烏魯木齊城市化進程對局地氣候變化的影響研究

韓文堂，陳學剛*，孫蓉花

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，新疆烏魯木齊 830054）

烏魯木齊城市化進程對局地氣候變化的影響研究

韓文堂1，2，陳學剛1，2*，孫蓉花1，2

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室，新疆烏魯木齊 830054）

利用1976—2014年烏魯木齊城區和郊區兩個氣象站的氣溫、降水、相對濕度和風速氣象數據及1995—2014年烏魯木齊市城市發展數據，運用線性趨勢對比分析城區和郊區各氣候要素的年際變化特征；采用相關分析法對城市化因子和氣候要素進行了探討。結果表明：城、郊區氣溫均呈明顯的上升趨勢，城區的年均氣溫高于郊區；城區降水量是郊區的3.93倍，增長速率是郊區的3.98倍；各年代城區相對濕度比郊區大，但呈下降趨勢，郊區呈上升趨勢；各年代郊區風速大于城區，郊區風速約為城區的2.35倍，均呈下降趨勢。近20 a，烏魯木齊城市化進程加快，對局地氣候影響明顯，其中對平均氣溫和相對濕度的影響最為顯著。

城市化；氣候變化；相關分析法；烏魯木齊

城市是人類活動的集中表現，快速的城市化在促進經濟發展和社會進步的同時，對城市自然生態環境產生深刻的影響，特別是對城市氣候環境的影響。氣候變化在很大程度上嚴重威脅著城市的生態環境及人們的生存條件，也逐步成為地區經濟可持續發展的突出障礙。因此，城市發展和人類活動對氣候的影響成為學者、管理者和民眾關注的焦點。IPCC第五次評估報告明確指出：人類活動是20世紀中期以來全球氣候變暖的主因，在過去的130 a，全球升溫0.85℃，21世紀末期及以后時期的全球氣候變化主要取決于累積CO2排放[1]。1833年，英國氣候學家賴克·霍華德[2]對倫敦城、郊區的氣溫進行同時間的對比觀測后，發現城區氣溫高于郊區氣溫，并在《倫敦的氣候》一書中首次提出“熱島效應”。這是人類關注城市氣候研究的開端。隨著我國城市化進程不斷加快，我國學者分別對北京[3]、上海[4]、鄭州[5]、南京[6]、西安[7]等大城市的氣溫進行了分析研究。普遍認為城市人口劇增、下墊面結構變化、溫室氣體排放是城市氣溫升高的主導因子。除此之外，城市化對降水、濕度、風速等氣候要素有深遠的影響。朱焱等[8]利用1970—2007年蘇州城市及近郊氣象站觀測資料，結合Landsat5衛星反演資料，統計分析城市化進程對蘇州區域氣候變化的影響，認為隨著城市化進程的加快，城、郊區氣溫均有明顯上升趨勢，相對濕度呈下降趨勢。劉鈺等[9]分析了銀川近20 a各氣候要素變化和城市發展的關系，認為城市發展使城區風速、相對濕度呈顯著下降趨勢。近年來，隨著城市化進程不斷加快，在規模上，中、小型城市氣候變化的研究日益增多[10，11]。

烏魯木齊地處歐亞大陸腹地、天山中段北麓、準噶爾盆地南部，三面環山，屬于典型的溫帶大陸性氣候，作為新疆維吾爾自治區的首府、絲綢之路經濟帶核心節點，近20 a，隨著城市人口不斷增加，城區面積不斷擴大，城市氣候效應日趨明顯。眾多學者[12，13]對烏魯木齊氣候變化進行了研究，但主要是對氣候要素變化特征分析，而有關城市化和城市氣候變化關系的研究鮮有報道。本文基于歷史氣象監測數據和城市發展數據，采用統計分析方法，揭示城市化進程對氣候環境的影響，為城市環境保護和生態建設提供有利的參考。

1 資料和方法

1.1 數據資料

選取中國氣象數據網提供的1976—2014年烏魯木齊站和達坂城站共計39 a的氣溫、年降水量、相對濕度和風速4個氣候要素監測資料。烏魯木齊站監測值代表城區氣象監測數據，達坂城站監測值代表郊區氣象監測數據。烏魯木齊站1951年始建于建國路郊外（87°37′E，43°47′N），自建站后經歷了4次遷站，1960年11月1日—1975年12月31日在烏魯木齊西郊機場（87°28′E，43°54′N），位于郊區，1976年1月1日遷至烏魯木齊市幸福路27號（87° 37′E，43°47′N），2000年1月1日遷至烏魯木齊市建國路97號（87°39′E，43°47′N），最后兩次遷站均位于城區，且水平距離約1 km，均能代表城市氣象監測數據。

選取《烏魯木齊統計年鑒2015》提供的1995—2014年烏魯木齊市非農業人口占總人口的比重（%）、非農業人口（萬人）、人均GDP（元）、第三產業生產總值（億元）、第三產業占GDP的比重（%）、人均道路鋪裝面積（m2）、建成區園林綠地面積（hm2）、萬人擁有公交車輛數（標臺）、建成區面積（km2）、工業廢水年排放量（萬噸）10項指標來反映城市化進程。

1.2 研究方法

采用線性趨勢分析法對城區、郊區兩站各氣候要素的年際變化特征進行分析；選取烏魯木齊市既能體現城市發展，又能對氣候變化產生影響的10個因子，用對數連乘法求出能夠體現城市化進程的綜合參數值，最后采用相關分析法對城市化因子和氣候要素進行分析，探討城市化進程對氣候要素的影響。數據分析在Excel 2003、SPSS 21.0軟件中完成。

2 結果分析

2.1 烏魯木齊市城區、郊區氣候時空變化特征

2.1.1 氣溫變化

圖1為烏魯木齊城區、郊區1976—2014年間氣溫變化趨勢圖。從圖1中發現，兩站點年平均氣溫的年際變化趨勢類似，總體呈上升趨勢，城區增溫趨勢明顯大于郊區，氣候傾向率城區為0.49℃/10 a，郊區為0.22℃/10 a，增長趨勢均通過0.01顯著性檢驗。城區和郊區的多年平均氣溫分別為7.25℃和6.85℃，溫度之差為0.4℃。從年代際變化來看，20世紀70年代中期到80年代后期，兩站點氣溫差值較小，幾乎趨于一致，氣溫年際波動趨勢較大，20世紀90年代后，城區和郊區的氣溫均分別高于其多年平均值，氣溫升高迅速，均呈波動上升趨勢，城區氣溫增幅較大，兩站點氣溫差距逐漸增大，1997年城區出現極大值8.8℃。

圖1 溫度年際變化趨勢

2.1.2 降水量變化

1976—2014年，兩站點年降水量均呈上升趨勢（圖2），城區年降水量增長趨勢較顯著，增長率為14.21 mm/10 a，郊區為3.57 mm/10 a，增長趨勢均通過0.01的顯著性檢驗。城區年均降水量為292.5 mm，最大值出現在2007年（419.5 mm），最小值出現在1997年（159.8 mm），年均降水量約為郊區（74.39 mm）的3.93倍。兩站點降水量的年代際變化基本一致，80年代中期之前，兩站點降水量均低于其多年平均值，90年代初期城區降水量明顯增加，年際之間振幅加大，城區的降水量增加比郊區顯著，2000年以后兩站點降水量又略有減少。

圖2 降水量年際變化趨勢

2.1.3相對濕度變化

從圖3可以看出，過去39 a來城區年平均相對濕度呈下降趨勢，下降速度為0.98%/10 a，通過0.01顯著性檢驗，郊區年平均相對濕度呈上升趨勢，上升速度0.22%/10 a,未通過0.01顯著性檢驗。城區和郊區的多年平均相對濕度分別為57.41%和50.87%，各年代城區相對濕度比郊區大。從年代際變化來看，1976年到20世紀90年代中期，城區相對濕度總體高于其多年平均值，郊區相對濕度低于其多年平均值，90年代中期以后，城區相對濕度下降趨勢更加明顯，郊區相對濕度呈緩慢上升趨勢，城區相對濕度在1998年出現最低值51%，郊區相對濕度在2003年出現最大值55.58%，但仍低于同年城區相對濕度2.42%。

圖3 相對濕度年際變化趨勢

2.1.4 風速變化

圖4給出了1976—2014年城區和郊區風速變化趨勢。城、郊區兩站點年均風速均呈減小趨勢，風速減小速率分別為0.09 m·s-1/10 a、0.8 m·s-1/10 a，減小趨勢均通過了0.01顯著性檢驗。城區、郊區年均風速分別為2.4 m/s、5.66 m/s，郊區風速約為城區的2.35倍，且各年代城區風速均小于郊區。城區風速在1976—1979年、2000—2004年兩個階段明顯高于平均值，郊區風速年際變化明顯，可分為3個階段：風速偏大期（1976—1988年），風速緩慢減小期（1989—2004年），風速快速減小期（2005—2014年），這3個階段的風速呈階梯狀不斷遞減。

圖4 風速年際變化趨勢

2.2 烏魯木齊城市化水平評價

城市化是社會化大生產和規模經濟的必然結果，是一個國家或地區社會經濟發展的重要標志。2014年烏魯木齊人口城市化率雖已達73%，但僅用這一指標來反映城市發展水平還存在一定局限性。為了更全面地體現城市化水平，本文通過構建城市化綜合指標——城市化進程參數來體現烏魯木齊城市發展狀況。

選取《烏魯木齊統計年鑒》中既能體現城市發展，又能對氣候變化產生影響的10項因子：非農業人口占總人口的比重（x1）、非農業人口（x2）、人均GDP（x3）、第三產業生產總值（x4）、第三產業占GDP的比重（x5）、人均道路鋪裝面積（x6）、建成區園林綠地面積（x7）、萬人擁有公交車輛數（x8）、建成區面積（x9）、工業廢水年排放量（x10）。非農業人口占總人口的比重用來代表人口城市化水平，非農業人口用來代表城市規模，人均GDP用來代表城市經濟發展水平，第三產業生產總值用來代表城市服務設施水平，第三產業占GDP比重用來代表城市化產業結構合理水平，建成區面積和人均道路鋪裝面積用來代表下墊面狀況，建成區園林綠地面積用來代表城市綠化狀況，萬人擁有公交車輛數和工業廢水年排放量用來代表工業排污量。

參照李雪銘等[14]采用連乘求對數法計算城市化水平的方法，通過對數函數關系構建反映1995—2014年間烏魯木齊城市化進程因子綜合參數值F，

得出烏魯木齊最近20 a的城市化進程綜合參數值F（圖5）。可見烏魯木齊城市化發展進程逐步加快。

圖5 城市化進程參數值隨時間變化曲線

2.3 城市化與氣候要素變化的關系

從圖5可以看出，1995年以后，烏魯木齊城市化進程不斷加快，進入快速發展階段。為分析城市化與城市氣候的關系，用人均GDP、非農業人口、人均道路鋪裝面積、每萬人擁有公共汽車輛數和建成區面積5個描述城市化進程的重要指標與氣候要素進行Pearson相關性分析（表1）。

表1 城市化因子與氣候要素的相關性

結果顯示：人均GDP、非農業人口和每萬人擁有公共汽車輛數與平均氣溫呈顯著正相關，相關系數分別為0.465、0.59、0.53，這說明人均GDP、非農業人口和每萬人擁有公共汽車輛數與烏魯木齊的城市溫度關系密切，是引起城市熱島效應的重要驅動因素。

人均GDP、非農業人口、人均道路鋪裝面積和建成區面積與相對濕度呈顯著負相關，相關系數分別為-0.485、-0.462、-0.475和-0.472。表明烏魯木齊城市化進程中，隨著人口增加、城區面積和人均道路鋪裝面積擴大，下墊面狀況發生很大改變，使城市的水汽供應量減少，造成空氣中的水分含量減少和相對濕度降低。

3 結論與討論

（1）近39 a烏魯木齊城區、郊區平均氣溫變化趨勢相近，均呈增長趨勢，烏魯木齊增溫率為0.49 ℃/10 a，達坂城為0.22℃/10 a。20世紀90年代后期以來，城區增溫明顯加快，城區各年氣溫均高于郊區，年平均氣溫增加了約1.93℃。原因可能是烏魯木齊位于北半球中緯度地帶，在全球變暖的大背景影響下，增溫速率高；1995年以后，烏魯木齊城市化進程加快，城市規模擴大，使城區熱島效應加劇，溫度升高。可見，烏魯木齊氣溫上升是全球變暖大背景下疊加了城市化進程對局地氣候影響的綜合效應下的結果。

（2）烏魯木齊和達坂城年降水量均呈波動上升趨勢，烏魯木齊年降水量增長趨勢較大，特別是20世紀90年代以后降水量明顯增加，增長率為14.21 mm/10 a，達坂城為3.57 mm/10 a。原因可能是由于達坂城站位于峽谷中，受地形影響，常年多風，不利于形成降水，而烏魯木齊站處于山前平原地區，降水量比達坂城多；同時，城市規模擴大、溫度升高使城區空氣層結不穩定，低層水汽上升，形成對流性降水，城市建筑物的阻障作用導致降水時間延長[15]，使城區形成“雨島效應”。

（3）烏魯木齊相對濕度較達坂城大，但總體呈下降趨勢，下降速度為0.98%/10 a，達坂城相對濕度呈上升趨勢，上升速度0.22%/10 a。烏魯木齊相對濕度與降水量呈顯著正相關，相關系數為0.559（P<0.01，n=39），烏魯木齊降水量是達坂城的3.93倍，可能是導致烏魯木齊相對濕度高于達坂城的主要原因；相對濕度與氣溫呈顯著負相關，相關系數為-0.582（P< 0.01，n=39），烏魯木齊相對濕度的下降可能與城區人類活動密集、城市化進程加快而導致城區溫度升高有關。

（4）達坂城風速是烏魯木齊的2.35倍，兩站平均風速均呈減小趨勢。風速減小速率烏魯木齊為0.09 m·s-1/10 a，達坂城為0.8 m·s-1/10 a。烏魯木齊風速在1976年與2000年發生突變，風速明顯高于平均值，可能是1976、2000年兩次遷站，監測站周邊環境更加空曠引起的變化，之后隨著城市的擴展使風速監測受到影響而發生變化。達坂城風速大于烏魯木齊，是由于達坂城受河谷地形和狹管效應的影響，多年盛行風向穩定，風速較大[16]。

（5）城市化進程對烏魯木齊氣候影響明顯，城市經濟發展水平（人均GDP）、城市人口規模（非農業人口）和工業污染（每萬人擁有公共汽車輛數）與平均氣溫呈顯著正相關，城市經濟發展、城市人口規模、城區面積擴大（建成區面積）、下墊面結構改變（人均道路鋪裝面積）與相對濕度呈顯著負相關，平均風速和降水量與城市化指標無顯著相關性。表明城市化進程對城市氣溫和相對濕度的影響最為顯著。

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Effect of Urbanization on Local Climate Change in Urumqi

HAN Wentang1，2，CHEN Xuegang1，2，SUN Ronghua1，2
（1.School of Geography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China；2.Key Laboratory of Arid Region Lake Environment and Resource of Xinjiangy，Urumqi 830054，China）

Based on the meteorological data from 1976 to 2014,the air temperature,precipitation, relative humidity and wind speed was obtained from two meteorological stations in urban area and suburb,and the statistical data of the urban development during 1995-2014 in Urumqi,this study used the method of linear trend analysis to analyze and compare the inter-annual variation characteristics of climatic factors between urban and suburban areas,and discussed the relationship between urbanization and climate factors by correlation analysis.The results showed that urban area and suburb temperature increasing significantly,while the average annual temperature in the urban area is higher than the suburbs,and rainfall is 3.93 times,the growth rate of the city is 3.98 times that of the suburbs.The humidity of urban area is relatively higher than that of suburb,but it showed a declining tendency,the humidity of suburb is on the rise.Wind speed in the suburb is greater than the urban area,wind speed is about 2.35 times that of the suburbs,showing a falling trend.Urbanization process is accelerated in Urumqi in the past two decades,evidently influenced on the local climate,especially on the average temperature and relative humidity.

urbanization；climate change；correlation analysis；Urumqi

P463.3

：B

1002-0799（2016）06-0054-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.008

2016-08-08；

2016-08-25

國家自然科學基金項目（41161029）資助。

韓文堂（1989-），男，碩士研究生，主要從事城市地理與規劃研究。E-mail：576810609@qq.com

陳學剛（1977-），男，教授，主要從事城市地理與環境研究。E-mail：caschxg@126.com

韓文堂，陳學剛，孫蓉花.烏魯木齊城市化進程對局地氣候變化的影響研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：54-58.