徐州城市化對(duì)區(qū)域降水變化影響分析

俞金彪，馮 芳，黃巧華，胡開虹

（江蘇師范大學(xué) 地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著城市化快速發(fā)展，城市規(guī)模擴(kuò)大及人口不斷增加，人類社會(huì)活動(dòng)導(dǎo)致地面建筑物和地面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。城市化發(fā)展通過(guò)改變下墊面，使得原有的能量交換過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)一步影響區(qū)域氣溫、降水等氣候要素的空間分布[1]。城市氣候變化對(duì)人類生活與城市發(fā)展具有較大影響，因此，探討城市化對(duì)區(qū)域降水的影響對(duì)區(qū)域發(fā)展具有重要意義。

降水是最基本的氣象、水文要素之一。針對(duì)城市化發(fā)展對(duì)區(qū)域降水影響的分析已有較多研究成果，主要分為3個(gè)方面：（1）城市化發(fā)展進(jìn)程研究；（2）城市化對(duì)區(qū)域降水時(shí)空變化的研究；（3）城市化發(fā)展影響降水的原因和機(jī)理[2-3]?？偨Y(jié)研究成果可看出，針對(duì)不同地區(qū)的研究結(jié)果有所差異，城市發(fā)展對(duì)降水的影響存在極大的不穩(wěn)定性[4-5]，異常降水會(huì)導(dǎo)致地區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā)，因此必須加強(qiáng)城市化發(fā)展對(duì)降水影響的研究。

徐州市作為淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市，長(zhǎng)江三角洲區(qū)域中心城市和徐州都市圈的核心城市，人口密集，發(fā)展迅速，有必要對(duì)徐州城市氣候變化給人類帶來(lái)的影響展開研究[6]。以期通過(guò)分析城市化過(guò)程對(duì)徐州地區(qū)降水特征的影響，找出降水特點(diǎn)的變化規(guī)律，為有效保護(hù)、合理利用城市氣候資源以及地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供幫助。

1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部、華北平原東南部，是華東地區(qū)重要的門戶城市，地處蘇、魯、豫、皖四省接壤地區(qū)。徐州作為淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市及徐州都市圈的核心城市，交通便利，人口流量大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛。徐州市面積11 765平方千米，2016年全市常住人口871萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）5 808.52億元，從1957年到2016年，三次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例由46.6：31.2：22.2演變?yōu)?.3：43.3：47.4，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型明顯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展由第一產(chǎn)業(yè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌a(chǎn)業(yè)為主[7-8]。

徐州地處中緯度地區(qū)，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，不僅受到東南季風(fēng)的影響，同時(shí)也受西北季風(fēng)的作用。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為：氣候溫和、四季分明，一年四季中，夏、冬季時(shí)間長(zhǎng)，春、秋季時(shí)間短，且四季氣候特點(diǎn)鮮明，春季氣候多變，夏季溫度較高且多雨，秋季氣候涼爽宜人，冬季寒潮頻襲。徐州地區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害為干旱、洪澇、霜凍、冰雹等。平均日照時(shí)數(shù)約為2 100小時(shí)，平均年降水量約900毫米，全年無(wú)霜期大概有200～230天[8]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于徐州地區(qū)3個(gè)國(guó)家基本氣象站（徐州、邳州、睢寧）1967—2016年50年的長(zhǎng)時(shí)間序列逐日降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用同時(shí)期不同站橫向?qū)Ρ?，?duì)徐州地區(qū)不同站點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列的降水特征進(jìn)行對(duì)比研究；年降水量為氣象監(jiān)測(cè)站一年內(nèi)降水量監(jiān)測(cè)值的總和，降水天數(shù)為日降水量大于0.1毫米時(shí)的天數(shù)總和。

徐州、邳州與睢寧城市化數(shù)據(jù)，包括城市人口與地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)來(lái)自《徐州統(tǒng)計(jì)年鑒》《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》、江蘇省統(tǒng)計(jì)局信息公開網(wǎng)（http://tj.jiangsu.gov.cn）及相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及報(bào)表等[7-8]。

年降水量變化具有階段性特征，為清楚地表現(xiàn)出降水量年際變化的階段特征，本文中用到累計(jì)距平法，其公式為[9-10]：

當(dāng)累積距平值持續(xù)增大，說(shuō)明該段時(shí)間的降水量距平值持續(xù)為正；當(dāng)累計(jì)距平值不變，說(shuō)明該時(shí)段降水量保持平均；當(dāng)累計(jì)距平值持續(xù)減小，說(shuō)明該時(shí)段的降水量保持低于地區(qū)平均降水量。通過(guò)繪制累計(jì)距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析可直觀地判斷變量發(fā)生突變的時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 徐州市多年降水量及其變化特征

對(duì)徐州、邳州、睢寧3個(gè)站點(diǎn)近50年的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，睢寧近50年的平均年降水量為895毫米，邳州為847毫米，徐州市區(qū)最小，降水量為825毫米，總體差別不大。分析3站1967—2016年的年降水量變化（圖1），3個(gè)站點(diǎn)的年降水量的變化趨勢(shì)類同，睢寧的年降水量普遍大于邳州與徐州市區(qū)，且年降水量波動(dòng)較大。從年降水量趨勢(shì)線發(fā)現(xiàn)，睢寧年降水量有小幅度增加，徐州市區(qū)的年降水量總體沒(méi)有明顯增加，邳州的年降水量呈微弱降低趨勢(shì)，總體來(lái)看，徐州地區(qū)的年降水量在近50年內(nèi)變化幅度不大，年降水量多在600～1 200毫米范圍內(nèi)。

圖1 徐州地區(qū)年降水量變化特征及年降水量趨勢(shì)線

分析徐州3站的年降水量累計(jì)距平圖（圖2），徐州市區(qū)年降水量在1974、1981、1985、1989和2008年都出現(xiàn)了拐點(diǎn)，1989—2008年大多數(shù)年份的降水量高于近50年的平均降水量。2008年之后，徐州市區(qū)的年降水量開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；邳州的年降水量分別在1974、2002、2009年 出 現(xiàn) 明 顯 拐 點(diǎn)，1970—1974年、2002—2009年邳州的年降水量遠(yuǎn)高于近50年的平均水平，但2009年之后持續(xù)低于邳州的平均年降水量。睢寧縣的年降水量有1974、1994、2008年3個(gè)明顯拐點(diǎn)，且基本與平均年降水量的關(guān)系為“高-低-高-低”的關(guān)系。從累計(jì)距平值來(lái)說(shuō)，徐州地區(qū)3個(gè)氣象站點(diǎn)年降水量累計(jì)距平曲線表現(xiàn)出一定的一致性，階段性特征在時(shí)間上具有相似性。

圖2 徐州3站點(diǎn)年降水量累計(jì)距平圖

3.2 年降水天數(shù)變化特征

統(tǒng)計(jì)徐州、邳州、睢寧3站近50年內(nèi)每一年的降水天數(shù)，從圖3、圖4可看出，3站的年降水天數(shù)變化趨勢(shì)相似，總體來(lái)看，睢寧降水天數(shù)多于邳州與徐州市區(qū)，但每一年的波動(dòng)幅度較大，徐州市區(qū)最大的年降水天數(shù)出現(xiàn)在1985年，共99天，睢寧和邳州站都出現(xiàn)在2003年，分別為110天、112天。統(tǒng)計(jì)對(duì)比3站每10年的平均降水天數(shù)，可明顯看出3站之間降水天數(shù)之間的關(guān)系以及變化趨勢(shì)，睢寧降水天數(shù)最多，邳州次之，徐州市區(qū)最少，且徐州地區(qū)三個(gè)監(jiān)測(cè)站的降水天數(shù)都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

圖3 徐州地區(qū)年降水天數(shù)變化特征

圖4 徐州地區(qū)10年平均降水天數(shù)對(duì)比

3.3 年極端降水天數(shù)特征

為統(tǒng)計(jì)徐州的極端天氣狀況，本文將徐州降水分成弱、中等、強(qiáng)和極端降水4個(gè)等級(jí)[11]，其中極端降水雨量為大于50毫米/天。統(tǒng)計(jì)徐州、邳州與睢寧站1967—2016年每一年內(nèi)降水大于50毫米的天數(shù)代表極端降水天數(shù)，并做出折線圖進(jìn)行分析。由圖5可知，徐州地區(qū)極端降水天數(shù)有較大的波動(dòng)幅度，其中睢寧的降水較邳州與徐州市區(qū)極不穩(wěn)定，極端降水天數(shù)在2007年達(dá)到了12天，與平均天數(shù)3.4天有極大差別?？傮w來(lái)看，3個(gè)站的極端降水天數(shù)變化趨勢(shì)具有一定的相似性。分析3個(gè)站點(diǎn)每10年平均極端降水天數(shù)（圖5），邳州與睢寧10年間的極端降水天數(shù)變化趨勢(shì)基本相似，呈現(xiàn)“先變小，再變大”的特征，而徐州市區(qū)出現(xiàn)“先變大，再變小”趨勢(shì)，說(shuō)明徐州市區(qū)的降水比較穩(wěn)定。

圖5 徐州地區(qū)10年平均極端降水天數(shù)對(duì)比

3.4 徐州城市化發(fā)展對(duì)降水變化的影響分析

從人口城市化率（圖6）和地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）來(lái)分析（圖7）徐州城市化發(fā)展?fàn)顩r，徐州市的城市化發(fā)展過(guò)程中非農(nóng)業(yè)人口比例不斷增大，城市化發(fā)展速度明顯，發(fā)展效果較好；從1994年開始，徐州地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其在2003年之后，徐州經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，在此過(guò)程中，第一產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度極小，第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，且從2015年起，第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已趕超了第二產(chǎn)業(yè)，徐州城市化發(fā)展中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型較好，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局合理。

圖6 徐州2000—2016年城鎮(zhèn)化率和人口城市化率

圖7 徐州1978—2016年地區(qū)GDP變化

從上述兩方面可看出徐州市在1967—2016年50年內(nèi)的城市化發(fā)展速度極快且發(fā)展平穩(wěn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較好。而在城市化發(fā)展過(guò)程中，下墊面活動(dòng)頻繁，城市人口、建筑以及生活設(shè)施都會(huì)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致城市下墊面環(huán)境發(fā)生極大變化，這使得地區(qū)的氣候條件如氣溫、降水等也隨之發(fā)生變化。

徐州地區(qū)的氣溫在近50年內(nèi)保持穩(wěn)定，徐州城市化發(fā)展對(duì)氣溫幾乎沒(méi)有影響。在降水方面，大多數(shù)研究表明城市化發(fā)展會(huì)使城區(qū)產(chǎn)生“增雨效應(yīng)”，但根據(jù)對(duì)近50年徐州3個(gè)氣象站點(diǎn)的年降水量、年降水天數(shù)及年極端降水天數(shù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，睢寧與徐州市區(qū)年降水量有小幅度增加，但邳州年降水量在減小，徐州地區(qū)年降水量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；從降水天數(shù)來(lái)看，徐州地區(qū)年降水天數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，睢寧極端降水天數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。從總體來(lái)看，徐州城市化發(fā)展對(duì)徐州地區(qū)降水沒(méi)有顯著影響。

4 結(jié)論

（1）徐州市非農(nóng)人口增多，地區(qū)生產(chǎn)總值快速增加，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)積極轉(zhuǎn)型，城市化發(fā)展速度極快且發(fā)展平穩(wěn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較好。

（2）徐州地區(qū)的年降水量從短期來(lái)看，波動(dòng)較大，但長(zhǎng)期來(lái)看，年降水量沒(méi)有發(fā)生顯著變化，年降水量基本保持在固定范圍內(nèi)。

（3）徐州地區(qū)的年降水天數(shù)在近50年內(nèi)呈逐步減少趨勢(shì)，徐州市區(qū)的極端降水天數(shù)略低于邳州與睢寧，且徐州市區(qū)的年極端降水天數(shù)逐漸減小，徐州站年降水量的減少，主要是由于大于50毫米以上量級(jí)的降水減少所造成。

（4）徐州城市化發(fā)展較快，但降水量沒(méi)有明顯變化，城市化發(fā)展對(duì)徐州的降水沒(méi)有顯著影響，降水主要受大氣環(huán)流的影響，城市化進(jìn)程僅增加了降水序列短時(shí)段的波動(dòng)變化。