基于GIS和RS技术概述崂山区雨岛效应
1 引言
近年来，随着改革日趋深入，城市工业化和社会化发展迅速，高楼大厦林立，城市面积扩展，城区规模明显扩大，出现了郊区降水量小于城区的现象，而且这种现象愈演愈烈，这与城市雨岛效应;存在很大关系。目前，我国正处在城镇化高峰期，城市建设速度很快，城市人口数量及财富量不断累积，城市规模扩展迅速，雨岛效应导致的洪涝灾害，对生产生活带来诸多不便。如何才能更好的应对雨岛效应所导致的城市洪涝灾害显得尤为重要，为此需要对雨岛效应有一个更好的了解。
目前国内国外关于城市雨岛效应的监测方法以及研究方法比较少，大多是对导致雨岛效应的因素进行论述以及对雨岛效应产生的危害进行分析，监测一个地区是否存在雨岛效应无论是从技术上还是方法上都没有明确地研究思路。本文在对崂山区的基本水文气候进行研究的基础上，结合崂山区气温、降水、风速等因素之间的演变趋势，选取适宜的雨量观测站，并研究土地覆被及降水的年际变化，城区郊区汛期的降雨变化，验证雨岛效应存在的同时，探究城市化等因素对雨岛效应的影响，在明确雨岛效应的基础上，更好应对雨岛效应。
1.1 研究背景和意义
城市是现代社会政治、经济、文化的核心。改革开放以来，随着城市化社会化经济的迅猛发展，城镇化进程的加快，人口、经济、社会都有极大的发展，大中型城市越来越多。而随着城市化进程加快，就地表因素而言，地表水泥等覆盖面积增多，绿地等天然植被覆盖面积减少，导致地面反射的太阳辐射能增多；就地表以上而言，城市建筑群无论在数量上还是质量上都有所增加，阻碍了风所带动的热量流动，减少热量的水平扩散 。一系列人为建设的影响，使得城市地区整体或局部温度高于周围地区。尤其是到了炎热夏天，建筑物反射太阳辐射以及自身热辐射，空调氟利昂及汽车尾气等的排放，会产生大量热量，这些热量的超长排放，超出城市调节能力，并随着热量的上升，在城市上空形成热气流，随着热量堆积，最终导致降水形成，这种效应被称之为雨岛效应;。
近年来，随着改革日趋深入，城市工业化和社会化发展迅速，高楼大厦林立，城市面积扩展，城区规模明显扩大，出现了郊区降水量小于城区的现象，而且这种现象愈演愈烈，这与城市雨岛效应;存在很大关系。目前，社会化工业化发展迅速，人口、物质、财富 、优势资源都向城市集中，城市规模越来越大。城市积水越演越烈，对人们的正常的生产生活产生重要影响，妨碍了人们正常的外出工作与学习，带来了诸多不便，并且随着城市积水及内涝加深，会加剧一些自然灾害发生。对于上述问题，如何采取合理可行的措施来应对雨岛效应所产生的城市内涝问题，除了合理的城市规划布局，有效的应对设施，还需要人类自身减少温室气体的排放，只有综合考虑这些因素，才能保障人民的正常的生产生活安全。城市内涝，是指某个地区持续的强降水超出地区排水的能力，导致地面产生积水的现象。在影响一个城市地区降水量的因素中，大气环流所导致的季节性降水起主要作用，城市社会化、工业化发展所导致的雨岛效应对城市降水影响比较小，即城市本身环境状况对城市降水的影响作用小。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 国外研究进展
国外对于城市雨岛效应的研究，主要侧重于城市上风向和下风向，月均和季均降水量和降水天气现象发生的天数比较研究，由于雨岛效应所导致的降雪量变化，城市雨岛效应的影响机制研究，城市多年降水频率跟降水强度比较研究。
以Lindquist为例，他的研究结果表明，在同一年份的冬天郊区降雪量高于城区降雪量，郊区降雪量为城区降雪量的2-3倍，最为重要的是，降雪量由市中心到郊区呈现以市中心为圆心，逐渐向外扩散的同心圆，市中心最低，往外逐渐增大。而 Huf 等[6]对美国圣路易斯城(St．Louis)长期降水资料分析表明，在汛期，城区降水量明显高于附近地区降水量，而且这种趋势随着城市化程度的加深而有所加强。在对美国圣路易斯地区进行相关分析的基础上，Changnon认为除去季风环流影响，由于城市化因素所导致的地区降水量增多了 5％一 25％左右，并且，城区降水量明显多于下风向的郊区降水量。aurequi 等的研究结果更加直观，他做了对于墨西哥城区近几年的降水统计表，结果表明降水趋势为降水频率跟降水量都有所增加。而在卫星影像数据、雷达观测资料及降水数据分析的基础上，结合对1998-2000年间美国亚特兰大城市降水量研究，Shepherd等发现，城市下风向降水量高于城区降水量。Bai等基于数学理论分析模型，模拟了城市热岛对降水的影响，发现城市下风向存在降水高峰。
1.2.2 国内研究进展
国内学者们对于雨岛效应的研究比较少，主要从 20 世纪 90 年代开始由对北京、上海、大连等大城市开始研究，内容多侧重于雨岛效应所导致降水的强度、降水时空分布状况、降水量的变化。
李天杰结合降水资料，对城市化因素对上海地区降水量影响进行了分析，结果表明它对城市降水产生了一定促进作用。Chen 等结合历史资料及观测研究，表明了长江三角洲城市群，随着城市发展，城区降水量增加明显。在对北京市城市降水进行模拟分析的基础上，Guo等]发现城郊邻接区降水量高于城区降水量，降水峰值出现在城市下风向，这体现了城市化程度与降水强度的关系。在对近几年北京城郊降水量进行时空演变分析的基础上，张立杰发现，北京地区的降水量有所下降，但是相比城市下风向的郊区，城区降水量下降明显，也体现了城市化与降水的关系。城区下风方向对流降水的增强主要是由于移动性雷暴受到城市建筑物阻挡作用而引起。城市建筑物的摩擦阻挡作用一方面可以引起城市辐合区的增强，从而对城区对流的发展有贡献；另一方面，其阻挡作用往往还可以引起移动性雷暴回波发生分裂并沿着城市的外围向下游移动，此时最强的雷达回波并不是出现在城区上空，而是出现在城市的两侧及其下游地区。
2 研究区概况
2.1 自然状况
2.1.1 地形地貌
研究区地形特征东高西低，由东向西依次形成山地、丘陵、平原三大地貌类型。位于区内东部的崂山主峰崂顶海拔1133m，是胶东半岛最高峰。由崂山顶部向西北、西南延伸，逐渐形成标山、石门山、午山浮山三大支脉。区内地质演化最为剧烈的时期是中生代，燕山晚期强烈的断裂运动和岩浆活动，奠定了现代地貌的基本轮廓。自新生代以来，新构造运动主要表现为缓慢的、不均衡的抬升运动。在地表水和海水的作用下，形成了形态各异的陆地地貌和迂回曲折的海岸地貌。综上所述，断块构造是支配研究区地貌发育的主要地质基础，而流水作用则是影响研究区地貌形态演变的主要外力因素。
2.1.2 气候条件
崂山区属暖温带大陆性季风气候区，季节差异比较大。崂山区雨水资源充足，气温比较温和，夏天无炎热天气，冬季无严寒天气。因崂山区坐落于海边，受海洋影响比较大，表现出明显的海洋性气候。崂山中部及东北部地区多山地，其他地区多平原，受这些地形因素影响，山地跟平原地区气候有所差异，形成自己与众不同的小气候。同样是山区，气候状况差别明显，南部高山区呈现暖温带湿润气候，降水量比较大，中部低山区呈现半湿润气候，降水均匀、适中。对于崂山区气温而言，在一月份，气温均值为 12℃，在八月份，气温均值为 24.7℃，年均降水量为 837.7 毫米，全年大气相对湿度为 76％，易出现雾天。因本地区的环境气候适宜，适宜旅游，崂山区的气候条件与国内外其他地区相比，具有明显的比较优势。
2.2 社会经济概况
研究区内有青岛高科技工业园，并且拥有崂山景色名胜区和青岛石老人度假区，可以说具有得天独厚的区位优势和独一无二的旅游资源，同时也是韩国、日本等外国人士在青岛居住最集中的区域，韩国驻青岛的总领事馆就设立于此。该区是最适宜人类居住的地区之一，同时也是投资创业的乐土，并且该区的崂山素以自然之美和人文景观闻名于世，有海上名山第一;、道教第二丛林;的美誉。该区是龙山文化的重要发源地，同时也是中国民间艺术之乡。
研究区包括中韩、沙子口、王哥庄、北宅四个街道办事处。研究区的4个街道办事处中有 3 个临海，海岸线长 103.7m，全区现有海堤 16.2m。至 2009 年底，研究区常住人口约 15.71 万人，户籍人口 23.61 万人，其中非农业人口的比重为100%。
目前，全区有5座小（一）型水库，分别是流清河水库、晓望水库、大河东水库、大石村水库、张家河水库，总库容量达到1568.4万m3，兴利库容达到1403.4万 m3；小（二）型水库 25 处，总库容量达到 607.9 万 m3，兴利库容达到 425.7万m3；全区建有塘坝114座，总库容量达到 200万m3。
雨岛效应影响因素可分为自然因素跟人为因素。自然因素包括地表参数跟地形，人为因素分为城市化因素跟人类因素。就地表因素而言，地表水泥等覆盖面积增多，绿地等天然植被覆盖面积减少，导致地面反射的太阳辐射能增多，热气流上升，增强雨岛效应；对于地形因素，山区地形易形成地形雨，增强雨岛效应。就城市化影响而言，城市建筑群无论在数量上还是密度都有所增加，阻碍了风所带动的热量流动，减少热量的水平扩散。一系列人为建设的影响，使得城市地区整体或局部温度高于周围地区。尤其一到炎热夏天，建筑物反射的太阳辐射，空调排放的氟利昂气体，汽车排放的尾气等对城市温度产生重要影响，增强雨岛效应。同时，就人为因素而言，城市人口急剧膨胀，人口密度加大，人类生产生活活动导致排放热量增加，热量堆积到大气上空，使城市上空形成热气流，热气流越积越厚，最终导致降水形成。
3 雨岛效应影响因素及指标分析.................... 9
3.1雨岛效应影响因素分析................ 9
3.1.1地表参数影响研究 ............ 11
3.1.1.1研究思路............... 11
4 雨岛效应时空格局分析 ..............34
4.1雨岛效应时间分布特征................34
4.1.1降水观测站选取 ..............34
4.1.2崂山区汛期城区降雨量分析 .....35
5 雨岛效应应对措施 .............. 40
5.1 雨岛效应影响分析.........................40
5.2 雨岛效应的应对措施............... 40
5 雨岛效应应对措施
5.1 雨岛效应影响分析
（1）内涝灾害范围跟频率增加。雨岛效应使得城区汛期降水量大幅增加，城市内涝的普遍性，在全国很多城市都存在不同程度的内涝现象。城市的某些特定地点内涝发生率较高，如立交桥；随着现代城市的建设，在过街的地下通道、铁路桥、公路桥等也多有发生。一是降雨，特别是强降雨。当城市出现暴雨频率与强度高于周边地区时，更易形成洪涝灾害。二是地形地貌。地势比较高的地区不容易形成积水，而地势比较低洼的地区容易形成内涝，这也是立交桥、地下通道等容易出现大量积水的原因。三是城市排水系统不完善。一些城市排水管网欠账;较多，管道老化，排水标准比较 低。另外，大量的硬质铺装，如柏油路、水泥路面等渗透性不好，也容易造成积水。
（2）城区郊区降雨量差异明显。很多城市降水量明显大于周边郊区的现象也越来越突出。上文分析过，崂山城区跟郊区降水量就有明显的空间格局差异，而且随着时间的演变，这种趋势在扩大，城市化发展程度不同，导致降雨量差异明显。
5.2 雨岛效应的应对措施
（1）从城市设施规划方面考虑，主要分为两个方面，硬性的工程措施与软性的非工程措施。针刚性的工程措施，要选取适当的标准，建立完善的应急体制，城市基础设施规划要恰当合理，如水库修建的位置、建立泵站分流的位置、下水道的位置、泄洪设施的位置以及闸门的位置等，都要统筹考虑，合理安排，以应对城市洪水灾害。针对软性的非工程措施，它作为硬性工程措施的补充，主要利用硬性工程设施以外的方法来进行改善城市雨水系统，如结合环境学、生态学、气象学等多种科学理念，应用到现实生活中进行调节城市蓄水，如在铺设透水路面，尽量减少硬化路面的修建，地下增加透水层等方法，对调节雨洪起到明显作用。
6 结论与展望
6.1 结论
文章在对崂山区基本地形、城市扩展方式等进行研究的基础上，得出地形与城市化扩展会对城市降水产生重要影响，具体概况为以下几点：
（1）地形会对城市降水产生影响，尤其是对于山区降水产生重要影响，通过公式估算所得的降水量与降水实际值基本一致，表明山区的坡度、海拔等因素是地形影响山区降水量的重要因素。
（2）城市化是影响城市降水的重要因素，通过对影响城市扩展的间隙度、吸引力等因素进行分析，然后结合 40 年时间序列内的崂山区土地利用变化情况进行分析，反映了崂山城区的城市化水平一直在提高。同时，结合崂山城区跟郊区1971-2021年内的汛期平均降水量的增雨系数分布图，发现崂山城区降水量逐渐大于郊区降水量，并且这种趋势在扩大，验证了城市化对城市降水的影响，说明崂山区存在明显的雨岛效应。
（3）地形会引起地区降水的变化，尤其对山区降水产生重要影响，迎风坡降水量多于背风坡降水量，而城市扩展会引起城市雨岛效应，导致城市城区降水量增加，同时地形也会对城市的扩展产生重要影响，地形起伏度小于1的地区适宜人类聚集和城市发展，地形、城市化扩展、城市降水三者存在密不可分的关系。
（4）随着崂山区城市化进程加快,雨岛效应日益明显,直接导致城市汛期降雨增加。城市温度与雨岛效应所导致的降水增加有明显的线性回归关系,即气温每升高 1℃,降水增加 236.275mm。雨岛效应会造成城市内涝的范围与频率增加,为更好地应对雨岛效应,对于硬性的工程措施而言,标准要适当、应急抢险体制要完善,从环境方面考虑,要建设生态城市,满足城市科学发展。
参考文献（略）