上海地區(qū)地氣溫差變化特征及影響因子初步分析

穆海振,薛正平,李 軍

(1上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030；2上海市氣候中心，上海 200030)

在全球變暖背景下，最近50年全國年平均地表氣溫增加1.1℃，每10年增溫速率為0.22℃，明顯高于北半球同期平均速率[1]。地面感熱通量作為低層大氣主要熱量來源與地表氣溫關(guān)系密切，而地氣溫差是計算感熱通量的主要指標(biāo)，其變化對大氣環(huán)流和天氣變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境有重要影響，因此研究地氣溫差具有重要的氣候?qū)W和生態(tài)學(xué)意義[2-4]。有較多學(xué)者利用地氣溫差作為前兆信號進(jìn)行短期氣候預(yù)測，如周連童等[5]分析了我國春季(3—5月)和夏季(6—8月)地氣溫差的時空變化特征及其與夏季降水的聯(lián)系；王澄海等[6]對東亞夏季風(fēng)爆發(fā)前青藏高原地氣溫差變化特征進(jìn)行了分析，劉穎等[7]分析了春季地氣溫差與長江中下游旱澇的關(guān)系。同時，也有部分學(xué)者開展了各區(qū)域地氣溫差的變化規(guī)律和成因的研究工作，如溫李明等[8]分析了1960—2006年我國東西部地氣溫差的年代際變化特征，發(fā)現(xiàn)我國東南部地區(qū)各季地氣溫差在20世紀(jì)70年代末以前的大部分年份偏高，而在20世紀(jì)70年代末以后，我國東南部地區(qū)各季地氣溫差偏低，在夏季和冬季表現(xiàn)尤為明顯；張文綱等[9]研究表明青藏高原地氣溫差6月份最大，12月份最??；楊智等[10]研究發(fā)現(xiàn)，云南省地氣溫差差值在夏季最大，其次為秋季和春節(jié)，冬季最小，且有逐年緩慢上升趨勢；符睿等[11]分析了我國西北干旱區(qū)地氣溫差變化的原因，指出20世紀(jì)后40年西北干旱區(qū)冬季地氣溫差呈減小趨勢，其原因可能是20世紀(jì)80年代后全球進(jìn)一步變暖，西北干旱區(qū)對流層中層高度場升高、氣溫升高，寒潮活動減少，近地層風(fēng)速減弱使得氣溫增暖高于地溫；楊曉玲等[12]研究發(fā)現(xiàn)影響武威市地氣溫差的主要因子是最高地溫、蒸發(fā)量和降水量；陳娟等[13]報道我國西北地區(qū)冬季風(fēng)速的年代際變化趨勢及突變年與春、夏季地表感熱的變化基本一致,冬季風(fēng)速變化與春、夏季地表感熱變化有較好的正相關(guān)關(guān)系；Song等[14]分析了美國Phoenix地區(qū)地氣溫度相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地氣的互相作用與直接太陽輻射和風(fēng)速最為敏感。從國內(nèi)外其他地區(qū)現(xiàn)有研究成果來看，地氣溫差變化受太陽輻射影響最為顯著，另外風(fēng)速也是較為顯著的影響因子，其長期變化趨勢也多呈降低趨勢，但對全球變暖和城市化雙重影響下地氣溫差分布特征及其成因機理方面的研究成果還較少，值得進(jìn)一步深入探討。

上海屬亞熱帶季風(fēng)氣候，位于長江口南岸，東臨海岸，西連太湖，北界長江，南靠杭州灣，占地面積6 340.5km2，地勢特點是東高西低，海拔高3—5m。根據(jù)1981—2010年資料統(tǒng)計，上海年地區(qū)年平均氣溫15.8—16.9℃，年降水量1 128.5—1 259.5mm，冬季受西伯利亞冷高壓控制，盛行西北風(fēng)，寒冷干燥；夏季在副熱帶高壓控制下，多東南風(fēng)，暖熱濕潤，春秋是季風(fēng)的轉(zhuǎn)變期，多低溫陰雨天氣[15]。同時，上海因人口密集，工業(yè)集中，高大建筑物林立，能源消耗量大，城市“熱島”“雨島”等效應(yīng)顯著[16]。從已有的文獻(xiàn)來看，對長江三角洲地區(qū)的地氣溫差變化規(guī)律及其影響因素方面的研究還比較少，上海作為典型的河口海岸特大型城市，既受全球變暖背景影響，同時城市化帶來的局地氣候環(huán)境效應(yīng)也比較顯著，研究該地的地氣溫差變化特征具有較高的學(xué)術(shù)價值。由此，本研究利用上海地區(qū)氣象臺(站)觀測資料，對地氣溫差的空間分布特征、長期變化趨勢和影響因素進(jìn)行分析，以期進(jìn)一步深入探索上海地區(qū)近地層熱環(huán)境變化規(guī)律，為合理指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

資料來源于上海地區(qū)寶山、嘉定、青浦、松江、奉賢、徐家匯、崇明、南匯、金山等9個氣象臺(站)的月平均地表溫度(0cm地溫)、月平均地面氣溫(1.5m氣溫)、月平均風(fēng)速、月降水總量、月日照時數(shù)、月蒸發(fā)量、月相對濕度，時間序列為1961—2015年。上述9個站點的觀測數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性較好，并經(jīng)過較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制，能夠滿足研究的需要，其中徐家匯站位于上海中心城區(qū)，寶山站位于上海近郊，其他站點均位于遠(yuǎn)郊。利用逐月地表溫度和地面氣溫，求得季、年地表溫度和地面氣溫，季、年地氣溫差的值為季、年地表溫度和地面氣溫之差。全市地氣溫差為9個站點的平均值。季節(jié)劃分3—5月份為春季、6—8月份為夏季、9—11月份為秋季、12月至翌年2月份為冬季。

1.2 方法

利用線性擬合計算方法分析季、年地氣溫差的變化趨勢，用xi表示樣本量為n的氣候變量，用ti表示xi所對應(yīng)的時間，利用最小二乘法建立xi和ti之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti(i= 1，2，3，…，n)

(1)

式中b為氣候變量的傾向率，b> 0 表示直線遞增，b< 0 表示直線遞減，b× 10 表示每10 年的變化率，單位為℃。變化趨勢的顯著性采用時間t與序列變量x之間的相關(guān)系數(shù)即氣候趨勢系數(shù)進(jìn)行檢驗，通過置信度α=0.01、α=0.05顯著性檢驗對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值依次為0.341、0.263。

選取各站各季節(jié)日照總時數(shù)、平均風(fēng)速、蒸發(fā)總量、平均相對濕度和降水總量作為預(yù)報因子，各季節(jié)的地氣溫差平均值為預(yù)報對象，利用R語言的lm()和step()等函數(shù)，采取多元逐步回歸方法，以AIC(Akaike information criterion)信息統(tǒng)計量為準(zhǔn)則[17]，篩選各站各季節(jié)地氣溫差的顯著影響因子，預(yù)報因子剔除法選取后退法。所得回歸方程預(yù)報因子的回歸系數(shù)為正視為正相關(guān)，為負(fù)視為負(fù)相關(guān)，顯著性檢驗標(biāo)準(zhǔn)分別取0.01和0.05。

2 地氣溫差空間分布特征

通過資料分析表明：上海地區(qū)地氣溫差的全年和各季節(jié)平均狀況，從全年平均來看，各站點地表溫度均高于地面氣溫，總體上呈現(xiàn)出中心城區(qū)地氣溫差小、郊區(qū)地氣溫差大的分布形態(tài)：南匯、金山、奉賢、松江、青浦及崇明站地氣溫差均大于2℃，其中金山站(2.4℃)為最大；嘉定和寶山在1—2℃；徐家匯站最小，僅為0.8℃。從季節(jié)變化來看，各個季節(jié)地氣溫差分布均呈現(xiàn)出中心城區(qū)低、郊區(qū)高的分布特征，但各站地氣溫差數(shù)值和城郊之間差異存在較為明顯的季節(jié)變化：夏季是上海地氣溫差最為明顯的季節(jié)，除徐家匯、寶山和嘉定站外，其余各站地氣溫差均超過3℃，金山站(4.1℃)為最大，較地氣溫差最小的徐家站(1.9℃)偏高2.2℃；春季地氣溫差也較為明顯，除徐家匯、寶山和嘉定站外，其余各站地氣溫差均超過2℃，金山站(2.6℃)地氣溫差最大，較地氣溫差最小的徐家站(1.2℃)偏高1.4℃；秋季地氣溫差較春季偏弱，除金山站外，其余各站溫差均小于2℃，其中徐家匯站最小(0.1℃)；冬季是地氣溫差最小的季節(jié)，各站地氣溫差均小于1℃，徐家匯站地氣溫差低于0℃，金山站最高，兩者相差1.0℃，冬季也是城郊差異最小的季節(jié)。從上述特征分析中可以看出，上海地區(qū)雖然覆蓋面積較小，全年和各季節(jié)的地氣溫差平均值仍有較為明顯的空間分布差異，突出表現(xiàn)在中心城區(qū)低、郊區(qū)高的特征，與城市“熱島”“雨島”等空間分布特點相類似，但變化梯度方向相反，這說明下墊面土地利用變化和人類活動對地氣溫差的空間分布特征產(chǎn)生了較為顯著的影響。

3 長期變化趨勢分析

3.1 長期變化趨勢分析

表1給出了上海各站地氣溫差長期變化趨勢，從全市平均來看，年平均地氣溫差呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，平均為每10年減少0.16℃，其中在夏季最為顯著，平均每10年減少0.31℃，秋季和冬季次之，春季的長期變化趨勢則不明顯。各站的地氣溫差長期變化趨勢表現(xiàn)出來一定的區(qū)域差異，除遠(yuǎn)郊的青浦和奉賢站外，各站的年平均地氣溫差均呈顯著的下降趨勢，其中徐家匯站減少趨勢最為明顯，寶山站次之。在春季崇明、南匯、金山和松江站的長期變化趨勢不明顯，青浦站呈顯著上升趨勢，其余各站呈顯著下降趨勢；夏季除青浦站外，其余各站均呈顯著下降趨勢，其中寶山站減少最為明顯，嘉定站次之；在秋季絕大多數(shù)站點地氣溫差也呈下降趨勢，其中徐家匯站下降最為明顯；冬季各站均呈現(xiàn)下降趨勢，其中徐家匯站最為明顯，寶山站次之?？傮w來看，上海地區(qū)地氣溫差總體呈減小趨勢，其中夏季作為地氣溫差最大的季節(jié)，其減小趨勢最為明顯，秋季和冬季略弱，春季的趨勢不顯著，同時空間分布特征表現(xiàn)為中心城區(qū)和近郊站點減少趨勢最為顯著，這說明這些站點的感熱分量在熱量平衡方程所占比例隨上海城市化進(jìn)程推進(jìn)有逐步減小的趨勢。

表1 1961—2015年上海各站每10年地氣溫差的長期變化趨勢

注：**為通過99%的置信度檢驗，*為通過95%的置信度檢驗

3.2 年際和年代際變化特征

圖1給出了上海地區(qū)9站平均的年和春、夏、秋、冬各季節(jié)的地氣溫差歷年演變情況。從上海地區(qū)年平均地氣溫差來看(圖1a)，其年際和年代際波動幅度均較小，除1980s較1970s略有上升外，其余各年代均呈緩慢下降趨勢。春季的地氣溫差年際波動較小，但年代際波動幅度較為明顯，1970s、1990s和2000s是低值區(qū)，1960s、1980s是相對高值區(qū)；夏季的年際波動明顯大于其他3個季節(jié)，年代際變化則呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢；秋季的年際波動幅度也較小，1960s是較為明顯的高值區(qū)，其后各年代溫差呈緩慢下降趨勢；冬季的年際變化趨勢亦不顯著，其年代際變化總體呈緩慢下降趨勢。總體來看，上海地區(qū)全年和各季節(jié)的地氣溫差的年代際變化趨勢呈現(xiàn)出較為平緩的下降趨勢，年代際的波動較小。

圖1 1961—2015年上海地區(qū)全年(a)、春季(b)、夏季(c)、秋季(d)和冬季(e)地氣溫差歷年演變圖 Fig.1 The whole Shanghai GATD variation for annual(a)，spring(b)，summer(c)，autumn(d)and winter(e)during 1961—2015

4 影響因素分析

4.1 與地表溫度、地面氣溫關(guān)系分析

為進(jìn)一步解釋地氣溫差變化的成因，統(tǒng)計分析了上海地區(qū)各季節(jié)和全年的地表溫度、地面氣溫的長期變化趨勢(表2)，春季全市平均地表溫度和地面氣溫均呈顯著上升趨勢，兩者上升幅度接近，導(dǎo)致地氣溫差長期變化趨勢不顯著；夏季地表溫度變化趨勢不明顯，但地面氣溫有明顯的上升趨勢，導(dǎo)致地氣溫差顯著變??；在秋季和冬季地表溫度和地面氣溫均呈明顯上升趨勢，但地面氣溫上升幅度較地表溫度明顯偏高，導(dǎo)致地氣溫差減??；從全年平均來看表現(xiàn)為地面氣溫上升速率快于地表溫度，導(dǎo)致年平均地氣溫差減小(圖2)。

上海地區(qū)各站各季節(jié)地氣溫差長期變化趨勢與地表溫度、地面氣溫的關(guān)系表現(xiàn)出了一定的區(qū)域差異。在春季，雖然各站的地氣溫差長期變化趨勢均不顯著，但各站的地表溫度和地面氣溫均表現(xiàn)出了較為顯著上升趨勢，寶山、嘉定、崇明、徐家匯等中北部各站地面氣溫上升速率較地表溫度上升速率偏快，導(dǎo)致地氣溫差有弱的減小趨勢，其他站點則地面氣溫上升速率較地表溫度偏慢，導(dǎo)致地氣溫差有較弱的增大趨勢。在夏季，各站地面氣溫均呈上升趨勢，除崇明站外，其他各站均通過α=0.05以上的的顯著性檢驗，而各站的地表溫度除青浦呈顯著上升趨勢外，其他各站均呈下降趨勢，導(dǎo)致夏季上海地區(qū)絕大多數(shù)站點地氣溫差均呈較為顯著的下降趨勢。在秋季，各站點地面氣溫呈顯著上升趨勢，均通過了α=0.01的顯著性檢驗，各站的地表溫度也呈上升趨勢，除青浦站外，其上升速率均小于地面氣溫上升速率，導(dǎo)致上海地區(qū)除青浦站外各站秋季地氣溫差均呈下降趨勢。在冬季，各站地面氣溫的上升趨勢也較為明顯，各站均通過了α=0.05以上的顯著性檢驗，各站的地表溫度也呈顯著上升趨勢，除青浦站外各站的上升速率均慢于地面氣溫，導(dǎo)致各站點地氣溫差呈減小趨勢。

表2 1961—2015年上海地區(qū)每10年地表溫度、地面氣溫的長期變化趨勢

注：**為通過99%的置信度檢驗，*為通過95%的置信度檢驗

圖2 1961—2015年上海地區(qū)全年地氣溫差歷年演變圖 Fig.2 Annual air temperature，ground temperature and GATD variation for whole Shanghai region during 1961—2015

4.2 環(huán)境因子影響分析

地表溫度和地面氣溫變化是導(dǎo)致地氣溫差變化的直接因素，但地表溫度和地面氣溫之間相互作用涉及到復(fù)雜的地氣熱量交換過程，大氣熱力、動力和水分等分量都可能對其產(chǎn)生影響，為此，分別選取各站各季節(jié)熱量(日照)、動力(風(fēng))、水分(蒸發(fā)、相對濕度、降水)變量作為預(yù)報因子，地氣溫差作為預(yù)報對象，通過多元逐步回歸方法篩選出各季節(jié)影響地氣溫差變化的顯著因子(圖3)。

圖3 上海地區(qū)各站春季(a)、夏季(b)、秋季(b)、冬季(d)地氣溫差變化顯著影響因子示意圖Fig.3 Demonstration figure of significant influence factors in spring(a)，summer(b)，autumn(c)and winter(d) for weather stations in Shanghai

在春季(圖3a)，降水是上海地區(qū)多數(shù)站點地氣溫差變化最為顯著的影響因子，表現(xiàn)為降水多，地氣溫差變?。蝗照諘r數(shù)也對春季地氣溫差的變化也有一定影響，表現(xiàn)為日照時數(shù)多，地氣溫差變大；蒸發(fā)量和相對濕度與地氣溫差的相互關(guān)系較為復(fù)雜，不同的站點作用不同。在夏季(圖3b)，影響地氣溫差最為顯著因子為日照時數(shù)，日照時數(shù)多，地氣溫差變大；與春季類似，降水也是較為顯著的影響因子，與地氣溫差表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系；此外，相對濕度、蒸發(fā)和風(fēng)速在個別站點也與地氣溫差有顯著相關(guān)關(guān)系。在秋季(圖3c)，影響地氣溫差變化的最為顯著因子亦是日照，各站點地氣溫差與日照的相關(guān)顯著性均超過0.05；相對濕度對秋季地氣溫差也有較為明顯影響，有6個站點表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系；與春季和夏季類似，降水也與地氣溫差存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。 在冬季(圖3d)，地氣溫差受環(huán)境因素影響相比其他季節(jié)較弱，最為顯著的因子為風(fēng)速，此外還有超過半數(shù)的站點沒有顯著影響因子。

分要素來看，熱量條件是影響夏季和秋季地氣溫差最為顯著的因子，表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系；降水量也是影響春季、夏季和秋季地氣溫差較為顯著的因子，表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；動力條件中的平均風(fēng)速在冬季影響最為顯著，在其他季節(jié)個別站點也有一定影響，具體表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系；蒸發(fā)和相對濕度對地氣溫差的影響則較為復(fù)雜，不同站點、不同季節(jié)對溫差變化作用差異較大。上述結(jié)論也與前文中得到的上海地區(qū)地氣溫差的氣候分布特征等研究成果得到了相互驗證。夏季是日照時數(shù)最多的季節(jié)，地表熱源作用顯著，導(dǎo)致上海地區(qū)夏季地氣溫差最為明顯；中心城區(qū)由于城市雨島效應(yīng)影響降水較郊區(qū)偏多，受近地面粗糙度大影響風(fēng)速較郊區(qū)偏低，導(dǎo)致在各個季節(jié)中心城區(qū)的地氣溫差均為最小。

4.3 城市化影響分析

從上述分析可知，上海地氣溫差呈減小趨勢的主要原因是地面氣溫的升高，其長期變化主要與氣候背景變化和城市熱島效應(yīng)有關(guān)，為進(jìn)一步定量評估上述因素對地氣溫差變化的影響，以徐家匯站為例，利用徐家匯站與崇明站的氣溫差值作為表征城市熱島強度指標(biāo)，將1961—1970年作為基準(zhǔn)年代，分時段統(tǒng)計了熱島效應(yīng)和氣候背景變化對地氣溫差的影響程度(表3)。從分析結(jié)果中可以看出，熱島強度，即城市化效應(yīng)導(dǎo)致的溫度升高相比基準(zhǔn)值呈現(xiàn)逐年增大的態(tài)勢，2001—2015年熱島強度較1961—1970年升高了0.9℃，在1981年后尤為升幅顯著，但與此同時，氣候背景變化導(dǎo)致氣溫升高效應(yīng)也日趨顯著，熱島強度對氣溫升高的貢獻(xiàn)率相應(yīng)卻有所下降，如在1981—1990年地表氣溫升高的主要原因為熱島效應(yīng)，在1991—2000年熱島效應(yīng)所占的貢獻(xiàn)約為62%，在2001—2015年則降為45%。上述結(jié)論說明在全球變暖日趨加劇的背景下，城市熱島效應(yīng)對上海中心城區(qū)地氣溫差變化趨勢的相對貢獻(xiàn)率呈下降趨勢。

表3 不同年代上海地區(qū)地表氣溫和熱島強度與基準(zhǔn)年代(1961—1970年)差異

5 結(jié)論與討論

通過對上海地區(qū)9個氣象臺(站)的地氣溫差時空變化特征及影響因素進(jìn)行初步分析，得出結(jié)論：1)從多年平均來看，上海各站地表溫度均高于地面氣溫。地氣溫差在夏季最大，春季次之，冬季最小。上海地區(qū)地氣溫差呈現(xiàn)出中心城區(qū)低、郊區(qū)高的空間分布特征，與城市熱島和雨島效應(yīng)的梯度相反。2)上海地區(qū)年平均地氣溫差總體呈緩慢減小趨勢，其中夏季最為明顯。從空間分布來看，中心城區(qū)和近郊站點減少趨勢最為顯著。3)從總體上看，地面氣溫上升速率快于地表溫度是上海地區(qū)地氣溫差減少的直接因素。夏季和秋季地氣溫差的顯著影響因子為日照和降水量，春季的顯著影響因子為降水，冬季的顯著影響因子為風(fēng)速。上海中心城區(qū)熱島強度絕對值呈現(xiàn)增大趨勢，但其對地氣溫差變化相對貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出下降趨勢。

地氣溫差是表征熱環(huán)境變化的重要指標(biāo)，本研究發(fā)現(xiàn)了氣候變化和城市化雙重作用下，氣候環(huán)境因子也發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致地面氣溫和地表溫度的變化速率不一致，地氣溫差總體呈顯著減小趨勢且城郊之間出現(xiàn)了明顯差異，也初步定量評估了城市化效應(yīng)和氣候背景變化對地氣溫差變化的貢獻(xiàn)，上述結(jié)論對科學(xué)認(rèn)識城市生態(tài)環(huán)境的變化具有重要意義。同時，本研究部分成果還需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步深化，如上海市中心城區(qū)的地氣溫差顯著小于郊區(qū)，導(dǎo)致感熱通量減少，是否說明城市人為熱排放分量在地表熱量平衡中所占比重加大，還需要將觀測試驗和數(shù)值模式工具相結(jié)合做進(jìn)一步研究；上海地氣溫差變化總體呈變小趨勢，但也存在一定的區(qū)域差異，其成因及還需要進(jìn)一步研究。