張小玲 , 劉夢娜 , 青 泉 , 鄧中慈 , 華 明 , 張映豪

（1. 成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225；2. 成都平原城市氣象與環(huán)境四川省野外科學觀測研究站，成都 610225；3. 四川省氣象臺/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都610072；4. 四川省成都市氣象局，成都 610072；5. 中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710082）

引言

近年來，全球變暖問題越發(fā)受到社會各界的關注，2019年世界氣象組織發(fā)布的《2018年全球氣候狀況聲明》提到：2015~2018年是自有氣溫記錄以來最熱的四年，其中2015~2016年遭遇了21世紀以來最強的厄爾尼諾現象，導致全球臺風和雨帶異常，直接導致了多起超強臺風侵襲事件。有研究表明，全球變暖對極端氣候事件的發(fā)生有顯著影響。與氣候基準值相比，當全球增暖2 ℃時，RCP4.5情景下青藏高原霜凍日數和冰封日數呈減少趨勢，而暖夜日數和暖日日數呈增多趨勢，中雨日數、強降水量、降水強度均增加，持續(xù)干期天數減少[1]。杜海波[2]分析指出在未來不同情景下，東北地區(qū)的降水和溫度都呈現顯著的增加趨勢，極端最高溫度和極端最低溫度分別為增多和減少趨勢。鄭祚芳等[3]對北京地區(qū)的研究表明，與溫度相關的極端天氣事件的變化與區(qū)域氣候變暖關系密切。近半個世紀以來，隨著我國各地年平均地面氣溫的升高，熱浪強度和頻率呈上升趨勢，20世紀80年代以后上升幅度較大[4]。楊萍等[5]研究發(fā)現，近40 a我國冷日指數和暖日指數具有不對稱性，冷夜指數和暖夜指數具有較強的對稱性。曹永強等[6]研究發(fā)現，近50 a遼寧省的極端高溫事件呈上升趨勢，極端低溫事件呈下降趨勢。

關于城市化進程對區(qū)域氣候變暖的影響已經有諸多研究。Stott[7]將觀測到的溫度變化同模擬的溫度變化進行比較。Sun等[8]對我國華東地區(qū)的研究發(fā)現，極端溫度變化的影響因素中，由于人類活動所導致的影響占到了60%以上。Kim等[9]運用多模式氣候模擬，對極端溫度變化進行歸因分析后也肯定了人類活動對區(qū)域極端溫度變暖的貢獻。城市化作用使年平均氣溫與年極端最低氣溫明顯增暖，這種都市化增暖效應隨著城市人口增長而更加明顯[10]。同時，城市化加劇了冷指數日數的減少和暖指數日數的增加，使最低氣溫的極值明顯升高[11]。任玉玉等[12]在綜述城市化對地面氣溫變化趨勢影響中指出，因城市化所致熱島效應增強對平均氣溫以及最低氣溫增溫趨勢的貢獻均超過10%，對溫度日較差下降趨勢的貢獻超過20%。另外，城市熱島效應不僅影響夏季高溫分布，也使得高溫強度明顯增大[13]，特別是夜間更為顯著的熱島效應使得城區(qū)夜晚降溫變緩，導致城市居民在白天和夜晚經歷持續(xù)的高強度熱脅迫[13-14]。城市化對氣溫變化以及分布的影響在冬、春季比夏、秋季更顯著[15]。Smoyer等[16]研究表明城市熱島效應以及極端氣溫事件的頻發(fā)，可能會導致城市居民疾病發(fā)病率和死亡率的上升，造成城市居民比非城市居民面臨著更大的風險。

自1990年以來，成都市一直在經歷快速的經濟增長和城市化進程?？焖俚某鞘谢M程使極端氣溫風險大大增加[17-19]。城市化的擴張、人口增長以及機動車保有量的增加，改變了土地利用和土地覆蓋，增加了不透水地表面積和人為熱排放，使得城市地表溫度異常變化隨之增強[20]。但針對成都地區(qū)快速發(fā)展的城市化進程中極端氣溫事件以及城市化影響的作用研究相對滯后，亟待加強。因此，本文擬利用長時間地面氣溫的觀測資料，分析成都地區(qū)的極端氣溫事件以及城市化影響貢獻率，以期為認識氣候變暖背景下城市化發(fā)展的影響以及制定相應的減緩措施提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文選取了1960~2018年成都地區(qū)13個地面常規(guī)氣象站逐日的氣溫數據（包括日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫），數據來源于四川省氣象臺。由于簡陽市2016年才并入成都，本文沒有考慮簡陽市。

1.2 研究方法

1.2.1 極端氣溫指數定義

對于極端氣溫事件的定義，采取了兩種方法，分別是絕對閾值法和百分比閾值法。絕對閾值法是指選取某一固定值作為極端事件中極值的閾值，我國通常將日最高溫度在35℃以上的日數作為高溫日數，將日最低溫度低于0℃的日數作為霜凍日數。百分比閾值法參考定義的極端溫度指數概念[21]，即分別將單個站點1960~2018年中同日的最高溫度和最低溫度進行排序，取該日第95%（5%）分位的溫度值作為極端高溫事件、極端低溫事件的上（下）閾值，由此得到暖日指數、冷日指數、暖夜指數、冷夜指數四類指數。選取一年內的最低氣溫和最高氣溫定義為年內日最低氣溫和年內日最高氣溫。具體定義見表1。

表1 極端氣溫指數定義

1.2.2 城市化影響定義

城市化影響指極端氣溫指數線性趨勢中城市熱島效應因素導致的變化[22]，用 ΔXur表示，即：

式中：Xu為 城區(qū)站極端氣溫指數的變化趨勢；Xr為 郊區(qū)站極端氣溫指數的變化趨勢。

城市化影響貢獻率是指通過顯著性檢驗的城市化影響在極端氣溫指數趨勢變化中所占的比率，用Eu表示，即：

1.2.3 分析方法

本文主要利用統(tǒng)計方法對逐日氣溫以及極端氣溫指數進行分析，對于空間分布特征及圖形處理是利用ArcGIS軟件，使用反距離加權平均的方法進行插值處理和繪圖分析。采用基本擬合的方法對氣溫指數和極端氣溫指數進行擬合處理，以此分析年際變化，并使用t檢驗法對線性趨勢進行顯著性水平檢驗。線性傾向估計，即建立氣候變量與時間序列之間的一元線性關系：

式中：a為 線性回歸常數；b為 線性傾向系數，Xi與Ti相對應；i=1,2,3...,n；n為樣本量。

2 極端氣溫時空變化特征

2.1 平均氣溫時空分布

由于山脈、海拔等地理因素的影響，成都地區(qū)地面氣溫具有明顯的空間差異（圖1），即西北部氣溫低于東南部。從平均氣溫空間分布看，位于東部地區(qū)的金堂平均氣溫最高，多年平均約為17℃，新津、邛崍也是成都市多年平均氣溫的高值中心；西北部都江堰平均氣溫最低，約為15℃，另外彭州、郫縣、溫江等地氣溫也相對偏低。

圖1 1960~2018年成都地區(qū)年平均氣溫空間分布

圖2為成都地區(qū)1960~2018年平均氣溫距平時間序列。如圖所示，1997年以前，成都地區(qū)年平均氣溫基本為負距平，尤其是1976年和1984年距平值達到-0.84℃；20世紀80年代成都地區(qū)年平均氣溫普遍低于多年平均值；1997年以后，成都地區(qū)年平均氣溫距平以正距平為主，其中2006年氣溫距平值最高（0.9℃），2000、2011和2014年氣溫接近多年平均值。

圖2 1960~2018年成都地區(qū)年平均氣溫距平時間變化特征

2.2 極端氣溫空間分布

2.2.1 絕對閾值法定義的極端氣溫空間分布

圖3是成都地區(qū)1960~2018年極端氣溫的多年平均空間分布。從年內日最低氣溫場（圖3a）可知，溫江、郫縣、彭州、大邑等站點的年內日最低氣溫最低，達到-3℃以下，都江堰的最低氣溫為-2.5℃左右；蒲江、新津、金堂的年內日最低氣溫最高，在-2℃以上。從年內日最高氣溫場（圖3b）看出，金堂、新津均為成都地區(qū)的日最高氣溫高值區(qū)，平均接近36℃，而低值區(qū)則出現在都江堰。

圖3 1960~2018年成都地區(qū)極端氣溫多年平均空間分布（a. 年內日最低氣溫、b. 年內日最高氣溫）

圖4是成都地區(qū)1960~2018年霜凍日數和高溫日數的空間分布。如圖4a所示，1960~2018年成都地區(qū)平均每年發(fā)生極端低溫事件最多的地區(qū)是在溫江，每年霜凍日數達到13 d，郫縣、彭州也在12 d以上；最少則是在蒲江、新津、金堂等站，每年霜凍日數不足6 d。如圖4b所示，高溫日發(fā)生最多的區(qū)域位于金堂，每年基本能達到5 d，都江堰極少出現極端高溫天氣。

圖4 1960~2018年成都地區(qū)多年平均霜凍日數（a）、高溫日數（b）空間分布

2.2.2 百分比閾值法定義的極端氣溫空間分布

從4個極端氣溫指數強度的空間分布（圖5）可以看出：冷日指數強度與冷夜指數強度最大值均位于都江堰，暖日指數和暖夜指數強度最大值分別位于金堂和雙流；其中，冷日指數強度區(qū)域差異顯著，冷夜指數強度分布則相對均衡。

圖5 1960~2018年成都地區(qū)多年平均極端氣溫指數強度空間分布（ a. 冷日指數，b. 暖日指數，c. 冷夜指數，d. 暖夜指數）

2.3 極端氣溫年際變化

2.3.1 絕對閾值法分析極端氣溫的年變化

圖6a給出了1960~2018年成都地區(qū)霜凍日數、高溫日數的變化趨勢和線性擬合結果。如圖所示，成都地區(qū)霜凍日數波動十分劇烈，高峰與低谷交錯出現；高溫日數在1960~1995年幾乎為0，1995年以后高溫日數迅速增多，2006年出現超過13 d的極大值，2017年有近11 d出現高溫；霜凍日數呈逐年下降的趨勢，氣候傾向率約為-0.13 d/a；高溫日數總體呈現上升趨勢，氣候傾向率約為0.09 d/a，尤其是近20 a高溫日數增加顯著。

圖6b給出了1960~2018年成都地區(qū)年內日最低氣溫、年內日最高氣溫的變化趨勢和線性擬合結果。如圖所示，1960~2018年成都地區(qū)年內日最低氣溫和年內日最高氣溫均呈顯著增大趨勢，其中日最高氣溫比日最低氣溫增長更為迅速，與近年來極端高溫事件顯著增多和整體氣溫呈現增長趨勢一致；值得注意的是，年內日最低氣溫出現了幾個顯著的極低值，分別在1975、1991和2016年，表明這三年成都冬季出現極端低溫現象較多；年內日最高氣溫的極大值出現在2016年，說明該年發(fā)生極端高溫事件的頻率比較大。

圖6 1960~2018年成都地區(qū)霜凍日數、高溫日數（a）和年內日最低氣溫、年內日最高氣溫（b）的逐年變化

成都地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，多云和霧，日照時間短，雨水豐富，空氣濕度大。因此，夏天雖然異常悶熱，但氣溫不高（最高溫度一般不超過35℃），高溫日的通用定義對于成都的極端溫度研究意義不大。因此，本文分別以34℃、33℃、32℃作為高溫日閾值研究成都地區(qū)日最高氣溫的年際變化及線性擬合趨勢，結果如圖7所示。對比可知，以32℃為閾值定義極端高溫日時，日最高氣溫變化趨勢最為顯著。1980~1990年成都地區(qū)的極端高溫日數均有明顯的下降，1994年以后極端高溫日數呈顯著增加趨勢。尤其是2007年，不管是以哪個溫度作為高溫日絕對閾值的定義，高溫日數均異常偏多，超過34℃、33℃、32℃的高溫日數分別為25 d、43 d和57 d。

圖7 成都地區(qū)日最高氣溫分別高于34℃、33℃、32℃的多站平均日數

2.3.2 百分比閾值法分析極端氣溫的年變化

根據表1對極端氣溫指數的定義，計算得到成都地區(qū)冷日指數、暖日指數、冷夜指數及暖夜指數的變化趨勢和線性擬合結果（圖8）。如圖所示，冷日指數和冷夜指數均呈下降趨勢，而暖日指數和暖夜指數均呈上升趨勢，此結論與周亞清等[11]對華北地區(qū)極端氣溫的研究以及羅玉等[23]對西南地區(qū)極端氣溫變化趨勢的研究結論一致。從這4個極端氣溫指數的變率分析可知：成都地區(qū)晝夜極端溫差有增大的趨勢，暖日愈暖、冷夜愈冷，極端氣溫事件的發(fā)生頻率增多，極端氣溫和氣候變化對于生產生活的影響可能也會愈發(fā)明顯。

圖8 1960~2018年成都地區(qū)冷日指數、暖日指數（a）和冷夜指數、暖夜指數（b）的逐年變化

3 城市化發(fā)展及其對極端溫度的貢獻

3.1 成都地區(qū)各區(qū)縣人口與經濟發(fā)展情況

根據成都市統(tǒng)計局公布的統(tǒng)計數據，成都地區(qū)地面常規(guī)氣象站所在的13個區(qū)縣（由于成都中心城區(qū)沒有常規(guī)的連續(xù)觀測數據，因此沒有考慮中心城區(qū)）的社會經濟發(fā)展數據，利用2008年和2018年的數據計算得到了近10 a成都地區(qū)13個區(qū)縣的地區(qū)生產總值增長率以及人口增長率（圖9）?？傮w上，人口增長與經濟增長有比較好的對應關系。其中，龍泉驛區(qū)平均地區(qū)生產總值的增長速度（108.41億元/a）和年末戶籍總人口的增長速度（13390.5人/a）分別位居首位與次席；雙流區(qū)的戶籍人口增長速度最大（36804.0人/a）；崇州市、邛崍市以及大邑縣近10 a人口增長為負值，地區(qū)生產總值增速也僅為20億元/a；蒲江縣的經濟增長速度最為緩慢。本文根據這2個指標近10 a的增長速度對比，篩選出代表城區(qū)和郊區(qū)的幾個站點。將增長速度位于前5名的龍泉驛區(qū)、新都區(qū)、雙流區(qū)、郫都區(qū)、溫江區(qū)五個區(qū)縣作為城區(qū)代表站；而將增長速度緩慢的蒲江市、大邑縣、邛崍市、崇州市作為郊區(qū)代表站。

圖9 成都市13個區(qū)縣2008~2018年地區(qū)生產總值增長率與戶籍總人口增長率

3.2 成都地區(qū)城區(qū)與郊區(qū)氣溫變化趨勢

根據篩選出的城區(qū)站和郊區(qū)站，計算得到城區(qū)和郊區(qū)年平均氣溫距平以及擬合曲線（圖10）。如圖所示，城區(qū)站與郊區(qū)站的平均氣溫均呈升高趨勢，城區(qū)站平均氣溫增長率明顯高于郊區(qū)站，這表明城市化的快速發(fā)展對溫度的影響顯著。

圖10 成都地區(qū)1980~2018年城區(qū)和郊區(qū)站平均氣溫距平

圖11為成都地區(qū)1980~2018年城區(qū)站和郊區(qū)站最低氣溫、最高氣溫距平及擬合曲線。如圖所示，近40 a最低氣溫、最高氣溫均呈明顯上升的趨勢。城區(qū)站最低氣溫上升趨勢更明顯，且氣溫升高的速率明顯高于郊區(qū)站，城區(qū)和郊區(qū)最低氣溫距平的變化趨勢與平均氣溫的趨勢基本一致。城區(qū)站與郊區(qū)站最高氣溫的變化差異并不明顯，均呈現上升趨勢，2015年以后，城區(qū)站的最高氣溫距平高于郊區(qū)站。

圖11 成都地區(qū)1980~2018年城區(qū)站和郊區(qū)站最低氣溫（a）、 最高氣溫（b）距平及擬合曲線

圖12給出了成都地區(qū)1980~2018年城區(qū)站和郊區(qū)站極端氣溫指數距平及擬合曲線。就冷日指數和冷夜指數來看（圖12a、b），城區(qū)站與郊區(qū)站均呈減少趨勢；城區(qū)冷日指數的減少速率略大于郊區(qū)，冷夜指數表現出相似的特征，且更為顯著；2008年以前，城區(qū)冷夜指數普遍高于郊區(qū)冷夜指數。就暖日指數和暖夜指數（圖12c、d）來看，城區(qū)站與郊區(qū)站均呈增加趨勢，城區(qū)暖夜指數的增加速率高于郊區(qū)；2010年以后，城區(qū)暖夜指數明顯大于郊區(qū)暖夜指數，2015年以后尤其顯著。

圖12 成都地區(qū)1980~2018年城區(qū)站和郊區(qū)站極端氣溫指數距平及擬合曲線（ a. 冷日指數 ，b. 冷夜指數，c. 暖日指數 ，d. 暖夜指數）

3.3 城市化對極端氣溫的貢獻

采用線性傾向估計的方法分別計算得到城區(qū)和郊區(qū)氣溫以及極端氣溫指數的線性趨勢，使用T檢驗法進行顯著性檢驗，并計算城市化對4類極端氣溫指數的影響和貢獻率（對于未通過顯著性檢驗的量，不計算城市化影響貢獻率）。表2為1980~2018年成都地區(qū)極端氣溫指數的線性趨勢及城市化影響貢獻率?？梢钥吹?，城市化對于最低氣溫、冷夜指數的影響貢獻率較大，分別達到了34.00%和45.81%；對暖夜指數的貢獻率為26.88%；對最高氣溫的貢獻率較?。涣硗猓鞘谢瘜ε怪笖涤姓暙I，對冷夜指數有負貢獻。

表2 1980~2018年成都地區(qū)極端氣溫指數線性趨勢及城市化影響

4 結論

本文利用成都地區(qū)1960~2018年地面氣溫觀測數據，分別使用絕對閾值法和百分比閾值法定義的極端氣溫事件，揭示了極端氣溫的時空變化特征和變化趨勢，并分析了近40 a城市化對極端氣溫變化的貢獻，得到如下結論：

（1）成都地區(qū)的地面氣溫分布具有明顯的空間差異，東部的金堂、新津是明顯的溫度高值區(qū)，高溫事件的發(fā)生頻率也高；西北部的彭州、郫縣、都江堰則相反，霜凍日數較多、高溫日數較少，年內日最低與年內日最高氣溫也表現出明顯的低值現象。

（2）1960~2018年成都地區(qū)整體氣溫呈上升趨勢，1997年前后氣溫有一個明顯的突變。1997年以前成都地區(qū)的年平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫距平基本為負值；1997年以后，成都地區(qū)的年平均氣溫距平基本為正距平，且距平值有逐漸增大的趨勢。

（3）1960~2018年成都地區(qū)的極端氣溫具有明顯的年際變化。霜凍日數逐漸減少，高溫日數逐漸增多，整體氣溫呈現上升趨勢，極端高溫事件增多明顯。成都地區(qū)冷日指數以及冷夜指數均呈現下降趨勢，而暖日指數以及暖夜指數均呈現上升趨勢。

（4）1980~2018年成都地區(qū)城區(qū)站平均氣溫和最低氣溫的增長率都明顯高于郊區(qū)站，城區(qū)站的冷日指數和冷夜指數的減少速率大于郊區(qū)站，且城區(qū)站的暖夜指數的增加速率明顯高于郊區(qū)站。城市化對城區(qū)的平均氣溫和最低氣溫的增暖效應有明顯影響，對最高氣溫的貢獻不明顯。成都地區(qū)城市化對最低氣溫、冷夜指數和暖夜指數的貢獻率分別為34.00%、45.81%和26.88%。