1. 引言
城市由于人口高度密集，众多建筑物构成特殊下垫面，高强度的经济活动中消耗大量的燃料，释放出有害气体和粉尘，以及其他人类生产和生活影响，改变了该地区原有的区域气候状况，形成一种与城市周围不同的局地气候——称为城市气候。人们对城市气候的研究可以追溯到19世纪初，1818年英国人L. Howard [1] 首次提出城市气候概念之后，气象科研人员就不断地对城市气候进行研究，并取得了许多瞩目的成果，城市气候学有了迅速的发展。
城市气候学研究显示城市气候既有所属区域大气候背景，又反映城市化后人类活动产生的影响，其主要表现为以下几个方面：城市热岛效应 [2] ，城市雨岛效应 [3] ，城市浑浊岛效应 [4] ，城市干岛效应 [5] ，城市湿岛效应 [6] ，城市风的影响。关于城市热岛效应的研究最早由Howard在伦敦发现，至今已有100多年的历史，其产生的原因主要是城市工业、公共设施与居民耗费大量燃料，使城市成为一个重要热源，同时建筑物有较高的热容量，白天能吸收较多热量，夜间辐射至城市大气中，此外城市水面少，蒸发耗热又不多，因此城市温度比乡村高，热岛强度在0.5℃~1.5℃ [7] [8] [9] ，韩素芹的研究显示在天津热岛强度在0.6℃~1.0℃之间，成逐年增强的趋势，热岛强度的日变化在17：00的地面表现的最强，到300 m存在个别的弱热岛中心，
500 m
高度城郊不存在温度差异 [10] [11] 。闫少锋等人研究发现，南京的城市热岛效应对城市居民生活影响较大 [12] 。
而城市干岛效应，则是由于城区多为建筑物和街道覆盖，水泥路面铺盖，降水流失多，绿地和水域面积小，这种特殊的下垫面造成空气中水汽明显减少，加上城市热岛效应，使城区气温高于郊区，因此产生了城区相对湿度小于郊区的现象，称为“干岛效应”。国内外许多大中城市的气候观测研究结果表明，白天城区相对湿度比郊区低，形成“干岛”，夜间城市相对湿度比郊区大，形成“湿岛”。“干岛”和“湿岛”是城市气候的一种特殊现象。从其强度上看，日本东京20世纪夏季相对湿度从83%降到73%，武汉 [13] 1974年市中心湿度比较去低8%，北京湿岛强度为5%，郑州 [14] 地区进入深秋，早晨6点城市和郊区的相对湿度可相差12%。上海 [15] 湿岛也在夏季显示出较强的“湿岛效应”。
天津位于我国华北平原，东面毗邻渤海，西北与北京相连，地势由西北向东南渐低，一般海拔在2~5米，受海陆环流影响显著。进入21世纪，随着环渤海区域经济崛起，天津城市化速度加剧，同时其沿海城市的特性，又使得其具有不同于其他城市的气候特征。然而，到目前为止，对天津城市气候的研究大都围绕热岛现象进行，对诸如降水、相对湿度、城市风、辐射、能见度的研究则较少，系统的研究天津等北方沿海大城市气候特征就成为一项有意义的工作。
2. 资料和方法
天津地处华北平原北部，东临渤海，北依燕山，本文所用资料包括天津13个国家级观测站1961~2017年温度、降水、相对湿度、风速、风向、能见度等常规地面观测资料。台站均匀分布在天津所有区，如图1所示，环线四区指的是东丽(54526)、北辰(54527)、西青(54527)、津南(54622)。
Figure 1. Geographical distribution of the 13 observation stations in Tianjin
图1. 天津地区13个台站地理分布
3. 结果和讨论
3.1. 城市热岛效应
气温观测数据统计显示(如图2(a))，1986~2017年，天津全市气温在11.91℃~13.85℃，全市形成两个热岛中心，市区和塘沽。市区在近30年中的气温均值比环线四区(近郊)高出0.78℃~1.12℃，均值0.96℃，塘沽呈现弱热岛中心，相对临海的大港和汉沽，其气温分别高出0.18℃和0.90℃。
在全球变暖的大背景下，天津地区温度也同幅度升高，在近60年尺度上(1961~2017年)，以天津市区为中心，呈每十年0.248℃~0.587℃的增加。其中市区比郊区的西青平均每十年多增加0.092℃，比宝坻多增加0.119℃，这反映出天津地区温度增幅，除了受大区域尺度全球变暖的影响，城市化以及随之而来的下垫面改变，人口增加，能源消耗带来的人为热源激增，都对其城区温度升幅有重要影响。
近60年天津地区气温增加线性趋势图显示(图2(b))，天津地区增温趋势东南大于西北，形成市区、东丽、大港、津南、塘沽为一体的新增温带，连接两个热岛中心，这与新形势下，天津城市规划和工业布局密切相关，若按此趋势发展，天津地区两个热岛中心的强度必将进一步加强，范围增大，甚至在天津的东南部，形成一个连接两个中心的大热岛带。而城市热岛效应的产生，一方面在夏季会增加高温热浪袭击的可能；另一方面在市区高温中心会形成一个弱的辐合中心，污染物聚集在市区很难扩散。
Figure 2. Average (a) and trend (b) change of temperature in Tianjin covering 1986-2017 and 1961-2017 respectively
图2. 天津地区气温平均值(a) (1986~2017年)和趋势变化(b) (1961~2017年)
图3显示伴随温度的升高，天津城区高温日数呈逐年增加趋势，但与平均气温表现出的热岛中心不一样，天津地区沿海塘沽、汉沽、大港三地，受海陆风调节，温度日较差明显低于全市其它地区，不易形成高温天气，以最高温度大于35℃划分高温天气，天津地区静海最高，近30年平均出现11天，市区平均高于环线四区均值1.3天。而城市化的另一个后果，使得市区下垫面比热容增加，白天吸收较多的热量，夜间辐射至城市大气中，气温日较差明显低于郊区(图4(a))。如图4(b)所示，在近60年中天津市区气温日较差呈明显下降趋势，约为0.27℃/10a。在近30年中加速到0.31℃/10a。目前(2017年)天津市区气温日较差比环线四区低1.63℃，近30年平均值低1.13℃，这些都反映出天津城市化进程中下垫面变化对气温的影响。同时，在环线四区中，除北辰气温的日较差变化不大外，其余三区，伴随气温的升高，日较差也呈每10年0.20℃~0.38℃的下降，体现天津郊区城镇化和城市化外延化的趋势。而从数据上反映，近30年郊县的升温幅度虽不如城市，但日较差上升速率略快于市区，显示出其下垫面变化的剧烈程度要强于市区，而市区温度的上升，除了下垫面改变的贡献，人为热的增加也是不可忽略的一个重要因素。
Figure 3. Average (a) and trend (b) change of temperature greater than 35˚C in Tianjin covering 1986-2017 and 1961-2017 respectively
图3. 天津地区高温日数平均值(a) (1986~2017年)和趋势变化(b) (1961~2017年)
Figure 4. Average (a) and trend (b) change of diurnal temperature range in Tianjin covering 1986-2017 and 1961-2017 respectively
图4. 天津地区温度日较差平均值(a) (1986~2017年)和趋势变化(b) (1961~2017年)
低温日数较少是全球变暖的另一个重要结果。近30年来，天津市区、塘沽出现低温(低于0℃)的平均日数要低于全市均值的15.5、12.5天(图5(a))，而市区高温平均日数高于全市均值的2.3天，塘沽则低于全市2.7天(图3(a))。换言之，在城市化过程中，两个热岛中心表现出不同的规律，市区高温增加，低温减少，高温增加、低温较少的幅度均高于全市平均水平(图2(b)、图5(b))，热岛加强，并且相对全市平均水平，气温整体分布，向高温倾斜。而塘沽地区，高温增加，低温减少，但高温增加幅度低于全市平均水平，低温较少幅度高于全市水平(图2(b)、图5(b))，热岛加强，气温整体呈现两头小，中间大的格局。
Figure 5. Average (a) and trend (b) change of temperature less than 0˚C in Tianjin covering 1986-2017 and 1961-2017 respectively
图5. 天津地区低温日数平均值(a) (1986~2017年)和趋势变化(b) (1961~2017年)
结合遥感方法研究城市热岛是当时最为常规方法 [16] ，近年来热岛效应的概念已扩展至遥感观测的城市陆表温度高于郊区或乡村的现象，通常把这种主要通过卫星观测的城市热岛称之为地表城市热岛(Surface Urban Heat Island，简称SUHI)。基于2001~2018年的MOD11A1卫星数据资料，进而利用城乡二分法估算出SUHI，结果如下：
Table 1. Change of SUHI and the area with SUHI ≥ 3˚C in Tianjin covering 2001-2018
表1. 近18年天津市热岛强度及较强热岛面积变化
根据表1可知，天津市2001年、2005年、2010年、2016年、2017年和2018年六个不同时期SUHI结果，整个天津市的平均SUHI呈现出先迅速增加后开始保持平稳震荡走低的变化规律。天津SUHI自2001年的0.27℃迅速增加，到2016年达到最大值0.93℃，此后2017和2018年平均SUHI小幅降低波动变化。整个天津市较强热岛(SUHI ≥ 3℃)面积2001年约为580 km2，此后较强热岛面积便迅速增加，到2010年较强热岛面积已翻倍，达到1242 km2；后续几年天津市较强热岛面积开始平稳缓慢增长，2017年增长到1295 km2，2018年较强热岛面积又略有降低，为1149 km2。这种变化表明了天津市自2001年开始随着天津城市建设的迅速扩张导致城市热岛效应增大增强，而近两年伴随海绵城市建设的实施，从2017年至2018年天津热岛效应增长放缓，开始有缓解的迹象出现。
此外，从区域统计来看(图6)，近18年天津市区SUHI一直保持最强，年平均SUHI为4.85℃，2001年至2016年保持在较大值波动，而2017年降至最低3.85℃，2018年又有所增强。对于环城四区(东丽区、津南区、西青区和北辰区)2001年至2010年的SUHI呈单边增长的趋势，而后自2016年保持平稳开始有下降趋势。热岛强度空间分布图(图7)表明近十几年天津市区-滨海新区城区一线迅速发展，热岛带面积显著增加，未来市区及环线四区地表热岛有可能连绵成片，需要采取对应措施(如绿化、减少热排放等)减缓城市地表热岛效应发展。
Figure 6. Change of Surface Urban Heat Island in Tianjin and outskirts covering 2001-2018
图6. 天津市区及环线四区热岛强度变化
Figure 7. Change of Surface Urban Heat Island in Tianjin covering 2001-2018
图7. 天津地区2001~2018年地表热岛强度
3.2. 城市雨岛和干岛效应
相对湿度观测数据统计显示(图8)，天津市区呈现明显的干岛效应，1986~2017年近30年的均值大约比环线四区低4%~5%，均值4.8%。1961~2017年近60年呈明显下降趋势，其每10年下降2%。从年代际变化来看(图略)，市区相对湿度从上世纪60年代的62.4%下降至近20年(2000~2017年)的54.6%。但其并不是天津相对湿度下降最快的地区，塘沽相对湿度从上世纪60年代的67.1%下降至近20年的58.7%，其每10年下降2.1%。与干岛效应相对的是雨岛，观测事实表明，由于热岛效应产生的热岛环流使市区内上升气流加强，以及更多的凝结核，和增加的城市摩擦力，使得城市上空的低云量明显增加，在城市的下风方向，距市中心几十公里，降水明显增加，这种增加的趋势以城市为中心，外延至其下风方向，称之为雨岛。通过对天津市区1986~2017年风向频率进行分析(图9)，天津市区主风向是西风，而由降水量分布图分析(图10)，天津市区以及向西北方向延伸的北辰相对南北方向的西青、东丽，以及冬季西北风盛行时，下风向的津南，降水量有明显的增加，城市雨岛带(市区、北辰)大约比周围其它三区每年降水量多12 mm，雨岛特征在天津有所表现。
3.3. 城市浑浊岛效应
随着城市工业的发展，人口增加、汽车和家庭炉灶不断增加，燃料消耗也大幅度增长，人类生活所产生的大量烟尘和废弃不断污染城市空气，在天气稳定时，大量烟尘，不易扩散，聚集浮游于空气中形成雾和霾，使得城市中雾、霾比乡村和小城市明显增多，形成“城市浑浊岛效应”。我国大部分地区1961~1990年气溶胶光学厚度增加25% [17] ，天津能见度平均减少1 km/10a，气溶胶平均增加0.024/10a，城市浑浊岛效应明显，不过进入21世纪，对排放源的治理以及城市发展过程中裸露下垫面的减少，天津市区空气质量好转，浑浊岛效应减弱，不过轻雾仍然保持增加趋势。
Figure 8. Average (a) and trend (b) change of relative humidity in Tianjin covering 1986-2017 and 1961-2017 respectively
图8. 天津地区相对湿度平均值(a) (1986~2017年)和趋势变化(b) (1961~2017年)
Figure 9. Distribution of wind direction frequency in Tianjin covering 1986-2017
图9. 天津市区风向频率分布(1986~2017年)
Figure 10. Average (a) and date (b) of precipitation in Tianjin covering 1986-2017
图10. 天津地区年平均降水量(a)和降水日数(≥0.1 mm) (b) (1986~2017年)
水平能见度是指视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物的最大水平距离。能见度的大小主要与空气中污染气体和颗粒物的含量有关，能见度的变化，可以反映出城市浑浊程度。由于水平能见度资料在1980年前后存在格式上的不统一，即1980年前能见度资料仅给出了10个等级，而自1980年起，能见度资料则为实际观测到的能见度距离，资料格式的不统一会对能见度长期变化分析造成比较大的影响，所以这里仅对1980~2017年能见度资料进行分析。根据天津市区和环线四区(近郊)1980~2017年平均能见度观测数据显示(图11)，相对于天津近郊，天津市区能见度明显偏低，近40年来平均相差2.0 km。在1980~2003年，市区能见度呈现明显的下降趋势，到2003年以后，随着人们对环境质量的重视，市区能见度有所好转，而天津近郊，随着城市化的外延，与城市能见度差异减少。综合言之，从水平能见度呈现，天津城区存在明显的浑浊岛效应，但随着城市大气环境的改善，城市浑浊岛效应的强度有所减弱，但城市化外延工作，使得城市浑浊岛涉及郊县，其强度减弱，但范围更大。
Figure 11. Variation of visible at urban and rural covering 1980-2017
图11. 天津地区市区和近郊能见度的变化趋势(1980~2017年)
水平能见度反映是大气水平消光的情况，太阳短波辐射反映的是大气垂直消光的情况，辐射观测是一种特种观测，在我国有长时间序列的辐射站相对较少，天津地区并没有长时间序列的辐射数据，但近郊的西青，属于国家站，积累了近60年完整的地面太阳辐射观测资料，由1961~2017年资料统计显示(图12)，天津西青地面太阳总辐射呈明显的下降趋势，幅度达104.55 MJ·m−2/10a。尤其是直接辐射，直接辐射下降是1990年前总辐射下降的主要原因。
Figure 12. Variation of solar radiation in xiqing covering 1961-2017
图12. 天津西青太阳辐射的变化趋势(1961~2017年)
城市浑浊岛效应的另一个表现是城市空气污染气体和颗粒物增加，使得城市雾增加，但从实际情况看(图13)，1961~2017年天津市区雾日数一直呈下降的趋势，平均每10年减少1.78天，雾平均日数也少于环线四区，近60年来平均少了6天。所以，城市能见度下降，并且低于郊区，并不是雾日增加所致。而雾日数的较少，可能与3.2节所述城市相对湿度下降，干岛效应明显以及下垫面人为活动剧烈有关。
Figure 13. Variation of fog in Tianjin covering 1961-2017
图13. 天津雾日的变化趋势(1961~2017年)
3.4. 城市发展对风的影响
城市发展对于风的影响主要是由于高层建筑的不断增加，使空气流动受阻，而导致风速减少，一般情况下市内的风速比郊区平均小20%~30%。在天津地区则表现为两个方面，一方面由于受下垫面影响，市区平均风速呈逐年减少的趋势，另一方面受下垫面影响的城市冠层厚度增加，风速受影响的高度逐年增加 [18] ，而郊区和城市风的差异也是显著的 [19] 。
利用天津市1961~2017年平均风速观测数据统计显示，天津市区风速呈明显的下降趋势(图14)，从20世纪60年代的2.86 m·s−1下降至近20年(2000~2017年)的1.60 m·s−1，风速下降了44%，说明城市发展对风速有重要的影响。而近30年(1986~2017年)随着市区建筑物的相对定型，城市化的外延导致环线房地产开发项目的进行，环线四区及远郊的风速下降幅度基本表现出明显的减少趋势(图15)，城市热岛效应明显。
Figure 14. Variation of wind speed in city covering 1961-2017
图14. 天津市区平均风速变化趋势(1961~2017年)
Figure 15. Trend change of wind speed in Tianjin covering 1961-2017
图15. 天津地区平均风速趋势变(1961~2017年)
4. 主要结论
1) 天津全市形成两个热岛中心，一个位于市区，一个位于塘沽，市区气温均值比环线四区(近郊)高出0.78℃~1.12℃，均值0.96℃，塘沽呈现弱热岛中心，相对临海的大港和汉沽，其气温分别高出0.18℃和0.90℃，遥感反演可知，整个天津市的平均SUHI呈现出先迅速增加后开始保持平稳震荡走低的变化规律，近十几年天津市区-滨海新区城区一线迅速发展，热岛带面积显著增加。
2) 天津城区呈现明显的干岛效应，其大约比环线四区低4%~5%。在近60年中，城区相对湿度呈现明显的下降趋势，其每10年下降2%。
3) 天津城市浑浊岛效应明显，市区能见度明显偏低，1980~2017年与近郊相差约2 km。在1980~2003年，市区能见度呈现明显的下降趋势，在2003年后，随着人们对环境质量的重视，市区能见度略有好转，而天津近郊随着城市化的外延，能见度与城市差异减少。
4) 天津市区雾日一直呈下降的趋势，近60年来平均每10年减少1.78天，雾平均日数也少于环线四区，城市能见度下降，并且低于郊区，并不是雾日增加所致。
5) 天津城区风速呈明显的下降趋势，从20世纪60年代的2.86 m·s−1下降到近20年的1.60 m·s−1，风速下降了44%。
参考文献
NOTES
*通讯作者。