西安城區(qū)干島效應(yīng)的變化特征與城市發(fā)展

張宏利，劉敏茹，張納偉銳，唐文哲，高雅黎

（1.西安市氣象局，西安710016；2.中山大學(xué) 地球科學(xué)系，廣州 510000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市下墊面特征發(fā)生了很大的變化，原有的自然植被被建筑物、瀝青或水泥路面所代替，人們的生產(chǎn)和生活增加了城市額外的熱量，這些對(duì)城市的氣溫、濕度等氣象要素都產(chǎn)生了顯著的影響［1］。城市氣溫、濕度等要素的顯著變化，產(chǎn)生了相對(duì)城市郊區(qū)明顯的熱島、干島等效應(yīng)。在我國(guó)的城市氣候研究中，人們對(duì)大城市的熱島效應(yīng)研究較多，而對(duì)大城市的干島效應(yīng)等研究涉及較少。到目前為止，對(duì)西安的城市氣侯研究基本是圍繞熱島效應(yīng)進(jìn)行的，僅從年變化方面提及干島效應(yīng)［2］。但是近年來，隨著西安城區(qū)熱島效應(yīng)的加?。?］，城區(qū)干島效應(yīng)的影響也越來越明顯［2］。為此，作者以平原型大城市——西安為例，通過城郊對(duì)比分析法，引入信噪比參數(shù)，對(duì)西安1959－2007年城區(qū)干島效應(yīng)歷年、季節(jié)變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合城市發(fā)展現(xiàn)狀討論其成因，可為西安城市未來可持續(xù)發(fā)展，減輕城區(qū)干島效應(yīng)影響方面，提供較翔實(shí)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)資料處理

主要資料取自1959－2007年西安站及周邊的藍(lán)田、長(zhǎng)安、高陵、臨潼、戶縣、涇陽(yáng)氣象站，高陵站于1970年1月建站，1978年1月又遷站，有效資料年代短，資料的代表性較差；而戶縣、臨潼資料自20世紀(jì)90年代以來，因受本地城市化環(huán)境影響大，不能代表郊區(qū)氣候狀況，對(duì)此，在資料對(duì)比分析中，剔除該三站。以藍(lán)田、長(zhǎng)安、涇陽(yáng)三站作為郊區(qū)氣候狀況代表。涇陽(yáng)站1968年7月、8月資料缺測(cè)，使用氣候平均值代替。文中使用的氣候平均值年代為1971－2000年，西安及周邊氣象站基本情況詳見表1。

遴選表示空氣濕度的各個(gè)指標(biāo)，得出空氣相對(duì)濕度距平值表示城市干島效應(yīng)效果較優(yōu)。整理西安站及藍(lán)田、長(zhǎng)安、涇陽(yáng)三站1959－2007年的月相對(duì)濕度距平資料，作為城郊對(duì)比分析基礎(chǔ)。

將西安站近49 a各月相對(duì)濕度距平要素值，減去同期三站距平平均值，作為西安城區(qū)相應(yīng)各月的干島效應(yīng)值。用1月、4月、7月、10月分別代表冬、春、夏、秋季，對(duì)西安城區(qū)干島效應(yīng)進(jìn)行歷年、四季的各種分析。

表1 西安站與周邊站基本情況

2 西安城區(qū)干島效應(yīng)變化

2.1 年變化

2.1.1 趨勢(shì)變化 從圖1可以看出，西安城區(qū)干島效應(yīng)歷年的變化趨勢(shì)呈二次曲線下垂型，降濕幅度最大時(shí)段為20世紀(jì)90年代以后，最大年為2007年，降幅為－9%，說明此階段干島效應(yīng)明顯。而在20世紀(jì)90年代以前，曲線在0線以上或附近擺動(dòng)，表明此階段干島效應(yīng)不存在或不明顯。

圖1 西安城區(qū)干島效應(yīng)值年變化

2.1.2 突變分析 所謂突變，即在較長(zhǎng)的要素序列中，從一個(gè)平均值到另一個(gè)平均值期間的急劇變化，表現(xiàn)為狀態(tài)的不連續(xù)性。對(duì)突變的分析常采用簡(jiǎn)單實(shí)用的信噪比參數(shù)檢驗(yàn)法［4］，信噪比用累積距平曲線來作判斷參考［5］。對(duì)于時(shí)間序列x，其任意時(shí)刻t的累積距平表示為：

式中：＾xt——要素累積距平值；xi——要素值；ˉx——要素平均值。

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪制累積距平曲線進(jìn)行相應(yīng)的分析。

根據(jù)圖2干島效應(yīng)累積距平曲線，尋找西安干島效應(yīng)的突變年代，可以得出西安在1987年、1990年、1992年為干島效應(yīng)變化點(diǎn)。為檢驗(yàn)這3個(gè)變化點(diǎn)是否存在突變，計(jì)算變化點(diǎn)相臨氣候段的平均值之差︱x1－x2︱與標(biāo)準(zhǔn)差（σ1＋σ2）的比值，記為S／N，稱為信噪比。通過信噪比與t檢驗(yàn)的換算有：S／N＞1時(shí)通過了0.01顯著性水平，則認(rèn)為該年發(fā)生了轉(zhuǎn)折性的突變，否則不能通過0.01顯著性水平，認(rèn)為是一次波動(dòng)［6］。計(jì)算結(jié)果表明，1987年、1990年（點(diǎn)）的S／N＜1。而1992年（點(diǎn)）的S／N＞1，故認(rèn)為西安在1992年（點(diǎn)）干島效應(yīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)折性的突變。在西安干島效應(yīng)1959－2007年的序列值中，明顯存在兩個(gè)階段，分別是1990－1992年和1993－2007年，對(duì)應(yīng)兩個(gè)階段的干島效應(yīng)平均值為2%和－4%，平均值相差6%。

圖2 西安城區(qū)干島效應(yīng)累積距平變化

2.2 季節(jié)變化

圖3（a）顯示 ，在近49 a西安城區(qū)冬、春季干島效應(yīng)變化與歷年變化有相似之處，降濕幅度最大時(shí)段為20世紀(jì)90年代以后，最大年為2007年，降幅分別為－11%、－13%，此階段冬、春比較，春季強(qiáng)于冬季；圖3（b）表明，西安夏、秋干島效應(yīng)總體降濕幅度偏小，變化趨勢(shì)相近。在20世紀(jì)末以前變化平穩(wěn)，在0線附近擺動(dòng)，在20世紀(jì)末以后，降濕幅度有所增大，夏、秋最大為－7%，出現(xiàn)在2005年與2006－2007年。夏、秋比較，幾乎相等。四季比較，冬、春季明顯強(qiáng)于夏、秋季。

圖3 西安市干島效應(yīng)季節(jié)變化

3 城市干島效應(yīng)與城市發(fā)展

衡量城市發(fā)展非常重要的指標(biāo)是城市人口增長(zhǎng)以及城市用地面積的增加，而后者往往與城市人口之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，在討論城市干島效應(yīng)與城市發(fā)展的關(guān)系時(shí)，重點(diǎn)考察城市干島效應(yīng)與城市城區(qū)人口之間的關(guān)系。

圖4 西安市城區(qū)人口歷年變化

由圖4可以看出，西安市城區(qū)人口由1959年的192萬(wàn)人增加到2007年的549萬(wàn)人［3］，在最近的50年增加了2.85倍，并在最近20 a，其增長(zhǎng)率達(dá)到7.25萬(wàn)人／a。通過各個(gè)季節(jié)的干島效應(yīng)與城市人口數(shù)量的散點(diǎn)圖擬合分析發(fā)現(xiàn)，各個(gè)季節(jié)干島效應(yīng)與人口數(shù)量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，并且均能通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)（圖5）。

一般來說，幾十年的短周期內(nèi)，影響城市城區(qū)氣候的主要因素是人為因素。人為因素主要可以分為人為熱的直接排放和人為改變下墊面的性質(zhì)［7］。因?yàn)檫@兩個(gè)因素的程度變化和人口數(shù)有很好的相關(guān)性，所以人口數(shù)基本可以代替人為熱的直接排放及人為改變下墊面性質(zhì)。人為熱的直接排放影響干島效應(yīng)機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，而人為改變下墊面性質(zhì)影響城區(qū)干島效應(yīng)的機(jī)理為建筑物及道路的修建會(huì)導(dǎo)致城市房屋面、城市道路的下墊面大部分被瀝青、水泥等覆蓋，不透水面積增大，地面平均滲水率明顯降低，降水及其它供水在地面短時(shí)間內(nèi)流失嚴(yán)重，所以造成了市區(qū)內(nèi)的相對(duì)濕度顯著降低，形成了干島效應(yīng)。

圖5 西安市干島效應(yīng)與城區(qū)人口關(guān)系

由圖5看出，西安市冬、春、夏、秋季干島效應(yīng)值與人口的相關(guān)性都比較高，都有隨城市發(fā)展而繼續(xù)加強(qiáng)（濕度降低）的趨勢(shì)。由于西安市自然、環(huán)境、城市發(fā)展等特點(diǎn)，造成了城區(qū)干島效應(yīng)春季大于冬、秋季，冬、秋季大于夏季，而夏、冬、秋季差異不明顯的特點(diǎn)。主要是由于在春季太陽(yáng)輻射、下墊面而導(dǎo)致的地面長(zhǎng)波輻射能比其它三個(gè)季節(jié)多，這種效應(yīng)致使春季的熱島效應(yīng)值明顯高于其它三個(gè)季節(jié)［2］，在相同的西安城市環(huán)境背景下，其相應(yīng)春季的干島效應(yīng)值明顯的高于其它三個(gè)季節(jié)。

4 結(jié)論

（1）西安城區(qū)干島效應(yīng)年變化趨勢(shì)呈二次曲線下垂型，最大降濕達(dá)－9%，降濕幅度最大時(shí)段為20世紀(jì)90年代以后，年變化存在1992年的突變年份。

（2）西安城區(qū)干島效應(yīng)存在明顯的季節(jié)變化，四季比較，冬、春季明顯強(qiáng)于夏、秋季。冬、春比較，春季強(qiáng)于冬季。夏、秋比較，差異很小。

（3）代表西安城區(qū)發(fā)展程度的人口數(shù)量與城區(qū)四季干島效應(yīng)之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，春季城市發(fā)展程度影響最大，冬、夏、秋次之且差異不明顯。城區(qū)干島效應(yīng)快速增強(qiáng)的主要原因是城市人為熱直接排放的增加和城市人為下墊面硬化面積的擴(kuò)大。

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