吐鲁番市城市热岛效应分析

Analysis of the Urbanization on Heat-Island Effect in Turpan City

摘要: 利用吐鲁番市城区站(51573站)和郊区站(51572站)的1974~2013年气温资料，使用线性趋势分析、累积距平等方法对近40 a吐鲁番市城郊年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温进行分析，从而了解吐鲁番市热岛效应的变化情况。结果表明：近40 a吐鲁番市热岛强度有逐渐增强的趋势，热岛效应对年平均最低气温的影响最大，年平均气温次之，年平均最高气温最小。城区年平均最低气温、年平均气温、年平均最高气温分别较郊区增多1.7℃、1.074℃、0.18℃，并分别于1998年、2000年、2006年发生了由冷岛效应向热岛效应的突变。

Abstract: Based on temperature data from Urban (51573 station) and suburban areas (51572 station) in Turpan City from 1974 to 2013, the change characteristics of annual mean temperature, annual mean maximum temperature and annual mean minimum temperature were analyzed by using the methods of linear regression and accumulative anomaly on heat-island effect the suburb in Turpan city nearly 40 a. The main results showed: The intensity of heat-island has had gradually increasing in Turpan nearly 40 a, the impact of the heat-island effect on the average minimum temperature is fastest. The annual average temperature is in second place, and average maximum temperature is the slowest. These three key factors of the city compared with the suburbs increased respectively in 1.7˚C, 1.074˚C and 0.18˚C, and they had mutation in1998, 2000 and 2006 respectively from cold island-effect to heat-island effect.

1. 引言

城市热岛效应是城市气候最显著的特征之一 [1] ，近年来许多学者研究表明，无论是纬度的高低还是城市规模的大小，绝大多数城市均有市区气温比郊区高的“城市热岛效应”现象的出现 [2] 。在全球变暖背景下，随着城市的不断发展，城市热岛效应对城市气温的影响也越来越大 [3] 。城市热岛强度与区域气候、城市化程度、地形等诸多因素有关 [4] ，因此各地城市热岛效应具有明显的区域性特征 [5] - [13] 。大部分学者所关注热岛效应对城市增温的影响的对象多为直辖市、省级类人口相对密集的大、中城市，而有关西北内陆城市热岛效应的研究不多，特别是吐鲁番市热岛效应的研究更是未曾见有报道。吐鲁番市地处西北内陆新疆吐鲁番盆地中部，是我国第一洼地，也是世界的第二洼地，属典型大陆性暖温带荒漠气候区，夏季漫长而炎热，冬季寒冷，古为丝绸古道重镇，现为中外旅游名城，素有“火洲”之称。吐鲁番市热岛效应的研究，对处于特殊地形条件下的“火洲”温度变化趋势、增温幅度等分析提供参考，对研究吐鲁番气候变化具有重要的意义。

2. 资料和方法

2.1. 站点选取

以地处吐鲁番市中心区的吐鲁番市观测站(51,573站)代表城市，地处吐鲁番市区东南约 12 公里 的原种场(农区)的吐鲁番农业气象试验站(51,572站)代表郊区。自1974年以来两站均未曾搬迁过(站点地理坐标见表1)，资料连续性较好。为了确保温度资料的可比性，对城郊年平均温度、年平均最高温度、年平均最低温度的相关系数进行了计算，相关系数均在0.82~0.99之间，并通过了t = 0.01的显著性水平检验，说明两站温度资料可直接进行对比。

2.2. 资料处理

一般将城市与郊区的气温差ΔT = T_城市 − T_郊区定义为热岛强度，ΔT < 0时为冷岛效应，ΔT > 0为热岛效应。将以年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温计算的热岛强度分别用ΔT_a、ΔT_m、ΔT_n表示。

使用线性趋势、累积距平和t-检验 [14] 研究分析1974~2013年吐鲁番市热岛强度的变化趋势和突变特征。

3. 热岛效应分析

3.1. 年平均气温

由图1可见，城市站与郊区站年平均气温曲线在1974~1999年始终是城市站低于郊区站，2000年之后两条曲线的位置发生了转折，城市站开始高于郊区站，并呈现逐渐增大的趋势。近40 a，城市站与郊区站年平均气温的倾向率分别为0.662℃/10a、0.394℃/10a，40 a间城市年平均气温增温2.65℃，郊区增温1.576℃，城市站较郊区站增温多1.074℃，这就反映了吐鲁番市城市较郊区增温快的事实。

1974~2000年，ΔT_a < 0，2001年后，ΔT_a > 0热岛效应逐渐增强。由1974~2013年热岛强度累积距平曲线可以看出，1999年出现了累积距平的最小值(图2)，对1974~1999年和2000~2013年热岛强度进行t检验，结果表明(表2)，|t₀| = 9.72 > tα = 0.005，通过了α = 0.005的信度水平检验，这说明，吐鲁番市城市年平均气温在2000年发生了由冷岛效应向热岛效应的突变。突变后(2000~2013年)较突变前(1974~1999年)热岛效应对城市年平均气温增温贡献多0.67℃。

3.2. 年平均最高气温

由图2可见，1974~2013年，城市站和郊区站年平均最高气温曲线始终是城市站低于郊区站，2007年之后两站差距逐渐缩小。近40 a，城郊年平均最高气温的倾向率分别为0.503℃/10a、0.457℃/10a，40 a间城市站年平均最高气温增温2.01℃，郊区站增温1.83℃，城市站较郊区站增温多0.18℃。

1974~2013年，ΔT_m始终小于0，但这种差异随着时间的推移逐渐缩小。由1974~2013年热岛强度累积距平曲线可以看出，1985年出现累积距平的最大值，2005年出现累积距平的最小值，对1974~2005年和2006~2013年热岛强度进行t检验，结果表明(表2)，|t₀| = 3.79 > tα = 0.005，通过了α=0.005的信度水平检验，这说明，吐鲁番市城市年平均最高气温在2006年发生了由冷岛效应向热岛效应的突变。突变后(2006~2013年)较突变前(1974~2005年)热岛效应对城市年平均最高气温的增温贡献多0.43℃。

3.3. 年平均最低气温

由图3可见，城市站与郊区站年平均最低气温曲线在1974~1985年始终是城市站低于郊区站，1986年之后两条曲线的位置发生了变化，城市站开始高于郊区站，并呈现逐渐增大的趋势。近40 a，城郊年

Table 1. The geographic coordinates in the city and the suburbs of Turpan

表1. 吐鲁番市城市站和郊区站地理坐标

Table 2. T-test results of the average temperature, aily maximum (minimum) temperature

表2. 年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温突变点信度检验

Figure 1. The change of the average temperature in the city and the suburbs of Turpan from 1974 to 2013

图1. 1974~2013年吐鲁番市城郊年平均气温变化

Figure 2. The change of daily maximum temperature in the city and the suburbs of Turpan from 1974 to 2013

图2. 1974~2013年吐鲁番市城郊年平均最高气温变化

平均气温的倾向率分别为0.932℃/10 a、0.497℃/10 a，40 a间城市年平均最低气温增温3.7℃，郊区增温2.0℃，城市较郊区增温多1.7℃。

1974~1985年，ΔT_n < 0，1986年后，ΔT_n > 0，1991~1996年存在相对稳定期，1997年后热岛效应持续增强。由1974~2013年热岛强度累积距平曲线可以看出，1997年出现了累积距平的最小值(图2)，对1974~1997年和1998~2013年热岛强度进行t检验，结果表明(表2)，|t₀| = 7.6 > tα = 0.005，通过了α = 0.005的信度水平检验，这说明，吐鲁番市城市年平均最低气温在1998年发生了由冷岛效应向热岛效应的突变。突变后(1998~2013年)较突变前(1974~1997年)热岛效应对城市年平均最低气温增温贡献多0.97℃。

综上所述，吐鲁番热岛效应对城市温度的影响以年平均最低气温最大，年平均气温次之，年平均最高气温最小。同时热岛效应对城市增温贡献突变时间的早晚与热岛效应对城市增温贡献多少的顺序相一致。

4. 城市热岛效应与城市发展的关系

城市热岛效应与城市环境有密切的关系。城市人口增长、用地面积增加、生产总值的提高等均是城市发展的重要指标。hansen和lebedeff [15] 在剔除城市化影响后，发现全球的平均气温大约只上升了0.1℃，baling和idso [16] 在剔除1920~1984年城市化影响后，发现美国东部64 a间仅增温0.02℃。Fukuoka [17] 指出城市人口规模不同，城市热岛强度与人口的关系不同。季崇萍 [18] 通过相关分析得出，北京市热岛强度与总人口呈现对数线性关系。孟丹 [19] 指出天津市温度与地区生产总值、城镇人口百分比之间的存在显著相关性水平。

1978年吐鲁番市区人口为1.72万，工业生产总值为0.106亿，2013年城区人口达到6.91万，工业生产总值达到20.9亿元，分别是20世纪70年代的6倍、197倍，城市规模发展迅速。利用相关性检验得出，热岛强度与吐鲁番市生产总值、城镇人口的相关系数分别为0.79、0.86，均通过了0.01显著性水平的检验(图4)。这表明，随着吐鲁番市人口的增多、工业生产总值的发展，其城市热岛效应也逐渐增强，吐鲁番市城市化进程带来明显的城市热岛效应。

5. 小结

城市热岛效应伴随着城市的发展而变化，通过对吐鲁番市城市热岛效应的分析，可以看出吐鲁番城市规模的发展变化。

1) 近40 a吐鲁番市城郊年平均气温的倾向率分别为0.662℃/10a、0.394℃/10a，城市年平均气温增温2.65℃，郊区增温1.576℃。由年平均气温计算的热岛强度在2000年发生了突变。突变后较突变前热岛效应对城市年平均气温增温贡献多0.67℃。

2) 近40 a吐鲁番市城郊年平均最高气温的倾向率分别为0.503℃/10a、0.457℃/10a，城市年平均最

Figure 3. The change of daily minimum temperature in the city and the suburbs of Turpan from 1974 to 2013

图3. 1974~2013年吐鲁番市城郊年平均最低气温变化

Figure 4. Relationship between the urban heat island intensity and the population, the logarithmic Industrial production

图4. 吐鲁番市热岛强度与总人口、工业生产总值对数的线性关系

高气温增温2.01℃，郊区增温1.83℃。由年平均最高气温计算的热岛强度在2006年发生突变。突变后较突变前热岛效应对城市年平均最高气温的增温贡献多0.43℃。

3) 近40 a吐鲁番市城郊年平均最低气温的倾向率分别为0.932℃/10a、0.497℃/10a，城市年平均最低气温增温3.7℃，郊区增温2.0℃。由年平均最低气温计算的热岛强度在1998年发生突变。突变后较突变前热岛效应对城市年平均最低气温增温贡献多0.97℃。

4) 吐鲁番市热岛强度与吐鲁番市人口、吐鲁番工业生产总值的对数的具有线性关系，随着吐鲁番市城市的发展，其城市热岛效应也逐渐增强。