城市熱島對漳州氣溫和降水影響的分析

陳藝敏, 戴璽君, 陳建發(fā), 陳登輝

(1. 漳州職業(yè)技術學院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龍文區(qū)氣象局，福建 漳州 363000)

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城市熱島對漳州氣溫和降水影響的分析

陳藝敏1, 戴璽君2, 陳建發(fā)1, 陳登輝2

(1. 漳州職業(yè)技術學院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龍文區(qū)氣象局，福建 漳州 363000)

摘 要：利用Mann-Kendall檢驗法，分析了漳州市區(qū)（1957—2014年）的逐月平均氣溫和降水量，結果表明，90年代中期為氣溫的突變點，之后增溫趨勢明顯，而降水量的突變不明顯。漳州城市熱島效應在2005－2014年表現(xiàn)明顯，熱島效應主要增強了市區(qū)、東部(長泰、龍海)與西部(南靖、平和)的正溫度梯度和負降水梯度，并且季節(jié)變化明顯。熱島效應導致當?shù)卮怪边\動的變化是影響當?shù)亟邓兓目赡軝C因。

關鍵詞：城市化; 氣溫; 降水; Mann-Kendall檢驗

1　引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口的規(guī)模不斷擴大，氣象學家們已經(jīng)注意到城市化進程增加了人為熱排放并改變了城市下墊面性質(zhì)，形成城市溫度比郊區(qū)高的熱島效應[1]。學者們經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，城市熱島效應在升高氣溫的同時會影響城市流場與降水[2-4]。對北京城市熱島研究發(fā)現(xiàn)，熱島效應的強度的減弱與大氣穩(wěn)定度減弱，大氣逆溫消失和地面風速增大相關[5]。楊峰等發(fā)現(xiàn)近四十年來上海城區(qū)比郊區(qū)增溫明顯，且冬季增溫比夏季顯著。陳隆勛等[7]發(fā)現(xiàn)隨著長江三角洲城市群的發(fā)展，長江三角洲地區(qū)的氣溫迅速增加，形成區(qū)域性熱島，同時該地區(qū)的降水增加。

近十幾年來，漳州城市建設飛速發(fā)展，汽車數(shù)量劇增，人為熱排放顯著增加，形成城市熱島效應。對于北京、上海等大城市熱島效應對當?shù)貧夂蛴绊懸延卸嗥撐陌l(fā)表，而面對中小城市熱島效應的研究很少。本文主要探討在城市熱島影響下，漳州地區(qū)城鎮(zhèn)間氣溫和降水變化特征，以期為當?shù)氐姆罏臏p災工作提供科學依據(jù)。

2　資料與方法

本文所用資料為漳州地區(qū)10個站點（區(qū)域范圍為116.85°～118.15°E，23.5°～25.2°N）1957－2014年的月平均氣溫和降水量資料，以及近 20年的日平均降水資料。為減少各地因海拔高度的差異給溫度帶來的影響，本文將10站的平均氣溫按照0.65℃/100m的垂直遞減率訂正到海平面。

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，常用于時間序列的突變檢驗，具體計算過程詳見文獻[8]。計算得到的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點即為突變點，UF>0為上升趨勢，反之為下降趨勢。UF曲線通過信度檢驗可得出是否有明顯的變化趨勢。

3　結果分析

3.1漳州市區(qū)氣溫與降水的突變

漳州市區(qū)1957－2014年的年平均氣溫和降水量的M-K檢驗結果如圖1所示。結果表明，從1989年以來，漳州市區(qū)氣溫呈持續(xù)上升趨勢，90年代中期為氣溫的突變點，之后增溫趨勢更加顯著，表現(xiàn)為UF曲線在90年代后期超過臨界值1.96（通過α=0.05的顯著性檢驗）。當?shù)貧鉁爻掷m(xù)上升的趨勢與全球變暖的氣候大背景吻合，但是陳葆德等[9]研究了大規(guī)模城市化和土地利用變化對氣溫的影響，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模下墊面改變導致的局地氣溫增加遠高于全球變暖的作用。由于近十幾年漳州城市化進程快速發(fā)展，城市下墊面的劇烈改變以及人為熱排放的顯著增加，是當?shù)貧鉁匮杆偕仙脑颉?/p>

市區(qū)降水量的M-K檢驗曲線在20世紀60、80年代及21世紀初出現(xiàn)了4個突變點。降水量的UF曲線在20世紀70年代前和2006年后呈減少的趨勢，而在此之間則是呈現(xiàn)增加的趨勢，但變化不顯著（除1970年外均沒有通過α=0.05的顯著性檢驗）。

圖1　漳州市區(qū)氣溫和降水量的M-K圖（虛線為α=0.05的顯著性檢驗線）

3.2城市熱島效應

為了觀察城市熱島效應，分別計算1995－2004年和2005－2014年漳州地區(qū)10個站點平均氣溫和同期各站平均氣溫之間的差值，所得結果由Grads插值，如圖2所示。從圖2a中可以看到，在1995－2004年市區(qū)還沒有成為明顯的暖中心，且與相鄰的南靖、平和、長泰和龍海的溫度梯度均不大，而南部的東山和詔安由于受到海洋的影響顯著，溫度比其他地區(qū)低而成為冷中心。2005－2014年（圖 2b）市區(qū)與東部的龍海和長泰成為明顯的暖中心，且市區(qū)中心增溫明顯。從結果可以明顯看出，2005－2014年漳州城市熱島效應明顯，這與當?shù)卦诮畮啄陙沓鞘谢焖侔l(fā)展是一致的。由于南部距離市區(qū)較遠，熱島效應的影響很弱，本文主要關注的是市區(qū)以及相鄰的東部（龍海、長泰）和西部（南靖、平和）地區(qū)。從1995－2004年到 2005－2014年，市區(qū)增溫明顯，且由于東部地形較為平坦，暖區(qū)的范圍從市區(qū)向東部擴散，連為一體；但往西部的擴散明顯受到西部多山地形的阻擋，使得南靖與平和成為相對的冷中心，導致東西部的溫度梯度明顯增大。

圖3 是漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年四季氣溫的空間距平差，反映的是熱島效應影響下市區(qū)與各地溫度梯度的季節(jié)變化。結果發(fā)現(xiàn)，熱島效應造成的東西部間的溫度梯度在春季最為明顯,其次為夏季，由溫度梯度產(chǎn)生的垂直對流在春季和夏季最顯著。

圖2　漳州地區(qū)氣溫的空間距平，溫度線間隔0.1℃ (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

圖3　漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年氣溫的空間距平差，溫度線間隔0.1℃

3.3熱島效應對城鎮(zhèn)間降水的影響

城市熱島效應造成城鎮(zhèn)間溫度梯度的變化，導致了垂直對流的變化，必定會影響當?shù)氐慕邓俊０凑涨懊娴姆椒ǎ瑯佑嬎懔?995－2004年和2005－2014年平均降水和同期各站平均降水之間的差值，如圖4所示。結果發(fā)現(xiàn)，降水呈現(xiàn)北多南少、西多東少的趨勢，受海洋影響明顯的南部的東山和詔安的降水明顯少于其他地區(qū)。1995－2004年漳州市區(qū)和東部的降水量比西部少，東西部之間的降水梯度為負。受熱島效應影響，2005－2014年市區(qū)、東部與西部的降水負梯度增加了。

四個季節(jié)降水量空間距平的變化(圖 5)反映了城市化進程對于局地降水梯度的季節(jié)影響。受到熱島效應影響，四個季節(jié)市區(qū)與東部的降水均為負值。市區(qū)、東部與西部的負降水距平在秋季最大，夏季次之；春季由于西部降水減少更顯著，在東西部間出現(xiàn)正降水距平。南部地區(qū)離市區(qū)較遠，受到的城市熱島影響較弱，其夏季降水明顯的年代際變化，可能應是由臺風降水量的年代際變化引起的。

利用漳州市區(qū)日降水資料對1995－2014年的小雨（24小時降水量0～19.9mm），大雨（24小時降水量20.0～49.9mm）、暴雨（24小時降水量50.0～99.9mm）的天數(shù)和雨量進行統(tǒng)計，結果見表1。受熱島效應影響，漳州市區(qū)降水天數(shù)和降水量的減少主要表現(xiàn)為小雨和暴雨的天數(shù)和雨量的減少。漳州暴雨主要出現(xiàn)在夏季，多由大尺度的環(huán)流系統(tǒng)誘發(fā)--高空西風槽和南支槽及其前側(cè)的副熱帶氣流和低空強西南氣流[10]，或由臺風降水引起。由于城市熱島效應主要影響的是局地對流型降水，而對大尺度的降水影響很小[11]。因而，本文認為城市化進程主要影響到小雨，此結論與敖翔宇等[12]模擬長江三角洲地區(qū)城市化對降水影響一致。

圖4　漳州地區(qū)降水量的空間距平，雨量線間隔5mm (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

圖5　漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年降水量的空間距平差，雨量線間隔3mm

表1　市區(qū)2005－2014年和1995－2004年降水天數(shù)和雨量

3.4可能機理分析

孫繼松等[13]研究發(fā)現(xiàn)由于城市熱島效應所造成的溫度梯度的增大，邊界層內(nèi)垂直上升運動增強了，有利于在盛行風的下游發(fā)生降水過程，而在上游方向則相反。根據(jù) 1995－2014年漳州市區(qū)月最多風向資料得知，當?shù)刂饕⑿酗L向為ESE，西部為下游地區(qū)，東部為上游地區(qū)，所以漳州西部的降水比東部多。

4　結 論

本文利用M-K檢驗法確定了90年代中期為氣溫的突變點，而降水的突變不明顯。利用漳州地區(qū)10個站點1995－2014 年的氣溫和降水資料研究城市熱島效應及對漳州降水的影響。結果發(fā)現(xiàn)：

（1）2005－2014年為當?shù)責釐u效應最顯著的時期，熱島效應使得漳州市區(qū)、東部與西部的正的溫度梯度明顯加大，并且春季增溫的幅度最明顯。

（2）熱島效應增強了市區(qū)、東部與西部負的降水梯度，并且秋季的負梯度值最大。熱島效應主要通過影響小雨來影響市區(qū)的降水。

（3）熱島效應造成的漳州地區(qū)東西部溫度梯度的增加導致垂直上升運動的增強可能是造成了當?shù)亟邓兓臋C理之一。

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（責任編輯：季 平）

Analysis of the influence of the city heat island on the temperature and precipitation in Zhangzhou

CHEN Yi-min1, DAI Xi-jun2, CHEN Jian-fa1, CHEN Deng-hui2
（1. Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000，China; 2. Zhangzhou Longwen District Meteorology Bureau, Zhangzhou 363000, China）

Abstract:The Mann-Kendall test is used to analyze monthly average temperature and precipitation from 1957 to 2014 in Zhangzhou. The results showed that the mid 1990s was the abrupt change point of temperature, followed by an obvious increasing trend, while no obvious changes of precipitation were found. The heat island caused by urbanization was obvious from 2005 to 2014. The heat island enhanced the positive temperature gradient and negative precipitation gradient between the urban area, the Eastern area (Changtai, Longhai) and the Western area (Nanjing, Pinghe), and the gradient is various with seasons. The heat island effect leading to the changes of vertical motion is likely the mechanism.

Key words:urbanization; temperature; precipitation; Mann-Kendall test

中圖分類號：P423; P426.6

文獻標識碼：A

文章編號:1673-1417（2016）02-0015-06

doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.02.0004

收稿日期：2016－04－10

作者簡介：陳藝敏（1979—），女，福建漳州人，講師，碩士，研究方向：環(huán)境科學與污染治理。