超大城市極端天氣災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析——以廣州市為例

劉睿穎，張俊玉，方 舟

0 引言

廣州作為超大城市的典型，是珠三角及華南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心。自上世紀(jì)80年代改革開放以來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市建設(shè)速度和人口劇增，2011年廣州人口總量已逾1500萬。廣州市市長在2011年3月在穗召開的“城市規(guī)劃與科學(xué)發(fā)展研討會”上表示，如果不做政策性宏觀調(diào)控，2020年廣州市人口將突破1800萬，將不可避免患上“大城市病”，在土地、資源、環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等多方面面臨巨大壓力。本文利用1952～2010年廣州市逐日長序列溫度與降水觀測資料，利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析方法，通過廣州市極端天氣災(zāi)害事件的頻率和強(qiáng)度來分析城市規(guī)模的擴(kuò)大對生態(tài)環(huán)境帶來的影響，可以為政府部門的相關(guān)決策和促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起一定的參考作用。

1 資料及方法

1.1 資料

氣象資料是反映天氣氣候事件變化的客觀記錄。本文使用的是廣州市氣象觀測站1952～2010年逐日的最高、最低溫度和平均溫度及降水量實(shí)測資料。

1.2 分析方法

1.2.1 線性趨勢

線性趨勢分析方法[1]主要內(nèi)容為：設(shè)xi為某一變量，ti為所對應(yīng)的時(shí)間（年份或序號），建立xi與ti之間的一元線性回歸方程，xi(ti)=a+bti，式中b稱為趨勢變化率，計(jì)算公式為：

b值的符號反映上升或下降的趨勢，如b＜0，則表示在計(jì)算時(shí)段內(nèi)變量呈下降趨勢；b＞0，則表示在計(jì)算時(shí)段內(nèi)變量呈上升趨勢。

1.2.2 正態(tài)性檢驗(yàn)

Shapiro—Wilk檢驗(yàn)法[2]是用于檢驗(yàn)樣本是否滿足所要求的正態(tài)性，它是由S.S.Shapiro與M.B.Wilk提出的，是指用順序統(tǒng)計(jì)量W來檢驗(yàn)分布的正態(tài)性。設(shè)X1，X2，…Xn是來自 N(u,σ)的樣本，X(1)≤X(2)≤…≤X(n)為其次序統(tǒng)計(jì)量，則W統(tǒng)計(jì)量為

1.2.3 相關(guān)性分析

設(shè)對隨機(jī)變量Y作次觀測得到y(tǒng)1,y2,…,yn，并假設(shè)可將其線性表示為[3]

如果用矩陣形式描述線性模型，則（3）式的矩陣形式為

其中，Y是可觀測的隨機(jī)向量；X為回歸設(shè)計(jì)陣，由p個(gè)可觀測的一般變量和每個(gè)元素都是1的n維列向量構(gòu)成；β為回歸系數(shù)；ε是不可測的誤差隨機(jī)向量。E(ε)=0和 Cov(ε)=σ2In稱為Gauss-Markov條件，其中 In是 n 級單位陣。線性回歸過程共有九種模型方法，它們分別是全回歸模型、逐步引入法、逐步剔除法、逐步篩選法等。本文采用的是逐步剔除法。

2 廣州市溫度及降水極端天氣災(zāi)害事件統(tǒng)計(jì)分析

《氣候變化國家評估報(bào)告》[4]中指出，氣候變暖的速度太快，有可能會導(dǎo)致極端天氣事件的發(fā)生頻率增加。具體到廣州這樣的超大城市，通過對溫度和降水逐日資料的分析，可以了解其主要特征。

2.1 平均溫度與極端高溫天氣日數(shù)變化趨勢

參考?xì)庀蟛块T的定義，將極端高溫天氣定義為最高溫度大于35℃的天氣。利用公式（1）得到，1952～2010年，廣州市年平均氣溫增暖趨勢明顯，平均上升了4.88℃（圖略）。在表1中給出了利用公式（1）求出的以每十年為一時(shí)段的平均溫度值。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了以十年為一時(shí)段的極端高溫天氣日數(shù)。

表1 廣州市年平均溫度與極端高溫天氣日數(shù)變化趨勢

由表1看出，廣州溫度的年變暖趨勢明顯。1952～1980年，每十年平均溫度穩(wěn)定在21.8℃，但在80年代開始，每十年平均溫度明顯上升。年高溫日數(shù)變化從80年代開始也呈明顯的上升趨勢，尤以2000年后為甚。

2.2 平均降水量及極端降水日數(shù)變化趨勢

根據(jù)我國氣象部門有關(guān)規(guī)定，24小時(shí)降水量為50mm或以上的強(qiáng)降雨稱為“暴雨”，100mm或以上稱為“大暴雨”。本文將24小時(shí)降水量為50mm或以上定義為極端降水日。極端降水日極易導(dǎo)致降水量超過城市排水能力致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象。與表1類似，利用公式（1），1952～2010年，廣州市年平均降水量平均逐年增加了22.835mm（圖略）。以每十年為一時(shí)段的平均降水量和極端降水天氣日數(shù)見表2。同樣可看出，年平均降水量和極端降水天氣日數(shù)從90年代起呈明顯增加趨勢。

表2 廣州市年平均降水量與極端降水天氣日數(shù)變化趨勢

2.3 年平均溫度與年平均降水量的正態(tài)性檢驗(yàn)

廣州逐年的年平均溫度與年平均降水量一致呈上升趨勢，它們之間是否具有相關(guān)性及相關(guān)性如何，本文擬從線性回歸作分析。在作線性回歸分析之前，需要檢驗(yàn)?zāi)昶骄鶞囟扰c降水資料是否符合正態(tài)分布，此即概率統(tǒng)計(jì)中的顯著性問題。

利用公式（2），對年平均溫度作正態(tài)性檢驗(yàn)，設(shè)檢驗(yàn)水平α為0.01，得出Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)量的p值為0372（p值定義為拒絕原假設(shè)時(shí)所需的最小顯著性水平），由于0.0372＞0.01，則接受原假設(shè)，即認(rèn)為年平均溫度服從正態(tài)分布。

與年平均溫度正態(tài)性分析方法相同，可得到年平均降水檢驗(yàn)中的Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)量的p值為0.5474，即年平均降水量也服從正態(tài)分布。因此，可以對年平均溫度與年平均降水量作相關(guān)性分析。

2.4 年平均溫度與年平均降水量的相關(guān)性分析

利用公式（3）和（4），采用逐步剔除法建立年平均溫度與年平均降水量的相關(guān)性。初次計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)原假設(shè)為回歸系數(shù)與0無顯著差異。對立假設(shè)為回歸系數(shù)與0有顯著差異。方程不顯著。第二步和第三步的步驟是一樣的，即逐步剔除強(qiáng)影響點(diǎn)，重新建立回歸方程。

第三步以后，回歸模型有了顯著改善。最后，建立了平均溫度與平均降水量之間的回歸方程為y=4.35529x-49.55184。

總體而言，年平均溫度升高時(shí)，年平均降水量也相應(yīng)增加。但從擬合圖上（圖略）看，這并不是一個(gè)很好的回歸方程，因?yàn)閳D上的點(diǎn)無法用一條回歸直線很好地?cái)M合。并且，從剔除強(qiáng)影響點(diǎn)的過程可以看出，強(qiáng)影響點(diǎn)比較多，這也影響了回歸的效果。這說明年平均溫度和降水量具有一定正相關(guān)性，但降水量同時(shí)可能還受到其他因素的影響。

3 廣州市溫度及降水極端天氣災(zāi)害事件成因分析

3.1 城市熱島有利于極端高溫天氣的出現(xiàn)

廣東省位于中國的最南部，北依逶迤的南嶺，南臨浩瀚的南海，其獨(dú)特的地理位置和地貌格局形成了廣東省特有的溫度氣候特征。在全球變暖的大背景下，廣州市的氣候變化特征與廣東省其他觀測站相比，究竟有哪些差別？對比廣東省新豐縣的氣候變化特征[5]可以看出廣州市特有的氣候特征。廣東省新豐縣地處粵中偏北，韶關(guān)市南端，東江、北江和流溪河三河水系分流之處，新豐江上游，以農(nóng)業(yè)人口為主，這里將它作為非城市化的典型與廣州作對比[注：表3與表4中的數(shù)據(jù)，取自文獻(xiàn)5]。

表3 新豐縣平均溫度與極端高溫天氣日數(shù)變化趨勢

對比表1和表3可見，廣州市以十年為一階段的平均溫度與極端高溫天氣日數(shù)遠(yuǎn)高于新豐縣的值。尤其是在1980～2010年，廣州與新豐的平均溫度差距有加大的趨勢，年平均極端高溫日數(shù)也由1980年前的略低于新豐，變化到1981～1990年間的與新豐基本持平，再到1990年以后的明顯高于新豐。這充分說明了城市熱島效應(yīng)特征[6～7]的影響。城市熱島效應(yīng)指的是，隨著城市區(qū)域發(fā)展，城市的建筑、道路及其他基礎(chǔ)設(shè)施逐步替代空曠地帶和植被，導(dǎo)致城市的溫度高于周邊郊區(qū)的溫度。

3.2 城市排放的高污染物有利于極端降水天氣的出現(xiàn)

表4 新豐縣年平均降水量與極端降水天氣日數(shù)變化趨勢

對比表1和表3可見，廣州市以十年為一階段的平均降水量與極端降水天氣日數(shù)也遠(yuǎn)高于新豐縣的值。城市熱島效應(yīng)的另一個(gè)重要影響是[6]，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，由于汽車、工業(yè)生產(chǎn)等廢氣排放，由于汽車、工業(yè)生產(chǎn)等廢氣排放不但形成大量的人工熱源，同時(shí)城區(qū)大氣中堆積排放的大量的污染物，也有利于凝結(jié)核的形成，使城市降水量相對有所增加。

4 應(yīng)對超大城市極端天氣災(zāi)害事件增加的對策

(1)對城市布局進(jìn)行合理規(guī)劃。城市下墊面的改變是引起城市熱島效應(yīng)增加的原因之一。由于城市下墊面是由柏油路、建筑墻面等吸熱快、升溫快的人工構(gòu)筑物組成，這樣的下墊面強(qiáng)烈地吸收太陽輻射能量，使得氣溫急劇升高。同時(shí)由于混凝土、柏油路等不滲水，降雨量增加時(shí)，極易導(dǎo)致城市積水災(zāi)害發(fā)生，導(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此，在城市布局時(shí)，合理保留并增加綠地和樹木，有利于減少城市熱島效應(yīng)的影響。

（2）提倡低能源、低消耗的生產(chǎn)和生活方式。城市工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中釋放的大量熱是促成熱島效應(yīng)形成的另一個(gè)原因。因此要根據(jù)城市的性質(zhì)及其定位確定合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),大力發(fā)展污染發(fā)展少的工業(yè)。在市場經(jīng)濟(jì)條件下，企業(yè)必須降低能源消耗，才能在激烈的競爭中求得長遠(yuǎn)的生存發(fā)展。另一方面，要合理控制城市的人口規(guī)模和密度，以降低居民生活過程中產(chǎn)生的廢熱。大力發(fā)展公共交通，對城市小汽車的保有量加以調(diào)控，以控制汽車尾氣排放。

（3）倡導(dǎo)開發(fā)新型建筑材料。城市化的程度是衡量一個(gè)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會、文化、科技水平的重要標(biāo)志，也是我國現(xiàn)階段發(fā)展過程中的必由之路。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市將愈來愈與高層建筑為伍。通過開發(fā)能降溫節(jié)能、緩解熱島效應(yīng)強(qiáng)度的建筑材料，可以部分緩解熱島效應(yīng)的影響。

（4）提高城市地下排水系統(tǒng)能力。對于極端降水引發(fā)的城市積水災(zāi)害現(xiàn)象，除通過控制熱島效應(yīng)以降低極端降水日數(shù)以外，提高城市地下排水能力是另一個(gè)重要途徑。高標(biāo)準(zhǔn)地下排水系統(tǒng)意味著高投入。目前我國一些老城區(qū)的排水系統(tǒng)無法滿足大規(guī)模城市化帶來的極端降水的增加。但完全拋棄舊有設(shè)施則代價(jià)太大。因此需要對城市建設(shè)作全局性考慮。

總之，大規(guī)模城市化的發(fā)展已對氣溫和降水產(chǎn)生了一定的影響，并且直接導(dǎo)致了極端高溫天氣和極端降水天氣的增加。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對成熟的現(xiàn)階段，城市建設(shè)不但要注重經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)更要注重社會效益和環(huán)境效益，將城市的發(fā)展置于社會發(fā)展背景下，將追求城市經(jīng)濟(jì)水平的提高放在追求超大城市化之上，最大限度地保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，合理全局性地考慮城市布局和規(guī)模，同時(shí)提倡低碳城市[7]的理念，還需要政府的政策引導(dǎo)和社會的相關(guān)干預(yù)。

[1]黃良文.統(tǒng)計(jì)學(xué)[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2008.

[2]張曉冉.統(tǒng)計(jì)分析及其SAS實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[3]裴鑫德.多元統(tǒng)計(jì)分析及其應(yīng)用[M].北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1990.

[4]編委會.氣候變化國家評估報(bào)告[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[5]溫麗華，賴鳳珍.新豐縣近47年氣候變化特征[J].廣東氣象,2008,30(6).

[6]劉婕，譚華芳.城市化進(jìn)程中的熱島效應(yīng)問題及對策[J].財(cái)經(jīng)問題研究,2011,（5）.

[7]辛玲.低碳城市評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2011,（7）.