以探空資料分析城市化對(duì)邢臺(tái)氣溫變化的貢獻(xiàn)

王蓉蓉等

摘要利用邢臺(tái)站探空觀測(cè)資料，分析近32年（1979～2010年）城市化對(duì)邢臺(tái)氣溫變化的影響，并與該站地面觀測(cè)資料得出的城市熱島效應(yīng)相比較。結(jié)果表明， 通過(guò)探空近地層與850 hPa層氣溫序列比較得出城市化對(duì)年均氣溫的增暖幅度為0.31 ℃/10a，貢獻(xiàn)率為49.21%；對(duì)比城市站與郊區(qū)背景站地面觀測(cè)氣溫資料得到城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的增暖幅度為0.18 ℃/10a，城市化貢獻(xiàn)率為35.29%；采用城市站地面觀測(cè)氣溫與探空850 hPa層氣溫對(duì)比得到的城市化增溫幅度為0.19 ℃/10a，分離出的城市化貢獻(xiàn)率為37.25%；3種方法計(jì)算得出的城市化增溫幅度及貢獻(xiàn)率各不相同，卻一致表明城市化對(duì)邢臺(tái)年、季氣溫的增暖貢獻(xiàn)較為顯著。

關(guān)鍵詞探空資料；邢臺(tái)；氣溫變化；城市化

中圖分類號(hào)S165文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-179-03

作者簡(jiǎn)介

王蓉蓉（1973- ），女，河北保定人，工程師，碩士，從事氣候變化研究、氣象服務(wù)工作。

收稿日期2014-12-29

城市熱島效應(yīng)是指城市氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象[1]。由于城市區(qū)域人口密集、人為熱排放增多、土地利用變化等引發(fā)的能量收支改變，導(dǎo)致近地層氣溫不斷升高[2]。城市熱島強(qiáng)度取決于城市的規(guī)模，一般定義為城區(qū)氣溫與郊區(qū)或鄉(xiāng)村氣溫之差。1990年以來(lái)，針對(duì)我國(guó)城市熱島效應(yīng)基本特征及其對(duì)城市測(cè)站氣溫變化影響的相關(guān)研究廣泛展開(kāi)，分析主要采用城市鄉(xiāng)村對(duì)比[3-4]、城市高山對(duì)比[5]、城市與近海海溫對(duì)比[6]以及器測(cè)與再分析資料對(duì)比[7-8]等方法，前3種方法主要思路是選取與城市站距離較近且處相同大氣環(huán)流背景的鄉(xiāng)村、高山或海洋構(gòu)建背景站，由于假定背景站受人類活動(dòng)影響較小，采用不同的背景站選取方法帶有一定的主觀性，得出的分析結(jié)果往往差異較大。而通過(guò)比較氣象站實(shí)測(cè)資料與NECP再分析資料的趨勢(shì)差來(lái)估計(jì)城市化和土地利用對(duì)氣候的影響，則由于再分析資料本身的計(jì)算誤差及穩(wěn)定性問(wèn)題而使得該分析方法存在一定爭(zhēng)議[9]。

邢臺(tái)市地處河北省南部，是華北地區(qū)重要的工業(yè)、能源基地和京津冀地區(qū)的中心城市之一，城市化進(jìn)程相對(duì)較快，河北省城鎮(zhèn)化發(fā)展統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2009年邢臺(tái)市城市化水平已達(dá)41.01%，但對(duì)于邢臺(tái)氣溫變化中城市化影響的相關(guān)研究很少?？紤]到邢臺(tái)站有探空觀測(cè)業(yè)務(wù)，借鑒吳息等做法[10]，將對(duì)流層低層（850 hPa）氣溫變化的主要誘因歸結(jié)于自然變率的影響，而地面氣溫除受自然變率影響外，還受到城市化的顯著影響，因此可將高空氣溫變化趨勢(shì)與地面氣溫變化趨勢(shì)之差視為城市化效應(yīng)。為準(zhǔn)確、客觀分析邢臺(tái)氣溫變化對(duì)城市化的響應(yīng)，消除探測(cè)時(shí)間及儀器誤差等對(duì)氣溫序列的影響，筆者利用探空及地面觀測(cè)資料，采用3種方法分別比較探空近地層和850 hPa層氣溫趨勢(shì)差，地面實(shí)測(cè)的城、鄉(xiāng)氣溫差及邢臺(tái)站地面實(shí)測(cè)與探空850 hPa層氣溫變化差異，分析邢臺(tái)年、季氣溫變化中的城市化影響及貢獻(xiàn)，并對(duì)上述3種方法的適用性和局限性進(jìn)行討論。

1資料與方法

1.1資料處理

選取河北省信息中心收集整理的1979～2010年間邢臺(tái)站近地層及850 hPa標(biāo)準(zhǔn)等壓面的探空氣溫資料和1979～2010年間邢臺(tái)站（代表市區(qū)）及周邊16個(gè)一般氣候站（代表郊區(qū)）的地面逐月平均氣溫。氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

文中年平均氣溫值為年內(nèi)1～12月平均氣溫的算術(shù)平均值；季平均氣溫采用特征月平均氣溫，1、4、7、10月分別代表冬季、春季、夏季、秋季。與氣溫值相比，氣溫距平值可更直觀表示某特征氣溫相對(duì)于長(zhǎng)期平均值的高低狀況，各特征氣溫距平值是各年份特征氣溫與32年相應(yīng)特征氣溫平均值之差。

1.2研究方法

分別以邢臺(tái)站探空近地層及地面觀測(cè)氣溫距平序列作為研究序列，以探空850 hPa層及16個(gè)鄉(xiāng)村站平均氣溫的距平序列為氣候背景序列，比較分析目標(biāo)序列與背景序列的變化趨勢(shì)差異，分離出邢臺(tái)市氣溫變化中的城市化影響，并計(jì)算城市化影響的貢獻(xiàn)率。

參照初子瑩等的研究[11-12]，將城市氣溫目標(biāo)序列與背景序列變化趨勢(shì)差定義為城市化影響，城市化影響在其總變化率中所占百分比為城市化影響貢獻(xiàn)率。城市站氣溫變化趨勢(shì)以Tu表示，背景序列氣溫變化趨勢(shì)為Tr，城市站氣溫變化中的城市化影響則表示為Tu-Tr，城市化影響的貢獻(xiàn)率（Eu）則通過(guò)公式 Eu=（Tu-Tr）/Tu計(jì)算求得。

2結(jié)果與分析

2.1基于探空資料分析城市化影響

以探空儀器測(cè)定的近地層氣溫序列為目標(biāo)序列，以850 hPa探空氣溫序列為背景序列，計(jì)算城市化增溫幅度及貢獻(xiàn)。主要原因是近地面層氣溫易受地面人類活動(dòng)的影響，850 hPa層與地面城市雖然處于同一大氣環(huán)流背景下，但受人類活動(dòng)影響小，能代表區(qū)域背景氣候變化，城市化影響會(huì)導(dǎo)致兩者的氣溫變化趨勢(shì)存在差異。因此，利用近地層氣溫與探空資料850 hPa的變化趨勢(shì)差來(lái)表征城市化影響。

由近32年邢臺(tái)站近地層探空氣溫與地面觀測(cè)氣溫及850 hPa層探空氣溫序列的相關(guān)系數(shù)（表1）可知，相關(guān)關(guān)系均遠(yuǎn)超過(guò)0.01的置信水平（r0.01=0.45），表明以近地層探空氣溫代替地面觀測(cè)氣溫來(lái)討論邢臺(tái)市氣溫變化及其城市化影響是可行的，同時(shí)850 hPa層探空氣溫序列可作為研究邢臺(tái)城市化影響的區(qū)域背景氣候資料。

由近32年邢臺(tái)站年平均探空氣溫距平變化（圖2a）可見(jiàn)，邢臺(tái)站探空觀測(cè)近地層氣溫距平及850 hPa背景序列均呈總體升高趨勢(shì)，近地層增溫快于背景增溫，近地層年均氣溫線性增溫率達(dá)0.63 ℃/10a，背景增溫率則為0.32 ℃/10a；近地層及850 hPa層氣溫在20世紀(jì)90年代中期之前均處于相對(duì)較冷期，大部分年份的850 hPa層氣溫距平高于近地層氣溫距平。隨著城市化進(jìn)程的加快，90年代中期之后二者均處于較暖期，多數(shù)年份的平均氣溫距平為正值，且大部分年份的近地層氣溫距平高于背景序列。對(duì)比分析，二曲線線性變化率差值為0.31℃/10a，表明就年平均氣溫而言邢臺(tái)市的城市化增溫效應(yīng)以0.31℃/10a的速率增加。從1979～2010年邢臺(tái)市四季平均氣溫變化中城市化影響（圖2b）可看出，城市化影響導(dǎo)致四季平均氣溫總體呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)；其中，冬季城市化增溫曲線波動(dòng)明顯，春季城市化增溫曲線則相對(duì)平緩，表明城市化增溫在春季平均氣溫總體上升趨勢(shì)中所做貢獻(xiàn)最??；秋季城市化增溫最明顯，達(dá)0.48 ℃/10a，夏季城市化增溫也較為明顯。

由利用探空氣溫資料分離出的1979～2010年間邢臺(tái)站年及各季平均氣溫城市化增溫貢獻(xiàn)（表2）可見(jiàn)，邢臺(tái)站近地層年及各季平均氣溫線性增溫率皆高于背景序列的增溫率，年平均氣溫的城市化增溫幅度達(dá)0.31 ℃/10a；就各季平均氣溫而言，秋季城市化增溫最明顯，達(dá)0.48 ℃/10a，夏季、冬季次之，春季城市化增溫率相對(duì)較??；城市化引起的年及夏、秋、冬三季增溫變化趨勢(shì)均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；年均氣溫的城市化增溫貢獻(xiàn)率達(dá)49.21%，夏、秋、冬三季貢獻(xiàn)率甚至超過(guò)50%。

2.2基于地面觀測(cè)資料分析城市化影響

城市熱島是指在城市化進(jìn)程中由于人類活動(dòng)、下墊面性質(zhì)改變等影響而形成的城區(qū)整體或局部溫度高于周圍地區(qū)溫度的異常分布現(xiàn)象。參照Li等的做法[13]，利用邢臺(tái)實(shí)測(cè)氣溫距平序列與郊區(qū)背景氣候背景距平序列的線性趨勢(shì)差評(píng)估城市熱島。依據(jù)參考站遴選原則[14]，兼顧氣候背景以16個(gè)氣候站月均氣溫的算術(shù)平均值作為郊區(qū)背景站月均氣溫，計(jì)算相應(yīng)的年、季平均氣溫距平，構(gòu)建郊區(qū)背景氣候序列。

對(duì)比1979～2010年間邢臺(tái)站與郊區(qū)背景站的年、季平均氣溫變化趨勢(shì)（表3）可以看出，近32年間城、郊各季平均氣溫均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，但城市站增溫幅度大于背景站；年及各季平均氣溫顯示出的城市熱島效應(yīng)基本一致，城市熱島值在秋季最大，達(dá)0.30 ℃/10a，春季最?。痪汀俺鞘袩釐u”貢獻(xiàn)率來(lái)講，秋季、夏季貢獻(xiàn)率較大，分別達(dá)57.69%和46.94%，貢獻(xiàn)率最小為春季26.47%，年均氣溫變化的城市熱島貢獻(xiàn)率為35.29%?？梢?jiàn)，城市熱島效應(yīng)對(duì)夏秋季增暖作用較大，冬春季較小。該結(jié)論與劉學(xué)鋒等分析河北大中城市熱島效應(yīng)得出的結(jié)論[15]基本一致。

2.3以850 hPa層氣溫為背景分析城市化影響

借鑒吳息等的方法[10，16]，以850 hPa探空氣溫序列為背景序列，計(jì)算城市化增溫幅度及相應(yīng)的貢獻(xiàn)。城市熱源可經(jīng)大氣的湍流交換輸送到高層， 且對(duì)大氣的加熱作用隨高度增加而減小，在京津冀區(qū)域通過(guò)建模模擬得出城市增溫效應(yīng)所能影響的最大高度為0.8 km[17]，低于850 hPa層標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度，因此將850 hPa探空溫度資料作為背景場(chǎng)研究城市化對(duì)地面溫度的影響是可行的。

經(jīng)分析，32年間年及各季邢臺(tái)站地面觀測(cè)與850 hPa探空背景相應(yīng)氣溫距平序列的相關(guān)關(guān)系均超過(guò)0.01置信水平，表明兩者的氣溫變化趨勢(shì)差可以反映邢臺(tái)城市化影響。由1979～

2010年期間以850 hPa為背景分離出的城市化影響趨勢(shì)及貢獻(xiàn)率（表4）可見(jiàn)，邢臺(tái)地面觀測(cè)站和探空背景站的年及四季的平均氣溫距平總體均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，城市站增溫率大于背景站，年均溫增溫率差值為0.19 ℃/10a，表明城市化引起的年平均氣溫以0.19 ℃/10a的速率顯著增加；其中，分離得出的年均氣溫變化的城市化貢獻(xiàn)率為37.25%。就季節(jié)變化來(lái)看，夏季平均氣溫的城市化增溫最明顯，線性增溫幅度達(dá)0.40 ℃/10a，其中城市化增溫的貢獻(xiàn)率高達(dá)81.63%；秋季、冬季的城市化增溫趨勢(shì)也較明顯，但城市化引起的春季增溫趨勢(shì)及貢獻(xiàn)率相對(duì)較小。以邢臺(tái)站850 hPa層探空氣溫作為區(qū)域氣候背景場(chǎng)來(lái)衡量城市化對(duì)氣溫變化的影響，與傳統(tǒng)的的城郊差異分析結(jié)果相近。

3結(jié)論與討論

綜合利用探空及地面氣象觀測(cè)資料，采用3種思路分析了1979～2010年間邢臺(tái)市城市化增溫的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，比較探空近地層與850 hPa層氣溫序列得到年均氣溫的城市化增暖幅度為0.31 ℃/10a，貢獻(xiàn)率為49.21%，各季氣溫變化中城市化增溫作用從大到小依次排列為夏季、秋季、冬季、春季；對(duì)比城市站與郊區(qū)背景站地面觀測(cè)氣溫資料，得到城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的增暖幅度為0.18 ℃/10a，城市化貢獻(xiàn)率為35.29%，城市熱島導(dǎo)致的季節(jié)增暖作用在秋、夏季較大，冬、春季較??；對(duì)城市站地面觀測(cè)與探空850 hPa層氣溫進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，城市化增溫幅度為0.19 ℃/10a，分離出的城市化貢獻(xiàn)率為37.25%，城市化的季節(jié)增暖作用在夏季最大、春季最小。

綜上所述，城市化對(duì)邢臺(tái)的年/季氣溫有較明顯的增暖貢獻(xiàn)，該增溫作用在夏秋季較大、冬春季較小。但3種方法的定量分析結(jié)果有差異，第1種方法檢測(cè)出的包括“城市熱島”、土地利用改變等在內(nèi)的所有人類活動(dòng)的影響，該方法中目標(biāo)序列及背景序列對(duì)應(yīng)值采用相同的探測(cè)儀器，消除儀器差的影響，但探空測(cè)站數(shù)量少且資料的穩(wěn)定性具有不確定性；第2種方法檢測(cè)出的是“城市熱島”的影響，該方法簡(jiǎn)便且易于被人接受，但對(duì)于“鄉(xiāng)村”臺(tái)站所受的人類活動(dòng)影響缺乏考慮，且在鄉(xiāng)村背景序列的構(gòu)造方法單一；而第3種方法理論上不僅包含傳統(tǒng)意義上“城市熱島”的范圍，也應(yīng)包括下墊面性質(zhì)改變因素的影響，該方法由于目標(biāo)序列與背景序列探測(cè)儀器類型不同，其資料序列存在不可避免的系統(tǒng)性誤差?？梢?jiàn)，3種方法各有其合理性和局限性，相較于較傳統(tǒng)的城鄉(xiāng)對(duì)比法，采用探空資料為背景甚至為目標(biāo)研究城市化對(duì)氣溫變化的影響不失為一種新途徑。

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責(zé)任編輯黃小燕責(zé)任校對(duì)況玲玲