劉珺婷，楊 玲，謝益軍

（1.湖南省氣象服務(wù)中心，長(zhǎng)沙 410118；2.湖南省氣候中心，長(zhǎng)沙 410118）

城市是人類居住最密集的地方［1］。2020 年全國(guó)第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，63.89%的人口居住在城市地區(qū)。城市化過(guò)程作為一種人類活動(dòng)的集中體現(xiàn)，使城市人口密度增加、下墊面屬性改變、大氣污染物增加，城市化過(guò)程對(duì)氣候事件的影響不可忽視［2-13］。

城市化引起的氣候變化日益受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同城市（群）采取不同方法進(jìn)行研究［14-24］，李易芝等［25］和郭麗香等［26］分別開(kāi)展了城市化進(jìn)程對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)和長(zhǎng)沙氣溫的影響研究。研究多是分析個(gè)別中心城市的城市化效應(yīng)及其對(duì)氣候的影響，而城市化對(duì)于較大區(qū)域的影響分析甚少。

湖南省位于中國(guó)中部，2020 年城鎮(zhèn)化水平已達(dá)到58.76%。隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市規(guī)模迅速膨脹、人口急劇增長(zhǎng)、建筑物越來(lái)越密集、機(jī)動(dòng)交通工具成倍增長(zhǎng)的同時(shí)，極端天氣氣候事件頻現(xiàn)，嚴(yán)重影響城市居民生產(chǎn)生活。本研究采用城郊對(duì)比法分析城市化進(jìn)程對(duì)湖南省極端氣溫的影響，為城市化背景下極端氣候?yàn)?zāi)害的防范提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為湖南省96 個(gè)國(guó)家地面氣象站1961—2020 年各站的逐日最高、最低氣溫?cái)?shù)據(jù)。

1.2 方法

參考?xì)夂蜃兓綔y(cè)與指標(biāo)專家組定義的極端氣候指數(shù)和業(yè)內(nèi)學(xué)者在研究中定義的極端氣候指數(shù)，共定義了9 個(gè)極端指數(shù)（表1），其中有5 個(gè)絕對(duì)指數(shù)，2 個(gè)極值指數(shù)，2 個(gè)均值指數(shù)［27］；利用線性斜率估計(jì)［28］對(duì)極端指數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)。

表1 極端氣溫指數(shù)及其定義

將湖南省96 個(gè)國(guó)家地面氣象站分為城市站點(diǎn)和郊縣站點(diǎn)2 個(gè)類別，第1 類為位于全省地級(jí)市（州）中心城區(qū)的14 個(gè)氣象站，代表受城市化影響大的區(qū)域。第2 類為位于位于縣城、縣級(jí)市及其城郊的82個(gè)氣象站，代表沒(méi)有城市化或受城市化影響少的區(qū)域。

通過(guò)線性趨勢(shì)斜率估算出2 類站點(diǎn)及全省平均的各個(gè)指數(shù)的趨勢(shì)，用ΔTur表示城市化對(duì)城市站的影響，用ΔTua表示城市化對(duì)全省的影響，其表達(dá)式如下。

式（1）、（2）中，ΔTu為城市站各指數(shù)變化趨勢(shì)，ΔTr為代表氣候變化背景場(chǎng)的郊縣站變化趨勢(shì)，ΔTa為全省所有站平均的各指數(shù)變化趨勢(shì)。

城市化影響貢獻(xiàn)率，指城市化影響對(duì)城市站（所有站）各個(gè)極端氣溫指數(shù)的貢獻(xiàn)率，即城市化影響在城市站（所有站）氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)中所占的百分比。設(shè)Ei（i=1，2）為城市化影響貢獻(xiàn)率。

Ei有3 種情況，①當(dāng)ΔTu＞ΔTr（ΔTa＞ΔTr）時(shí)，Ei＞0，表明城市化影響使其增加；②當(dāng)ΔTu=ΔTr（ΔTa=ΔTr）時(shí)，Ei=0，表明城市化影響為0；③當(dāng)ΔTu＜ΔTr（ΔTa＜ΔTr）時(shí)，Ei＜0，表明城市化影響使其減小。Ei＞100%的情況同Ei=100%，Ei＜-100%的情況同Ei=-100%。

2 結(jié)果分析

2.1 極端指數(shù)變化分析

每個(gè)站點(diǎn)1961—2020 年每年各個(gè)指數(shù)的平均值作為湖南省整體的極端指數(shù)值，通過(guò)線性斜率估計(jì)湖南省各個(gè)極端指數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明9 個(gè)極端溫度指數(shù)呈現(xiàn)較明顯的變化趨勢(shì)（圖1）。

圖1 湖南省極端溫度指數(shù)變化線性趨勢(shì)

極端溫度指數(shù)通過(guò)線性斜率估計(jì)得到的10 年變化趨勢(shì)，結(jié)果表明指示極端冷事件指數(shù)FD0、ID0均呈下降趨勢(shì)，F(xiàn)D0 下降速度為每10 年減少2.1 d，而指示極端暖事件指數(shù)SU35、SU25、TR20 呈上升趨勢(shì)，TXx、TNn、TMAX、TMIN 的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，由此推斷湖南省在平均溫度上升的背景下，高溫日數(shù)、夏季日數(shù)和炎熱夜數(shù)呈增多趨勢(shì)。

2.2 城市化影響分析

城市和郊縣兩類站點(diǎn)之間極端指數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2 可知，城市和郊縣兩類站點(diǎn)ID0、TXx 指數(shù)無(wú)明顯變化；兩類站點(diǎn)FD0 指數(shù)均呈明顯的減少趨勢(shì)；郊縣站點(diǎn)SU35 指數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，城市站點(diǎn)增加趨勢(shì)不明顯；兩類站點(diǎn)SU25、TR20、TNn、TMAX、TMIN 指數(shù)均呈顯著增加趨勢(shì)。

圖2 1961—2020 年湖南省城市與郊縣氣溫極端指數(shù)序列及差值

城市站點(diǎn)的FD0、SU25 和TMAX 指數(shù)均值明顯低于郊縣站點(diǎn)；兩站點(diǎn)ID0 指數(shù)平均值無(wú)明顯差異；城市站點(diǎn)SU35、TR20、TXx、TNn 和TMIN 指數(shù)均值明顯高于郊縣站點(diǎn)。2011 年后湖南城市站點(diǎn)由于城市包圍探測(cè)環(huán)境遭到破壞，陸續(xù)遷往城郊。兩類站點(diǎn)的SU25、SU35、TR20、TXx、TNn、TMAX 和TMIN指數(shù)差值明顯減小，F(xiàn)D0、ID0 指數(shù)差值明顯增大。

為去除遷站對(duì)于城市化效應(yīng)的影響，分析1961—2010 年湖南省城市與郊縣極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)及城市化效益貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，兩類站點(diǎn)的SU25、TR20、TNn、TMAX 和TMIN指數(shù)均呈顯著上升趨勢(shì)（通過(guò)了0.01 或0.05 水平顯著性檢驗(yàn)）。城市站點(diǎn)的SU25 上升趨勢(shì)低于郊縣站點(diǎn)，城市化效益為負(fù)貢獻(xiàn)，其中對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)-7.3%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)為-1.1%。城市站點(diǎn)的TR20上升趨勢(shì)明顯高于郊縣站點(diǎn)，城市化效益對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)達(dá)到29.4%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)達(dá)到5.9%。城市站點(diǎn)的TNn 上升趨勢(shì)明顯高于郊縣站點(diǎn)，城市化效益對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)達(dá)到13.8%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)為2.3%。城市站點(diǎn)的TMAX 上升趨勢(shì)低于郊縣站點(diǎn)，城市化效益為負(fù)貢獻(xiàn)，其中對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)為-6.2%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)為-1.3%。城市站點(diǎn)的TMIN 上升趨勢(shì)明顯高于郊縣站點(diǎn)，城市化效益對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)達(dá)到20.3%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)為3.6%。

表2 1961—2010 年湖南省極端氣溫指數(shù)趨勢(shì)及其城市化影響貢獻(xiàn)

兩類站點(diǎn)的FD0 指數(shù)均呈顯著減少趨勢(shì)（通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)）。城市站點(diǎn)的減少趨勢(shì)明顯高于郊縣站點(diǎn)，城市化效益對(duì)于城市站的貢獻(xiàn)達(dá)到5.7%，對(duì)于全省的貢獻(xiàn)為0.9%。兩類站點(diǎn)ID0、SU35 和TXx 指數(shù)均無(wú)顯著變化，城市化總體體現(xiàn)為負(fù)效益。

對(duì)比9 個(gè)指數(shù)發(fā)現(xiàn)，城市化主要對(duì)最低溫度造成影響，城市化對(duì)以最低氣溫為基礎(chǔ)的極端指數(shù)變化均有正貢獻(xiàn)。可能是由于城市發(fā)展通過(guò)改變了城市建成區(qū)下墊面輻射特性，致使地氣感熱通量增加，潛熱通量減少，白天吸收（反射）的太陽(yáng)輻射增多（減少），夜晚發(fā)射的地面長(zhǎng)波輻射增加，近地面氣溫升高，夜間氣溫上升尤其明顯，即產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)；城市區(qū)域高強(qiáng)度的人為熱釋放也增加了建成區(qū)夜間變暖幅度。

3 小結(jié)與討論

基于線性傾向估計(jì)研究了湖南省1961—2020年的9 個(gè)極端溫度指數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)，并分析了湖南城市化進(jìn)程對(duì)極端氣候指數(shù)的影響。主要結(jié)果如下。

1）在平均溫度上升趨勢(shì)的背景下，1961—2020年間湖南省極端冷事件整體呈下降趨勢(shì)，極端暖事件呈上升趨勢(shì)。

2）城市化對(duì)氣溫影響較大，導(dǎo)致城市站點(diǎn)暖事件明顯多于鄉(xiāng)村站點(diǎn)，冷事件則明顯少于鄉(xiāng)村站點(diǎn)。

3）相對(duì)于最高氣溫，城市化對(duì)最低溫度造成影響更大。城市化對(duì)以最低氣溫為基礎(chǔ)的極端指數(shù)變化均有正貢獻(xiàn)，其中對(duì)城市站點(diǎn)的貢獻(xiàn)率為5.7%～29.4%；對(duì)全省的貢獻(xiàn)率較小，為0.9%～5.9%。

4）2011 年后湖南城市站點(diǎn)陸續(xù)遷往城郊，為去除遷站影響，計(jì)算城市化對(duì)極端氣溫指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率時(shí)僅用了1961—2010 年的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可能導(dǎo)致貢獻(xiàn)率被低估。

5）由于國(guó)家級(jí)氣象站擁有長(zhǎng)序列的完整氣候資料，在開(kāi)展諸如宜居城市（縣城）評(píng)估等氣候應(yīng)用服務(wù)工作時(shí)，所用資料往往采用的是國(guó)家站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)；而國(guó)家站站址大都位于城市中心或近郊，在開(kāi)展年高溫、低溫日數(shù)、人體舒適度等相關(guān)指標(biāo)評(píng)估時(shí)，應(yīng)充分考慮城市化的影響，根據(jù)實(shí)際情況選擇與評(píng)估區(qū)域臨近的區(qū)域氣象站對(duì)國(guó)家站計(jì)算得到的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行訂正，從而得到更加合理的結(jié)果。