彭旭東

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

基于探空資料的城市化對石家莊市氣溫變化的影響

彭旭東

(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

摘要[目的]研究城市化對石家莊市氣溫變化的影響，以及利用探空資料進行城市化影響研究的適用性。[方法]基于1981～2010年的逐月探空資料和地面觀測資料，研究城市化對石家莊市氣溫變化影響的性質(zhì)和程度。[結(jié)果]1981～2010年，石家莊市增溫趨勢達到0.59 ℃/10a，探空資料增溫趨勢為0.40 ℃/10a；其中冬季增溫最為明顯；城市熱島效應導致石家莊氣溫增溫幅度為0.19 ℃/10a；夏秋兩季城市熱島對季節(jié)的增溫作用較大；探空資料分離出的城市熱島增溫貢獻率為32.22%。[結(jié)論]城市化對石家莊市氣溫增暖貢獻較為顯著。

關(guān)鍵詞探空資料；氣溫變化；城市化；石家莊市

城市熱島是指受人類活動和下墊面性質(zhì)改變等因素的影響，造成城市區(qū)域近地層氣溫高于周邊氣溫的現(xiàn)象[1]。近20年來，關(guān)于城市化對全國[2-3]、區(qū)域[4-5]以及城市[6-7]氣溫變化貢獻的研究較多，研究結(jié)果表明：區(qū)域或局地氣溫增暖過程中城市化貢獻顯著，同時城市化對不同地區(qū)和不同時段氣溫序列的影響存在差異。在城市化影響的研究中，采用較多的是用城、郊站要素序列趨勢進行差異分析[8-9]。段春鋒等[10]利用人口稀疏、下墊面性質(zhì)接近自然的高山站氣溫與實測資料的趨勢差分析了城市化對氣溫變化趨勢的影響[10]，但選取探空資料作為背景研究城市化影響的研究鮮見報道。石家莊市城市化進程較快，2008年城市化水平達到46.31%[11]。以往城市化對石家莊市氣溫變化的影響及貢獻率研究主要采用城鄉(xiāng)(郊)氣溫資料對比方法[12-13]。然而，因選取的背景站及資料年限不同，計算得到的城市熱島強度及對總體增溫的貢獻率均有差異。為進一步認識城市化對石家莊市氣溫變化的影響，筆者基于探空資料850 hPa氣溫構(gòu)造背景序列，與石家莊站實測氣溫序列進行對比，分析了城市化對石家莊市年及四季氣溫變化的影響及貢獻，旨在為城市氣候變化監(jiān)測及應對氣候變化工作提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源筆者選取的地面氣象觀測資料為河北省氣候中心收集整理的1979～2011年石家莊站(代表石家莊市區(qū))的逐月平均氣溫資料，從中國高空氣候標準值月值數(shù)據(jù)中遴選出2個河北省探空站(表1)。探空所用氣球位于城市上空，相較鄉(xiāng)村站其氣溫受到人類活動的影響更少，同時近地面層與城市處于同一大氣環(huán)流背景，兩者氣溫變化趨勢差可認為是城市化的貢獻。通常，探空資料近地層包含1 000、925、850 hPa層，由于1 000和925 hPa層過于靠近地面，因此選擇探空850 hPa層氣溫資料作為氣候背景序列，計算城市化增溫幅度及貢獻。

表1　 河北省探空站及石家莊市區(qū)站、周邊參考臺站信息

注：人口數(shù)量為2010年數(shù)據(jù)。

Note：The population was data of 2010.

原始數(shù)據(jù)為月平均氣溫資料，年(季)平均氣溫序列為各年(季)所含月份平均氣溫的算術(shù)平均值。季節(jié)采用氣象季節(jié)定義：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月和次年的1～2月為冬季。

1.2研究方法將石家莊站的年、季平均氣溫時間序列作為目標研究序列，將探空資料作為背景氣候序列，對比分析目標序列和背景序列的變化趨勢及其差異，分離出石家莊市年、季平均氣溫變化中的城市化影響，并計算城市化影響的貢獻率。

1.2.1背景氣候序列的建立。 邢臺站(53798)和張家口站(54401)分別位于石家莊站(53698)的東北和偏南方向，在全國探空站中與石家莊站距離較近。以邢臺、張家口2站探空資料850 hPa逐月氣溫的算術(shù)平均值作為石家莊站850 hPa背景站逐月氣溫，計算相應的年、季平均氣溫，用于代表區(qū)域氣候變化背景序列。

石家莊站實測氣溫序列與探空氣溫序列年相關(guān)系數(shù)為0.991 7，春、夏、秋、冬季的相關(guān)系數(shù)分別為0.951 6、0.933 4、0.966 2、0.936 3，且年與各季平均氣溫之間的相關(guān)關(guān)系均通過α=0.01顯著性檢驗，表明探空資料平均值可以作為石家莊站的探空資料。

1.2.2城市化影響的分析方法。參照白虎志等[14]的研究，定義城市化影響為城市站與背景站氣溫變化率之差，將城市化影響在其總變化率中所占的百分比定義為城市化影響貢獻率。城市化影響貢獻率Eu的計算方法見下式：

Eu=(Tu-Tr)/Tu

式中，Tu表示石家莊站氣溫變化率，Tr表示背景序列氣溫變化率，Tu-Tr表示石家莊氣溫變化中的城市化影響。

2結(jié)果與分析

2.1探空站與城市站年平均和各季平均氣溫變化趨勢從圖1可見，地面實測氣溫和850 hPa背景值年平均氣溫均呈顯著的變暖趨勢，通過α=0.01顯著性檢驗(表2)。石家莊年平均地面實測氣溫線性增溫率(0.59 ℃/10a)高于850 hPa背景序列的增溫率(0.40 ℃/10a)。從圖1a可見，1990年之前，大部分年份的地面實測氣溫距平值小于850 hPa背景值。這是由于這一時期石家莊域內(nèi)城市化及城鎮(zhèn)化水平均較低，氣象觀測活動受人類活動的影響很小。隨著城市化進程的加快，1995年后處于較暖期，多數(shù)年份的平均氣溫距平為正值，且大部分年份的地面實測氣溫距平高于850 hPa背景值。圖1b表明，整個時間域內(nèi)石家莊地面實測氣溫距平值與850 hPa背景值差值總體呈上升趨勢，1981年開始5年間距平差值曲線較為平緩，80年代中期以來曲線波動明顯，1995年后熱島值的增加尤為突出，變化率為0.43 ℃/10a，遠遠大于近30年來的變化速率。

圖1　1981～2010年石家莊年均氣溫距平及城市化影響Fig.1　Observed temperature anomaly time series and urbanization effect of Shijiazhuang from 1981 to 2010

由表2可知，1981～2010年地面實測氣溫與850 hPa探空氣溫的各季平均氣溫距平和均呈上升趨勢，冬、春和秋季平均氣溫顯著上升，而夏季變暖趨勢較小。地面實測序列的各季平均氣溫增溫率高于850 hPa背景序列的增溫率。

表21981～2010年石家莊市地面實測氣溫與850 hPa背景氣溫變化趨勢

Table 2Variation trends of mean air temperatures and 850 hPa upper-air temperatures in Shijiazhuang form 1981 to 2010

℃/10a

注：**、*分別表示氣溫變化趨勢通過α=0.01、α=0.05的顯著性水平。

Note：**，* stands for temperature variation trend was at 0.01 and 0.05 significant level respectively.

從圖2a可見，在1981年到90年代中期多數(shù)年份春季地面實測平均氣溫距平為負值，且絕對值大于850 hPa背景值距平；之后的大部分年份地面實測氣溫距平為正值，且絕對值大于850 hPa背景值；整個時段地面實測氣溫春季平均增溫率為0.55 ℃/10a，850 hPa背景站增溫率為0.45 ℃/10a。從圖2b可見，20世紀90年代中期之前，無論是地面實測值還是850 hPa背景值，夏季平均氣溫距平波動較小，且實測距平值小于背景值；之后各年份距平值波動幅度明顯且地面實測值多大于850 hPa背景值；整個時段地面實測值夏季增溫率為0.49 ℃/10a，850 hPa背景站增溫率為0.17 ℃/10a。圖2c顯示，相鄰年份間秋季氣溫距平值差異較大，總體變化趨勢與春、夏季平均氣溫變化一致。圖2d顯示，冬季氣溫距平波動幅度大于其他三季，地面實測氣溫最暖冬與最冷冬溫差達到4.60 ℃，850 hPa背景值各年份最大溫差甚至達到4.90 ℃；30a間地面氣溫增溫率為0.64 ℃/10a，850 hPa增溫率為0.44 ℃/10a。

2.2城市化影響由表3可知，城市化對于石家莊平均氣溫變化趨勢的影響為正貢獻，表明城市化加速了石家莊變暖趨勢。城市化對年平均氣溫的貢獻達到0.19 ℃/10a，貢獻率達到32.20%；四季的情況與年基本相似，城市化對平均氣溫的影響均表現(xiàn)為增暖；夏季城市化影響最大，為0.32 ℃/10a，其次為冬季和秋季，春季最小。四季城市化影響貢獻率大小順序與之相同。

圖2　1981～2010年石家莊站四季平均氣溫距平實測值序列及850 hPa氣溫序列Fig.2　Seasonal temperature anomaly time series of the observed data and 850 hPa upper-air observations in Shijiazhuang from 1981-2010

Table 3Urban heat island temperature increasing rate and contribution rate in Shijiazhuang during 1981-2010

階段Phase城市熱島增溫率值Urbanheatislandtemperatureincreasingrate∥℃/10a城市熱島貢獻率Urbanheatislandcontributionrate∥%全年Wholeyear0.1932.20春季Spring0.1018.18夏季Summer0.3265.31秋季Autumn0.1830.00冬季W(wǎng)inter0.2031.25

3 結(jié)論與討論

(1)筆者通過構(gòu)造探空資料為氣候背景序列，對比分析了1981～2010年石家莊站地面實測氣溫序列和850 hPa背景站的年和四季氣溫變化趨勢，在此基礎(chǔ)上，分析了城市化對石家莊市氣溫變化趨勢影響的性質(zhì)和程度，得出以下結(jié)論：①1981～2010年石家莊平均氣溫呈顯著上升趨勢。四季中，冬季氣溫變暖趨勢最大，其次為秋、春季，夏季最小。②探空資料的年平均氣溫變化趨勢小于實測氣溫變化趨勢；四季增暖趨勢特征體現(xiàn)為冬強夏弱。③探空資料分離出的城市影響達到0.19 ℃/10a，貢獻率為32.20%，城市化導致的季節(jié)增暖作用在夏秋較大。

(2)對比以往研究，劉學鋒等[12]研究表明，1981～2003年河北國家站熱島年增溫率為0.098 ℃/10a，對總體增溫趨勢的貢獻率為15.80%；除秋季外，春夏冬三季熱島增溫率均小于筆者研究得出的結(jié)果，但國家基本/基準站增溫“以冬季增溫為最大”及“城市熱島效應增強因素對季節(jié)增暖的作用在夏秋季較大，冬季最小”的結(jié)論與筆者研究得出的基本一致。卞韜等[13]指出，1962～2009年石家莊城市熱島年增溫率為0.19 ℃/10a，貢獻率為67.90%。這與筆者得出的結(jié)論有一定差異，原因可能是選取的氣候背景序列不同。此外，城市化影響貢獻率不僅與城市化影響有關(guān)，還與城市氣溫變化趨勢有關(guān)，因此筆者計算得到的城市化影響貢獻率偏低。卞韜等[13]分析得出，1980和1990年以來的平均城市熱島強度分別為0.50和0.80 ℃，這與筆者得到的1981～2010(0.19 ℃/10a)及1991～2010(0.43 ℃/10a)2個時段的城市化增溫幅度及其隨時間的變化趨勢基本一致。

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Effect of Urbanization on Variation of Air Temperature in Shijiazhuang Based on Upper-air Observation

PENG Xu-dong

(Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

Abstract[Objective] The aim was to study effects of urbanization on temperature changes in Shijiazhuang, as well as applicability of upper-air observations on carrying out urbanization effect research. [Method] Based on the monthly upper-air observations and air temperature data from 1981 to 2010, the influence property and degree of urbanization on the variation of air temperature in Shijiazhuang was investigated. [Result] The results indicated that the warming trend in Shijiazhuang was remarkable in recent 30 years, which is 0.59 ℃ per decade and for upper-air observations was 0.40 ℃ per decade, and maximum warming rate was occurred in winter; The effect of urbanization to the mean temperature increasing was 0.19 ℃ per decade; The contribution of urbanization effect to seasonal warming was significant in summer and autumn; The contribution rate of the urban heat island effect to mean air temperature was 32.22%. [Conclusion] The contributions of urbanization to air temperature of Shijiazhuang are apparent.

Key wordsUpper-air observations; Air temperature variation; Urbanization; Shijiazhuang City

作者簡介彭旭東(1991- )，男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：中小尺度氣象學。

收稿日期2016-03-18

中圖分類號S 164

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-063-03