城市化对昆明地区气温序列的影响

城市化对昆明地区气温序列的影响

1uhi对气温的影响几十年来，世界变化及其可能导致的极端气候和气候变化已被学术界所接受，但在某些问题上仍存在较大争议。例如,城市热岛(UrbanHeatIsland,简称UHI)效应对气温的影响程度究竟有多大?或者说气温变暖趋势中包含了多少UHI的影响?特别是近20~30年以来我国经济的高速发展和人口的较快增长加快了城市化进程,并且很多气象站均分布于城镇周围,因此,UHI对我国气温序列的影响备受国内外研究者的关注。从这个意义上讲,对UHI问题的研究已超越了中小尺度城市气候的范畴,成为气候变化研究的热点问题之一。对此大致有两种不同的意见,一部分学者认为,UHI对大范围的气温序列不构成影响,或者影响很小。Parker基于UHI在静风条件下最强,而在大风条件下基本消失这样的前提,利用全球264个地面站近50年的气温资料分别计算和比较了大风和静风条件下全球和区域的气温变化趋势,结果表明,气温的变化趋势基本不受这种分类的影响,故认为城市发展和其他局地条件的差异对气温变暖的贡献很小。Peterson在对资料进行均一化订正后,没有发现UHI对美国气温有显著影响,同时指出这可能与局地小尺度的影响大于中尺度UHI的影响有关。例如,城市气象观测站可能位于公园(非工业区)。Jonesetal于20世纪90年代对前苏联、澳大利亚东部和中国东部地区的研究认为,过去100年城市化对气温的影响与全球增暖幅度相比起码小一个量级。时隔近20年后,Jonesetal对伦敦和维也纳的分析表明,UHI对气温上升趋势没有贡献。Lietal利用1954—2001年均一化资料对中国分区研究发现,近50年内UHI的影响很小,即总体上中国UHI效应对气温的影响最大不超过0.06℃,而西南和东北地区UHI更表现为负值,即“城市冷岛”,其中西南地区UHI对气温序列的影响为-0.006℃·(10a)-1,对此作者没有给出合理的物理解释。另一方面,也有相当多的研究表明[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23],UHI对气温序列的升高具有不可忽略的贡献。Kalnayetal利用50年观测数据和NCEP/NCAR再分析资料I,研究发现美国因城市化和土地利用所致的日平均地表增温约为0.027℃·(10a)-1,而最低气温增温则达到0.08℃·(10a)-1(占观测到升温趋势的40%)。当然,由于NCEP/NCAR再分析资料I存在对地表能量收支估计不足的问题,因此该结论也受到了一些质疑。日本近27年资料显示,大城市的热岛增温率约为0.1℃·(10a)-1,而小城镇热岛增温率为0.03~0.05℃·(10a)-1,即0.3~0.5℃·(100a)-1,这与IPCC报告中全球平均气温0.74℃·(100a)-1的增温率相比也是可观的。对于中国,Wangetal较早的研究表明,1954—1983年UHI强度的总体增幅为0.1℃,此后Portman对华北平原地区的分析表明,在同样的30年里UHI导致的温度增幅为0.15~0.26℃。Zhouetal利用1979—1998年NCEP再分析资料Ⅱ和测站观测资料,对比研究了我国南方冬季城市化对气温的影响,结果表明城市化导致的地表增温达0.05℃·(10a)-1。Heetal的研究也表明,由于土地利用的变化,1991—2000年中国春季UHI强度增加了0.11℃。Huaetal对1961—2000年我国191对城乡气象站资料的研究表明,大城市由于UHI导致的平均气温上升速率为0.05℃·(10a)-1,中小城市为0.03℃·(10a)-1,而上升速率最大的是冬季最低气温,其上升速率达到0.12℃·(10a)-1。近年来,Renetal的系列研究表明,UHI对我国气温具有明显的影响,在北方地区城市化对年平均地表气温的影响为0.07~0.16℃·(10a)-1,而对国家基本站和基准站而言,UHI增温趋势为0.11℃·(10a)-1,对地表气温变化的贡献率为37.9%,而对北京和武汉这样的大城市,其贡献率可高达40%~80%。Jonesetal的最新研究也表明,近半个世纪以来中国UHI增温率为0.08~0.11℃·(10a)-1,这一结果比文献的结果大了一个量级,该研究除了改用HadSST2格点资料作为对比分析的乡村站气温外,研究时段和区域的不同可能是结论不同的主要原因。国内较多针对个别城市和局部区域的研究也表明,UHI对气温序列具有显著的影响[19,20,21,22,23,24]。上述研究结果的不一致体现了UHI问题的复杂性。通常UHI强度是用城区与乡村的温差来表示,因此对城市站和乡村站的划分和选取将直接影响研究结论。对城市站和乡村站的划分一般是根据当地的人口统计资料,国外也有一些研究利用的是卫星观测的夜间照明亮度。对中国来说,真正的乡村站很少,一些城市站也并非真正位于城市中心,这给UHI研究带来了困难。同时,研究区域、时段和资料性质的不同也对研究结论产生重要影响,对我国西南地区UHI的研究也存在同样的问题。过去已有一些学者研究了昆明地区的UHI效应并得到了一些有益的结论。但是这些研究没有充分考虑所选台站气候背景的一致性,也没有对所用资料作仔细的均一性分析,有的研究则是选取位于中小城镇的观测站作为对比乡村站,这些都有可能影响分析的结果。基于上述考虑,本文利用近30多年的气温观测资料,在对气温序列进行均一性检验和订正前提下,研究昆明城区、郊县和太华山气温序列的变化趋势,探讨低纬高原地区城市化对气温序列的可能影响。2选择和介绍数据2.1明、清、理念、数据低纬高原地区地形复杂、气候类型多样,而昆明地区地处低纬高原腹地,因此在选取对比测站时除地理位置外,还应考虑各测站的气候状况。昆明周边与之同属北亚热带气候带的气象站共有5个,分别是:太华山、安宁、呈贡、晋宁及嵩明。其中,相对海拔约460m的太华山气象站距离昆明城区最近,周边无常驻人口且植被繁茂,是唯一一个几乎不受城市化影响的气象站。表1给出了昆明等各气象站的基本情况,其中昆明指昆明城区(下同)。表1中总人口数来源于2005年的统计资料(/index.jsp)。显然,若以人口数量对城市进行划分,昆明可代表大城市,太华山代表乡村站,而嵩明、安宁、晋宁和呈贡4站可代表中小城镇,为方便讨论,本文将该4站统称为郊县。所用资料为1971-2008年逐日平均气温、最低气温和最高气温。上述各测站资料无缺测,且在所选时段内仅晋宁和昆明分别于1999年和2006年有过迁站记录。季节采用气象季节定义,即上一年的12月-当年2月为冬季,3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季。2.2资料处理和研究方法为了保证资料的可靠性,本研究首先参照国家信息中心的气温数据质量控制方法,对各站气温资料进行初步的逻辑检验,并将所有测站气温资料以0.51℃·(100m)-1的气温垂直递减率订正到与昆明相同的海拔。由于迁站是造成气象资料不均一的主要原因之一,因此,本文以太华山、安宁、呈贡和嵩明4个未迁站的气温序列(包括平均气温、最低气温和最高气温)平均值作为参考序列,利用累积距平和差值t-检验方法对资料作均一性检验和订正。均一性检验结果显示,昆明和晋宁两站资料在各自迁站年都出现了不连续现象。因此本文对该两站的资料作了订正。对1999年之后晋宁气温的订正办法是,用1971—1998年晋宁气温序列平均值加上被订正年参考序列相对于1971—1998年平均的距平值。对2006—2008年昆明气温的订正也采用同样的办法,但考虑到1994年后昆明气温基本高于平均水平,因此计算平均值的时段取为1994—2005年。本文采用的研究指标主要有:(1)气温变化率(单位:℃·(10a)-1);(2)UHI强度(单位:℃),即城区气温与郊区气温之差;(3)热岛增温率(单位:℃·(10a)-1),即城市气温变化率减去郊区气温变化率;(4)热岛增温贡献率(单位:%),即热岛增温率在城市气温变化率中所占的比重。其中,气温变化率为气温序列与时间的线性回归系数,用最小二乘法求得。对于变化趋势的显著性检验,采用时间与变量间的相关系数,即在给定的α显著性水平下,若相关系数|r|>|rα|,则变化趋势显著。3明确规定还可作为城市化结果,城市最低气温日较差表2给出了各测站1971-2008年地面多年平均气温、最低气温、最高气温和气温日较差的变化率。从日平均气温的年平均变化率来看,各测站的气温变化率都>0,即总体上气温是升高的,但上升幅度存在较大差异,即昆明最大、郊县次之、太华山最小。以年平均气温的10年平均变化率为例,3个测站的气温变化率分别是0.64,0.34和0.17℃·(10a)-1,比王学锋等得到的结果分别大了0.20,0.13和0.05℃·(10a)-1,这可能与其研究资料包含1971年以前的气温变化有关。从季节变化来看,各测站的日平均气温变化率均是冬季最大,夏季昆明和郊县的变化率最小,但太华山略有不同,即夏季亦有0.13℃·(10a)-1的升温趋势,而春季则没有显著变化。从上述气温变化中城市化的可能影响来看,若以郊县为乡村站,可得到昆明日平均气温的UHI增温率为0.30℃·(10a)-1,UHI增温贡献率为47%,这与以往的研究结果接近。若以太华山为乡村站,UHI增温率为0.47℃·(10a)-1,UHI增温贡献率达到73%,同时郊县的UHI增温率为0.17℃·(10a)-1,贡献率为50%。分季节来看,冬、春季UHI增温率最强,并以春季的UHI贡献率为最大。由于春季太华山气温没有显著变化(显著水平>0.5),因此昆明和郊县的增温可能主要是城市化的结果。已有的大量研究表明,在全球气温序列变化趋势中以最低气温的升高最为显著,特别是冬季中高纬地区。由表2可见,昆明和郊县的气温变化也遵循这一规律,其中昆明年平均最低气温和冬季最低气温变化率分别为0.96和1.32℃·(10a)-1,郊县分别为0.49和0.72℃·(10a)-1。因此,与以往选用中小城镇站为乡村站的结果接近,昆明相对于郊县的年平均最低气温UHI增温率为0.47℃·(10a)-1,冬、春季分别为0.60和0.65℃·(10a)-1,夏、秋季的较小,分别为0.26和0.38·(10a)-1,各时段的增温贡献率介于45%~54%之间。值得注意的是,太华山站的最低气温无论是各季平均还是年平均都没有显著的变化趋势,即未通过α=0.05显著性水平检验(除了夏季的变化率通过了0.2显著性水平检验外,其余时段的显著水平都>0.2)。也就是说,若以太华山为对比分析的乡村站,可以看出昆明和郊县最低气温的升高可能主要源于城市化的影响。就昆明和郊县而言,最高气温的变化率明显偏小,其变化率分别介于0.28~0.49℃·(10a)-1和0.09~0.33℃·(10a)-1之间,表现为冬季强、春季弱。但对太华山来说,最高气温的变化却比较明显,特别是冬、秋季最高气温变化率达到0.41和0.25℃·(10a)-1,而春、夏季没有显著变化趋势,年平均最高气温的变化率为0.22℃·(10a)-1,超过了其日平均气温的升温幅度,即太华山气温的变化主要表现为秋、冬季最高气温的升高。因此,对比太华山,昆明和郊县最高气温的UHI增温率较小,分别介于0.08~0.35℃·(10a)-1和-0.08~0.11℃·(10a)-1之间。气温日较差与极端气温的变化密切相关,大量研究表明,很多区域的气温日较差正以显著的速率减小。由表2可见,昆明和郊县的气温日较差变化总体上也呈减小趋势。由前面的分析可知,最低、最高气温的不对称变化是导致气温日较差减小的直接原因。此外,还可看出气温日较差在不同的季节有不同的变化速率,即从大到小依次为春季>冬季>秋季,夏季的变化不显著,但无论在什么季节昆明气温日较差的变化速率都大于郊县。然而,太华山的气温日较差却有着迥异的变化特征,除春、夏季不显著外,其余时段都呈增大的趋势,并且这种趋势在冬季达到最强,为0.27℃·(10a)-1。不难看出,太华山气温日较差的增大也与其最高、最低气温特殊的不对称变化有关。从物理成因来看,气温日较差的减小除受云量、水汽等气象要素影响外,与城市化、土地利用以及局地空气污染的关系也十分密切。Kaylnayetal认为,气温日较差的减小有一半可归因于城市化和土地利用,甚至可利用气温日较差来表征城市热岛效应强度和划分城市站、乡村站。从昆明地区的计算结果来看,气温日较差与云量、水汽的关系并不显著(图略),一方面这可能与云量、水汽等资料的质量有关,另一方面也支持了气温日较差变化与城市化密切相关的结论。4热岛效应的变化前面分析了昆明地区气温序列的线性趋势和城市化的可能影响,为更详细地了解UHI的长期变化规律,图1分别给出了用昆明地区逐年平均气温、最低及最高气温表征的年平均UHI变化曲线。从平均气温UHI强度的变化可看到(图1a),UHI强度有明显的长期变化趋势。其中,昆明对比太华山的UHI强度变化大致经历了两个阶段:第一阶段为20世纪70年代初至80年代中后期,这一阶段UHI强度在0℃上下小幅波动,表明没有明显的热岛现象存在,这可能和该阶段昆明城市化水平不高以及气象站尚处于城郊有关;从80年代中后期开始则进入了第二阶段,这一阶段UHI强度呈明显的上升趋势,特别是1994年以后上升趋势最为显著,2008年达到最大值,为1.39℃。该阶段UHI的增强与城市化快速发展密切相关。由此可见,城市化对昆明气温序列的影响主要来自第二阶段。相比较而言,1994年之前昆明对比效县与昆明对比太华山的UHI强度很接近,而此后的UHI强度则明显偏小,变化趋势也不尽相同。从图1a中可看到,从20世纪80年代后期到20世纪末,昆明对比郊县的UHI强度迅速上升,至1999年达到最大值,为1.01℃。这与赵庆由等的研究结果非常接近,并且他们也得出了昆明热岛强度逐年增强的结论。实际上,可以看到2000年后以郊县为乡村站的UHI强度变化很小,甚至略有减小趋势,其值大致处于0.69~0.85℃之间。显然,昆明对比郊县的UHI曲线变化与郊县本身存在的UHI效应有关。可见,自20世纪80年代中后期特别是1994年以后,郊县对比太华山的UHI强度就表现为上升趋势,而且这种上升趋势一直持续到2008年,并使UHI强度达到了最大值,为0.70℃。正是郊县UHI的持续增强使得近十多年来昆明对比郊县的UHI强度大幅减小。也就是说,以往以郊县为对比乡村站的研究可能在很大程度上低估了城市化对昆明气温序列的影响。关于1994年昆明的突变性增温,有研究表明,该现象通过了显著性水平检验。昆明对比郊县的最低气温UHI强度的变化趋势(图1b)与平均气温UHI强度的变化相似,也大致经历了三个阶段,即20世纪70—80年代平稳少变、90年代迅速上升以及21世纪以来的平稳少变。但后两个阶段UHI强度总体上要比平均气温的UHI强度强,并且三个阶段的变化也能由郊县不断增强的城市热岛效应(郊县对比太华山)得到解释。有意思的是,郊县对比太华山的UHI强度几乎都为负值,即表现出“城市冷岛”特征,虽然这种冷岛效应随着城市化的发展有明显的减弱趋势,同时昆明对比太华山的UHI强度在1994年以前也长期处于负值,且最低值<-2℃,而1994年以后城市化的影响逐渐抵消了“冷岛”作用显现出了“热岛”特征。众所周知,昆明地区的冷事件,特别是冬半年的冷事件通常与寒潮活动有关,北来的强冷空气经长途跋涉到达云南后,由于云贵高原的阻挡往往会形成著名的昆明准静止锋(或滇黔准静止锋),据统计,昆明冬季有一半以上的时间会受到准静止锋的影响。但该准静止锋坡度很小,只能在地面上形成浅薄的冷空气层,因此海拔较高的地区不易受到影响,从而便有可能使太华山气温接近或高于周边坝区气温。图2给出了冷空气活动频繁的冬季昆明和太华山未经高度订正的最低气温变化。从图2中可看出,20世纪70—80年代太华山的最低气温明显接近或高于昆明,直至从90年代开始,昆明的最低气温才因UHI效应增强逐渐接近并超过了太华山。由于研究UHI强度时气温资料都经过了海拔订正,因此图1b中出现“冷岛”现象就不足为奇,这是低纬高原地区复杂地形和局地环流共同影响下形成的一个独特特征。但90年代以后,这种“城市冷岛”现象的出现并非意味着城镇的真实气温比相同海拔高度上的乡村气温更低。从图1c中可看到,最高气温的UHI强度有不同的变化规律,3条曲线的波动范围明显偏小,主要介于-0.5~1.0℃之间。由昆明对比太华山的UHI强度变化可见,在20世纪90年代中期之前UHI强度很弱,基本是在零值上下振荡,之后UHI值才有所上升。而郊县对比太华山的UHI强度一直>0,并且没有明显的长期变化趋势。这说明城市化对昆明最高气温有一定的影响,而对周边中小城镇最高气温变化趋势的影响不明显。然而从昆明对比郊县的UHI强度变化可看出,虽然UHI强度也呈上升趋势,但1999年以前基本为负值,即若以郊县为乡村站,昆明的最高气温也表现为“城市冷岛”,这与其他一些城市的研究结果相一致。5文献回顾和数据分析乡村站的选取一直是研究城市化对气温序列影响的一个关键问题,过去对昆明地区热岛效应的研究也受同样问题的困扰。本文