南 京 大 学 学 报 : 自 然 科 学 , 2007, 43(6): 643-654.ZHANG Zhiqin, TANG Jian, TANG Jianping. Weekend effect of urbanair pollution index and meteorological elements: The case ofWuxi[J]. Journal of Nanjing University: Natural Sciences, 2007, 43(6):643-654.[40] 江 田 汉 , 束 炯 , 邓 莲 堂 . 上 海 城 市 热 岛 的 小 波 特 征 [J]. 热 带 气 象学 报 , 2004, 20(5): 515-522.JIANG Tianhan, SHU Jiong, DENG Liantang. Wavelet characteristicsof urban heat island in Shanghai city[J]. Journal of Tropical Meteorology,2004, 20(5): 515-522.Characteristics of multi-scale temporal-spatial distributionof urban heat island in HangzhouLUO Yang 1 , ZHOU Suoquan 1 , SUN Shanlei 1 , XUE Genyuan 2 , GU Renying 1 , HUANG Jue 11. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2. Ningbo City Meteorological Bureau, Ningbo 315012, ChinaAbstract: The purpose of this research is to analyze the spatial and temporal variations of urban heat island in Hangzhou. The datafor the research was based on the hour-by-hour data from Feb, 2002 to Feb, 2007, and was collected from 20 automatic weather sitesof Hangzhou. In the first step, the data was processed with partial thin plate smoothing splines. In the second step, the Morlet waveletanalysis was used to analyze the periodic variations of urban heat island in Hangzhou. It is found that the heat island intensity inHangzhou was greater in the summer and autumn than in the other seasons. The intensity peaked in the center of Hangzhou, anddeclined gradually away from the city center. The major time scales were daily, weekly, and bimonthly periods. The daily period wasinfluenced by the diurnal variations in local climate system, long-wave radiation, the surface heat exchanges, and anthropogenicheating; the weekly period was affected by the weekend effect of the human activities and urban air pollutant emissions; the bimonthlyperiod was affected by large scale natural variation, such as solar radiation and weather system. In summary, the temporal-spatialvariation if Hangzhou urban heat island was greatly affected by the coactions of weather system, long-wave radiation,underlying surface, atmospheric pollutant, anthropogenic heating, and heat exchanges on earth surface.key word: automatic weather sites; thin plate smoothing splines; urban heat island; Morlet wavelet analysis; Hangzhou