安徽铜陵19802012年环境气候指数特征分析

安徽铜陵19802012年环境气候指数特征分析

近几十年来，随着世界气候的变化速度和城市化进程的加快，城市生态环境问题日益突出。城市生态系统是受人类活动干扰最强烈的地区,在组成城市生态环境的自然成分中,气候条件是重要因子之一。已有研究表明,近代气候变暖对诸多地方植物的物候、生长期等都产生了显著影响。为了定量评价气候变化对环境的影响,人们设计了一些与气候条件相关的指数来衡量自然环境的适宜程度。如植物生长季指数,用来反映中高纬度生物生长期的长度。人体舒适度指数则是一个从气象角度来评价不同气候条件下人的舒适感,根据人类机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标。度日(Degree-Day)指数用来反映农作物生长所需热量水平的物理量单位,该指数近年来逐渐发展为一个能够反映城市冬季供暖和夏季制冷所需能源的时间温度指数,并被广泛用在气候变化和能源需求等研究应用领域。在人类活动导致全球变暖大背景下,由于经济扩张和城市化加快,中国大部分地区的霾有显著的增加。霾的出现对人们的生产生活影响很大,已成为城市发展过程中影响城市环境的重要因素和制约城市可持续发展的一个严重问题。近年来,霾日数亦成为用来表征城市空气质量的重要环境气象指数。研究这些环境气象指数的意义在于能够使我们较深入了解气候变化带来的影响,并提示人们根据气象要素的变化及时调节生理、适应环境以及采取一些防范措施。以往国内关于气候变暖与环境气候指数的研究多针对区域平均和大城市展开[8~10],对我国中小城市的相关研究还很少见。铜陵市位于安徽省南部、长江下游南岸,是一座新兴的工贸港口城市,属亚热带湿润季风气候。在过去几十年中地面气温明显上升,气候趋向暖干化,是气候变化敏感区域。本文将利用铜陵市气象站1980~2012年逐日观测资料,分析近33a来铜陵市环境气候指数(植物生长季指数、人体舒适度指数、度日指数及霾日数)的基本特征及其与气候变暖的联系。1数据和方法1.1东南角日气象观测值本文资料来自安徽省气候中心提供的铜陵市气象站1980~2012年逐日气象观测值。包括日最高、最低及日平均气温,日均相对湿度、风速、能见度,以及天气现象等记录。所有数据均经过安徽省气候中心的统一审核,并进行了必要的检查和订正。1.2气流对人体舒适性的影响理论上看,几乎所有的气象因子都可能对城市生态环境产生影响,全面探讨它们之间关系复杂且艰巨。本文选取了其中几种主要的表征指数,包括植物生长季指数、人体舒适度指数、度日指数以及霾日数来分析其对区域气候变化的响应。这些指数涵盖了植物生长、人体感知、能源消耗、空气质量等主要方面。生物生长季指数定义为每年日平均气温连续5d高于5℃的总天数,反映的是中高纬度生物生长期的长度。是欧盟STARDEX计划推荐用于描述与气候变化影响有关的核心指标之一。已有研究表明,区域植被覆盖、生长季的时空变化对气候变化具有高敏感性。人体舒适度指数用于评价不同气候条件下人的综合感受,尽管人们通常用气温高低来表征环境冷热,但是人体对外界冷热的舒适感,并不能仅仅根据气温或者其他任何单一的气象要素来评价。除气温外,大气湿度变化对人体舒适感亦有较明显的影响。此外,气流对人体体温调节也起着重要作用,它决定人体的对流散热,并影响空气的蒸发力,从而间接影响出汗的散热效率。本文应用文献中给出的方法来计算逐日人体舒适度指数:式中:K为人体舒适度指数;T为日平均气温;RH为平均相对湿度;V为平均风速。并定义当K<39时为冷不舒适日,39≤K≤80时为舒适日,K>80时为热不舒适日。度日指数(Degree-Day)近年来逐渐发展为一个反映城市冬季供暖和夏季制冷所需能源的时间温度指数,并被广泛用在气候变化和能源需求等研究应用领域。为了研究方便,度日又分为两种类型,即采暖度日(HeatingDegree-days,简称热度日HDD)和制冷度日(CoolingDegree-days,简称冷度日CDD)。HDD定义为日平均气温低于某一阈值的温度与这一阈值温度之差的累计值,年HDD为每年冷季(9月至次年4月)HDD之和,用于定量估计冷季取暖的能源消耗量。CDD则定义为日平均气温高于阈值的温度与阈值温度之差的累计值。年CDD为5~9月CDD之和,用于定量估计暖季空调制冷的能源消耗量。因此从本质上讲,HDD和CDD是一种反映能源需求状态的热量单位。实际应用中计算HDD和CDD的阈值温度由各个国家(或地区)根据能源供应、人体生理需求、经济水平和温度变化特点选取适合本地的参考温度。本文参考谢庄等的研究成果,取18℃作为本地区的阈值温度。霾是一种常见的天气现象,是指大量极细微的干性粒子均匀地悬浮在空中,使水平能见度小于10.0km的空气普遍混浊现象。霾的出现具有重要的空气质量指示意义,它不仅导致大气能见度降低,对交通、旅游等行业均能产生不利影响。如今霾已成为城市发展过程中影响城市环境的重要因素和制约城市可持续发展的一个严重问题。目前国际上有两种常用的处理大量历史资料的统计方法:一种是用日均值,定义日均能见度小于10km,日均相对湿度小于90%,并排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致低能见度事件的情况为一个霾日;另一种是使用14时实测值,用于分析能见度小于10km,相对湿度小于90%,并能排除其他导致低能见度事件时为一个霾日。ZHAO等系统的比较了这两种方法,认为在较小区域尺度上,二者差异并不明显。本文采用日平均实测值对霾日进行判别,即当观测能见度小于10km,相对湿度小于90%,并结合逐日天气现象记录,当能排除其他导致低能见度事件的情况时,判识为一个霾日。此外,文中采用线性趋势拟合方法来分析序列随时间的变化趋势,应用M-K统计方法来检验气候变暖的突变特征。2气候变色的非对称特征及其与气候条件关系图1a给出的是铜陵市1980~2012年平均气温的变化趋势。可见近33a来铜陵年平均气温呈明显的上升趋势,线性增温速率为0.45℃/10a,明显高于同期全球表面平均气温的线性增温速率,亦高于中国区域的增温趋势,即便和我国主要大城市相比,其增温幅度也不弱。以往学者针对我国大城市气温变化的研究多表明,其年平均最低气温的增幅要远高于年平均气温和年平均最高气温的增幅,气温变化具有显著的非对称性特征,气候变暖主要表现为最低气温的升高。从图1可见,1980~2012年期间铜陵市年平均最高气温的线性增温率为0.54℃/10a,年平均最低气温的线性增温率为0.50℃/10a,二者很接近,似乎并不存在最高、最低气温变化的非对称性特征,与一些大城市的气温变化趋势相比有差异,这可能与城市规模不同有关,铜陵城市相对比较小、热岛效应也比较弱。而城市热岛效应与最低气温的增加有直接关系。图1a显示,铜陵市年平均气温自1980年以来基本处于波动上升阶段,气候变暖趋势明显。为了探讨这种气候变暖是否是一种突变现象,对其进行了M-K检验(图1b)。结果显示,自1980年代以来,铜陵市年平均气温呈现显著的增暖的趋势,并在1992年检测出突变点(0.05信度水平),表明1992年以来的铜陵市气候变暖是一种突变现象,与我国其他城市具有类似的特点。3人体舒适用事件的时空变化图2给出的是1981~2012年铜陵市几种主要生态环境气候指数的长期演变特征。可见近33a铜陵市的生物生长季指数呈上升趋势(图2a),平均每10a增加5.5d,表明随着气候变暖生物生长期长度在增加,特别是在1990年代中期以来,增加趋势明显。从度日指数的变化来看(图2b),近33a铜陵市冷度日指数CDD呈增加趋势,平均每10a增加48.6℃·d,热度日指数HDD则呈下降趋势,平均每10a下降82.8℃·d。HDD的下降速率明显高于CDD的上升速率,这种趋势表明未来铜陵市用于夏季制冷的能耗仍将进一步增加,但用于冬季取暖的能耗有望较大幅度减少,这将有利于减少冬季燃煤取暖排放的污染,改善空气质量,提升人居环境水平。铜陵市近33a人体舒适日数呈现弱的上升趋势(图2c),约平均每10a增加0.6d,总体来看变化不显著。但其热不舒适日数的增加趋势明显,达到平均每10a增加5.7d,而冷不舒适日数的下降趋势亦达到平均10a减少约6.3d。郑祚芳等分析发现,近50a来北京市人体舒适日数增加明显,增幅约为3.6d/10a。热不舒适日数增加幅度为平均1.1d/10a,冷不舒适日数减少约4.8d/10a。且在1990年代以后,冷、热不舒适日数的年际振幅明显增大。相比较而言,铜陵市舒适度指数的变化幅度有自己的特点,这可能与不同城市的规模、格局分布及所处地域差异有关。统计发现,铜陵市霾日数的年际差异明显,霾日数最多的年份出现在1984年(为92d),约为霾日数最少年份(2003年,仅31d)的3倍。总体上看,近33a来霾日数呈现较明显的下降趋势,平均每10a减少10.7d。1980年代到1990年代初期为霾多发年代,年平均霾日数达69.5d。1990年代中期至今,铜陵市年霾日数约为45d,明显低于前期。4气候变色、与cdd、hd的关系当今全球及区域气候变暖已经成为一种共识,多数研究认为这种趋势还将延续下去。区域气候变暖无疑会对相关环境气候指数产生影响,然而它们之间定量的相关分析还很少见。为了探讨铜陵市主要环境气候指数与气候变暖的联系,对1980~2012年相关指数与年平均气温进行了相关分析(图3)。由图3a可见,铜陵市年平均气温与生长季指数之间存在显著的正相关,相关系数为0.60,达到0.001的信度标准,表明当地气候变暖有利于生物生长期的延长。年平均气温与CDD(HDD)之间存在显著的正(负)相关,其相关系数分别为0.73和-0.85,亦超过0.001的信度标准(图3b)。结合图2b所示HDD的下降速率明显高于CDD的上升速率这一事实,可以推断气候变暖有利于铜陵市减少冬季取暖的能耗,但会使得夏季制冷能耗增加。并且将来用于冬季取暖能耗的降幅比夏季制冷能耗的增幅更高一些,这将有助于减少整体能耗排放,对环境质量是有利的。统计表明,铜陵市年平均气温与舒适日数之间的相关系数为0.075,相关程度并不明显。但其与热(冷)不舒适日数之间的正(负)相关系数分别达到0.69和-0.70,均超过0.001的信度标准(图3c)。说明气候变暖在导致热不舒适日数增加的同时,也会使得冷不舒适日数的减少,提示我们未来要更多的去应对热不舒适环境。霾日数是空气质量好坏的一个标志。从图3d可见,铜陵市年平均气温与霾日数之间存在显著的负相关,相关系数为-0.62,年平均气温越高,年霾日数越少。这可能表明像铜陵这样的中小城市和大城市相比,城市热岛效应相对要弱很多,因而不大容易形成所谓的“城市逆温层”。区域气候变暖对霾的影响可能主要通过能耗排放的减少来显现。因而,从长远来看,区域气候变暖对铜陵市空气质量是有利的。5热舒适天数和hdd指数的变化应用铜陵市气象站1980~2012年逐日地面观测资料,分析了近33a主要环境气候指数的基本特征及其与区域气候变暖的联系。结果表明:(1)铜陵市近33a来人体舒适日数呈现弱上升趋势,生物生长季指数增加明显,表明铜陵市的气候总体上在朝着更加适于人们居住的方向发展。近33a来热不舒适日数的增加趋势明显,达到平均每10a增加约5.7d,相应的冷不舒适日数的下降趋势亦达到平均10a减少6.3d。(2)铜