劉志杰，王 靜，于 紅

（天津市西青區(qū)氣象局 天津 300380）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的深入發(fā)展，天津城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，由此引起的熱島效應(yīng)逐漸加劇。以往研究已表明，城市發(fā)展使得熱島效應(yīng)加強，天津年平均氣溫不斷升高，且城區(qū)明顯高于郊區(qū)，冬春兩季增溫明顯［1］。精細(xì)化分析顯示，天津主城區(qū)熱島效應(yīng)向四周輻射，熱島強度冬季最強，夜間較白天明顯［2］。城市化也使得市區(qū)濕度下降、風(fēng)力減弱，從而成為明顯的干島和污濁島［3-4］。此外，天津地區(qū)因其鄰近渤海的地理位置，也常受到海陸風(fēng)的影響，熱島環(huán)流疊加海風(fēng)環(huán)流可改變中小尺度系統(tǒng)位置和強度，從而直接影響局部地區(qū)對流性降水［5］。

作為毗鄰市區(qū)的西郊地區(qū)，西青區(qū)局地氣候也必然受到天津城區(qū)及外圍城市化的影響，但單獨針對西青地區(qū)的研究尚未深入開展，研究尺度也不夠精細(xì)。本文擬以西青街鎮(zhèn)一級氣象站點逐時觀測資料為基礎(chǔ)，對比不同下墊面區(qū)域各類要素均值和極值差異特征，探究城市化對近郊西青天氣氣候的影響。

1 數(shù)據(jù)資料

本研究選用西青國家站和各街鎮(zhèn)自動站逐時觀測氣溫、小時最高最低氣溫、小時降水量、平均風(fēng)速和極大風(fēng)速資料，并分析氣溫、降水和風(fēng)速3類要素的均值和極值在月份和小時尺度上的差異。對西青區(qū)現(xiàn)有4街7鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，除津門湖街外，其余街鎮(zhèn)各選取一個氣象站作為代表站點。由于津門湖街成立不久，觀測資料積累不足，所以暫不予以考慮。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行基本質(zhì)控，異常數(shù)據(jù)按缺測處理。

此外，下墊面分布選取自然資源部研制的30 m空間分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand 30［6］，該數(shù)據(jù)于2020年更新發(fā)布，可較好地反應(yīng)西青實際下墊面分布。GlobeLand 30數(shù)據(jù)包括10個一級類型，西青區(qū)域主要涉及4類，分別是耕地、草地、水體和人造地表。

2 西青地區(qū)下墊面分布特征

西青區(qū)位于天津市區(qū)西南部，總體呈西北-東南狹長走向，南北長48 km，東西寬11 km。鑒于熱島強度與城鄉(xiāng)站選擇密切相關(guān)［7］，本文首先基于GlobeLand 30資料對西青下墊面進(jìn)行分析。資料顯示，西青區(qū)下墊面主體由人造地表和耕地組成，耕地面積略多于人造地表，其中毗鄰市區(qū)的街鎮(zhèn)多以人造地表為主，體現(xiàn)出了城市擴(kuò)展帶來的影響，而遠(yuǎn)離城區(qū)的街鎮(zhèn)多以耕地為主，間或有草地或水體覆蓋。通過分析西青區(qū)各街鎮(zhèn)自動站所處位置，結(jié)合下墊面分布特征，將各街鎮(zhèn)自動站類型標(biāo)出（表1），并按下墊面類型分為鄉(xiāng)村站（耕地、草地）及城鎮(zhèn)站（人造地表），各包含6個站點。

表1 西青各街鎮(zhèn)氣象站所屬下墊面分類Tab.1 Classification of underlying surface of Xiqing street/township meteorological stations

3 城市化對西青各類氣象要素的影響

3.1 城市化對氣溫的影響

西青區(qū)各站多年平均逐月氣溫顯示（圖1），全年平均氣溫在7月份最高，1月份最低，城鎮(zhèn)氣溫明顯高于鄉(xiāng)村，平均差值0.8 ℃。城鄉(xiāng)溫差表現(xiàn)出了一定的年變化特征，其中冬季＞秋季＞春季＞夏季。最高氣溫極值和最低氣溫極值表現(xiàn)為類似特征，但最高氣溫極值在6月最高，城鄉(xiāng)差異整體偏弱，僅為0.5 ℃，且夏季差異最為明顯，最低氣溫極值城鄉(xiāng)差異則整體偏強，平均能達(dá)1.5 ℃以上。

圖1 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站逐月平均氣溫（a）、最高氣溫極值（b）、最低氣溫極值（c）差異Fig.1 Monthly average temperature（a）, maximum air temperature extreme value（b）, minimum air temperature extreme value（c） and their differences at Xiqing urban and rural meteorological stations

逐時氣溫顯示（圖2），日平均氣溫在清晨06時最低，15時最高。城鎮(zhèn)氣溫全天均高于郊區(qū)站，平均溫差可達(dá)0.81 ℃（表2），且在夜間20時到次日06時差異明顯達(dá)1 ℃以上。其中最大溫差出現(xiàn)在05時，達(dá)1.26 ℃；最小溫差出現(xiàn)在16時，僅為0.24 ℃。小時最高氣溫極值分布特征與平均氣溫相似，但下午差異幅度偏大；最低氣溫差異僅在后半夜明顯，03—09時溫差可達(dá)1 ℃以上，體現(xiàn)出了城市化的影響。

圖2 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站逐時平均氣溫（a）、最高氣溫極值（b）、最低氣溫極值（c）Fig.2 Hourly average temperature（a）, maximum air temperature extreme value（b） and minimum air temperature extreme value（c） at Xiqing urban and rural meteorological stations

表2 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站各類氣象要素均值及極值Tab.2 Mean and extreme values of various meteorological elements at Xiqing urban and rural meteorological stations

3.2 城市化對降水的影響

城市化一方面可使得近地面粗糙度增大，導(dǎo)致氣流抬升、繞流現(xiàn)象明顯，能夠改變中小尺度流場分布；另一方面可使得城區(qū)中心熱量增多、不穩(wěn)定增強、上升作用明顯，這些都對雨區(qū)位置和強度有一定影響［8］。天津地處渤海之濱，地形地貌獨特，熱島環(huán)流和海陸風(fēng)交互影響，特別是天津繞城熱島環(huán)流能夠減弱城區(qū)風(fēng)速，以及增強向島氣流輻合和抬升運動，使得城區(qū)降雨增多。

然而西青地區(qū)觀測資料卻顯示，本地月平均降雨量城鄉(xiāng)間無明顯差異。小時平均降雨量存在一定的日變化，其在后半夜01—03時、早晨07時雨量顯著偏多，上午10—12時雨量偏少，城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村站降雨量差異不明顯（表2、圖3）。小時最大降雨量呈現(xiàn)類似特征，表明西青雨量分布與城鄉(xiāng)差異無明顯對應(yīng)關(guān)系，具體影響需結(jié)合實際降雨過程綜合分析。

圖3 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站逐時平均降水量（a）及最大降水量極值（b）Fig.3 Hourly average precipitation（a） and maximum precipitation extreme value（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

3.3 城市化對風(fēng)速的影響

從風(fēng)速分布看，西青城鄉(xiāng)平均風(fēng)速均在春季最大，秋季最小，城鄉(xiāng)差異也表現(xiàn)出相同特征，春季城鄉(xiāng)平均風(fēng)速差值可達(dá)0.6 m/s以上，體現(xiàn)出城市化對風(fēng)速減弱的作用（圖4）。大風(fēng)極值鄉(xiāng)村站在夏季6—8月偏大，致使城鄉(xiāng)差異也在夏季最為明顯，平均可達(dá)3 m/s以上。夏季中小尺度強對流活動多發(fā)，易形成強烈的局地風(fēng)暴天氣，而城區(qū)粗糙下墊面對中小尺度天氣影響作用明顯，這可能是導(dǎo)致鄉(xiāng)村站夏季大風(fēng)極值偏高和城鄉(xiāng)差異偏大的主要原因。

圖4 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站逐月平均風(fēng)速（a）及最大風(fēng)速極值（b）Fig.4 Monthly average wind speed（a） and extreme value of maximum wind speed（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

小時尺度上，西青地區(qū)平均風(fēng)速存在顯著日變化特征，其在午后12—15時偏大、凌晨03—06時偏?。▓D5）。城鄉(xiāng)風(fēng)速差異顯著（表2），城鎮(zhèn)風(fēng)速全天均明顯弱于鄉(xiāng)村，且差值在中午前后更為明顯，達(dá)0.6 m/s以上。大風(fēng)極值在前半夜相對偏大，可能與前半夜強對流活動多發(fā)有關(guān)。城鄉(xiāng)差異中午前后也更為明顯，11—15時差值均超過2.5 m/s。

圖5 西青城鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村氣象站逐時平均風(fēng)速（a）及最大風(fēng)速極值（b）Fig.5 Hourly average wind speed（a） and extreme value of maximum wind speed（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

4 結(jié)論和討論

①城市化使得西青區(qū)城鄉(xiāng)氣溫呈現(xiàn)明顯差異，且表現(xiàn)出一定的年變化特征，冬季＞秋季＞春季＞夏季，最高氣溫極值城鄉(xiāng)差異整體偏弱，夏季最為明顯，最低氣溫極值城鄉(xiāng)差異則整體偏強。城鎮(zhèn)氣溫在夜間明顯高于鄉(xiāng)村，最大溫差出現(xiàn)在清晨05時左右。相對于平均氣溫，最高氣溫極值城鄉(xiāng)差異在下午偏大，最低氣溫差異僅在后半夜明顯。

②西青城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村站逐月和逐時降雨量無明顯差異，其中小時平均降雨量和最大降雨量極值存在一定日變化特征，在后半夜及早晨雨量偏多，上午雨量偏少。

③西青城鄉(xiāng)平均風(fēng)速及其差異均在春季最大、秋季最小。大風(fēng)極值城鄉(xiāng)差異則在夏季6—8月最大，城鎮(zhèn)較鄉(xiāng)村風(fēng)速偏弱，平均可達(dá)3 m/s以上。城鄉(xiāng)平均風(fēng)速及最大風(fēng)速均存在顯著日變化特征，午間城鄉(xiāng)平均風(fēng)速及最大風(fēng)速差異最為明顯。