城市化對寧波地區(qū)極端氣溫及人體舒適度的影響

黃鶴樓，丁燁毅，涂小萍，趙昶昱，姚日升

(浙江省寧波市氣象局，浙江 寧波 315012)

引 言

全球氣候變暖和城市化是21世紀兩個重要的全球性環(huán)境現(xiàn)象，兩者的聯(lián)系也日益緊密[1]。IPCC第五次評估報告指出，1901—2012年全球平均地表溫度升高0.89 ℃，并預估未來全球氣候變暖仍將持續(xù)，21世紀末全球平均地表溫度在1986—2005年的基礎上將升高0.3～4.8 ℃[2-3]。

在全球陸地氣溫明顯升高的背景下，極端氣候的研究越來越受到眾多學者的關注：全球大部分陸地地區(qū)極端冷事件發(fā)生頻率顯著減少，而極端暖事件發(fā)生頻率明顯增加，其中極端冷事件頻率的減少趨勢比極端暖事件更明顯[4-5]；中國大陸1983—2012年年極端高溫、低溫整體均呈明顯增加趨勢，平均增溫率分別為0.43、0.25 ℃·(10 a)-1，且有顯著的區(qū)域性差異[6]；我國長江流域冷晝日數(shù)、冷夜日數(shù)、冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)呈減小趨勢，而暖晝日數(shù)、暖夜日數(shù)、夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)、暖持續(xù)日數(shù)、生物生長季呈增加趨勢，冷指數(shù)的變暖幅度明顯大于暖指數(shù)，夜指數(shù)的變暖幅度明顯大于晝指數(shù)[7]；中國沿海地區(qū)近54 a來月最高氣溫極小值、極端最高溫、極端最低溫和月最低氣溫極大值都呈上升趨勢，氣溫日較差、冷晝日數(shù)和冷夜日數(shù)呈下降趨勢[8]。

城市化改變了下墊面的粗糙度，產生熱島、干島、濕島、雨島和混濁島等五島效應，其中熱島、干島和渾濁島出現(xiàn)頻率最大[9]。城市化對極端高溫事件有重要影響[10]，為定量考察城市化對氣溫及極端氣候事件變化的影響，往往采用城郊對比法，還可以利用衛(wèi)星遙感資料來進行城市站、郊區(qū)站和鄉(xiāng)村站的區(qū)分[11]。關于城市化對增溫的貢獻，有研究利用1961—2004年中國國家基準氣候站和基本氣象站地面年平均氣溫序列，分析得出城市化增溫率為0.076 ℃·(10 a)-1，占全部增溫率的27.33%[12]；對比華北區(qū)域國家站(國家基準氣候站和基本氣象站)和鄉(xiāng)村站(作為參考站點的國家一般站，按照地面氣溫符合特定的原則和方法遴選得到)1961—2008年極端氣溫指數(shù)的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，國家站最低氣溫相關指數(shù)的變化趨勢較鄉(xiāng)村站明顯，國家站與鄉(xiāng)村站最高氣溫相關指數(shù)的變化趨勢基本一致，城市化對最低氣溫相關指數(shù)的影響比對最高氣溫相關指數(shù)的影響更顯著，且兩者城市化影響貢獻率都在50%以上[13]。

氣象要素直接影響人體舒適度，人體舒適度除了與氣溫有關外，還與相對濕度、風速等其他氣象要素有關[14-20]，如吉林省消夏期具有“溫濕適宜、日照適宜，多微風日，且白天降水少”的氣候特點，旅游氣候舒適度指數(shù)處于“很舒適”及以上水平[21]。研究表明近30 a來，我國年均人體舒適度指數(shù)(ICHB)呈上升趨勢，且達到極顯著水平[22]；我國北方沿海地區(qū)一直被認為是人居環(huán)境氣候舒適性最佳區(qū)域之一，近60 a來，北方沿海城市氣溫呈明顯上升趨勢，降水、風速和相對濕度則為下降趨勢，導致人體舒適度指數(shù)(BCMI)在不同季節(jié)出現(xiàn)不同的變化趨勢[23]；氣溫升高和風速減小對寧夏六盤山區(qū)避暑旅游氣候舒適度具有正效應，相對濕度減小為負效應[24]；安徽省近30 a暑期由于最高及最低氣溫差減小、平均風速下降，使得體感溫度呈上升趨勢，降低了平原地區(qū)人體舒適度，而山區(qū)地形遮蔽效應與高植被覆蓋則有利于人體舒適度的增高[25]。

浙江省依山傍海，海岸線綿長，是我國海島最多的省份，城市化程度較高。為研究城市化對浙江省沿海城市極端氣溫及人體舒適度的影響，選擇浙江沿海寧波市的城區(qū)和海島國家基本氣象站資料，對比分析城市化進程對沿海地區(qū)的影響程度，以期為優(yōu)化城市規(guī)劃、建設和促進社會經濟發(fā)展提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資 料

(1)選取浙江省寧波市鄞州和石浦國家基本氣象站1956—2018年逐日最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速資料形成原始數(shù)據序列，該資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供，且經過均一性檢驗。

(2)鄞州站海拔6.4 m，周邊1 km范圍內的下墊面幾乎全部為城市建筑和居民生活區(qū)，是典型的城市建筑，為浙江沿海城市城區(qū)站代表；石浦站海拔129.2 m，周邊1 km范圍內基本為自然綠化區(qū)，四周為海洋，受城市變化影響較小，為海島站代表。圖1為鄞州站和石浦站的地理位置，兩站相距約70 km，分別代表浙江沿海城市城區(qū)和海島氣象站，具有較強合理性。

(3)從1978—2017年寧波市統(tǒng)計年鑒中，選取非農業(yè)人口/總人口、第三產業(yè)生產總值/國內生產總值、第三產業(yè)生產總值、城市居民人均可支配收入等4個參數(shù)來反映寧波城市化水平。

圖1 寧波鄞州站和石浦站的地理位置Fig.1 Locations of Yinzhou station and Shipu station of Ningbo

1.2 方 法

季節(jié)的劃分采用春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)。線性趨勢計算采用最小二乘法，統(tǒng)計顯著性和突變檢驗采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法(M-K檢驗)，判斷城市化影響是否顯著采用相關系數(shù)顯著性檢驗[26-27]。

城市化對氣象要素的趨勢影響分析以城市站(鄞州站)與海島站(石浦站)的要素差值為分析對象。城市化對氣象要素變化的貢獻率計算公示如下：

(1)

式中：Tu為城市站要素氣候傾向率，Tr為參考站要素氣候傾向率，Eu為城市化對該城市站氣象要素變化的貢獻率。一般情況下Tu>Tr，此時Eu>0，表明城市化對城市站該氣象要素變化有正影響；當Tu>0，Tr<0時，或者當Tu<0，Tr<2Tu時，Eu>100%，這種情況視同Eu=100%[12-13]。

人體舒適度氣象指數(shù)(body comfort meteorology index，BCMI)是從氣象角度評價在不同氣象條件下的舒適感[17]。其主要受太陽輻射、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速、降水等氣象要素的影響。目前，普遍采用的計算公式如下[18]：

BCMI=(1.8T+32)-

(2)

式中：BCMI為人體舒適度氣象指數(shù)；T(℃)、RH(%)、V(m·s-1)分別為氣溫、相對濕度、風速。表1列出人體舒適度氣象指數(shù)分級標準。

表1 人體舒適度氣象指數(shù)分級標準Tab.1 The grading standard of the human body comfort meteorological index

選擇4項指標反映城市化過程[28]，構成代表城市化程度的綜合性能指標，即為城市化進程參數(shù)K，具體公式如下：

K=lg (y1×y2×y3×y4)

(3)

式中：y1為非農業(yè)人口/總人口，代表城市化水平；y2為第三產業(yè)生產總值/國內生產總值，代表城市產業(yè)結構合理化水平；y3為第三產業(yè)生產總值，代表城市服務設施水平；y4為城市居民人均可支配收入，代表城市居民生活水平。

2 結果分析

2.1 年際變化

圖2為1956—2018年寧波鄞州站和石浦站4個氣象要素的年際變化，表2為氣象要素氣候傾向率和突變年份。可以看出，1956—2018年，鄞州站和石浦站日最高氣溫、最低氣溫均呈增加趨勢，鄞州站最高氣溫、最低氣溫平均每10 a分別上升0.37、0.38 ℃，石浦站每10 a分別上升0.25、0.19 ℃，且氣候傾向率均通過α=0.001的顯著性檢驗。鄞州站最高、最低氣溫的增幅均比石浦站大，這是因為海島站受環(huán)境影響小，其氣溫增幅主要體現(xiàn)氣候變暖趨勢。圖3為1956—2018年寧波鄞州站和石浦站年平均最低氣溫的Mann-Kendall檢驗?？梢钥闯觯粗菡?、石浦站最低氣溫突變時間分別為1992、2000年，鄞州站比石浦站提前8 a，說明鄞州站受城市化進程影響程度較大、氣溫突變時間更早。從鄞州站與石浦站極端氣溫差值來看，兩站最高氣溫差值、最低氣溫差值也均呈增大趨勢，且氣候傾向率均通過α=0.001的顯著性檢驗。另外計算得出相對石浦站，城市化進程對鄞州站最高、最低氣溫增幅的貢獻率分別為32.3%、48.8%。鄞州站最低氣溫突變年份早于最高氣溫，這與前人的研究結果[13]相類似，反映城市化對最低氣溫的影響比對最高氣溫的影響更大。

鄞州站年平均相對濕度的年際變化呈減小趨勢，平均每10 a減小1.60%，且通過α=0.001的顯著性檢驗。石浦站沒有表現(xiàn)出下降趨勢，可能是因為石浦站為海島站，濕度大且不易受環(huán)境影響的緣故。由于石浦站相對濕度變化趨勢不明顯，鄞州站與石浦站相對濕度差值的變化基本與鄞州站自身的變化趨勢一致。寧波城區(qū)鄞州站相對濕度與全國總體變化趨勢一致[29]，略呈下降趨勢，其突變年份與最低氣溫相同，早于最高氣溫，說明城市化對相對濕度變化的影響也較早地體現(xiàn)出來。

鄞州站和石浦站年平均風速的年際變化均呈減小趨勢，平均每10 a分別減小0.20、0.22 m·s-1，且氣候傾向率均通過α=0.001的顯著性檢驗。鄞州站平均風速的突變年份早于石浦站。鄞州站與石浦站風速差值沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，可能原因是風速因氣候變化在整體減小，海島站因天氣系統(tǒng)減弱造成風速減小的值不一定比陸地站小，因此掩蓋了城市下墊面對風速減小的作用。近50 a來中國幾乎全部地區(qū)的風速都在顯著減小，1980年代全國各地風速減小更加明顯[29]，臺灣海峽是距離寧波沿海較近的海區(qū)，近45 a來其年平均風速也呈明顯減小趨勢[30]，亞洲夏季風自1970年代末開始變弱，冬季風的減弱似乎比夏季風明顯，而冬、夏季風的減弱正好揭示了中國年平均風速減弱的物理內涵[31]。

圖2 1956—2018年寧波鄞州站、石浦站日最高、最低氣溫及平均相對濕度、平均風速年際變化Fig.2 The annual variation of daily maximum temperature, minimum temperature, average relative humidity and average wind speed at Yinzhou station and Shipu station of Ningbo during 1956-2018

圖3 1956—2018年寧波鄞州站(a)和石浦站(b)年平均最低氣溫的Mann-Kendall檢驗Fig.3 The Mann-Kendall test of the mean minimum temperatures at Yinzhou station (a) and Shipu station (b) of Ningbo during 1956-2018

表2 1956—2018年寧波鄞州站和石浦站4個氣象要素的氣候傾向率和突變年份Tab.2 The climate inclination rate and abrupt changing year of four meteorological elements at Yinzhou station and Shipu station of Ningbo during 1956-2018

注：“鄞州-石浦”表示兩站間的差值，下同；***表示通過0.001的顯著性檢驗；—表示沒有明顯突變年份。

2.2 寧波冬、夏季BCMI變化

浙江沿海人體舒適度較差的天氣主要是夏季高溫天氣和冬季低溫天氣，所以舒適度變化僅分析這兩個季節(jié)。表3列出1956—2018年寧波鄞州站和石浦站夏季最高氣溫、冬季最低氣溫的氣候傾向率和突變年份?？梢妰烧镜南募咀罡邭鉁?、冬季最低氣溫均呈明顯增大趨勢，除石浦站夏季最高氣溫氣候傾向率只通過α=0.01的顯著性檢驗外，其他均通過α=0.001的顯著性檢驗。鄞州站比石浦站增幅更大，可能原因是石浦站為海島站，受人類活動影響小，因而城市化進程對其影響小，其氣象要素變化主要反映本地氣候的自然變化趨勢。而在突變年份上，鄞州站早于石浦站，說明城區(qū)受氣溫自然變化和城市化共同影響，突變年份提前。從最高氣溫與最低氣溫的突變時間比較來看，兩站均表現(xiàn)出冬季最低氣溫突變時間相對更早，這與前人研究得出氣溫指數(shù)中冷指數(shù)突變年份超前于暖指數(shù)突變年份的結果一致[11,13]。

表3中還可見，鄞州站與石浦站的氣溫差值也呈明顯增大趨勢，且均通過α=0.001的顯著性檢驗，對鄞州站夏季最高氣溫和冬季最低氣溫增幅的貢獻率分別為57.8%和46.1%；兩站間夏季最高氣溫、冬季最低氣溫差值突變時間比鄞州站自身突變時間分別提前2 a和4 a，說明城市化進程不僅造成城區(qū)氣溫增幅變大，而且還促進了氣溫突變，提前氣溫突變時間。

公式(2)中BCMI涉及氣溫、相對濕度、風速3要素，針對寧波鄞州站，夏季以日最高氣溫、日平均相對濕度和日平均風速代入公式(2)計算，冬季以日最低氣溫、日平均相對濕度和日平均風速代入公式(2)計算，求出每年夏季、冬季逐日BCMI，分析冬、夏季BCMI的年際變化。同時，為考察氣溫、相對濕度和風速3要素對人體舒適度變化的作用和貢獻，分別將3要素中的某一個要素用實際資料參與計算，而另外2個氣象要素用1956—2018年的平均值來替代，將單要素變化時的計算結果與3個要素都變化時的計算結果進行比較，可看出每個要素對人體舒適度的作用和貢獻大小。圖4為鄞州站1956—2018年夏季和冬季不同氣象要素變化時人體舒適度年際變化，表4列出其氣候傾向率和突變年。圖4中“3要素”表示這3個要素均用實際資料來計算，其他用要素命名曲線分別表示僅其中某一個要素用實際資料、另外2個用1956—2018年的平均值來替代的計算結果。由圖4可以看出，3要素變化時的BCMI與僅氣溫變化的趨勢基本一致，且其氣候傾向率和突變時間最接近。另外僅氣溫變化的BCMI與3要素變化的BCMI相關性最高，夏季達0.95、冬季達0.94，且均通過α=0.001的顯著性檢驗(表略)，說明氣溫對人體舒適度的影響最大，氣溫的變化對人體舒適度變化的貢獻也最大，相對濕度、風速的貢獻相對較小。

表3 1956—2018年寧波鄞州站和石浦站夏季最高氣溫、冬季最低氣溫的氣候傾向率和突變年份Tab.3 The climate inclination rate and abrupt changing year of maximum temperatures in summer and minimum temperatures in winter at Yinzhou station and Shipu station of Ningbo during 1956-2018

注：**、***分別表示通過0.01、0.001的顯著性檢驗

圖4 1956—2018年夏季(a)和冬季(b)寧波鄞州站不同要素變化時的人體舒適度氣象指數(shù)年際變化Fig.4 The annual variations of human body comfort meteorological index under different meteorological factors changing condition at Yinzhou station of Ningbo in summer (a) and winter (b) during 1956-2018

表4 1956—2018年寧波鄞州站基于不同要素變化的年平均人體舒適度氣象指數(shù)的氣候傾向率和突變年Tab.4 The climate inclination rate and abrupt changing years of annual mean human comfort meteorological index under the different meteorological factors changing condition at Yinzhou station of Ningbo during 1956-2018

注：***表示通過0.001的顯著性檢驗

圖5為鄞州站1956—2018年夏季和冬季不舒適日數(shù)的年際變化。其中，夏季不舒適日數(shù)包含人體舒適度氣象指數(shù)等級為8～10級(BCMI≥80)，冬季不舒適日數(shù)包含人體舒適度氣象指數(shù)等級為1～2級(BCMI≤38)?？梢钥闯?，夏季不舒適日數(shù)呈增加趨勢，增幅為2.05 d·(10 a)-1，且通過α=0.001的顯著性檢驗，1996年發(fā)生突變(圖略)，夏季人體舒適度往炎熱不舒適的方向發(fā)展；冬季不舒適日數(shù)呈減小趨勢，減幅為-5.13 d·(10 a)-1，也通過α=0.001的顯著性檢驗，1989年發(fā)生突變(圖略)，冬季人體舒適度往溫暖更舒適的方向發(fā)展?？梢姡驓夂蜃兓统鞘谢M程對寧波造成冬季冷夜減少，夏季熱晝增加，但對冬季冷夜影響程度更大、時間更早。

圖5 1956—2018年寧波鄞州站夏季、冬季不舒適日數(shù)的年際變化Fig.5 The annual variations of uncomfortable days in summer and winter at Yinzhou station of Ningbo during 1956-2018

2.3 寧波城市化進程對BCMI的影響

圖6為1978—2017年寧波城市化進程參數(shù)K的年際變化?？梢钥闯觯瑢幉ǔ鞘谢M程參數(shù)K呈增大趨勢，平均每10 a上升1.67，且增大趨勢通過α=0.001的顯著性檢驗。K值在1990年代中期增幅明顯加大，與鄞州站夏季平均最高氣溫的突變時間基本一致，比冬季平均最低氣溫的突變時間晚(表3)，說明城市化進程的作用更早體現(xiàn)在減少冷夜上。另外，鄞州站冬季最低氣溫的突變時間比年平均最低氣溫的突變時間更早，說明城市化進程對冬季最低氣溫的影響更顯著。

圖6 1978—2017年寧波城市化進程參數(shù)K的年際變化Fig.6 The annual variation of urbanization process parameter K in Ningbo during 1978-2017

表5為城市化進程參數(shù)K與氣溫和人體舒適度的相關關系?？梢钥闯觯鞘谢M程參數(shù)K與夏季平均最高氣溫、冬季平均最低氣溫、BCMI、不舒適日數(shù)相關性顯著，相關系數(shù)均通過α=0.01以上的顯著性檢驗，說明城市化對構成人體舒適度的氣象因子，特別是氣溫因子影響顯著，從而造成人體舒適度的改變。

表5 城市化進程參數(shù)K與氣溫和人體舒適度的相關關系Tab.5 Correlations between urbanization process parameter K and air temperature, human body comfort meteorological index, respectively

注：**、***分別表示通過0.01、0.001的顯著性檢驗，—表示不需要計算

3 結論與討論

(1)寧波城區(qū)(鄞州站)和海島(石浦站)的年平均最高、最低氣溫均呈增大趨勢，其中城區(qū)最高、最低氣溫增幅分別為0.37、0.38 ℃·(10 a)-1，且城區(qū)增幅比海島大，突變年份比海島早；城區(qū)與海島的最高、最低氣溫差值的年平均也呈增大趨勢，城市化進程對城區(qū)最高、最低氣溫增幅的貢獻率分別為32.3%、48.8%。

(2)城市化導致城區(qū)相對濕度呈減小趨勢，減幅為-1.60 %·(10 a)-1，而海島站相對濕度變化不明顯。

(3)寧波城區(qū)和海島的平均風速均呈減小趨勢，減幅分別為-0.20、-0.22 m·s-1·(10 a)-1；城區(qū)風速突變時間比海島更早；城區(qū)與海島的風速差值沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢，說明風速的減小主要是氣候自然變化所致。

(4)氣溫、相對濕度和風速3個要素相比較，氣溫對人體舒適度的影響最大。城區(qū)夏季和冬季極端氣溫下的人體舒適度氣象指數(shù)值均表現(xiàn)出增大趨勢，夏季人體舒適度往炎熱不舒適的方向發(fā)展，冬季往溫暖更舒適的方向發(fā)展。

(5)寧波城市化進程參數(shù)K與城區(qū)人體舒適度指數(shù)表現(xiàn)出明顯的相關性。城市化進程對城區(qū)夏季最高氣溫和冬季最低氣溫增幅貢獻率分別為57.8%和46.1%。

當前，在全球氣候變暖的背景下，城市建設引起的環(huán)境問題越來越不容忽視，需要合理規(guī)劃城市建設，嚴格控制城市規(guī)模和人口數(shù)量；優(yōu)化產業(yè)結構，減少環(huán)境污染；增加城市綠地和水體面積，一定程度上改善城市小氣候，減少城市氣候的變化，建立良好的城市人居環(huán)境。