合肥市快速發(fā)展模式下城郊局地氣候變化特征分析

王文本 王玉紅 劉文海

（安徽省巢湖氣象局，安徽 合肥 238000）

溫室氣體增加引起的氣候變暖對(duì)城市發(fā)展的影響已經(jīng)引起全球科學(xué)界廣泛關(guān)注。研究表明，近百年來(lái)全球平均氣溫有明顯的上升趨勢(shì)，速率約為0.6±0.2 ℃/100a[1]。全球氣候變暖，有自然原因也有人類活動(dòng)的影響。人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響是當(dāng)前研究領(lǐng)域的重要課題，人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響在城市中表現(xiàn)得最為突出，因?yàn)榻鼛资陙?lái)隨著城市的快速發(fā)展，城市中人口密集，道路和建筑物鱗次櫛比，形成特殊性質(zhì)的下墊面。城市中居民的生活和生產(chǎn)活動(dòng)大量消耗能源，產(chǎn)生越來(lái)越多的人為熱、溫室氣體和人為水汽。在全球變暖和城市快速發(fā)展的背景下，城市和周圍的局地氣候 （包括氣溫、降水、日照等氣候要素） 發(fā)生了怎樣的變化。這種城市局地氣候的變化會(huì)對(duì)城市未來(lái)的發(fā)展和人民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生怎樣的影響，這些都是建設(shè)氣候適應(yīng)性城市需要研究的基礎(chǔ)工作。

近幾十年來(lái)關(guān)于城市發(fā)展帶來(lái)的城郊?xì)夂蜃兓难芯砍晒諠u增多，但多針對(duì)城市熱島方面研究。周淑貞等對(duì)上海市的熱島效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，冬季和夏季的城、郊溫差強(qiáng)度分別達(dá)6.8 ℃和4.8 ℃[2]。徐兆生等研究發(fā)現(xiàn)北京市1月平均氣溫為-2.4 ℃，比東郊高2.4 ℃[3]。宋艷玲等研究北京市城郊?xì)夂蛞夭町?，分析了北京市城、郊平均氣溫、降水、日照、能?jiàn)度和相對(duì)濕度的變化特征[4]。發(fā)現(xiàn)40年來(lái)北京市城、郊年平均氣溫明顯上升，城區(qū)氣溫平均升溫幅度為0.43 ℃/10a，郊區(qū)氣溫平均升溫幅度為0.21 ℃/10a，得出隨著北京城市發(fā)展，熱島強(qiáng)度加強(qiáng)。首先以上研究未考慮降水和非降水的強(qiáng)迫作用，北方降水日數(shù)少，少數(shù)的降水樣本對(duì)總體樣本影響不顯著；但合肥年降水日數(shù)110天左右，會(huì)對(duì)總體樣本產(chǎn)生顯著的影響。其次以上研究未包含合肥市近幾年的氣候特征，特別是2010年以后的數(shù)據(jù)。而最近幾年合肥市城市發(fā)展超過(guò)以往發(fā)展速度，人口快速增加，城市快速擴(kuò)張，且2010年至今合肥市夏季高溫異常明顯，城市短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)增多，嚴(yán)重影響了人們的正常生活和城市作業(yè)。本文主要對(duì)合肥市1971～2017年城郊平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)做了對(duì)比研究，分析了在全球變暖和合肥城市快速發(fā)展的背景下，合肥市城市和郊區(qū)局地氣候變化特征。

1 研究區(qū)域與方法

圖1是本文選取6個(gè)國(guó)家氣象站。城區(qū)選取1個(gè)合肥站，郊區(qū)選取5個(gè)站，分別為長(zhǎng)豐、肥西、肥東、巢湖、廬江。在最近47年間，上述6個(gè)站點(diǎn)中的部分站點(diǎn)進(jìn)行了遷址，但新站和老站距離近，通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)研究城郊?xì)夂蛞氐淖兓厔?shì)和城郊?xì)夂蛞氐牟町悷o(wú)顯著影響。所選6個(gè)站的氣候資料包括1970～2017年的日平均氣溫、日降水量、日照時(shí)數(shù)。文章中城區(qū)的數(shù)據(jù)為合肥單站數(shù)據(jù)值，郊區(qū)數(shù)據(jù)為5個(gè)縣城站的平均值。

圖1 合肥市城郊站點(diǎn)分布圖

文中采用了不同時(shí)間尺度分析法對(duì)合肥市城郊?xì)夂蛞剡M(jìn)行對(duì)比分析。在分析氣溫要素時(shí)，挑選出了6個(gè)站均無(wú)降水的天數(shù)作為樣本集合，消除了熱島強(qiáng)度因降水在空間分布不均勻所產(chǎn)生的干擾。利用城區(qū)和郊區(qū)日平均氣溫溫差年最大值、日平均氣溫季節(jié)平均值、日平均氣溫年平均值和日平均氣溫年代際氣溫差值，作為衡量合肥市城區(qū)熱島強(qiáng)度指標(biāo)，反映了氣候要素變化對(duì)城市快速擴(kuò)展的響應(yīng)；在研究降水特征時(shí)，采用0～10 mm、10～25 mm、10～25 mm和＞50 mm雨日數(shù)作為指標(biāo)研究城市化對(duì)降水的影響。利用季、年、年代不同時(shí)間尺度分析法對(duì)降水量、不同等級(jí)降水日數(shù)、日照時(shí)數(shù)的氣候變化進(jìn)行了趨勢(shì)分析，另外，采用城郊對(duì)比方法研究了氣候要素在市區(qū)和郊區(qū)的分布差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 合肥市城郊?xì)鉁刈兓卣鞣治?/h3>

2.1.1 合肥市城郊日平均氣溫溫差年最大值對(duì)比分析

圖2為合肥市1970～2017年城郊日平均氣溫溫差年最大值變化圖。由圖2可以看出，47年間城郊日平均氣溫溫差年最大的平均值為1.1 ℃，當(dāng)城郊日平均氣溫溫差年最大值大于平均值時(shí)，說(shuō)明城區(qū)熱島效應(yīng)加強(qiáng)。合肥市城郊日平均氣溫溫差年最大值呈上升趨勢(shì)，1970～2007年呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)，2007～2017年呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)；城郊日平均氣溫溫差年最大值2014年最大，為2.15 ℃；1985年城郊日平均氣溫溫差年最大值最小，僅為0.73 ℃。1970～2007年大多數(shù)年份城郊日平均氣溫溫差年最大值小于平均值，而2007～2017年期間所有年份城郊日平均氣溫溫差年最大值均大于平均值，城郊日平均氣溫溫差年最大值的平均值達(dá)到1.55 ℃。說(shuō)明2007年以后隨著合肥市經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)、城市快速擴(kuò)張，城市的擴(kuò)建，熱島效應(yīng)明顯加強(qiáng)。另外，分析城郊日平均氣溫溫差年最大值的年代際變化特征，1970～1990年城郊日平均氣溫溫差年最大值為0.96 ℃，1991～2010年城郊日平均氣溫溫差年最大值為1.02 ℃，2011～2017年城郊日平均氣溫溫差年最大值為1.8 ℃。同樣可以得出合肥市城區(qū)熱島效應(yīng)明顯加強(qiáng)。

圖2 合肥市城郊日平均氣溫溫差年最大值圖

2.1.2 合肥市城郊日平均氣溫季節(jié)變化特征

文中給出春季和夏季的日平均氣溫季節(jié)變化圖。由圖3和圖4可以看出，城區(qū)和郊區(qū)春季 （3～5月） 季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，城區(qū)47年中春季平均氣溫為16.4 ℃，在1970～2017年間出現(xiàn)15個(gè)峰值，12個(gè)谷值，1999年春季季節(jié)平均氣溫最高，為18.5 ℃，1988年春季季節(jié)平均氣溫最低，為13.7 ℃。郊區(qū)47年中春季平均氣溫為16.6 ℃，同樣在 1970～2017年間出現(xiàn)15個(gè)峰值，12個(gè)谷值，區(qū)別是震蕩強(qiáng)度有所不同。春季平均氣溫上升趨勢(shì)郊區(qū)弱于城區(qū)。1971～2000年城郊溫差差別不大，城郊溫差為-0.2 ℃。2000～2017年城郊溫差呈現(xiàn)顯著擴(kuò)大趨勢(shì)，城郊溫差變化范圍-0.7～0.4 ℃。

圖3 春季城郊平均氣溫和城郊平均氣溫差

圖4 夏季城郊平均氣溫和城郊平均氣溫差

城區(qū)和郊區(qū)夏季 （6～8月） 季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，城區(qū)上升趨勢(shì)略高于郊區(qū)。城區(qū)47年中夏季平均氣溫為28.1 ℃，在1970～2017年間出現(xiàn)12個(gè)峰值，13個(gè)谷值，1971、2013年夏季季節(jié)平均氣溫最高，為30.0 ℃，1987年夏季季節(jié)平均氣溫最低，為25.4 ℃。郊區(qū)平均氣溫28.2 ℃，郊區(qū)同樣在1970～2017年間出現(xiàn)12個(gè)峰值，13個(gè)谷值，區(qū)別是震蕩強(qiáng)度有所不同。從1971～2000年城郊溫差差別不大，城郊季節(jié)平均氣溫溫差為-0.2 ℃。從2000～2017年城郊季節(jié)平均氣溫溫差呈現(xiàn)顯著擴(kuò)大趨勢(shì)，城郊溫差變化范圍-0.6～0.4 ℃。秋季和冬季城郊季節(jié)平均氣溫同樣呈上升趨勢(shì)，但城郊季節(jié)平均氣溫溫差無(wú)顯著上升趨勢(shì)。

由此得出結(jié)論：在1971～2017年間，春夏秋冬四季城、郊季節(jié)平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，四季城郊峰谷值頻率相同，震蕩強(qiáng)度不同；另外合肥市城區(qū)熱島效應(yīng)強(qiáng)度存在季節(jié)變化，春季和夏季強(qiáng)于秋季和冬季。

2.1.3 合肥市城郊?xì)鉁啬觌H和年代際變化特征

圖5為合肥市城郊?xì)鉁啬觌H變化圖，城區(qū)多年平均氣溫為14.4 ℃。

圖5 合肥市城郊?xì)鉁啬觌H變化

1970～2017年間郊區(qū)與城區(qū)年平均氣溫的波動(dòng)頻率相同，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從城郊年平均氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)可以看出，城區(qū)上升趨勢(shì)略高于郊區(qū)上升趨勢(shì)。1970～2017年城區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.48 ℃/10年，郊區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.44 ℃/10年，2000年之后，城區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.89 ℃/10年，郊區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.44 ℃/10年。同樣可以得出合肥市城區(qū)熱島效應(yīng)明顯加強(qiáng)。

2.2 合肥市城郊年降水量變化特征

合肥市城區(qū)1970～2017年間平均降水量為1 013.9 mm，其中2016年年降水量最多，為1 602.8 mm，1978年年降水量最小，為554.4 mm。1986～2017年市區(qū)年降水量變化幅度較大，多雨年和少雨年分布不均衡。1994～2003年年降水量偏少，10年中有2年年降水量高于平均值。總體上47年來(lái)年降水量城郊差異不大，城郊降水量差值無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

表1是合肥市城郊不同量級(jí)降水天數(shù)的統(tǒng)計(jì)表格。

表1 1971～2017年合肥市城郊降水日數(shù)特征

可以得出：城區(qū)和郊區(qū) （＜10 mm） 的降水天數(shù)，除過(guò)80年代較多外，總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。 （10～25 mm） 降雨天數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其他量級(jí)降水天數(shù)無(wú)顯著增加趨勢(shì)。在所有量級(jí)降水中，郊區(qū)降水天數(shù)均多于城區(qū)。

圖6為合肥市總降水日數(shù)年際變化圖，總體上降水日數(shù)郊區(qū)大于城區(qū)，可以得知90年代以后降水日數(shù)呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)。

圖6 合肥總降水日數(shù)年際變化

1970～1996年間降水總?cè)諗?shù)的波動(dòng)性較大，1996～2017年總體上年際波動(dòng)性降低。城區(qū)與郊區(qū)總降水日數(shù)差呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)，最近幾年城區(qū)總降水日數(shù)超過(guò)郊區(qū)。

2.3 合肥市城郊年日照時(shí)數(shù)變化特征

圖7為1971～2017年合肥市城區(qū)和郊區(qū)的年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，城區(qū)日照時(shí)數(shù)平均減少4.7 h/a，郊區(qū)日照時(shí)數(shù)平均減少7.0 h/a。

圖7 合肥市城郊年日照時(shí)數(shù)變化圖

1971～1997年期間城郊日照時(shí)數(shù)波動(dòng)性大，1998～2017年城郊日照時(shí)數(shù)波動(dòng)性減小。從日照時(shí)數(shù)年代際變化可以看出，1971～1990年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)每年少107 h，1991～2010年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)每年少66 h，2011～2017年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)每年少45 h，城區(qū)與郊區(qū)年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

合肥市城郊日平均氣溫溫差年最大值變化特征，剔除掉降水對(duì)日平均氣溫溫差影響后，1970～2007年城郊溫差較??；2007～2017年城郊溫差呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，1970～1990年城郊日平均氣溫溫差年最大值為0.96 ℃，1991～2010年城郊日平均氣溫溫差年最大值為1.02 ℃，2011～2017年城郊日平均氣溫溫差年最大值為1.8 ℃。城郊日平均氣溫溫差年最大值一直在擴(kuò)大，說(shuō)明合肥熱島效應(yīng)一直增強(qiáng)。

合肥市城郊年平均氣溫變化特征，1970～2017年城區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.48 ℃/10a，郊區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.44 ℃/10a，2000年之后，城區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.89 ℃/10a，郊區(qū)年平均氣溫升溫幅度為0.44 ℃/10a。城市變暖的趨勢(shì)強(qiáng)于郊區(qū)，2000年之后合肥市熱島效應(yīng)快速增強(qiáng)的趨勢(shì)。

合肥市城郊降水變化特征，1970～2017年總體上降水日數(shù)郊區(qū)大于城區(qū)，90年代以后總降水日數(shù)呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)，10～25 mm雨日數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)最明顯，其他量級(jí)降水日數(shù)無(wú)顯著增加趨勢(shì)。城區(qū)與郊區(qū)總降水日數(shù)差呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)，最近幾年城區(qū)總降水日數(shù)超過(guò)郊區(qū)。

合肥市城郊日照時(shí)數(shù)變化特征，1971～2017年合肥市城區(qū)和郊區(qū)的年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，城區(qū)日照時(shí)數(shù)4.7 h/a，郊區(qū)日照時(shí)數(shù)7.0 h/a。1971～2017年合肥市城區(qū)比郊區(qū)年日照時(shí)數(shù)總體上少67 h/a，1971～1990年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)少107 h/a，1991～2010年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)少66 h/a，2011～2017年城區(qū)比郊區(qū)平均日照時(shí)數(shù)少45 h/a，城區(qū)和郊區(qū)間年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)。