1 引言

城市热岛（Urban Heat Island，UHI）效应是一种随着城市化高速发展，受城市下垫面和人为热等影响，城区气温高于郊区的城市气象，其中城市热岛强度可用城区气温减去郊区气温的差值表征。城市热岛对居住环境、人类健康等有重大影响（张雷等，2015）。中央商务区（Central Business District，CBD）是一个城市的功能核心区。北京CBD区域建筑总规模达1050×10⁴ m²，集中了北京市50%以上的甲级写字楼和星级酒店，约70%的世界500强企业，规模以上企业8900家（北京商务中心区管理委员会，2018）。作为一个人口、商业密集型和高城市化区域，研究CBD区域气候特征是非常有必要的。

很多学者研究了城市热岛效应变化特征及其影响，肖荣波等（2005）从生态环境效应方面阐述了城市热岛对城市气候、大气环境以及生物习性等方面的影响。郑祚芳等（2006）、王建凯等（2007）和Yang et al.（2013）等研究发现，北京和首尔城市热岛强度均表现出冬季大于夏季，夜间大于白天的特征。于淑秋等（2005）和宫阿都等（2005）同样发现北京城市热岛存在显著地季节变化，冬季最强，春、秋季次之，夏季最弱，并指出城市热岛指数具有显著地年际增温。刘勇洪等（2014）对城市热岛模拟结果显示，到2020年北京城市热岛由“摊大饼”演变为“中心+周边分散”模式。孙继松和舒文军（2007）、郑祚芳等（2014）从热岛环流的角度分析了北京城市热岛对降水的影响。也有学者做过CBD区域城市热环境研究，He et al.（2015）分析了CBD区域天穹可见度对室外温度的影响。张本志等（2013）因朝阳站位于城区，定义CBD与朝阳站温差为附加城市热岛效应，同样发现附加城市热岛效应夜间最强，并受云、风等影响。

李丽光等（2011）研究发现，晴朗无风天气城市热岛日变化强于大风、雾、降水等天气，并指出雾、强风速和降水均会抑制城市热岛效应。王喜全等（2006）同样指出多云和大风天气会削弱城市热岛效应。Morris et al.（2001）研究发现，微风少云天气城市热岛强度最强，大风多云天气城市热岛强度较弱。Kim and Baik（2005）、Schatz and Kucharik（2014）同样指出随着风速和云量增加，城市热岛减弱，并且在午后会出现‘城市冷岛’现象。李耀锟等（2015）指出气溶胶的散射作用要大于吸收作用，对城市热岛起削弱作用。朱焱等（2016）发现城市热岛能够减弱地面气溶胶浓度，增大上空气溶胶浓度。宫阿都等（2007）、徐涵秋和陈本清（2004）、乔治和田光进（2015）均发现城市地表植被覆盖能够有效降低城市热岛。Cui and De Foy（2012）模式模拟结果也表明，增大城市绿植覆盖范围能够有效降低城市热岛。李兴荣等（2007）研究发现，白天日照充足，夜间城郊均维持弱的地面风场以及夜间城区近地层逆温，会加强夜间城市热岛。

寿亦萱和张大林（2012）和白杨等（2013）对城市热岛效应研究进展总结均指出，研究城市热岛主要有自动站观测、遥感观测、数值模拟等方法。本文研究的CBD区域具有较大的社会经济效益，而且有区域加密观测资料，因此本文研究中采用加密观测资料分析北京CBD城市热岛日变化和空间变化特征及其影响因子。

2 观测场地、资料和方法

本文所利用的资料是2012~2013年“北京中央商务区（CBD）热环境观测”实验数据（李炬和窦军霞，2014；张本志等，2013），北京自动站数据。CBD热环境观测实验是在北京朝阳区CBD一块1.47 km×0.88 km的范围内，使用美国ONSET公司HOBO Pro v2温、湿度采集器建立32个观测点（图 1b），观测温度和相对湿度的变化，采样频率为5 min，测量精度分别为±0.21℃和±2.5%。仪器主要架设在路边的灯杆上，平均架设高度为2.79 m，采用防辐射罩去除太阳直接辐射的影响。本文选取29个有效观测点2012年6月1日至2013年5月31日的数据分析CBD城市热岛效应，站点信息见表 1。由于夜间城市热岛强度与白天的太阳辐射有很大关系，因此本文定义早晨06:00（北京时间，下同）至次日早晨06:00为一天。本文所采用的温度质量控制方法为极值检查、时间连续性检查（窦以文等，2008）。

3 CBD区域UHI变化特征

CBD加密观测仪器防辐射设备为防辐射罩，朝阳、大兴等国家级气象观测站是百叶箱。严家德等（2014）和王志成等（2015）指出太阳辐射、风速会对不同防辐射罩内温度探测有影响。为对比防辐射罩和百叶箱对温度的影响，在朝阳站进行了对比试验：2016年1月13日至3月1日在朝阳站架设与CBD区域同型号同防辐射罩的观测设备，与朝阳站百叶箱温度对比分析。结果发现：防辐射罩温度平均比百叶箱温度高0.40 ℃，白天平均高0.79 ℃，夜晚温度基本相当（差异小于0.01 ℃），说明防辐射罩和百叶箱的通风系数相差不大，因此白天防辐射罩温度高于百叶箱温度主要是由于百叶箱的防辐射性能比防辐射罩强的缘故。由于两种温度夜晚差异很小，而本文研究主要集中在夜间UHI强度分析，因此本文没有对CBD温度订正。为了分析CBD整体UHI状况，将29个加密观测点气温平均作为CBD区域气温。

位于北京南六环附近的大兴站（DAX）是国家级气象观测站，属于郊区，拥有标准观测场，观测资料可靠稳定，与CBD距离为23.2 km；观象台站（54511）位于北京南五环之内，其与CBD和大兴站的距离分别为12.2 km和13.8 km；房山站（FAN）位于北京西南部，其与CBD距离为33.4 km（分布图见图 1a）。朝阳站（CHA）位于城区，随着城市发展，54511也具备了城市特征，图 2b显示其平均温度高于朝阳站，因此以CHA和54511为郊区站研究城市热岛已不合适；房山站距离CBD太远，其可能受北京西部山区的影响。基于站点周边环境、资料稳定性等因素（例如通州站建于楼顶，不适合作为郊区站），本文选择大兴站而非郊区站平均研究CBD区域城市热岛变化特征。

图 2a为CBD年平均和季节平均UHI日变化。由图可知，CBD年平均和季节平均UHI均表现为：夜间强，白天弱，中午甚至出现“城市冷岛”现象（城区气温低于郊区）。考虑防辐射性能差异，中午“城市冷岛”效应是存在的，甚至更强。季节平均UHI日变化表现为：在夜间，秋季最强，冬季次之，春季和夏季较弱；在白天，夏季最强，冬季次之，春季和秋季较弱，甚至出现“城市冷岛”现象（图 2a和表 2）。

为排除城市建筑物遮挡作用，选取天穹可见度（Sky View Factor，SVF）较高和较低的观测点进行UHI对比分析（图略），发现当SVF较高（建筑物遮挡较小）时，中午“城市冷岛”效应同样存在，但强度比SVF较低时有所降低，说明城市建筑物遮挡对“城市冷岛”效应有一定促进作用，但是还有其他因素的影响，有待于进一步研究。

图 2a和表 2的结果均显示CBD秋季UHI强度最强，尤其是在夜间。这与前人研究成果中冬季UHI强度最强不同（于淑秋等，2005；谢庄等，2006；郑祚芳等，2006）。这种不同是地域差异造成的，还是不同年份的差异？为此，给出了工体站（GON）和复兴门站（FUX）UHI强度日变化（图 3）。工体站是距CBD区域最近的自动气象站，距离仅1.8 km左右，复兴门站位于西二环，均属于城市地区。由图 3可知，工体站和复兴门站年平均和季节平均UHI在夜间均为秋季最强，冬季次之，春季和夏季较弱，与CBD区域UHI一致，因此CBD夜间秋季UHI最强并不是地域差异造成的。分析CBD、工体站和54511站温度差异（图 2b和表 2）发现，CBD温度平均比工体站高0.64 ℃，比54511站高1.14 ℃，CBD温度高于周边城市区域，说明城市化发展越高的区域UHI越强。

为确定CBD区域UHI秋季最强是否与资料年份有关。由于没有CBD长时间温度资料，因此本文用距CBD最近的工体站表征城区，给出了2009~2014年工体站UHI日变化（图 4）。由图 4可知，近6年的年平均和季节平均UHI均为夜间强，白天弱。2009年、2010年和2014年夜间UHI秋、冬季较强，但秋季和冬季之间的差异不明显；2011年和2012年夜间UHI秋季强于冬季，春季和夏季较弱；2013年夜间UHI冬季强于秋季，夏季最弱。

表 3给出了2009~2014年工体站年平均和季节平均UHI强度，分析发现近6年UHI强度呈现逐年递增的趋势，并且递增的趋势越来越强，除了2009年比2010年略强外，说明缓解城市热岛效应的措施还有待加强。季节平均UHI表明，秋季和冬季平均UHI强度明显强于春季和夏季。这里2012年秋季平均UHI强度略偏低于冬季，这主要是由于工体站秋季白天UHI强度明显低于冬季，这与秋季晴朗无风日天数最多有关（表 4）。

由此可知，CBD秋季夜间UHI最强并非区域差异造成，不同年份也有同样情况出现，属于城市热岛效应的年际变化。以下对造成这种情况的原因作进一步分析。

4 CBD区域UHI影响因子的研究

城市热岛主要受城市建筑和人为热的影响，在秋冬季节，城市供暖是人为热主要来源。2012年北京市统一供暖时间为2012年11月15日至2013年3月15日。图 5给出了不同时段CBD区域UHI日变化，在秋季的3个月中，夜间UHI强度相差较大，10月最强，11月最弱；白天UHI总体相差不大。对比供暖前和供暖后11月UHI日变化发现，供暖后夜间UHI强度明显增强，说明城市供暖会明显加强UHI。

对CBD区域UHI强度做小波分析（图 6a、6b），结果表明其1天周期通过了95%信度检验，还存在1天以内的周期，但是整体上并没有通过显著性检验。分析不同时段UHI小波分析结果发现，秋、冬季的1天周期比春、夏季显著；对比秋季和冬季UHI的1天周期发现，秋季强于冬季。而UHI日变化的主要影响因子是降水、大风、雾等天气过程（李丽光等，2011）。

下垫面、人为热、天气过程等均影响UHI强度。本文研究时段中，下垫面不变，冬季受到城市供暖的影响，但秋季UHI强于冬季，说明影响UHI强度的影响因子中有强于城市供暖的。CBD区域UHI小波分析结果表明，UHI的1天周期也有明显的季节变化，这种变化可能与天气过程有关。因此，本文将从降水、大风、雾等天气过程分析其对UHI的影响。

本文中将总云量低于2成，无低云，风速小于2.0 m/s的天气定义为晴朗无风日；将风速达到5级及以上的天气定义为大风日；将24 h累积雨量大于0.1 mm的天气定义为雨日；将水平能见度低于1.0 km的天气定义为雾日（李丽光等，2011）。统计不同天气过程CBD区域UHI日变化（图 7）发现，对于夜间UHI，晴朗无风日有正贡献，增强了2 ℃左右，雾日影响不大，雨日和大风日均有负贡献，减弱了UHI强度。对于白天UHI，雾日有明显正贡献，雨日和晴朗无风日影响不大，大风日有负贡献。总的来说，在夜间，晴朗无风日有利于城市热岛效应的发生发展，雾日、雨日和大风日抑制了城市热岛效应；在白天，雾日和雨日对城市热岛效应有正贡献，其中雾日的UHI强度最强，晴朗无风日和大风日均减弱了城市热岛效应。从UHI日变化角度来说，晴朗无风日加强了UHI日变化，雾日、雨日和大风日均减弱了UHI日变化。

表 4统计了不同时段下天气过程的天数。由表 4可知，秋季和冬季晴朗无风日天数较多，这也是秋、冬季UHI较强的原因之一。全年的雾日、雨日和大风日的天数与晴朗无风日天数的比例为2.91:1，春、夏季明显高于这个比例，秋、冬季明显低于这个比例，这也就解释了为什么秋、冬季UHI的1天周期较强，春、夏季UHI的1天周期较弱。

秋季的雾日、雨日和大风日的天数与晴朗无风日的比例为1.14:1，冬季的为2.57:1，是秋季的2倍多，这也解释了为什么冬季在城市供暖的大背景下，UHI仍低于秋季。说明当雾日、雨日、大风日的天气过程发生比例较高时，对UHI的影响能够超过城市供暖。结合图 5，10月和11月份天气过程天数（表 4）更为直观地阐释了这个结论。

由表 3可知，2013年冬季UHI明显强于秋季，这与2012年CBD结果相反。自2014年1月1日起，北京自动站停止了天空云量的人工观测，因此无法统计2013年之后的晴朗无风日天数。但2013年小波分析结果（图 6c和图 6d）显示，秋、冬季的1天周期都比较强，并且1天周期在整个冬季都比较显著，说明破坏1天周期的雨日、雾日和大风日天气过程较少发生。因此，晴朗无风日、雨日、雾日、大风日天气过程对季节城市热岛强度的影响不仅仅发生在2012年，同样发生在其余年份。

5 CBD区域UHI空间变化特征

图 1给出了CBD区域下垫面类型：北部中心区域为CBD历史文化公园（图 1b红色方框区域），西南部为公寓类住宅和日坛中学（图 1b黄色方框区域），其余区域主要为办公写字楼，不同下垫面会导致UHI空间分布不均匀。

图 8为不同时段CBD区域UHI强度空间分布。为更客观地显示空间差异性，按照±2倍标准差剔除了异常值，表 5给出了不同时段去除异常值之后的有效站点数。由图 8可知，年平均UHI空间分布受下垫面类型影响较大，学校、公寓等和公园地区UHI强度较低，办公写字楼区域UHI强度较强。夏季和秋季UHI空间分布与年平均UHI空间分布类似，同样受下垫面类型影响较大，但是秋季由于落叶的影响，公园对UHI效应的减缓作用不明显。冬季由于城市供暖的影响，使得UHI较强且均匀，冬季的标准差相对于其余几个季节是最小的（表 5）。春季由于植被生长，公园等绿地对UHI效应有较强的缓解作用。

由图 9和表 5可知，晴朗无风日UHI空间变化与年平均类似，主要受下垫面的影响，在西南部的学校和公寓附近较低，在办公楼区域较高；雾日、雨日和大风日标准差明显比晴朗无风日小，空间分布并没有显著特征。

6 总结与讨论

通过加密观测资料分析，研究了北京CBD区域城市热岛效应时间和空间变化特征。以不同的远郊站点为郊区站，CBD区域均存在显著的城市热岛效应，其中以大兴站为郊区站，其平均热岛强度为1.66 ℃。根据小波分析结果发现，CBD区域城市热岛存在显著的1天周期（日变化），1天以内的周期同样存在，但总体上没有通过显著性检验。其年平均和季节平均日变化均表现为夜间强、白天弱的特征，中午甚至出现“城市冷岛”效应，这种“城市冷岛”效应与城市建筑物的遮挡有一定关系。北京CBD区域城市热岛季节变化表现为秋季强于冬季，春、夏季较弱，这与前人研究成果中冬季UHI强度最强不同（于淑秋等，2005；谢庄等，2006；郑祚芳等，2006）。

研究CBD区域影响因子时发现雾日、雨日和大风日过程城市热岛强度弱于晴朗无风日，这与前人的研究结论一致（李丽光等，2011；王喜全等，2006）。结合秋、冬季城市热岛小波分析结果发现，2012~2013年秋季热岛强度强于冬季主要是由于冬季雾日、雨日和大风日等抑制城市热岛强度的天气过程发生比例较高的缘故。

CBD区域城市热岛空间分布特征表现为，花园、学校、公寓能有效缓解CBD区域城市热岛现象，办公楼集中区域城市热岛强度相对较强，这与前人的研究结果是一致的（Cui and De Foy，2012；乔治和田进光，2015）。雾日、雨日和大风日的城市热岛强度明显低于晴朗无风日的热岛强度，其空间变化标准差同样比晴朗无风日小，空间差异并不显著。

现如今，可以用卫星监测地面温度来计算城市热岛。但是卫星分辨率较低，并不能直接监测CBD区域这种高城市化小范围的城市热岛现象。未来，可以利用加密观测资料对卫星资料进行订正，这样就能监测更小尺度区域的温度，对城市热岛的研究有重大意义。

致谢 感谢北京市朝阳区气象局张子曰提供的防辐射罩和百叶箱温度对比试验数据及其对北京CBD区域加密观测资料的解释说明。