曾春芬，謝直卉，蔡忠銀，王臘春，武旭同，張時(shí)雨

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所 青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

城市化對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)降水變化趨勢(shì)影響初探

曾春芬1，謝直卉2，蔡忠銀3，4，王臘春1，武旭同1，張時(shí)雨1

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.四川省電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所 青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

根據(jù)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化程度，選擇1956—2007年和城市化發(fā)展較為迅速的1981—2007年兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行研究，基于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)35個(gè)國(guó)家基本/基準(zhǔn)站1956—2007年52 a日降水量資料，分析了兩個(gè)時(shí)段長(zhǎng)江三角洲降水量的年和季節(jié)變化特征、降水的氣候趨勢(shì)系數(shù)和氣候傾向率的空間分布差異，以及城市化對(duì)降水變化趨勢(shì)的影響。初步的研究結(jié)果表明：1956—2007年長(zhǎng)三角地區(qū)年降水呈減少趨勢(shì)，城市化快速期減少趨勢(shì)明顯加快。兩時(shí)期季節(jié)降水量有相同的變化趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)明顯程度和變化速率差別很大，城市化快速期變化劇烈，年降水變化趨勢(shì)在城市化快速期幾乎呈現(xiàn)出與整個(gè)52 a時(shí)段相反的空間分布，城市化快速期長(zhǎng)江三角洲中部大片區(qū)域變干趨勢(shì)顯著。

長(zhǎng)江三角洲；城市化；降水；變化趨勢(shì)

地球氣候正經(jīng)歷著一場(chǎng)以變暖為主要特征的顯著變化，據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告，在1906—2005年100 a間，全球地表平均氣溫升高了0.74℃，大氣中溫室氣體的明顯增加，很可能是全球升溫的主要原因[1]。大幅度的變暖，對(duì)全球和區(qū)域降水量可能也產(chǎn)生了一定的影響，而降水量的變化與水資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境，以及工商業(yè)等密切相關(guān)[2]。城市化與農(nóng)業(yè)發(fā)展等造成的土地利用/覆被變化[3]及工業(yè)污染[4-5]是除溫室氣體外人類對(duì)地球環(huán)境另一重大影響。城市化進(jìn)程直接改變了城市下墊面，對(duì)熱交換、水文過程、微量氣體、氣溶膠等造成影響，使城市與郊區(qū)農(nóng)村的大氣組成產(chǎn)生不同，從而影響城市地區(qū)的輻射、氣溫、降水等[6]，形成不同于郊區(qū)農(nóng)村的城市氣候環(huán)境。

目前，城市化對(duì)降水的影響及其影響的物理機(jī)制還存在不確定因素[7]。較多的研究者認(rèn)為城市化有使城區(qū)及其下風(fēng)方向的降水量及降水天氣現(xiàn)象發(fā)生頻率增加的效應(yīng)[8]。但也有學(xué)者認(rèn)為城市化有抑制降水的效應(yīng)[9]。而城市化影響降水的物理機(jī)制，普遍認(rèn)為是由多種影響因素共同作用的產(chǎn)物，有時(shí)還與地形關(guān)系密切，因此造成城市化與降水的因果關(guān)系有季節(jié)和地區(qū)差異[6]。

中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，從改革開放(1978年)以來城市化進(jìn)程大幅加快，1985—2008年城市化率由23.71%提高到45.68%。20世紀(jì)80年代是中國(guó)城市化加速發(fā)展階段，至1992年進(jìn)入城市化全面推進(jìn)階段[10]。1978年以來，中國(guó)正朝大都市區(qū)和大城市集群方向發(fā)展，形成了長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)三大城市帶[11]。但隨著城市化進(jìn)度不斷加快，環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出[12]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市氣候的研究已取得了一些重要成果，但大多注重溫度變化的研究，對(duì)降水的研究也多是對(duì)單個(gè)城市的研究[2]。降水是水資源的重要來源，而長(zhǎng)江三角洲又是我國(guó)城市化水平最高的區(qū)域之一，選擇長(zhǎng)江三角洲作為典型研究區(qū)來研究城市化對(duì)其降水的影響，對(duì)了解長(zhǎng)江三角洲水資源現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì)，以及為進(jìn)一步開展區(qū)域氣候變化趨勢(shì)和變化原因研究都具有科學(xué)意義。

1 研究方法

關(guān)于城市化對(duì)降水影響的研究方法大致包括統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、個(gè)例分析法、數(shù)值模擬法和衛(wèi)星及雷達(dá)資料分析法等[8]。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，初步分析了長(zhǎng)江三角洲城市化進(jìn)程對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)降水的影響。為了排除地形變化和天氣系統(tǒng)頻率變化等地理因子的影響，可將長(zhǎng)期降水資料根據(jù)城市化進(jìn)程的程度劃分為兩個(gè)時(shí)期，分別研究整個(gè)時(shí)期及城市化進(jìn)程快速期的降水變化特征。

長(zhǎng)江三角洲自改革開放以來發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程大幅加快，因此以1980年為分界線，即定義1956—1980年為城市化進(jìn)程緩慢時(shí)期，1981—2007年為城市化進(jìn)程快速發(fā)展時(shí)期。著重分析1956—2007年和1981—2007年兩個(gè)時(shí)期降水變化趨勢(shì)的差異，探討城市化對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)降水的可能影響。

1.1 降水變化趨勢(shì)計(jì)算

趨勢(shì)分析的方法很多，目前常用的有線性傾向估計(jì)、滑動(dòng)平均、累計(jì)距平、二次平滑、三次樣條函數(shù)、Kendall秩次相關(guān)法、Mann-Kendall秩次相關(guān)法等[13]。本文主要借助線性傾向估計(jì)和滑動(dòng)平均方法對(duì)降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行判別。

為研究降水在氣候變化中升降的定量程度，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，計(jì)算了降水量的時(shí)間序列與自然數(shù)序列的相關(guān)關(guān)系，稱為氣候趨勢(shì)系數(shù)[13]。降水量序列{Pi}(i=m,m+1,…,n)的氣候趨勢(shì)系數(shù)r：

(1)

將采用最小二乘法得到的要素值與時(shí)間的線性回歸系數(shù)的10倍稱為該要素的氣候傾向率[14]。建立Pi和ti之間的一元線性回歸方程Pi=a+bti，回歸系數(shù)b和常數(shù)a的最小二乘估計(jì)為：

(2)

(3)

b的十倍即為降水量的氣候傾向率，b的符號(hào)表示降水量的趨勢(shì)傾向。

為了顯示降水量的低頻變化特點(diǎn)，本文還采用了5 a滑動(dòng)平均法。經(jīng)過滑動(dòng)平均后，序列中短于滑動(dòng)長(zhǎng)度的波動(dòng)或周期大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢(shì)[13]。

1.2 區(qū)域平均面雨量計(jì)算

在建立長(zhǎng)江三角洲降水量序列時(shí)，采用Jones等提出的計(jì)算區(qū)域平均氣候時(shí)間序列的方法，把長(zhǎng)江三角洲區(qū)域按經(jīng)緯度劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1.1°×1°；各網(wǎng)格的平均值為該網(wǎng)格里所有站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；最后應(yīng)用面積加權(quán)計(jì)算整個(gè)區(qū)域的平均值。整個(gè)區(qū)域的降水量平均值計(jì)算公式為：

(4)

2 概況與材料

長(zhǎng)江三角洲地處東亞季風(fēng)區(qū)，自然條件優(yōu)越，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，是中國(guó)最大經(jīng)濟(jì)區(qū)之一，也是中國(guó)改革開放以來經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為快速的城市群落之一。自改革開放以來，長(zhǎng)江三角洲城市空間快速擴(kuò)展，1979年城市用地為388.58 km2，2005年城市用地為4847.94 km2，是1979年的12.48倍，城市用地增加呈明顯的加快趨勢(shì)[15]，形成以寧鎮(zhèn)揚(yáng)、蘇錫常、滬杭甬為中心的城市群，城市群之間出現(xiàn)城市化連片趨勢(shì)。不同的研究中關(guān)于其具體范圍的選取也不盡一致。本文選定118.1°—122.5°E，27.9°—33°N范圍代表長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，主要包括江蘇南部、浙江北部、上海市和安徽省東部部分地區(qū)。研究資料為長(zhǎng)江三角洲地區(qū)國(guó)家基準(zhǔn)、基本站日降水資料，共獲得39個(gè)氣象站數(shù)據(jù)。進(jìn)行分析前，先對(duì)觀測(cè)序列進(jìn)行質(zhì)量控制及有關(guān)檢驗(yàn)，同時(shí)剔除缺測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的臺(tái)站，最終選定35個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)、基本站作為本研究的基本資料。其中除江蘇高郵在1967年有缺測(cè)，浙江括蒼山、溫州、天目山、安徽蕪湖、上海龍華部分年份有缺測(cè)外，其余站都有連續(xù)觀測(cè)資料。圖1為所選臺(tái)站在研究區(qū)長(zhǎng)江三角洲中的分布圖。

圖1 長(zhǎng)江三角洲地區(qū)及所選臺(tái)站分布

3 結(jié)果與討論

3.1 區(qū)域降水量的時(shí)間演變特征

3.1.1 年降水量年際變化特征

長(zhǎng)江三角洲年降水量的年際變化曲線如圖2所示。1956—2007年長(zhǎng)江三角洲年降水量有較明顯的減少趨勢(shì)，氣候趨勢(shì)系數(shù)為-0.218，顯著性水平低。降水的氣候傾向率即減少速率為-22.3 mm/10 a。除個(gè)別年份外，1956—2007年長(zhǎng)三角年降水量年際波動(dòng)幅度不是很大，降水最多的年份為1975年的1522.6 mm，最小值為884.4 mm，出現(xiàn)在1978年。

圖2 1956—2007年長(zhǎng)江三角洲歷年年降水量變化曲線

從5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，在近52 a中，降水量變化波動(dòng)明顯，從20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代末呈現(xiàn)先降后升再降趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代中后期至20世紀(jì)70年代早期處在相對(duì)少雨階段，20世紀(jì)80年代開始有緩慢上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代末20世紀(jì)90年代初處在相對(duì)多雨階段，之后降水量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)?？傮w而言，前半期波動(dòng)明顯，后半期減少趨勢(shì)明顯。

表1分別給出長(zhǎng)江三角洲1956—2007年、1981—2007年兩個(gè)時(shí)期的年降水量的氣候趨勢(shì)系數(shù)和氣候傾向率。近半個(gè)世紀(jì)降水量呈減少趨勢(shì)，但顯著性水平低，變化速率為-22.3 mm/10 a；城市化快速期減少趨勢(shì)明顯，變化速率為-65.4 mm/10 a。

表1 不同時(shí)段長(zhǎng)江三角洲年降水的氣候

注：標(biāo)*表示超過0.05顯著性水平，標(biāo)**表示超過0.01顯著性水平。

3.1.2 季節(jié)降水量變化特征

長(zhǎng)江三角洲各個(gè)季節(jié)降水量特征變化曲線如圖3、圖4所示。從長(zhǎng)江三角洲四季降水序列可以看出，春、秋季有明顯下降趨勢(shì)，變化速率較接近，春季變化速率為-13.9 mm/10 a，秋季變化速率為-15.9 mm/10 a，夏、冬季增加趨勢(shì)明顯，但變化速率相差較大，夏季變化速率為24.5 mm/10 a，冬季變化速率為9.2 mm/10 a。

圖3 1956—2007年春、夏季長(zhǎng)江三角洲歷年年降水量變化曲線

圖4 1956—2007年秋、冬季長(zhǎng)江三角洲歷年年降水量變化曲線

春季降水量沒有明顯波動(dòng)，基本處在穩(wěn)定下降的狀態(tài)，在1973年最多為601.0 mm，在2001年最少為221.6 mm。20世紀(jì)60年代下降趨勢(shì)明顯，20世紀(jì)80年代中后期至20世紀(jì)90年代降水略有增多，之后又開始下降，目前處于較低水平。

夏季降水量在2000年前處于穩(wěn)定增多階段，波動(dòng)微弱，20世紀(jì)60年代末和20世紀(jì)70年代末有短期呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但又迅速恢復(fù)增多趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代初期增多趨勢(shì)開始加快，2000年開始減少趨勢(shì)十分明顯。降水量最小值273.2 mm出現(xiàn)在1967年，最大值774.3 mm出現(xiàn)在1999年。

秋季降水量波動(dòng)較明顯，在1962年達(dá)到最多的424.4 mm后呈明顯下降趨勢(shì)，20世紀(jì)70—80年代中期經(jīng)歷了先增后減再增的過程，從80年代中期開始處于穩(wěn)定下降階段，在1995年達(dá)到最小值121.0 mm。

冬季降水量變化波動(dòng)也較明顯，最高值出現(xiàn)在1959年為315.1 mm，在1963年為最低值52.1 mm后呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代末和80年代初為減少階段，之后由快速增多轉(zhuǎn)為小振幅波動(dòng)中穩(wěn)定增加。

長(zhǎng)江三角洲四季不同時(shí)期各季降水的氣候趨勢(shì)系數(shù)和氣候傾向率如表2所示。從表中可知：四個(gè)季節(jié)在兩個(gè)時(shí)期變化趨勢(shì)相同，但變化速率差別較大。春季后27 a變化速率加快，夏季后27 a增加趨勢(shì)不顯著，變化速率僅為0.4 mm/10 a，幾乎被21世紀(jì)以來的快速減少趨勢(shì)所抵消，秋、冬季變化速率明顯快于整個(gè)時(shí)期的變化速率，秋季后27 a變化速率約為整個(gè)52 a的兩倍，而冬季后27 a的變化速率超過了整個(gè)52 a的3倍。

表2 不同時(shí)段長(zhǎng)江三角洲各季節(jié)降水的

注：標(biāo)*表示超過0.05顯著性水平，標(biāo)**表示超過0.01顯著性水平。

3.2 降水趨勢(shì)的空間分布特征

長(zhǎng)江三角洲地區(qū)1956—2007年和1981—2007年兩個(gè)時(shí)期年均降水量氣候傾向率和氣候趨勢(shì)系數(shù)的空間分布如圖5中a、b、c、d所示?？梢钥闯稣麄€(gè)52 a，浙江東北部、西北部沿海及島嶼，上海市、南京市及其周邊地區(qū)有較明顯變濕趨勢(shì)，龍泉、麗水、括蒼山一帶和黃山地區(qū)變干趨勢(shì)明顯，其余地區(qū)無明顯變濕或變干趨勢(shì)。而城市化快速期呈現(xiàn)出了幾乎相反的變化趨勢(shì)， 整個(gè)地區(qū)表現(xiàn)出明顯的變濕或變干趨勢(shì)，大部分地區(qū)為變干趨勢(shì)，這也與長(zhǎng)江三角洲年均降水量在城市化快速期呈明顯減少趨勢(shì)相吻合。長(zhǎng)江三角洲中部，即太湖流域、浙江東北部及浙江西北部至安徽東南部一線變干趨勢(shì)明顯，顯著性水平較高，長(zhǎng)江三角洲東南、西南及上海地區(qū)有較明顯的變濕趨勢(shì)。

圖5 a、b分別為1956—2007年和1981—2007年長(zhǎng)江三角洲年降水氣候傾向率(mm/10 a)的空間分布； c、d分別為1956—2007年和1981—2007年長(zhǎng)江三角洲年降水的氣候趨勢(shì)系數(shù)(10-2)的空間分布

3.3 城市化對(duì)降水的影響作用

城市化影響降水過程的可能物理機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面[4, 8, 9]：①城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的上升氣流有利于對(duì)流性降水形成。②城市阻障效應(yīng)。城市中高度不一的建筑物使其粗糙度變大。不僅能引起機(jī)械湍流，而且使移動(dòng)滯緩的降水系統(tǒng)在城市邊界層移動(dòng)速度減慢，在城區(qū)滯留時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)致城區(qū)降水強(qiáng)度增大和降水時(shí)間延長(zhǎng)。③凝結(jié)核效應(yīng)。氣溶膠污染物造成城市有更多的凝結(jié)核，氣溶膠是促進(jìn)或抑制降水，取決于他們的大小和物理、化學(xué)性質(zhì)。④工業(yè)污染源排放的水汽。

4 結(jié) 論

通過分析對(duì)比長(zhǎng)江三角洲1956—2007年和1981—2007年期間年、季節(jié)降水量的時(shí)間和空間變化趨勢(shì)和變化速率，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)1956—2007年，水量呈減少趨勢(shì)，但顯著性水平低，變化速率為-22.3 mm/10 a；但在1981—2007年期間減少趨勢(shì)明顯，變化速率為-65.4 mm/10 a。春、夏、秋、冬各季節(jié)在城市化快速期與1956—2007年有相同的變化趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)明顯程度和變化速率差別大。春季和秋季在1956—2007年期間呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，夏季和冬季則呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，春、秋、冬季在城市化快速期的變化速率明顯快于其在整個(gè)時(shí)期的變化速率，而夏季2000—2007年降水量快速減少，幾乎抵消了20世紀(jì)80—90年代的增加趨勢(shì)。

(2)變化趨勢(shì)空間分布的分析表明，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)在城市化快速期降水趨勢(shì)的空間分布與整個(gè)時(shí)期的降水趨勢(shì)的空間分布幾乎相反。整個(gè)52 a長(zhǎng)江三角洲大部分地區(qū)無明顯變干或變濕趨勢(shì)，而1981—2007年期間，長(zhǎng)江三角洲中部大片區(qū)域呈現(xiàn)出顯著的變干趨勢(shì)，并且變化速率快，只有南部、北部小部分區(qū)域和上海表現(xiàn)出不同程度的變濕趨勢(shì)。

在天氣系統(tǒng)頻率變化背景下，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化快速期降水的顯著變化與城市群之間關(guān)系密切，但具體的影響機(jī)制，還需結(jié)合對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)土地利用/土地覆被、大氣污染等的研究，以期做到定量分析城市化對(duì)降水的影響，進(jìn)而對(duì)城市化影響降水的物理機(jī)制有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

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Urbanization impact on precipitation change trend in the Yangtze River DeltaZENG Chunfen1，XIE Zhihui2，CAI Zhongyin3,4，WANG Lachun1， WU Xutong1， ZHANG Shiyu1

Based on the degree of urbanization of the Yangtze River Delta，two kinds of periods are selected，one is from 1956 to 2007，the other is from 1981 to 2007，during which the urbanization is rather rapid．It is analyzed that annual and seasonal precipitation characteristics，spatial distribution difference of precipitation trend coefficient and climate tendency rate，and the impact of urbanization on precipitation，based on the 52 years daily precipitation data from 35 national basic/reference meteorological stations．Preliminary studies suggest that the annual precipitation in the Yangtze River Delta has a decreasing tendency in the whole period(1956-2007)，while it has an obvious reduction during the rapid urbanization．The seasonal precipitation of the two periods has similar trend but they had great difference in change rate，which changes more severe in the rapid urbanization period．The distribution of annual precipitation trends in the rapid urbanization period is almost contrary to that in the 52 years， which means that large areas of the central Yangtze River Delta has the obvious trend to become dry．

Yangtze River Delta；urbanization；precipitation；change trend

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41401021)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20130567)；江蘇省水利科技項(xiàng)目(2014007，2014016)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ25B09)

曾春芬(1982-)，女，助理研究員，主要從事水文水資源模擬、水資源配置方面的研究。E-mail： zengchunfen@nju.edu.cn

王臘春(1963-)，男，教授，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail：wang6312@263.net.cn

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2096-0506(2015)01-0005-06