崇明東灘濕地與上海城市氣候特征對比分析

賀芳芳， 毛卓成， 姚展予， 許建明， 彭 麗

(1.上海市氣候中心，上海 200030; 2.長三角環(huán)境氣象預(yù)報預(yù)警中心，上海 200030; 3.中國氣象科學(xué)研究院，北京100081)

引 言

自然濕地是在特定的氣候、地貌條件下，由陸地系統(tǒng)和水系統(tǒng)相互作用形成的自然綜合體，具有調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防旱、控制土壤侵蝕、促淤造陸、降解環(huán)境污染和保護(hù)生物多樣性等功能，被譽(yù)為“地球之腎”[1-4]。由于濕地表面強(qiáng)烈的水汽蒸發(fā)、植被蒸騰和地氣之間的熱量交換等都會直接或間接影響區(qū)域氣候環(huán)境，加之某些濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被指數(shù)呈下降趨勢[5]及圍湖造田和城市化導(dǎo)致有些天然濕地面積減少、濕地功能減弱、濕地生物多樣性下降等濕地生態(tài)環(huán)境狀況下降[6]，因此《濕地公約》強(qiáng)調(diào)了保護(hù)濕地的重要性及濕地在調(diào)節(jié)氣候、改善環(huán)境等方面的功能[7]。近年來有關(guān)濕地調(diào)節(jié)局地(區(qū)域)氣候方面的研究呈現(xiàn)多樣性，不僅有利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)分析出寧夏平原濕地面積增加對城市熱環(huán)境改善優(yōu)于相同面積的其他地物類型的作用[8]、運(yùn)用 RegCM3 區(qū)域氣候模式模擬出三江源濕地的退化會使青藏高原夏季平均溫度升高、降水增多[9]、采用各種統(tǒng)計分析方法得出長江源頭及東北半干旱區(qū)濕地面積消長對當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊慬10-11]等自然濕地變化與局地氣候環(huán)境相互影響的研究。還有成果表明，城市濕地對局部環(huán)境具有明顯的增濕降溫、縮小晝夜溫差效應(yīng)，小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)與濕地面積、形狀及和濕地的距離有關(guān)[12-14]，人工濕地能使年平均氣溫呈遞減趨勢[15-16]。以上研究成果都顯示，濕地具有調(diào)節(jié)局地(區(qū)域)氣候改善生態(tài)環(huán)境的多種功效。

崇明東灘濕地處長三角城市群和東海交界處，由于地理位置特殊，具有顯著的原生性、脆弱性、稀有性，可作為鳥類棲息地、繁殖地和中轉(zhuǎn)站。1998年11月經(jīng)上海市人民政府批準(zhǔn)建立自然保護(hù)區(qū)，2002年1月濕地公約秘書處指定崇明東灘鳥類自然保護(hù)區(qū)為國際重要濕地，2005年7月國務(wù)院正式批準(zhǔn)建立崇明東灘鳥類國家級自然保護(hù)區(qū)。2006年被國家林業(yè)和草原局列為51個“國家級示范自然保護(hù)區(qū)”之一。由于其在國內(nèi)外具有重要地位，近年來吸引了不少國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行研究，取得了頗多成果，大多集中在濕地土壤成分分布特征和變化趨勢分析[17-19]、濕地植被分類及微生物群落結(jié)構(gòu)研究[20-21]、濕地水域海水水質(zhì)評價[22]、濕地碳源/匯動態(tài)估算[23]、濕地大型底棲動物功能群分布特征[24]及濕地圍堤工程對底棲動物群落的影響[25]等生態(tài)學(xué)方面的研究，有關(guān)其氣候環(huán)境特征演變方面的研究還鮮有涉及。

2008年上海市氣象局在崇明東灘鳥類國家級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)建成了崇明東灘大氣綜合觀測站，是典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測站點(diǎn)，周邊10 km范圍內(nèi)基本無人為污染和直接排放活動。東灘大氣綜合觀測站觀測項(xiàng)目包括氣象要素、反應(yīng)性氣體、溫室氣體、大氣氣溶膠、大氣輻射、生態(tài)要素和大氣垂直遙感等七大類。本文根據(jù)近10年(2010-2019年)東灘綜合觀測站的溫、濕、雨量等氣象要素資料，與徐家匯、寶山、南匯、金山、崇明5個國家氣象站同時期同類氣象要素進(jìn)行比較，分析崇明東灘濕地與崇明城鎮(zhèn)、近海(寶山、南匯、金山)、市區(qū)(徐家匯)城市化程度不同地區(qū)的氣候環(huán)境差異，旨在通過研究崇明東灘濕地對局地氣候的影響特征，為崇明生態(tài)島可持續(xù)發(fā)展、上海濕地保護(hù)及未來濕地發(fā)展規(guī)劃管理決策提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 氣象站點(diǎn)的選取

文中選用不同類型下墊面和不同城市化程度的徐家匯、寶山、南匯、金山、崇明和東灘共6個站同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，其中徐家匯代表中心城區(qū)，寶山、南匯、金山代表近海郊區(qū)，崇明代表城鎮(zhèn)，東灘代表濕地。寶山站為國家基本氣象站，徐家匯、南匯、金山、崇明為國家一般氣象站，東灘為自動氣象站，站點(diǎn)的分布見圖1。

1.2 要素及資料時段的選取

文中選用了溫度、相對濕度、降水3個氣候要素進(jìn)行對比分析。其中溫度、降水資料時段為2010-2019年，相對濕度資料由于東灘自動站在2012-2013年出現(xiàn)故障，故選用時段為2014-2019年。風(fēng)速對比時段為2010-2019年。

圖1 東灘濕地及所選氣象站點(diǎn)分布示意圖

1.3 遷站說明

由于郊區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展，崇明于2013年、金山于2017年地面觀測場由近海邊的城鎮(zhèn)遷到遠(yuǎn)離海邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，兩站的新老觀測場直線距離為10～11 km(見圖1)，崇明于2014年1月1日、金山于2018年1月1日采用新觀測場資料上報。根據(jù)遷站對比觀測分析，主要是新觀測場的日最低氣溫降低了(受城鎮(zhèn)和海洋影響小)。雖然兩站都有1年的同比觀測資料，但目前沒有遷站同步觀測資料訂正規(guī)范。由于城鎮(zhèn)變化較大，用1年同步觀測資料訂正其他年份的資料也不合適，故不作遷站觀測資料訂正，但會對遷站引起要素的變化進(jìn)行分析。

2016年因受東灘濕地進(jìn)行的生態(tài)修復(fù)工程影響，將站點(diǎn)向東南方向遷移至核心區(qū)內(nèi)，于2018年8月工程竣工并業(yè)務(wù)運(yùn)行。新址和老站的距離大概為6 km，觀測環(huán)境基本一致，保持了觀測數(shù)據(jù)的代表性、一致性和連續(xù)性。

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

國家基本站和一般站的地面氣象觀測數(shù)據(jù)為上傳國家氣象局A文件數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由上海市信息中心根據(jù)中國氣象局制定的臺站氣象資料審核規(guī)范軟件進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制。東灘自動氣象站數(shù)據(jù)統(tǒng)一按照相關(guān)質(zhì)量控制方法進(jìn)行質(zhì)量控制，所選數(shù)據(jù)經(jīng)過界限值檢查、時間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查和空間一致性檢查[26-27]，沒有異常突變和不連續(xù)數(shù)據(jù)。A文件數(shù)據(jù)有效性在99.5%以上，東灘自動氣象站數(shù)據(jù)有效性達(dá)到96.8%，符合分析要求。

1.5 對比分析方法

由于經(jīng)過有效質(zhì)量控制的東灘自動站溫度、相對濕度、雨量只有整點(diǎn)逐時資料，為了真實(shí)有效反映濕地調(diào)節(jié)局地氣候的作用，其他臺站的資料也采用整點(diǎn)逐時資料，使各臺站對比資料保持時間同步的特性。其中日雨量取20-20時24 h雨量總和，小雨、中雨、大雨、暴雨用日雨量值表示(<10.0 mm為小雨、10.0～24.9 mm為中雨、25.0～49.9 mm為大雨、≥50.0 mm為暴雨)；日平均氣溫、日平均相對濕度取20時-次日20時的24 h氣溫及相對濕度的平均值，日最高氣溫、日最低氣溫取20時-次日20時整點(diǎn)的最高值或最低值,雖不代表某日實(shí)際的最高、最低氣溫，但也能同步對比出濕地與其他臺站的不同；溫度日較差為本文中日最高氣溫與日最低氣溫之差，濕度日較差為本文中小時最高相對濕度與小時最低相對濕度之差。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征差異

2.1.1 日平均最高、最低氣溫

圖2為東灘濕地及市區(qū)(徐家匯)、近海地區(qū)(寶山、南匯、金山)、崇明日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的年平均值的逐年變化。由圖2可見：日平均氣溫的年平均值東灘濕地均低于近海地區(qū)和市區(qū)的，2014年以前日平均氣溫的年平均值東灘低于崇明站的，2014年以后則高于崇明站的(圖2a)；日最高氣溫的年平均值東灘濕地的低于其他臺站的2～3 ℃(圖2b)，日最低氣溫的年平均值東灘濕地的接近或高于近海地區(qū)的，一直高于崇明站的，但低于市區(qū)的，2014年以后東灘的日最低氣溫的年平均值高于崇明站的幅度更大(圖2c)。之所以2014年以后東灘日平均氣溫的年平均值高于崇明城鎮(zhèn)站的，是因?yàn)?014年崇明地面觀測站遷至離城鎮(zhèn)及海邊較遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，受城鎮(zhèn)和海洋影響比舊站的小，鄉(xiāng)村夜間輻射冷卻效果明顯，夜間氣溫降幅較大，致使日平均氣溫下降。2018年金山遷站后也出現(xiàn)日平均氣溫和日最低氣溫下降趨勢，原因與崇明的一樣。

圖2 2010-2019年崇明東灘濕地及上海其他臺站日平均氣溫(a)、日最高氣溫(b)和日最低氣溫(c)的年平均值的逐年變化

從以上分析可以看出，雖然東灘濕地靠近海邊，但與同樣受海洋影響的臺站來比，日最高氣溫均低于其他臺站的，日最低氣溫則高于崇明城鎮(zhèn)的，接近或高于其他近海臺站的，說明濕地不易升溫也不易降溫。

另外，從圖2中還發(fā)現(xiàn)，東灘和其他站存在一個共同特征，日平均氣溫和日最低氣溫近10年均有上升趨勢，尤其是2014年以后氣溫升幅很大，這和同時期全球海表溫度、全球地表溫度的顯著上升具有相似的變化特征[28]。這說明東灘和上海其他站都受到全球氣候變暖的影響，日平均氣溫和最低氣溫均逐年上升。

2.1.2 溫度日變化

從小時氣溫10年平均值的逐時變化來看，濕地日變化最小(圖3a)；從2010-2019年氣溫日較差年平均值的逐年變化趨勢看，2016年東灘濕地生態(tài)修復(fù)工程開始后，濕地與其他地區(qū)比，氣溫日較差年平均值的差值進(jìn)一步增大 (圖3b)，說明隨著濕地生態(tài)修復(fù)，縮小晝夜溫差作用在加大。由此可見，與中心城區(qū)比，東灘由于是臨海濕地，受城市熱島效應(yīng)影響小，日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫為較低且晝夜溫差較??；與近?；蜻h(yuǎn)郊臺站比，東灘調(diào)節(jié)氣溫主要體現(xiàn)在降低日最高氣溫和縮小晝夜溫差上。

2.1.3 月平均氣溫

分析崇明東灘濕地及上海其他臺站月平均氣溫可知(表1)，3-8月春夏氣溫上升期，東灘濕地月平均氣溫均低于其他臺站的；但在9月-次年2月的秋冬季節(jié)，濕地月平均氣溫高于崇明站的，接近近海的金山、南匯站的，低于城市熱島效應(yīng)較強(qiáng)的市區(qū)和寶山站的。這又從另一方面表明濕地不易升溫、也不易降溫。

圖3 2010-2019年崇明東灘濕地及上海其他臺站小時溫度10年平均值的逐時變化(a)和氣溫日較差年平均值的逐年變化(b)

表1 2010-2019年崇明東灘濕地及上海其他臺站月平均氣溫 ℃

2.2 降水變化特征差異分析

2.2.1 雨 量

從崇明東灘濕地與上海其他臺站雨量對比來看：近10年東灘的逐年年雨量都比市區(qū)、近海各站、崇明城鎮(zhèn)的少，平均年總雨量要比其他臺站少40%～45%；東灘降水以小雨為主，占84%，在6個站中小雨概率最大，但中雨、大雨、暴雨概率都比其他站的小，尤其是暴雨概率，東灘站比其他站少68%～75%；根據(jù)上海市氣象局強(qiáng)對流天氣發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，小時雨量≥20 mm定義為短時強(qiáng)降水, 東灘站強(qiáng)降水次數(shù)比其他站的少70%～81%(圖4)。

圖4 2010-2019年崇明東灘濕地與上海其他臺站年總雨量的逐年變化(a)、各等級雨量占比(b)和小時雨量≥20 mm的次數(shù)對比(c)

以上對比分析表明，東灘濕地?zé)o論與中心城區(qū)比，還是與近海遠(yuǎn)郊及崇明城鎮(zhèn)比，中雨以上降水概率明顯小于其他臺站的，特別是暴雨概率及強(qiáng)降水次數(shù)比其他臺站分別少68%～75%和70%～81%的事實(shí)，說明濕地具有降低降水強(qiáng)度及強(qiáng)降水出現(xiàn)概率的功能。

多年來，城市化發(fā)展造成城區(qū)下墊面不透水面積增加，蒸發(fā)小、耗熱小，城區(qū)建筑材料易儲熱、不利散熱，人類生活生產(chǎn)活動向空中釋放的大量熱量形成城市熱島[29-30]，促使城區(qū)上空的大氣層結(jié)變得不穩(wěn)定，易產(chǎn)生熱力對流，若此時空氣中水汽充足，極易產(chǎn)生強(qiáng)降水；城市化發(fā)展促使城區(qū)高樓林立，城區(qū)中高度不一且規(guī)模龐大的高層建筑使地面粗糙度增大，氣流經(jīng)過城市上空受地面摩擦影響速度減緩，在城區(qū)滯留時間增加，進(jìn)而導(dǎo)致城區(qū)降雨強(qiáng)度增大及降雨時間延長[31-32]。為此上海其他臺站都具有不同程度的城市熱島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)產(chǎn)生的增雨作用。

對于東灘濕地而言，濕地表面的水汽蒸發(fā)和植被蒸騰都會消耗空氣中的熱量，使有雨日向上空大氣輸送的熱量沒有其他地區(qū)的多，不易產(chǎn)生熱力對流。從東灘有雨日平均氣溫的年平均值低于其他臺站(圖5a)及日最高和日最低氣溫年平均值也低于其他臺站(圖略)的分布事實(shí)來看，東灘熱島效應(yīng)較其他城市臺站的弱。東灘濕地由于沒有建筑，風(fēng)速比其他臺站的大，氣流不易滯留(圖5b)。這兩個原因都說明東灘濕地沒有城市熱島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)引起的增雨，所以降水強(qiáng)度低于其他臺站的。

因此，在今后海綿城市建設(shè)中，中心城區(qū)適當(dāng)增加濕地公園，不僅能緩解城市熱島效應(yīng)，改善空氣流動，還能降低城區(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)概率，減少強(qiáng)降水造成城市道路、小區(qū)積水次數(shù)，起到防災(zāi)減災(zāi)的效果。

圖5 2010-2019年東灘濕地和上海其他臺站雨日平均氣溫的年平均值(a)和年平均風(fēng)速(b)的逐年變化

2.2.2 雨 日

從崇明東灘濕地與上海其他臺站雨日對比來看，東灘總雨日最多，比其他臺站的多18～107天(圖6a)。進(jìn)一步對比分析各季總雨日發(fā)現(xiàn)，東灘夏季雨日反而比其他臺站的少4%～11%，春季雨日僅略少于靠海的金山站的，略多于其他臺站的，秋冬季雨日則比其他臺站的多18%～40%，因此秋冬季雨日較多是東灘總雨日比其他臺站的多的主要原因(圖6b)。東灘夏季雨日少，是因?yàn)槿鄙俪鞘杏陯u效應(yīng)致使強(qiáng)降水少于上海其他臺站的，而秋冬季上海是少雨季節(jié)，東灘因?yàn)闈竦叵噍^陸地水汽較多，冷空氣南下時容易冷暖交匯出現(xiàn)降雨，雨日則會比其他地區(qū)的多。

圖6 2010-2019年崇明東灘濕地與上海其他臺站總雨日(a)和各季雨日(b)對比

2.3 濕度變化特征差異分析

從崇明東灘濕地與上海其他臺站濕度特征對比來看，近10年東灘的各年平均相對濕度要比市區(qū)徐家匯、寶山的略大，比近海金山、南匯和崇明城鎮(zhèn)的略小，無雨日各年平均相對濕度變化情況也是如此。這說明濕地的增濕作用視城市環(huán)境而定，對于城市化程度較高的中心城區(qū)和寶山來講，濕地公園的建設(shè)有增濕作用，但對離海邊較近水汽相對充足、城市化程度相對較低地區(qū)來說，無明顯增濕作用(圖7a、7b)。

圖7(c)顯示的東灘濕地濕度主要特征為有雨日逐年平均相對濕度都比其他站的小，這與前面所述的濕地降水強(qiáng)度比其他地區(qū)的小有關(guān)，有雨日降水強(qiáng)度小，濕度就小。同時濕地相對濕度日變化都比其他站的小(圖7d)，這是因?yàn)橄啾扔谄渌貐^(qū)不透水地面，濕地下墊面含水量多且植被蒸發(fā)量大，濕地相對濕度不易改變。

圖7 2010-2019年崇明東灘濕地與上海其他臺站年平均相對濕度(a)、無雨日年平均相對濕度(b)、有雨日年平均相對濕度(c)的逐年變化和相對濕度10年平均值的逐時變化(d)

3 結(jié)論與討論

(1)東灘濕地日最高氣溫比其他臺站的低，日平均氣溫低于近海和中心城區(qū)的，而日最低氣溫接近或高于近海臺站和崇明城鎮(zhèn)的，僅低于中心城區(qū)的；春夏溫度上升期，濕地月平均氣溫均低于其他臺站的，秋冬氣溫下降期，濕地月平均氣溫均接近或高于近海臺站和崇明城鎮(zhèn)的。這些對比結(jié)果都表明濕地不易升溫、也不易降溫。相比上海其他臺站，濕地氣溫日較差最小，說明濕地具有縮小晝夜溫差作用，且隨著濕地生態(tài)修復(fù)，縮小晝夜溫差的作用越來越大。

(2)東灘濕地中雨以上降水概率明顯少于其他臺站的，特別是暴雨概率比其他臺站少68%～75%，強(qiáng)降水次數(shù)比其他臺站少70%～81%，這表明濕地在降低降水強(qiáng)度及強(qiáng)降水出現(xiàn)概率方面能起較大作用。這是因?yàn)闈竦叵聣|面性質(zhì)及周圍環(huán)境與城市各站的不同，沒有熱島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)引起的增雨。由于秋冬季東灘雨日比其他臺站多18%～40%，致使東灘總雨日最多，而夏季東灘由于強(qiáng)降水少，雨日少于其他臺站的。

(3)由于東灘濕地有雨日降水強(qiáng)度小，因此逐年平均相對濕度都比其他站的??；無雨日逐年平均相對濕度濕地比中心城區(qū)、寶山的大，但比近海金山、南匯和崇明城鎮(zhèn)的略小，增濕作用視城市環(huán)境而定；相對濕度的日較差都比其他臺站的小，這是因?yàn)闈竦叵聣|面性質(zhì)與其他臺站的不同而造成的。

由于濕地?zé)崛萘看笥诟稍锏孛娴模鼰岷头艧岜容^慢，濕地氣溫變化沒有干燥地面的劇烈;濕地表面的水汽蒸發(fā)、植被的蒸騰作用又比較大，所以濕地具有降溫、增濕、縮小晝夜溫差的作用，被稱為“冷濕效應(yīng)”[12-14,33-34]。崇明東灘濕地位于東海長江口，海洋對此地也有降溫增濕影響。東灘濕地相對于上海其他臺站，降溫作用主要體現(xiàn)在日最高氣溫的升幅小及在氣溫上升的月份升溫幅度??；濕地能降低雨強(qiáng)，使有雨日相對濕度反而比上海其他臺站的小，亟須政府決策者的重視。目前上海在遠(yuǎn)郊、近海、近江建設(shè)了七大濕地公園，能起到一些調(diào)節(jié)局地小氣候的作用。如果在中心城區(qū)建設(shè)綠地的同時，適當(dāng)建設(shè)一些濕地公園，不僅可以減緩城市熱島效應(yīng)，增加城市居住適度性，更可以降低城市強(qiáng)降水出現(xiàn)頻率，減少街道小區(qū)出現(xiàn)積水次數(shù)，為城市防災(zāi)減災(zāi)做出貢獻(xiàn)。