金 凱， 王 飛，， 夏 磊， 穆興民，

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學， 北京 100049)

城市化對大都市郊區(qū)氣象站氣溫記錄的影響

金 凱1， 王 飛1，2，3， 夏 磊2，3， 穆興民1，2，3

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學， 北京 100049)

[目的] 探討城市化對城市附近地區(qū)氣溫變化的影響，了解區(qū)域尺度的氣候及環(huán)境變化。[方法] 基于北京市及天津市附近氣象站1973—2008年地面氣溫觀測資料，綜合城市規(guī)模、氣象站與城市相對位置關(guān)系及風向因素，對氣溫的年變化和季節(jié)變化以及城市熱島(UHI)效應對城市附近氣象站地面氣溫觀測的影響程度(城市影響指數(shù))進行分析，并估算氣象站地面氣溫序列中的城市化影響偏差。[結(jié)果] (1) 由于城市化的影響，1973—2008年北京站遠比天津站升溫迅速，二者年平均氣溫的升溫速率分別為0.65和0.17 ℃/10 a； (2) UHI對同一氣象站的影響在不同季節(jié)差異很大，但總體上北京站所受影響遠比天津站嚴重； (3) 北京站及天津站地面氣溫序列中的城市化影響偏差巨大，且城市化對北京站及天津站年最低氣溫的增溫貢獻率最大，分別達56%和100%。[結(jié)論] 在進行區(qū)域氣候及環(huán)境變化研究時，應當對城市附近地區(qū)的城市化影響予以關(guān)注。

北京； 天津； 氣溫變化； 城市化； 城市熱島

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告指出，在過去130 a間(1880—2012年)全球平均陸地和海洋表面溫度升高了0.85 ℃，而在北半球，1983—2012年可能是過去1 400 a中最暖的30 a[1]。任國玉等[2]對1951—2004年中國600余個觀測站資料分析表明，54 a來全國年平均氣溫顯著上升，變化傾向率達0.25 ℃/10 a。由此可見，近幾十年來中國乃至全球范圍的地表平均氣溫均顯著升高。國內(nèi)外學者認為，增強的溫室效應及土地利用變化(如城市化)是人類活動引起氣候變暖的主要途徑。

城市熱島(UHI)效應作為城市化對氣溫影響的最主要表現(xiàn)形式[3]，嚴重影響著城市附近氣象站的氣溫觀測，因此國內(nèi)外許多專家學者早已開始了對地面氣溫序列中的城市化影響檢測[4-5]。張愛英等[4]采用中國614個國家級氣象站和138個參考站1961—2004年的月平均氣溫資料進行對比分析，結(jié)果表明，44 a來中國大陸國家級站城市化增溫率為0.076 ℃/10 a，占全部增溫率的27.33%。而Li等[5]基于中國第5次人口普查數(shù)據(jù)和均一化平均地表氣溫資料對中國近50 a來的UHI增溫貢獻進行了研究，發(fā)現(xiàn)1954—2001年UHI對全部增溫的貢獻不足0.06 ℃。對中國東部地區(qū)的城市化增溫研究發(fā)現(xiàn)，1979—2008年由于城市化造成的氣溫增暖為0.66 ℃/10 a[6]。多數(shù)研究采用城鄉(xiāng)溫度對比的方法，需要對站點進行嚴苛的篩選，而臺站的遴選標注不同使得研究的結(jié)果存在較大差異。此外，諸如氣象臺站遷移、臺站分布不均勻、研究區(qū)域和尺度不同等問題也使我們對氣候變化的認識存在很大不確定性。

此外，大多數(shù)研究對UHI影響氣象站氣溫序列的相關(guān)因素考慮不足。經(jīng)過城市的風可將大量的熱排放攜帶至城市下風向區(qū)域，從而影響位于下風向區(qū)域的氣象站對氣溫的觀測[7]。Knight等[8]發(fā)現(xiàn)觀測到的氣溫數(shù)值與觀測點到Manchester城市中心的距離呈反比。熱島強度的增加與城市建成區(qū)面積的擴張也有密切的聯(lián)系[9]。綜上所述，城市化對城市附近氣象站氣溫觀測的影響不僅與城市規(guī)模有關(guān)，還與氣象站與城市的相對位置關(guān)系及風向因素有關(guān)。

因此，本研究遴選處于同一地理位置且氣候環(huán)境相近的城市及其附近氣象站，綜合上述3種因素來量化和描述UHI效應對城市附近氣象站氣溫觀測的影響，即城市化影響指數(shù)(Uii)。由于所選氣象站的背景氣候相近，兩站所觀測的氣溫變化差異可歸結(jié)為受城市化影響的差異。通過在地面氣溫序列差異與城市化影響指數(shù)差異之間建立函數(shù)關(guān)系，可定量估算地面氣溫序列中的城市化影響偏差，其結(jié)果對于幫助我們合理剔除城市附近臺站地面氣溫序列中的城市化影響具有實際意義，更有助于我們了解區(qū)域尺度的氣候及環(huán)境變化。

1 研究區(qū)概況

北京市位于北緯39°56′，東經(jīng)116°20′，天津市位于北京市東南約100 km處。兩市中心城區(qū)均處于華北平原，毗鄰渤海灣，地理環(huán)境及氣候條件相似，為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。1973—2008年北京市和天津市的平均氣溫分別為12.6和12.8 ℃。

近半個世紀以來，北京及天津市的城市建設(shè)取得了長足發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大。2012年北京市轄14個區(qū)、2個縣，全市建成區(qū)面積為1 261 km2，非農(nóng)業(yè)人口數(shù)達1 039萬人；天津市轄13個區(qū)、3個縣，其中，市轄區(qū)建成區(qū)總面積為722.1 km2。北京和天津市是目前中國北方地區(qū)經(jīng)濟最為發(fā)達的2個城市。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù) 據(jù)

選用北京站(54 511站)和天津站(54 527站)2個國家基本站，所用氣象資料包括《全國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》、《全國氣象站點月值數(shù)據(jù)集》和《中國地面氣候標準值年值數(shù)據(jù)集》，均下載自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。其中，所用數(shù)據(jù)包括16方位風向數(shù)據(jù)、平均日氣溫(Tmean)、平均日最低氣溫(Tmin)、平均日最高氣溫(Tmax)。所有資料均經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制，且無缺測情況。

此外，本文所用建成區(qū)面積來自北京統(tǒng)計信息網(wǎng)(http:∥www.bjstats.gov.cn/)提供的《北京統(tǒng)計年鑒》和天津統(tǒng)計信息網(wǎng)(http:∥www.stats-tj.gov.cn/Index.htm)提供的《天津統(tǒng)計年鑒》。其中，北京市建成區(qū)面積僅為首都功能核心區(qū)(東城區(qū)、西城區(qū))、城市功能拓展區(qū)(朝陽區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)、海淀區(qū))的建成區(qū)面積總和，不包括距離市中心較遠、城市化水平較低的城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)；天津市建成區(qū)面積同樣僅為中心城區(qū)(和平區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、河東區(qū)、河北區(qū)、紅橋區(qū))的建成區(qū)面積總和。

2.2 方 法

2.2.1 風頻及溫度變化 采用日最大風速的風向作為當日的主風向，分別計算1973—2009年春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月至次年2月)4個季節(jié)的16方位風向頻率，并在Excel中繪制風向玫瑰圖，比較各季節(jié)主風向的差異。利用1973—2008年氣象數(shù)據(jù)，分別計算和分析2個氣象站各季節(jié)及全年的氣溫變化趨勢及全部增溫。

2.2.2 城市對氣象站氣溫觀測的影響 城市擴展常以原有城區(qū)為基礎(chǔ)呈環(huán)狀或團塊狀蔓延[10]，因此本研究以城市幾何中心為圓心，將城市形狀概化為與建成區(qū)面積相等的圓。其中，北京和天津市的城市幾何中心分別選為天安門(39.92°N，116.40°E)和天津火車站(39.13°N，117.20°E)。北京站和天津站分別位于北京市東南附近區(qū)域和天津市西南附近區(qū)域。北京站與天津站分別距城市中心19.3和16.3 km；2008年北京市與天津市的城市半徑分別為16.8和9.4 km，北京站與天津站到城市邊界的最短距離分別為2.5和6.9 km。

Uii計算公式：

Uii=∑Ki×Fi

本研究將城市對氣象站氣溫觀測的影響定義為城市影響指數(shù)(urban impact indicator，簡稱為Uii)，其計算公式及示意圖見圖1。由于氣象站與城市中心的距離保持不變，根據(jù)Uii計算公式可知，隨著城市的擴張(半徑增大)，L1逐漸增大，L2逐漸縮小，導致Ki逐漸變大。而Uii的數(shù)值不僅與Ki有關(guān)，還與“i”風向的頻率密切相關(guān)。利用1973—2008年北京站及天津站各年和各季節(jié)風頻以及對應年份的建成區(qū)面積可計算相應的Uii值。

注：風向采用16方位法統(tǒng)計，由i表示(i=1，2，…，16)； 城市輪廓：以城市中心為圓心，將城市形狀概化為與建成區(qū)面積相等的圓；Ki：風頻系數(shù)；Fi：風頻(%)；L1：城市區(qū)域沿某一風向?qū)庀笳镜挠绊戦L度(km)；L2：氣象站沿某一風向到城市邊緣的距離(km)；Lmax：最大影響長度(為一定值，km)，利用Lmax可以對Ki進行歸一化處理。

圖1 北京市及天津市2000年城市區(qū)域、城市中心及附近氣象站風向玫瑰圖

2.2.3 城市化貢獻 借鑒張愛英等[4]的研究，本文將城市化引起的增溫幅度定義為城市化增溫(℃)；將36 a來氣象站地面實測氣溫的升溫幅度定義為全部增溫(℃)；將城市化增溫與全部增溫的比值定義為城市化增溫貢獻率，簡稱貢獻率(%)。

本研究將按以下步驟對城市化貢獻進行計算：(1) 計算36 a的北京—天津氣象站年氣溫差值及年Uii差值，并運用對數(shù)方程建立二者之間的函數(shù)關(guān)系；(2) 將2008和1973年的Uii值分別帶入方程并求差值，求得城市化增溫；(3) 城市化增溫與全部增溫的比值即為城市化增溫貢獻率。若城市化增溫大于全部增溫，則城市化增溫貢獻率視為100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫變化與風向頻率

3.1.1 氣溫變化 表1顯示，北京站1973—2008年增溫迅速，且冬季升溫最快；年Tmean，Tmin和Tmax的增溫率分別為0.65，0.80和0.45 ℃/10 a，均達到極顯著性水平(p<0.01)。北京站年和各季節(jié)的Tmin升溫最快，Tmax升溫最慢。天津站增溫較為緩慢且顯著性不高，其春季升溫最快，年Tmean，Tmin和Tmax的增溫率分別為0.17，0.09和0.23 ℃/10 a。與北京站相反，天津站的年Tmin升溫最慢，年Tmax升溫最塊?？傮w上，北京站和天津站各季節(jié)的氣溫變化差異很大，Tmean，Tmin和Tmax的變化幅度也明顯不同。

3.1.2 風向頻率 北京及天津氣象站觀測的4個季節(jié)的盛行風差別較大(圖2)：北京站春季和夏季主要盛行南偏西風，秋季盛行風由南偏西風和北風主導，冬季盛行風則由北風及北偏西風主導；天津站春、秋、冬3個季節(jié)的盛行風均為北偏西風，但春、秋兩季的南偏西風也較為盛行，夏季東南風較為盛行。北京站位于北京市東南附近區(qū)域(圖1 a)，因此1，15，16這3個風向最有可能將城區(qū)熱排放輸送至氣象站所在區(qū)域，影響其氣溫觀測；天津站位于天津市西南附近區(qū)域(圖1b)，因此3，4，5這3個風向最有可能將城區(qū)熱排放輸送至氣象站所在區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計，北京站1，15，16這3個風向在冬季(40%)的總風頻遠大于夏季(15%)，天津站3，4，5這3個風向在夏季(20%)的總風頻大于冬季(14%)，這可能是導致北京站冬季升溫遠高于夏季、天津站夏季升溫略高于冬季的原因之一。此外，各季節(jié)盛行風及其風頻的差異也會使城市附近不同區(qū)域的環(huán)境氣溫出現(xiàn)差異。

注：Tmean，Tmin，Tmax分別代表平均日氣溫、平均日最低氣溫、平均日最高氣溫； #，*，**代表分別在0.1，0.05和0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 城市對氣象站的影響

36 a來，北京站年Uii和季節(jié)Uii均呈上升趨勢，1973年Uii年值僅為4%，至2008年達到21%，為1973年的5倍多，增幅達17%(圖3 a)。同一年中季節(jié)Uii相差很大，其中，冬季Uii普遍較大，夏季Uii普遍較小，春、秋季Uii介于其間。以冬季Uii為例，1973年約為7%，至2008年達31%，增幅為24%，而2008年春、秋季Uii接近23%，夏季Uii僅為8%，約為冬季Uii的1/4。天津站Uii呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(圖3 b)，36 a來，年Uii僅增加約2%，春、秋季Uii增加1%，夏、冬季Uii增加2%。與北京站相反，同一年中其夏季Uii普遍較大，而冬季Uii普遍較小。

總之，在北京市及天津市城市化過程中，UHI對北京站及天津站氣溫觀測的影響程度在逐年增強(圖4)，且分別在冬季和夏季最為嚴重。然而，天津站夏季Uii最大也不過10%，不足北京站冬季Uii最大值的1/3，說明天津站周圍區(qū)域的環(huán)境溫度所受UHI的影響較之北京站弱。

圖3 1973-2008年北京站與天津站四季城市影響指數(shù)(Uii)季節(jié)變化趨勢

圖4 1973-2008年北京站與天津站 年城市影響指數(shù)(Uii)年變化趨勢

3.3 城市化對全部增溫的貢獻

表2顯示，北京站與天津站年Tmin，Tmean和Tmax差值與年Uii差值的對數(shù)擬合方程均達到極顯著水平(p<0.01)，且Tmin差值與年Uii差值的擬合方程擬合度最高(R2=0.311)，其次為Tmean差值與年Uii差值，Tmax差值與年Uii差值的相關(guān)系數(shù)最小，說明城市化對最低氣溫的影響最為顯著。

近36 a來，北京站Tmean，Tmin和Tmax的城市化增溫分別為0.95，1.58和0.37 ℃，城市化增溫貢獻率分別為42%，56%和23%(表2)；天津站年Tmean，Tmin和Tmax的城市化增溫分別為0.30，0.49和0.11 ℃，城市化增溫貢獻率分別為51%，100%和14%?？梢?，北京站及天津站地面氣溫序列中的城市化偏差很大，說明其受城市化影響極為嚴重。

4 討 論

本研究以北京市及天津市為例，分析了城市附近氣象站1973—2008年的實測氣溫變化及城市化增溫貢獻，旨在探討城市發(fā)展對附近地區(qū)環(huán)境氣溫的影響。結(jié)果表明，近36 a來北京站升溫速率遠大于天津站，Tmean的氣溫傾向率分別為0.65和0.17 ℃/10 a。然而，由于兩氣象站均在城區(qū)附近，其地面氣溫記錄不可避免地受到城市化影響，這對評估區(qū)域氣候及環(huán)境變化帶來極大的不確定性。

表2 1973-2008年城市化對北京站及天津站地面氣溫的增溫貢獻

注：①全部增溫(℃)：指36 a來氣象站地面實測氣溫的升溫幅度，根據(jù)表1中的氣溫變化率計算而來； ②城市化增溫(℃)：指城市化引起的氣象站地面氣溫的增溫幅度； ③貢獻率(%)：指城市化增溫與全部增溫的比值。Tmean，Tmin和Tmax分別代表平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫。*，**分別代表在0.05和0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

目前，計算城市化增溫的方法有很多種，但結(jié)果存在很大差異。例如，司鵬等[11]采用均一化訂正后的地面觀測氣溫資料及NCEP/DOE再分析溫度數(shù)據(jù)對北京市1979—2006年的城市化增溫進行了研究，結(jié)果表明，平均氣溫的城市化增溫貢獻率分別為34.4%和73.5%。鄭祚芳等[12]認為UHI是導致北京地區(qū)1971—2002年氣溫增暖的主要因子，占總增暖比重的47.5%～61.2%。林學椿等[13]指出1960—2000年的北京市UHI增溫率為0.31 ℃/10 a，即近40 a由UHI導致的升溫幅度達1.24 °C。造成研究結(jié)果出現(xiàn)差異的原因主要有以下兩點：首先，城市/鄉(xiāng)村站的分類標準不統(tǒng)一。利用人口數(shù)據(jù)和夜晚燈光數(shù)據(jù)對氣象站進行分類的閾值選取存在主觀性。例如，基于夜晚燈光數(shù)據(jù)，Peterson[14]采用調(diào)整過的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)UHI對美國的氣溫變化沒有顯著影響。相反，基于人口數(shù)據(jù)和OLS夜晚燈光數(shù)據(jù)，Stone[15]認為UHI對美國大城市在1951—2000年的升溫貢獻為0.05 ℃/10 a。其次，選擇城市/鄉(xiāng)村站的數(shù)量及比例不同。不同比例的城市/鄉(xiāng)村站能夠造成估計氣候變暖趨勢和熱島效應強度的差異[13]。況且，我們很難在城市站附近找到純粹的鄉(xiāng)村站[5]。例如北京和上海，隨著城市的擴張以及本研究所提出的風的影響，附近臺站都或多或少地受到城市化的影響。

然而，本研究提出的新的研究方法避免了城市/鄉(xiāng)村站的選取。由表2可知，36 a來(1 973—2008)天津站年平均氣溫序列中的城市化影響偏差為0.083 ℃/10 a，這與唐國利等[4]計算的我國西南地區(qū)大中城市站0.086 ℃/10 a的年平均熱島增溫率相當。理論上，采用包含了一定城市化影響的鄉(xiāng)村站氣溫序列計算城市化增溫，所得結(jié)果應低于實際。利用衛(wèi)星觀測的土地利用數(shù)據(jù)，Wang等[16]將中國的氣象站按城市化影響程度分成3類：嚴重、中等、輕微，發(fā)現(xiàn)1980—2009年城市化對第Ⅰ類和第Ⅱ類氣象站的增溫貢獻率分別為41%和21%，均低于本研究北京站42%的貢獻率。王文等[17]分析了北京市城區(qū)和郊區(qū)11個氣象站年平均溫度變化的差異，發(fā)現(xiàn)1980—2008年北京市UHI強度上升了0.83 ℃，這與張佳華等[18]的研究結(jié)果接近，但均低于北京站的0.95 ℃(表2)。

與以往研究相比，本研究針對城市郊區(qū)氣象站進行研究，揭示了城市化對城市附近地區(qū)環(huán)境氣溫變化的影響。這不僅避免了城鄉(xiāng)站對比法中對參考站的遴選問題，而且比采用單一指標(如人口、面積)估算城市化影響更為準確。根據(jù)表2中對數(shù)方程的顯著性可知，Uii能很好地反映城市化對地面氣溫序列的影響程度。由于計算Uii綜合考慮的3個因素(城市規(guī)模、氣象站位置、風向風頻)是所有城市/郊區(qū)氣象站都存在的問題，因此本研究所用北京及天津氣象站具有代表性，并可進一步應用于更大范圍的城市化影響研究中，為有效訂正臺站地面氣溫序列中的城市化影響偏差提供可靠依據(jù)。然而，需要指出的是，雖然本研究考慮了城市規(guī)模，但對熱島強度考慮不足，諸如風速[18]、城市建筑密度[19]、溫室氣體排放[1]等因素也可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，本研究所用方法仍有待進一步完善。

5 結(jié) 論

(1) 36 a來，北京站升溫迅速，而天津站升溫較為緩慢，且氣溫的季節(jié)變化差異較大，這與北京市及天津市的城市化發(fā)展及風向的季節(jié)變化密切相關(guān)。

(2) 近年來大城市UHI對附近氣象站氣溫觀測的影響巨大，36 a來北京站及天津站Uii均呈上升趨勢，但不同季節(jié)間差異顯著。北京站Uii在冬季最強、夏季最弱；天津站Uii在夏季最強、冬季最弱。

(3) 北京站及天津站地面氣溫序列受城市化影響極為嚴重，其中城市化對北京站及天津站年最低氣溫的增溫貢獻率最高，分別達56%和100%。因此，在進行區(qū)域氣候及環(huán)境變化研究時，要特別注意城市附近地區(qū)的城市化影響。

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Impacts of Urbanization on Air Temperature Observed by Suburban Stations Located Nearby Large Cities

JIN Kai1， WANG Fei1，2，3， XIA Lei2，3， MU Xingmin1，2，3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation，NorthwestAgricultureandForestryUniversity，Yangling，Shaanxi712100，China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation，ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources，Yangling，Shaanxi712100，China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)

[Objective] The aim of this study is to explore the effect of urbanization on temperature change in regions nearby cities in order to realize the climate and enviroment change in regional scale. [Methods] Based on the temperature data recorded by meteorological stations nearby Beijing and Tianjin cities during 1973—2008， annual and seasonal temperature variations and the impact of urban heat island(UHI) on meteorological stations(known as urban impact indicator，Uii) were analyzed， with the consideration of urban size， relative position of meteorological station to city and winds. The bias in surface air temperature records was estimated as well. [Results] (1) Due to the influence of urbanization， the warming rate in Beijing station was faster than that in Tianjin station during 1973—2008， and the warming rate reached to 0.65 ℃/10 a and 0.17 ℃/10 a in Beijing station and Tianjin station， respectively. (2) The impacts of UHI on the same station were different in different seasons， and this impact was much more severe in Beijing station， compared to Tianjin station. (3) Urbanization had a strong influence on the surface temperatures in Beijing and Tianjin stations， and urbanization contributed the most to the warming of annual minimum temperature， and the contribution rate reached to 56% and 100% in two cities， respectively. [Conclusion] The impact of urbanization needs to be considered when studying regional climate change in the areas nearby cities.

Beijing City; Tianjin City; temperature change; urbanization; UHI

2014-12-28

2015-03-03

國家自然科學基金項目“基于相同氣候條件的人類活動對河流水沙影響定量評價：以黃土高原延河流域為例”(41171420); 中國科學院知識創(chuàng)新工程重點部署項目(KZZD-EW-04); 中國科學院西部之光人才培養(yǎng)計劃聯(lián)合學者項目([2013]165)和科技基礎(chǔ)性工作專項(2014 FY210100)

金凱(1988—)，男(回族)，山東省平邑縣人，碩士研究生，研究方向為土地利用變化影響評估。 E-mail:jinkai-2014@outlook.com。

王飛(1971—)，男(漢族)，陜西省戶縣人，博士，副研究員，博士生導師，主要從事水土保持環(huán)境監(jiān)測與影響評價，氣候變化環(huán)境影響評價與適應對策等研究。 E-mail:wafe@ms.iswc.ac.cn。

A

1000-288X(2015)05-0302-07

P423.3