云南中部區(qū)域氣溫變化特征及其受城市化影響程度分析

吳志杰，何云玲

(云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，昆明650091)

0 引言

近百年來全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化。1880—2012年全球地表溫度升高了0.85℃，1951—2012年氣溫上升速率為0.12℃/10a，變暖幅度自20世紀(jì)90年代以來明顯加速，未來100年全球氣溫將升高1.0～3.7℃［1］。中國的氣候變化趨勢與全球基本一致，特別是近50年來，全國增暖趨勢尤為顯著，1951—2009年全國地表平均氣溫上升了1.38℃，變暖速率為0.23℃/10a，高于同期全球增溫平均值［2］。全球氣候變化以及城市化發(fā)展對(duì)區(qū)域氣候變化的影響已成為當(dāng)前國際社會(huì)的熱點(diǎn)問題。

云南省地處低緯度高原，其復(fù)雜的地形地貌鑄就了多樣的氣候類型。作為西南的高密度人口地區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)域［3］，由全球和地區(qū)人類活動(dòng)引起的氣候變化是影響云南氣候的重要因素［4］。已有研究表明:近50年來云南氣候變化突出，主要表現(xiàn)為與全球一致的變暖趨勢［5-7］，1961—2008年云南的年平均氣溫上升了0.66℃，增溫速率為0.14℃/10a，低于全國平均水平，略大于全球變化水平。從區(qū)域尺度來看，氣候變化勢必引起區(qū)域水熱條件的變化，從而影響自然生態(tài)系統(tǒng)，尤其是氣溫的增加以及降水的減少使得干旱發(fā)生頻率增多，強(qiáng)度加重，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展［8］。另外，隨著城市開發(fā)與建設(shè)的大規(guī)模展開，城市緊湊化、高密度的發(fā)展過程重塑了城市下墊面，改變了輻射能量平衡，減少了空氣對(duì)流對(duì)熱量的驅(qū)散，導(dǎo)致了以熱島效應(yīng)為主的城市氣候問題的出現(xiàn)［9-10］。目前，對(duì)于氣溫的時(shí)空變化特征研究，在不同時(shí)空尺度上都比較齊全，方法相對(duì)成熟，國內(nèi)外研究成果也較多。在研究范圍上，主要集中于大中城市單站案例研究，針對(duì)西部高原城市的研究較少。而針對(duì)一個(gè)區(qū)域氣候變化的研究，基本上都是考慮區(qū)域的平均情況，缺少對(duì)區(qū)域內(nèi)部差異的研究。

由于氣候變化受地形、人為活動(dòng)的影響，區(qū)域或特定地區(qū)的氣候變化特征具有時(shí)空上的特殊性［11-12］。云南中部區(qū)域地處滇東高原盆地，屬亞熱帶氣候，既受到全球氣候變化的影響，又有明顯的地域性特點(diǎn)。本研究基于1961—2010年逐月氣象實(shí)測資料，分析云南中部區(qū)域平均氣溫的時(shí)空變化特征，并采用城郊對(duì)比法分析城市化對(duì)于氣溫變化的影響程度和貢獻(xiàn)，這對(duì)于明確云南中部地區(qū)的氣候變化特征、認(rèn)識(shí)高原地區(qū)城市化對(duì)氣候變化的影響具有重要意義。

1 資料與方法

本研究中的云南中部區(qū)域是指《滇中城市群規(guī)劃修改(2009—2030年)》所劃定的滇中地區(qū):以昆明為核心，半徑約150～200 km，包括昆明、曲靖、玉溪和楚雄4個(gè)地州。該地區(qū)屬于高原盆地，以山地和山間盆地地形為主，地勢起伏和緩，地理位置為99°30'～104°14'E，23°12'～26°41'N。滇中地區(qū)氣候四季如春，位置偏北的地區(qū)有短暫的冬季，偏南的地區(qū)有短暫的夏季。之所以選擇該地區(qū)作為研究區(qū)域，一方面是由于其地處滇東高原盆地，氣候變化具有時(shí)空上的特殊性;另一方面則考慮到該地區(qū)的城市化水平在云南省最高，對(duì)氣候變化的影響顯著，其作為《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》中的重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)之一，城市化進(jìn)程的提速所帶來的環(huán)境壓力將持續(xù)增大。

氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心，包括云南中部地區(qū)國家基準(zhǔn)站、基本站以及一般站1961—2010年逐月氣溫資料。在剔除了存在臺(tái)站遷移記錄以及觀測資料不連續(xù)的站點(diǎn)后進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，最終選取37個(gè)臺(tái)站的資料。個(gè)別月份的缺測值則根據(jù)鄰近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用多元回歸插值補(bǔ)齊。

氣溫的時(shí)間序列特征采用趨勢系數(shù)、氣候傾向率、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、Morlet小波等方法進(jìn)行分析，具體的計(jì)算過程參考J.Xu等［13］、董長虹［14］、魏鳳英［15］等的研究。區(qū)域的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)則借助Surfer 12.0的Kriging插值完成。城市化對(duì)氣候變化的影響程度，則根據(jù)臺(tái)站所在地人口、環(huán)境、地理位置，將其分為城市站、郊區(qū)站兩大類，采用城郊對(duì)比法進(jìn)行分析。

2 氣溫變化特征分析

2.1 氣溫序列變化趨勢分析

1961—2010年云南中部地區(qū)年均氣溫總體呈上升趨勢(圖1)。從20世紀(jì)80年代以后氣溫逐漸升高，90年代變暖趨勢更加明顯，并于最后10年達(dá)到50年來的最高值。從線性趨勢來看，年平均氣溫傾向率為0.17℃/10a(p＜0.01)，與北半球變化(0.166℃/10a)基本一致，略低于全國平均增暖幅度0.23℃/10a。四季平均氣溫均呈現(xiàn)增高的趨勢(圖2)。其中冬季的增溫速率最大，達(dá)0.31℃/10a;其次為秋季0.16℃/10a;夏季為0.13℃/10a;春季增溫速率較小，為0.10℃/10a。

圖1 1961—2010年云南中部地區(qū)平均氣溫變化趨勢Fig.1 Trends of regional averaged annual temperatures in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

從年代際氣溫距平(表1)來看，氣溫的變化趨勢也十分明顯。盡管20世紀(jì)90年代之前的氣溫距平存在負(fù)值，但從70年代開始呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，到90年代氣溫距平轉(zhuǎn)為正值。夏季均溫和秋季均溫在80年代開始變暖，冬季均溫和春季均溫在90年代開始變暖，四季的平均氣溫從80年代起均呈現(xiàn)上升的趨勢，并于最后10年達(dá)到了增溫的最大值。

圖2 1961—2010年云南中部地區(qū)各季節(jié)平均氣溫變化趨勢Fig.2 Trends of seasonal mean temperatures in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

表1 云南中部地區(qū)平均氣溫年代際距平℃/10aTab.1 Inter-decadal departure of annual mean air temperature over the Central Yunnan Plateau

2.2 年均氣溫突變和周期分析

為了進(jìn)一步揭示和驗(yàn)證氣溫序列的變化規(guī)律，對(duì)年均氣溫進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和Morlet小波分析。突變檢驗(yàn)結(jié)果(圖3)顯示，UF曲線在20世紀(jì)80年代以前圍繞0值波動(dòng)，說明年均氣溫在這一階段沒有太大變化，而在80年代后期UF由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值并逐漸增大，表明年均氣溫序列呈上升趨勢，90年代后開始升高，并于2002年超過了0.05的臨界線，表現(xiàn)出顯著的上升趨勢。UF，UB曲線相交于1997，2001年，且交點(diǎn)在±1.96臨界線之間，說明年均氣溫可能在1997，2001年發(fā)生了突變。為進(jìn)一步確認(rèn)突變點(diǎn)是否可信，對(duì)突變點(diǎn)前后作5年時(shí)間段的滑動(dòng)t檢驗(yàn)［16］，結(jié)果顯示1997年的突變點(diǎn)通過了a=0.05的信度檢驗(yàn)，表明1997年的突變點(diǎn)是可信的，在1997年之后進(jìn)入了1個(gè)顯著增暖時(shí)期。

圖3 1961—2010年云南中部地區(qū)年均氣溫突變檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall test curves of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

小波系數(shù)的變化趨勢與氣候信號(hào)的起伏基本一致，因而可以用來體現(xiàn)氣候要素在不同時(shí)間尺度上的周期結(jié)構(gòu)和異常變化規(guī)律［17-18］。云南中部地區(qū)年均氣溫的Morlet小波時(shí)頻分布(圖4)顯示，能量中心的頻域尺度主要集中在15～25 a，代表了一個(gè)較為明顯的主周期。而從小波方差圖(圖5)來看，其隨時(shí)間尺度變化的過程中有1個(gè)明顯的峰值，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的24 a，表明在相應(yīng)尺度下信號(hào)震蕩強(qiáng)烈。因此，24 a是年均氣溫的主周期。

2.3 氣溫變化趨勢的空間分布

圖4 1961—2010年云南中部地區(qū)年均氣溫小波系數(shù)Fig.4 Morlet wavelet coefficients of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

圖5 1961—2010年云南中部地區(qū)年均氣溫小波方差Fig.5 Morlet wavelet variance of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

50年來云南中部地區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，有29個(gè)氣象站(占78.4%)增溫趨勢顯著。為了分析氣溫變化趨勢的區(qū)域差異，對(duì)各站點(diǎn)平均氣溫的趨勢系數(shù)和傾向率進(jìn)行Kriging插值(圖6)。年均氣溫上升趨勢明顯的地區(qū)位于中部、東南以及西部地區(qū)，升溫中心位于昆明(0.45℃/10a)和楚雄(0.33℃/10a)，北部地區(qū)增溫幅度較小，而在西北部金沙江沿岸的干熱河谷地區(qū)，年均氣溫卻存在下降的趨勢，其中元謀縣的年均氣溫下降趨勢明顯(-0.16℃/10a)。云南中部地區(qū)春季氣溫在整體上呈緩慢上升趨勢(0.1℃/10a)，增溫趨勢明顯的地區(qū)主要位于中部以及南部，最大值出現(xiàn)在昆明0.43℃/10a，元謀干熱河谷地區(qū)氣溫下降趨勢明顯(-0.27℃/10a)。夏季增溫率為0.13℃/10a，有31個(gè)氣象站(83.8%)增溫趨勢顯著(p＜0.01)。增溫趨勢明顯的地區(qū)主要位于研究區(qū)西部、南部以及東南部分地區(qū)，升溫中心主要位于昆明和楚雄，而元謀干熱河谷地區(qū)氣溫存在下降的趨勢。秋季增溫率為0.16℃/10a，有26個(gè)氣象站(70.3%)增溫趨勢顯著(p＜0.01)，增溫趨勢明顯的地區(qū)和夏季基本一致。云南中部地區(qū)冬季增溫率最大，達(dá)到了0.31℃/10a，除西北部的干熱河谷地區(qū)有輕微的降溫趨勢外，其余地區(qū)增溫趨勢明顯，升溫中心位于昆明(0.61℃/10a)、玉溪(0.49℃/10a)和楚雄(0.51℃/10a)。

3 城市化對(duì)氣溫變化的影響

3.1 參考站的確定

為了識(shí)別城市氣溫序列中城市化的影響程度，關(guān)鍵在于確定未(少)受城市化影響的郊區(qū)參考站，用來作為氣溫變化的背景場，通過比較城市站和郊區(qū)站的氣溫變化趨勢，可以獲得城市化對(duì)氣溫變化的平均影響程度。根據(jù)任國玉等［19］提出的參考站遴選原則和標(biāo)準(zhǔn)，按照如下方法選取郊區(qū)參考站:(1)采用2010年全國人口普查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，規(guī)定參考站所在居民點(diǎn)的常住人口數(shù)小于7萬;(2)臺(tái)站不能位于居民區(qū)中心或太靠近建成區(qū);(3)以觀測場為中心、半徑2 km的區(qū)域內(nèi)，人工建筑面積所占比例不超過33%。

圖6 1961—2010年云南中部地區(qū)平均氣溫變化趨勢空間分布Fig.6 Spatial patterns of trends of mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

剔除存在遷站記錄以及觀測資料長度低于50年的站點(diǎn)后，根據(jù)參考站選取標(biāo)準(zhǔn)，從云南中部地區(qū)剩余的37個(gè)國家基準(zhǔn)、基本站和一般站中選取出郊區(qū)站和城市站。為了分析城市化效應(yīng)對(duì)氣溫序列的影響程度，建立云南中部地區(qū)城市代表站及其郊區(qū)代表站、昆明站及其郊區(qū)代表站、楚雄站及其郊區(qū)代表站、玉溪站及其郊區(qū)代表站共4類情景的氣溫序列，由于曲靖站建站時(shí)間短并于2000年遷站，故不在分析之列。為確定城市化對(duì)氣溫序列變化的影響程度和貢獻(xiàn)，將城市站與郊區(qū)站的氣溫傾向率之差作為城市化增溫率，城市化增溫貢獻(xiàn)率則定義為城市化增溫率與城市站氣溫傾向率之比，熱島強(qiáng)度定義為修正到同一海拔高度后城郊?xì)庀笳镜臏夭睢?/p>

3.2 氣溫變化的對(duì)比分析

選取昆明、玉溪、楚雄、宣威、會(huì)澤5個(gè)總?cè)丝诖笥?0萬的城市氣象站為云南中部地區(qū)城市代表站，太華山、馬龍、新平、江川、南華、雙柏等9個(gè)氣象站為郊區(qū)參考站。1961—2010年云南中部地區(qū)城市站、郊區(qū)站各月的氣溫傾向率(圖7)顯示，城市站和郊區(qū)站的氣溫傾向率差異明顯，其年均氣溫傾向率分別為0.29，0.14℃/10a，城市化增溫率為0.15℃/10a，城市化增溫貢獻(xiàn)為51.4%，說明城市化對(duì)城市氣溫序列變化趨勢的影響相當(dāng)顯著。氣溫傾向率和城市化增溫率的季節(jié)差異明顯，冬季的氣溫傾向率最大，城市站為0.47℃/10a，郊區(qū)站為0.25℃/10a，城市化增溫率為0.22℃/10a，增溫貢獻(xiàn)為46.8%。城市化影響和增溫貢獻(xiàn)最低的為夏季，城市站和郊區(qū)站氣溫傾向率分別為0.19，0.13℃/10a，城市化增溫率為0.06℃/10a，增溫貢獻(xiàn)為32.3%。雖然城市站的春季平均氣溫傾向率并不高(0.23℃/10a)，但由于同期的郊區(qū)站氣溫傾向率較小(0.08℃/10a)，使得春季的城市化增溫貢獻(xiàn)達(dá)到了62.9%。

圖7 云南中部地區(qū)郊區(qū)站氣溫傾向率和城市化增溫率(城市站與郊區(qū)站氣溫傾向率之差)Fig.7 Statistics of linear regression trends for monthly and seasonal mean air temperatures in rural stations and urban stations over the Central Yunnan Plateau

3.3 熱島強(qiáng)度分析

采用城郊對(duì)比法，選取昆明郊區(qū)的太華山站、玉溪郊區(qū)的江川站、楚雄郊區(qū)的雙柏站，將郊區(qū)站的年均氣溫訂正到與城市站同一海拔高度后，計(jì)算城市站與郊區(qū)站的年平均氣溫差值并進(jìn)行對(duì)比。昆明、楚雄、玉溪3個(gè)城市年均熱島強(qiáng)度的變化趨勢(圖8)顯示，3個(gè)城市的熱島強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。在20世紀(jì)80年代前的變化趨勢比較平緩，而1985年以后明顯上升，熱島強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，并于2000年以后達(dá)到最高值，此后熱島強(qiáng)度趨于平緩并保持在較高水平，這一現(xiàn)象很可能和郊區(qū)站所在地自身的熱島效應(yīng)在2000年后增強(qiáng)有關(guān)。此外，城市邊界層的熱島穹隆隨著城市的發(fā)展也有可能延伸至郊區(qū)［20］，使得郊區(qū)站受到城市熱島效應(yīng)及其隨時(shí)間變化的影響。1985—2010年間，昆明城市建成區(qū)面積由75 km2增加到275 km2，市區(qū)非農(nóng)業(yè)人口由99.1萬升至250.2萬;玉溪市建成區(qū)面積由6 km2增加到23 km2，市區(qū)非農(nóng)業(yè)人口由4.3萬升至49.6萬;楚雄市建成區(qū)面積由6 km2增加到36 km2，市區(qū)非農(nóng)業(yè)人口由6.2萬升至33.2萬。在此期間昆明、玉溪、楚雄三市的城市化影響程度分別為0.48，0.31，0.27℃/10a，遠(yuǎn)高于1961—2010年的平均水平(0.32，0.10，0.20℃/10a)，可以認(rèn)為城市的發(fā)展導(dǎo)致人類活動(dòng)的急劇增加，使得城郊溫差持續(xù)加大，熱島強(qiáng)度逐年提高。

圖8 1961—2010年昆明、楚雄、玉溪年均熱島強(qiáng)度變化趨勢Fig.8 Changes of the urban heat island intensities in Kunming，Chuxiong and Yuxi from 1961 to 2010

從昆明、玉溪、楚雄這3個(gè)城市及其郊區(qū)站的氣溫傾向率(表2)來看，城市站的升溫速率明顯大于郊區(qū)站(玉溪及其郊區(qū)站在夏秋季節(jié)的氣溫傾向率基本一致)，無論是城市站還是郊區(qū)站冬季的增溫速率要明顯高于其他季節(jié)。其中，昆明的升溫趨勢最為明顯，增溫速率最大的季節(jié)為冬季，其次是春季和秋季，最小為夏季。城市化對(duì)季節(jié)增溫的貢獻(xiàn)率則為春季最高;楚雄各季節(jié)平均氣溫的變化特點(diǎn)和昆明相似，春季的城市化增溫貢獻(xiàn)最高，其次是秋季和冬季，夏季最低;玉溪站增溫速率最大的季節(jié)為冬季，其次是春季，夏秋季節(jié)相差不大。從城市化增溫貢獻(xiàn)率來看，春季最高，其次是冬季，夏秋季節(jié)由城市化引起的增溫貢獻(xiàn)率較小。從這3個(gè)城市的氣溫變化規(guī)律可以看出，雖然冬季的增溫速率最大，但城市化增溫貢獻(xiàn)率最大的季節(jié)卻為春季。這說明在春季城市化造成的增暖要比大尺度的背景升溫更為顯著。從年均氣溫的城市化影響程度來看，昆明(0.32℃/10a)＞楚雄(0.20℃/10a)＞玉溪(0.10℃/10a)，昆明的城市化影響程度要明顯高于其他兩市，一方面是因?yàn)槔ッ髯鳛樵颇鲜∈?huì)，城市化水平明顯高于其他兩市;另一方面，昆明郊區(qū)的太華山氣象站地處自然保護(hù)區(qū)，周邊基本無人類活動(dòng)，城市化影響程度較低，將其作為對(duì)比站具有較好的代表性。

表2 云南中部地區(qū)城市站及其參考站氣溫傾向率℃/10aTab.2 The air temperature change trends in urban stations and their corresponding rural stations

4 結(jié)論

(1)1961—2010年云南中部地區(qū)年均氣溫上升趨勢明顯，氣溫傾向率為0.17℃/10a，年平均氣溫存在著24 a的主周期，并于1997年發(fā)生了突變，之后進(jìn)入了一個(gè)顯著增暖時(shí)期。四季平均氣溫均呈現(xiàn)上升的趨勢，其中冬季氣溫增幅最大，氣溫傾向率為0.31℃/10a。

(2)從氣溫變化的空間分布來看，年均氣溫上升趨勢明顯的地區(qū)位于中部、東南以及西部地區(qū)，升溫中心位于昆明(0.45℃/10a)和楚雄(0.33℃/10a)，而金沙江沿岸的元謀干熱河谷地區(qū)則呈現(xiàn)下降的趨勢;在季節(jié)變化上，除元謀干熱河谷地區(qū)存在降溫趨勢外，其余地區(qū)均呈現(xiàn)出增溫趨勢，升溫中心位于城市，其中以昆明的升溫趨勢最為顯著。

(3)50年來，云南中部地區(qū)城市化對(duì)城市年均氣溫序列變化趨勢的影響相當(dāng)顯著，城市化增溫率為0.15℃/10a，增溫貢獻(xiàn)為51.4%。城市化影響的季節(jié)差異明顯，冬季的城市增溫速率最大(0.22℃/10a);城市化對(duì)春季增暖的貢獻(xiàn)率最高達(dá)到62.9%;夏季的城市化影響最低，城市化增溫率為0.06℃/10a，增溫貢獻(xiàn)為32.3%。

(4)從昆明、玉溪、楚雄年均氣溫的城市化增溫率來看，昆明(0.32℃/10a)最大，楚雄次之(0.20℃/10a)，玉溪最小(0.10℃/10a)，熱島強(qiáng)度從1985年開始逐年增強(qiáng)，2000年以后達(dá)到最高值，之后趨于平緩并保持在較高水平。在季節(jié)變化上，城市站的氣溫上升速率要明顯大于郊區(qū)站，冬春季節(jié)由城市化引起的增溫速率要明顯高于夏秋季節(jié)，城市化增溫貢獻(xiàn)最大的季節(jié)為春季。

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