城市熱島效應(yīng)對(duì)西寧地區(qū)夏季降水的影響

趙娟 謝啟玉 沈潔 朱寶文

摘 要：利用1986—2015年西寧城區(qū)、大通和湟中三個(gè)站氣溫和降水資料，通過線性回歸、距平分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法分析了夏季城市熱島效應(yīng)對(duì)西寧地區(qū)夏季降水的影響。研究表明，1986—2015年西寧城區(qū)的夏季城市熱島強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，最高氣溫對(duì)其貢獻(xiàn)最大。近30年西寧地區(qū)的夏季氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，西寧城區(qū)、大通和湟中平均氣溫的升溫率分別達(dá)0.7、1.0 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，西寧城區(qū)夏季氣溫在1997年出現(xiàn)突變，湟中在1994年出現(xiàn)突變，大通未發(fā)生突變。近30年西寧城區(qū)的夏季降水量和降水日數(shù)分別以4.5 mm/10 a和1.2 d/10 a的趨勢(shì)增加;大通的夏季降水量在增加，降水日數(shù)在減少;湟中的夏季降水量和降水日數(shù)均在減少。三個(gè)站的夏季降水量突變主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，西寧城區(qū)還在2000年發(fā)生突變。城區(qū)夏季最高氣溫?zé)釐u強(qiáng)度和最高氣溫與夏季降水量和降水日數(shù)之間有較好的相關(guān)性，郊區(qū)也是夏季最高氣溫與降水量的相關(guān)性最好。城市熱島效應(yīng)對(duì)降水的影響主要是由于盛行風(fēng)向和河谷地形的作用。

關(guān)鍵詞：城市熱島效應(yīng);夏季氣溫;降水

中圖分類號(hào)：P463.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0152-07

Abstract： In this study， timeseries data of temperature and precipitationfrom 1986 to 2015 of 3 meteorological stations were collected and means of linear regression， anomaly analysis， Mann-Kendall test were used to reveal the influence of urban heat island effect on summer precipitation in Xining. The results showed that the intensity of summer urban heat island in Xining City exhibited downward trend during 1986—2015， and the summer maximum temperature contributed the most to the summer urban heat island. The summer temperature in Xining area showed a significant rising trend in the 30 years. The average temperature rise rates of Xining City， Datong and Huangzhong were 0.7 ℃/10 a， 1.0 ℃/10 a and 0.5 ℃/10 a， respectively. The summer temperature in Xining city had a mutation in 1997， Huangzhong in 1994， Datong had no mutation. In the past 30 years， the summer precipitation and the number of precipitation days in Xining city increased by 4.5 mm/10 a and 1.2 d/10 a， respectively; the summer precipitation in Datong increased and the number of precipitation days decreased; the summer precipitation and the number of precipitation days in Huangzhong decreased. The abrupt changes of summer precipitation in three stations mainly occurred in 1990s， and in Xining City in 2000. There was a good correlation between the summer maximum temperature heat island intensity and the maximum temperature in urban area and the summer precipitation and the number of precipitation days. The effect of urban heat island on precipitation is mainly due to prevailing wind direction and valley topography.

Keywords： urban heat island effect;summer temperature;precipitation

1 研究背景

在過去幾十年，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展極大加速了全球范圍內(nèi)的城市化進(jìn)程，而工業(yè)化及城市化的發(fā)展對(duì)城市的小氣候必然產(chǎn)生較大影響。近年來(lái)，在氣候變化研究中，對(duì)氣候變暖的趨勢(shì)及增溫幅度[1]、城市熱島及氣候變暖原因[2]的研究較多。氣候意義上的城市熱島，本質(zhì)上是由于城市化的人為因素與局地天氣氣候變化共同作用導(dǎo)致的。下墊面性質(zhì)的改變、人為熱源的排放、大氣環(huán)境等因素都會(huì)造成城鄉(xiāng)間出現(xiàn)氣溫差異，而氣溫差異必然迫使局地流場(chǎng)發(fā)生調(diào)整，從而可能導(dǎo)致局地天氣氣候要素（如風(fēng)、降水等）的差異，局地天氣氣候要素的差異反過來(lái)對(duì)城鄉(xiāng)之間的氣溫差異產(chǎn)生影響[3]。Daniel等[4]認(rèn)為，在氣候狀態(tài)下，城市化和工業(yè)污染將造成下游降雨、降雪量增加。Jauregui等[5]認(rèn)為，熱島效應(yīng)增強(qiáng)了城市的局地對(duì)流，從而引發(fā)對(duì)流性降水。孫繼松等[3]研究了北京城市熱島效應(yīng)的年際變化及其對(duì)降水的影響，結(jié)果表明熱島效應(yīng)對(duì)降水量、降水日數(shù)的影響在冬夏季及城市不同區(qū)域表現(xiàn)出不同特征。周健康等[6]的研究指出，受城市化影響，南京地區(qū)發(fā)生大雨、暴雨的頻率及年降水量有增加的趨勢(shì)。孟秀敬等[7]的研究顯示，河西走廊的氣溫在過去57年呈顯著上升趨勢(shì)，年降水量也呈顯著增加趨勢(shì)，總體向暖濕化發(fā)展。王建鵬等[8]的研究表明，由于城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，西安在冬夏季均形成了以西安為中心的明顯“熱島”，由熱島效應(yīng)和季節(jié)性變化的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)間相互作用，降水的季節(jié)空間分布差異是由冬夏盛行風(fēng)變化引起的。以上研究均表明氣象要素（氣溫、降水）的分布因城市熱島效應(yīng)而發(fā)生改變。

西寧市位于西北地區(qū)東部，植被條件較差，生態(tài)環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力弱，人為因素對(duì)氣候的影響更容易顯現(xiàn)。同時(shí)，其地處湟水河谷地，河谷地形在人為活動(dòng)影響的基礎(chǔ)上進(jìn)一步作用，使其氣溫變化更具典型性。施雅風(fēng)等的研究指出，近50年是中國(guó)西部地區(qū)400年來(lái)降水量最豐沛的時(shí)期，西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型明顯[9，10]。張建新等[11]利用西寧城區(qū)1957—1992年氣象觀測(cè)資料，分析得出城市化對(duì)西寧市的氣溫有顯著影響。于斌等[12]指出，在1961—2004年40多年間，西寧城區(qū)的氣溫平均升高了0.4 ℃，同時(shí)城區(qū)的城市熱島效應(yīng)呈減弱趨勢(shì)。梅朵等[13]利用西寧市1961—2010年氣象資料分析得出近50年西寧市全年和四季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)。

綜上，已有研究對(duì)西寧市城市熱島的研究較少，并且氣溫方面的關(guān)注多于對(duì)降水的關(guān)注。西寧市年降水量四季分布不均，1986—2015年西寧夏季降水量（6—8月）為全年降水總量的60%，夏季降水量的多少?zèng)Q定了全年降水豐枯狀況。因此，本文選擇西寧市3個(gè)氣象站1986—2015年逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，采用線性回歸、距平分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法研究西寧市夏季城市熱島效應(yīng)對(duì)降水的影響。這對(duì)本地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和水資源保護(hù)及配置方面具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，也可以為全球氣候變暖背景下出現(xiàn)的城市熱島效應(yīng)和水資源評(píng)價(jià)方面提供科學(xué)的理論支撐。

2 資料和方法

2.1 研究區(qū)概況

本文研究城市熱島，將西寧市區(qū)作為城區(qū)代表，大通縣和湟中縣作為郊區(qū)代表。西寧市位于青藏高原與黃土高原過渡地帶，地處青海省東部河湟谷地，地勢(shì)西北高東南低，屬典型河谷型城市，總面積7 665 km2，是青海省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心和主要工業(yè)基地，平均海拔高度2 261 m，氣候?qū)儆诟咴箨懶园敫珊禋夂?，年平均氣?.6 ℃，年降水量398.7 mm，雨熱同期。大通縣和湟中縣屬于西寧市轄區(qū)，與西寧市處同一氣候區(qū)。大通位于祁連山南麓，西寧市北部，其北部和西部為高山地區(qū)，地勢(shì)西北高東南低，平均海拔高度2 450 m。湟中縣位于西寧市西部，地勢(shì)西北高而東南略低，海拔高度2 668 m。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為建立穩(wěn)定的氣候數(shù)據(jù)序列，保證氣象數(shù)據(jù)的一致性，并考慮海拔高度、地理位置和城市化程度等因素，選取西寧城區(qū)、大通和湟中1986—2015年逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，按月、季、年整理，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。資料統(tǒng)計(jì)時(shí)，四季劃分為3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。為盡可能避免遺漏夏季相對(duì)孤立的中小尺度天氣系統(tǒng)降水過程，測(cè)站日降水量≥0.1 mm記為一個(gè)降水日，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自青海省氣象信息中心。西寧地區(qū)氣象站點(diǎn)基本信息如表1所示。

2.3 研究方法

為消除因海拔高度導(dǎo)致的差異，首先將三個(gè)站1986—2015年的夏季氣溫按照氣溫的垂直遞減率（年平均0.6 ℃/100 m;夏季：0.65 ℃/100 m）統(tǒng)一訂正到平原地區(qū)平均高度（398 m）。

西寧城區(qū)的城市熱島強(qiáng)度（單位：℃）和城市熱島效應(yīng)（單位：%），計(jì)算方法如下：

[Tu=T西寧Tr=（T大通+T湟中）/2城市熱島強(qiáng)度=Tu-Tr城市熱島效應(yīng)=城市熱島強(qiáng)度/Tu] ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Tu]為城市氣溫，即西寧城區(qū)氣溫;[Tr]為郊區(qū)氣溫。仿照周明煜等[14]的做法，這里定義城市熱島強(qiáng)度≥2.0 ℃時(shí)為強(qiáng)熱島，2.0 ℃>城市熱島強(qiáng)度>0.5 ℃為熱島，-0.5 ℃≤城市熱島強(qiáng)度≤0.5 ℃時(shí)無(wú)熱島，-2.0 ℃<城市熱島強(qiáng)度<-0.5 ℃時(shí)為冷島，城市熱島強(qiáng)度≤-2.0 ℃時(shí)為強(qiáng)冷島。城市熱島增強(qiáng)率為城區(qū)溫度減去郊區(qū)溫度的變化率，單位是℃/10 a。城市熱島效應(yīng)為熱島強(qiáng)度所占城市氣溫的比重，單位是%。

本文采用線性回歸、距平分析等方法來(lái)揭示西寧城區(qū)夏季城市熱島對(duì)西寧地區(qū)夏季降水的影響。分析氣溫的年代際變化時(shí)取3站1986—1995年、1996—2005年、2006—2015年3個(gè)時(shí)段夏季氣溫、降水量和降水日數(shù)與各站同期平均的差值（即距平值）。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法（簡(jiǎn)稱M-K）進(jìn)行時(shí)間序列數(shù)據(jù)的突變檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)為0.05。

3 結(jié)果分析

3.1 夏季氣溫的變化特征

3.1.1 第一，夏季氣溫年際變化。圖1是1986—2015年三站夏季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的氣溫距平變化曲線。結(jié)果顯示，西寧夏季平均、最高和最低氣溫均呈上升趨勢(shì)。其中，西寧城區(qū)、大通和湟中三站的平均氣溫增溫率分別是0.7、1.0 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區(qū)，為2.7 ℃，其次是大通為2.3 ℃，最后湟中為0.5 ℃，30年中正距平年數(shù)西寧城區(qū)為27 a，大通21 a，湟中只有1 a;西寧城區(qū)、大通和湟中的最高氣溫增溫率分別是0.8、0.7 ℃/10 a和0.6 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區(qū)，為2.4 ℃，其次是大通為1.8 ℃，最后湟中為1.6 ℃，正距平年數(shù)西寧城區(qū)有25 a，大通和湟中都是18 a;西寧城區(qū)、大通和湟中的最低氣溫增溫率為0.6、1.1 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區(qū)，為2.4 ℃，其次是大通為1.5 ℃，最后湟中為1.6 ℃，正距平年數(shù)西寧城區(qū)18 a，大通和湟中分別是8 a和15 a?？梢姡募咀罡邭鉁氐脑龇?、正距平最大值和正距平年數(shù)都是城區(qū)高于郊區(qū)。

第二，氣溫的年代際變化。近30年來(lái)，西寧城區(qū)夏季氣溫的上升趨勢(shì)表現(xiàn)為較快—快—慢。在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初為顯著升溫期，特別是城區(qū)最高氣溫增幅達(dá)1.1 ℃/10 a。這與施雅鳳等[9]人得出的20世紀(jì)80—90年代我國(guó)西北地區(qū)升溫迅速的結(jié)論一致。同時(shí)，城區(qū)夏季平均和最高氣溫在2000—2010年上升更明顯，這與2000年后西寧進(jìn)入城市化快速發(fā)展階段有關(guān)，說明西寧地區(qū)夏季氣溫由于城市化和人類活動(dòng)的加強(qiáng)而升溫明顯。郊區(qū)兩站氣溫上升變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為快—較快—慢，兩站在20世紀(jì)90年代升溫顯著，特別是大通最低氣溫增幅達(dá)1.4 ℃/10 a。近30年，城區(qū)與郊區(qū)夏季平均氣溫溫差的年代際變化表現(xiàn)為大—小—大;城區(qū)與大通最高、最低氣溫的溫差呈遞減趨勢(shì)，而城區(qū)與湟中的溫差在緩慢增加，最大溫差為0.4 ℃。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2015年末，西寧市區(qū)城鎮(zhèn)化率達(dá)96.5%，而大通和湟中的城鎮(zhèn)化率僅為42.6%和28.2%。結(jié)合大通的升溫趨勢(shì)，說明近年來(lái)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快使大通的夏季氣溫遞增顯著，而海拔更高、城鎮(zhèn)化較低的湟中增溫較慢，從而使城區(qū)的夏季熱島強(qiáng)度減弱。