2009, Vol. 35 随着一个地区不断发展，城市人口和建筑物持续增长，人为地对城市下垫面造成极大的转变，人类活动对城市气候的影响亦变得愈来愈明显。受城市化影响，市区平均气温会明显比郊区高[1-4]。作为城市化效应在气温上的反映，局地市区增温的现象通常称为“城市热岛效应”[5]，它不但是“城市化效应”引起局地气候变化最明显的表征[6]，亦对人类舒适度、健康及利益有着重要的影响[7]。因此，城市化效应对气候变化的影响已是一个人们十分关注的问题[8]。事实上，现代城市设计[9-10]和供电量预报[11]亦考虑城市化效应的影响。
香港总面积只有约一千多平方公里，但人口密度却非常高，平均每平方公里居住超过6000人，商业经济活动频繁，高楼大厦林立，本地气候受城市化影响显著。香港天文台近年的研究显示，香港市区气温上升速度高于郊区[8]，高密度城市发展是市区气温上升趋势较快的一个因素[12-13]。其实除温度外，香港因受城市化影响，其它气象要素在城市与郊区之间亦可能存在差异[14-15]。
本文旨在了解城市化效应对香港气候的影响，即香港市区与郊区气候差异的特征。本文研究范围包括如何选取较能代表香港市区与郊区情况的气象站，以便利用市区与郊区气温差来量化城市化效应的强度。本文利用过去约20年的数据，初步比较香港市区与郊区气温和相对湿度差异的特征，并试图分析这些差异与城市化效应的关系。
1 数据与方法 1.1 数据本文所用资料主要是来自天文台总部和打鼓岭气象站(见表 1)由1989—2006年的每小时地面观测。
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表 1 一些气象站分布及资料(平均数值是以1989—2006年为参考) |
在研究城市化效应的范畴里，市区站与郊区站的气温差可被用来量化城市化效应的强度[16]。市区与郊区气温差(Tu-r)的定义是：
| $ {T_{u - r}} \equiv {T_u} - {T_r} $ |
而Tu及Tr分别为市区及郊区站气温，Tu-r为正(负)值时代表市区气温较郊区为高(低)。受城市化影响，市区平均气温会明显较郊区为高。即平均Tu-r为正值，平均Tu-r值愈大表示该城市的城市化效应愈强。
尽管市区与郊区气温差有时候因未能找出合适的郊区站而不宜使用[17]，这方法仍是现时研究城市化效应最常用的方法之一[18-20]。因此，本文亦利用市区与郊区(之后简略为市-郊)的气温差来代表城市化效应的强度。
1.2.2 市区站与郊区站的选取选取恰当的市区及郊区站是研究城市化效应最关键的部分[21]。在香港，可选取天文台总部(HKO)为市区站，它的年平均气温是表 1各站中最高。在郊区站方面，在过往的研究[11]打鼓岭(TKL)和流浮山(LFS)都被视为郊区站。不过，气象站附近的环境近数年有所改变，而TKL的周围环境则没有显著的变化[13]。离岛站例如长洲和横澜岛的气温均受较复杂的近岸海水温度变化所调节，因此没有被选为郊区站[17]。
明显的市郊气温差异是选取合适郊区站的其中一个主要考虑因素(参见Kim and Baik[22]2002)。HKO站与一些气象站的气温差的日变化(见图 1)显示LFS与其它三个镇站(沙田SHA、屯门TM、黄竹坑HKS)的变化相似，但与TKL站的显然不同。TKL站的年平均日变化和年平均气温分别是各站中最高和最低。相对LFS，TKL与HKO站的气温差异亦较明显。若不考虑地理位置的影响，这都反映TKL站较LFS具有郊区站的特点。因此，本文参照[13]选取TKL为郊区站。
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图 1 天文台总部与一些气象站气温差的日变化(有关各站资料见表 1) |
总结以上讨论，HKO与TKL分别代表市区站及郊区站，两站水平距离约25公里，大致符合定义市区站及郊区站相距在30公里到100公里的准则[23]。此外，HKO与TKL两站地面高度相差不算十分大(只约17米)，故考虑城市化效应时我们将不对两站气温数据作出如[20]般的高度调整。
我们首先分析Tu-r的日际及月际变化特征，然后探讨若干气象和天文参数与Tu-r的月际变化关系。接着，我们会讨论城市化效应在相对湿度和风速上的特征。最后，我们亦会对一些出现极大日最高Tu-r日子的气象条件进行分析及个案研究。在本文讨论里，如无特别注明，所有平均数值是以1989—2006年为参考；另外，Tu-r一般指的是每小时的Tu-r。
2 结果 2.1 市-郊气温差的日变化图 2比较市区与郊区的每小时气温变化及差别。可见，虽然市区日平均气温较郊区为高，市区日间(10至17时)的气温却比郊区低(因此出现负值，见图 2c)。英国伦敦也出现类似的情况(即市区日间气温比郊区低)，这可能与市区稠密的高楼大厦遮挡阳光直接照射地面加热有关[24]。另外，Oke[1](1982)则指出造成市区日间较凉的原因亦包括城市建筑表面有较大的热容量和热传导[24]，使市区在日出后的增温较郊区慢(图 2b)。
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图 2 天文台总部(HKO)与打鼓岭(TKL)的平均(a)气温日变化，(b)气温变化率(c)及气温差(Tu-r)日变化。 |
约在18时开始，市区的气温高于郊区(Tu-r由负值转为正值)，而这时候的郊区降温率则达至最大，市-郊降温差别亦十分明显(超过0.5℃·h-1)。随后，虽然Tu-r持续上升，但随着市-郊降温差别愈来愈少，Tu-r的上升速度在21时开始明显减少，到早上6时Tu-r达至全日最高值。比较图 2b和2c可看到，Tu-r的日最高值的出现时间与郊区及市区降温率相等的时间大致吻合。这是由于Tu-r=Tu-Tr，故此有
| $ \begin{array}{l} \;\;\;\;\frac{\partial }{{\partial t}}{T_{u - r}} \equiv \frac{\partial }{{\partial t}}{T_u} - \frac{\partial }{{\partial t}}{T_r}, \\ 若\frac{\partial }{{\partial t}}{T_{u - r}} = 0, 则\frac{\partial }{{\partial t}}{T_u} = \frac{\partial }{{\partial t}}{T_r} \end{array} $ |
因此Tu-r日最高值(或峰值)的出现时间一般与郊区及市区降温率相等的时间相同。
谢庄等[26]的研究亦显示北京的情况与香港相同，峰值Tu-r同样出现在接近日出的时间(即清晨6至7时)。但Weng and Yang[27](2004)则指出广州市日最高Tu-r一般出现在晚上21时(即日落后数小时)，然后Tu-r逐渐下降。广州市的情况可按照Haeger-Eugennsson等[28](1999)提出的概念模型解释：市区晚间气温比郊区高基本上是与市区较大的热能容量和郊区夜间较大的辐射冷却有关，然而一个由市-郊温差引发造成的局地环流将可以对两地之间温差产生调节作用，可能导致出现市区降温略高于郊区的情况，最终导致Tu-r在晚间(峰值出现后)出现下降或不持续上升的情况。
先前已讨论过，香港市区晚间至早上6时前的降温一直是低于郊区，在这段时间Tu-r持续上升，情形与Haeger-Eugennsson等[28](1999)的概念模型有所不同，部份原因可能是香港市区人为因素的热释放量颇大；另外，香港市区建筑物高而天空视域因子[29]小，亦限制了市区晚间的辐射冷却[30]。然而值得注意的是，Tu-r的上升速度在20至21时后明显较之前为慢，出现不同阶段的Tu-r上升变化。
市区和郊区在日出后出现升温，Tu-r亦开始迅速下降，约至早上10时，郊区气温开始高于市区，Tu-r由正值转为负值。总的来说Tu-r为正值的时间超过16小时(即占全日的时间之2/3)，因此市区日平均气温高于郊区。到14时Tu-r达至全日最低值(负值)，与广州市的情况相同(见文献[27])。
从图 2b可看到，郊区的升温明显比市区快且幅度大。事实上，市-郊日间的最大升温差别比晚间的最大降温差别还要大，市-郊升温差别可以超过0.8℃·h-1。市区日间最高升温率约在11时出现，而郊区日间最高升温率则在9时出现，较市区早2小时。
总的来说，香港市区晚间至清晨气温较郊区为高，日间情况逆转，但市-郊气温差别幅度晚间明显较日间大。不论日间或晚间，郊区的气温变化幅度比市区大、变化也较快，清楚反映市区热容量较大的特性。
2.2 市-郊气温差的季节变化从图 3a可见Tu-r的日变化在不同季节或月份基本上是一致，即日间一般为负值而晚间为正值，不过，冬季Tu-r出现正(负)值的时间比夏季长(短)。一年之中，晚间Tu-r最不明显的季节是春季。冬季(特别是12月)晚间Tu-r则是非常显著，情况与广州市[27]、上海[31]及北京市[26]相同，Hua等[21](2007)亦指出中国大部分大城市的最高Tu-r值多出现在冬季。另外，韩国首尔的情况亦相似[21]。Oke.等[32](1991)解释这可能因为人为因素热释放量的影响在冬季变得更为重要。事实上，研究显示在(亚)热带地区，最高的Tu-r一般都出现在旱季(香港即是冬季)，原因与郊区土地表面的土壤水气特征在雨季会有较明显的变化有关[33]。
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图 3 (a) 天文总部与打鼓岭气温差(即Tu-r)的逐小时月际变化(b)天文总部与打鼓岭气温变化率差(天文台总部减打鼓岭)的逐小时月际变化 深黑色线为‘0’线，虚线代表日落或日出的时间 |
但伦敦市区晚间Tu-r值在夏季才是四季中最大(如Wilby[34]2003)，而新加坡商业中心(市区)晚间平均最高Tu-r值同样出现在平均气温较高的6至8月[19]，说明不同地区因不同地理及气候环境可以有不同结果。另一方面，王喜全等[35](2006)发现北京市(根据2002年资料)的最高Tu-r值出现在夏季，与过去一些研究的结果不同，他们的解释是因为近年北京市区夏季普遍使用室内空调，大大增加夏季晚间人为热送放量所致。因此，Tu-r的季节变化也可随社会环境变化改变，在不同时期有不同结果。
此外，也清楚看到Tu-r与日出日落时间的季节变化关系。例如，随着日出时间(图 3a虚线)的改变，一天中出现峰值Tu-r的时间在冬季较夏季迟；而早上Tu-r出现正负交替的时间夏季亦较冬季早(夏季在上午9时而冬季在上午11时)。
图 3b分析气温变化率的市-郊差别，可看到秋冬季在日落后的市-郊降温变化率差别明显较之春夏季显著，而日出后的市-郊升温差别在春季(特别是4月)则较之其它季节小。在2.1.中曾讨论过出现日最高正值Tu-r的时间与市-郊气温变化率差别的关系，同理，出现日最低负值Tu-r的时间亦有类似关系。如此，图 3b中接近14时及接近6时的深黑色线(代表市-郊气温变化率差别为0)分别可表示出现日最高正值Tu-r及日最低负值Tu-r的时间。可见出现日最低负值Tu-r及日最高正值Tu-r的时间在夏季都较冬季早，但出现日最低Tu-r负值的时间差别更为明显。此外，从图 3b同样清楚看到日最高Tu-r正值(即峰值Tu-r)与日出时间季节变化的一致性。
表 2列出各月份不同Tu-r参数的统计资料。在1989—2006年间香港年平均Tu-r是0.8℃。根据Liu.等[20](2007)的研究，北京地区1977—2000年间的年平均Tu-r值约介于1~2℃。至于广州地区，从Weng[27](2004)的月平均Tu-r数据可推算1985—2000年间的年平均Tu-r值约为0.2~0.3℃。另外，西班牙南部城市格拉纳达(Granada)的多年平均Tu-r是2℃[36]。需要注意的是Tu-r可能受市区站与郊区站选取及统计年期的影响，所以上述地区的年平均Tu-r值仅作参考，不能客观比较不同地区城市化效应的强弱。但普遍也发现高纬度地区(温带)的Tu-r一般会较低纬度地区(热带)为高[32]。
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表 2 不同Tu-r参数的统计数据 |
从表 2亦可看到，出现日最高Tu-r值的时间夏季多在6时而冬季则多在7时，结果与图 3显示的无异。年平均日最高Tu-r为2.8℃，是年平均Tu-r值(0.8 ℃)的3倍多。全年绝对日最高Tu-r超过10℃。最后，可以看到春季的日平均Tu-r及平均日最高Tu-r都是全年最低，分别少于0.5℃及接近2℃，但夏季绝对日最高Tu-r则比春季为高。
2.3 极端日最高Tu-r值分析表 3列出在1989—2006年间录得的前10位最大日最高Tu-r值的日期及该10天录得日最高Tu-r值时市区和郊区的相关气象观测数据。从表 3可见，前10位的排名均出现在冬季12月或1月，并集中于早上5至8时之间，与2.1和2.2节的讨论一致。在气象观测方面，这些个案有以下共同点：
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表 3 1989至2006年间前10位最大日最高Tu-r值的出现日期及当时在天文台总部和打鼓岭的气象观测数据 |
(1) 睛，云量为2 okta或以下；
(2) 大气稳定，K-指数都是负数[37]；
(3) 吹轻微北或东北风，风速在2m·s-1或以下；
(4) 日最高Tu-r超过10℃。
详细分析这10天的天气形势显示，这些个案全是在东北季候风抵达华南沿岸数天后季候风缓和期间出现。在这种天气背景下，大气稳定及风力微弱，加上云量稀少，有利晚间的辐射冷却使气温下降。而空旷的郊区，辐射冷却的效率远较位于高密度发展的市区中的高，再加上在大气稳定和风力微弱的情况下，不同地区的气团较难混合，形成郊区与市区出现很大温差。
2.4 城市化对相对湿度的影响很多研究都指出(如Liu等[20]2007)，因受城市化影响(例如市区表面的土壤湿气比郊区为少)，市区的日平均相对湿度应会比郊区低，但WMO[35](1974)曾指出市-郊差异可能不甚显著，亦有文献提出相反的论证。市区站的日平均相对湿度与温度露点差都较郊区站高，原因可能与地理位置相对郊区站更为接近海港有关。事实上市区及郊区在10时及18时的平均气温接近，但前者的平均相对湿度较后者大(图 4a)。
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图 4 天文总部(HKO)及打鼓岭(TKL)的气温和相对湿度日变化(a)及其差异(b) |
在一般情况下，相对湿度会随着气温日变化的上升或下降而减少或增加(图 4a)。总的而言，市-郊相对湿度差别的日变化很明显，晚间至清晨市区相对湿度较郊区为低，日间相反(图 4b)，与气温差别的变化大致吻合。
根据Kim等[22](2002)的分析，市-郊相对湿度差与城市化效应的强度(或Tu-r)存在负相关。图 5是市-郊每小时相对湿度差和市-郊每小时气温差(即Tu-r)的相关分析。可以看到，市-郊相对湿度差与Tu-r在晚间22时开始至翌日上午9时明显存在负相关，其相关系数达5%显著水平，表明城市化效应对相对湿度确实存在影响，当Tu-r增加时，市-郊相对湿度差减小(即晚间负值差别更大)，结论与Liu等.[20](2007)一致。有关城市化效应影响相对湿度的物理机制可参考文献[22]。
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图 5 市区与郊区相对湿度差与市-郊气温差(即Tu-r)的相关分析 相关分析是根据1989—2006年间逐年平均资料计算横向虚线及点线分别表示10%及5%显著水平 |
本文分别选取天文台总部及打鼓岭代表香港市区站及郊区站，初步分析受城市化影响下市区与郊区气候的差异，并利用市区与郊区气温差来反映城市化效应的强度。
结果显示郊区的气温变化幅度比市区大、变化也较突然。市区晚间至清晨气温较郊区为高；日间情况大致逆转，但气温差别幅度不及晚间。一年之中，城市化效应在冬季最为显著，春季则最不明显。
城市化影响在相对湿度的日变化同样很明显。晚间至清晨市区相对湿度较郊区为低，日间相反。相关分析显示市区与郊区晚间相对湿度差异与城市化效应强有关。
致谢：非常感谢两位评审专家对本文的宝贵意见和建议
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