長沙城市化發(fā)展背景下的氣候變化特征

譚詩琪 范嘉智 張弘豪

摘要：利用1970—2016年長沙站的氣象數(shù)據(jù)研究了長沙城市發(fā)展對局地氣候的影響。發(fā)現(xiàn)近年來長沙市冷暖變化加劇，年平均氣溫、地面最高溫度呈增加趨勢，高溫日數(shù)增多，高溫熱浪現(xiàn)象明顯；雨季降水量呈增加趨勢；最大風速呈下降趨勢；能見度小于1 km的概率在近兩年內(nèi)急速增加，霾日數(shù)已超過霧日數(shù)，且呈增加趨勢。表明城市化發(fā)展導致的熱島效應、凝結核增加、土地利用變化及工業(yè)化加快等對氣候造成了很大的影響，因此在發(fā)展城市建設的同時，要關注城市發(fā)展對氣候的影響。

關鍵詞：城市發(fā)展；氣候變化；影響

中圖分類號：P467 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）16-0047-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.011 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Characteristics of Climate Change under the Background of

Urbanization in Changsha

TAN Shi-qi1，F(xiàn)AN Jia-zhi2，ZHANG Hong-hao3

（1.Hunan Meteorological Service Centre，Changsha 410118，China；2.China Meteorological Administration Training Centre Hunan Branch， Changsha 410125，China；3.Yangjiang Meteorological Bureau，Guangdong Province，Yangjiang 529500，Guangdong，China）

Abstract： Influence on local climate in Changsha by urban development had been studied with the 1970—2016 meteorological data of Changsha station， which found the changes in heating and cooling had intensified in recent years， the annual mean temperature and the highest ground temperature showed an increasing trend， high temperature days had increased， and the heat wave phenomenon was obvious； The precipitation in the rainy season was increasing； The maximum wind speed was decreasing； The probability of visibility less than 1 km had increased rapidly in the past two years， the number of haze days had exceeded the number of foggy days， and which was increasing. It was indicated that the heat island effected， the increase of condensation nucleus， the change of land use and the accelerated industrialization of urbanization had a great impact on the climate， therefore， while developing urban construction， influence of urban development on climate should be paid more attention.

Key words： urban development； climate change； influence

大規(guī)模城市化（城市群）是中國經(jīng)濟社會發(fā)展的主要驅(qū)動力和重大戰(zhàn)略[1]。《中國城市狀況報告2014—2015》指出，中國城市人口在2011年超過了農(nóng)村人口，這是數(shù)千年歷史上的第一次，標志著中國的城鎮(zhèn)化已經(jīng)處于一個全新的發(fā)展階段。當前中國城鎮(zhèn)化水平已跨越50%的歷史性門檻，正步入轉型發(fā)展的關鍵時期。并強調(diào)城鎮(zhèn)化是現(xiàn)代化建設的主要內(nèi)容，要堅持工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步，保持城鎮(zhèn)化發(fā)展速度與經(jīng)濟社會發(fā)展水平相匹配。以全面建設小康社會、實現(xiàn)現(xiàn)代化為總體目標，強化產(chǎn)業(yè)支撐，保持城鎮(zhèn)人口和產(chǎn)業(yè)聚集同步[2]。隨著城市的加速發(fā)展、工業(yè)化的加快，城鎮(zhèn)化水平得到提升，但與此同時，城市的發(fā)展對氣候也會帶來巨大的影響。長沙市隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展，城市氣候效應日趨明顯。

1 資料來源

利用長沙市氣象站1970—2016年47年的氣象資料進行研究分析，以探究長沙城市發(fā)展對氣候的影響。

2 城市化氣候變化

2.1 氣溫

溫度的升高不僅直接影響溫度極端值的變化，而且導致高溫干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件的發(fā)生頻率與強度出現(xiàn)加劇的趨勢[3]。隨之而來的極端氣溫事件的頻繁發(fā)生，給社會、經(jīng)濟和人民生活造成了嚴重的影響和損失[4，5]。湖南地理位置特殊，呈東西走向的南嶺山脈橫亙在湖南和兩廣的邊界上，它的存在對湖南氣候有著重要影響，夏季盛行的偏南風在翻越南嶺山脈時產(chǎn)生的焚風效應，對湖南夏季的炎熱高溫有著加強作用。再加上城市化速度加快、城市建筑群密集、汽車尾氣排放量增加等因素，使得長沙城區(qū)內(nèi)部儲存了較多的熱量，導致氣溫升高。因此研究長沙市氣溫的變化特征有著重要意義。

2.1.1 城市氣溫異常變化特征的分析 1970—2016年氣溫年極差的5年滑動平均序列曲線見圖1。由圖1可以看出，從20世紀70年代至今，氣溫年極差的變化趨勢為21世紀前減少，21世紀后增加，21世紀后氣溫年極差起伏較前期更劇烈，表明21世紀后氣溫的冷暖變化有加劇的趨勢。

2.1.2 城市年平均氣溫變化特征分析 在分析年平均氣溫變化特征時，為了消除短波的干擾，可對年平均氣溫進行多年滑動濾波，濾波后的長沙市年平均氣溫的變化曲線見圖2。由圖2可以看出，整體上看呈兩峰兩谷型，波峰出現(xiàn)在1979和2008年，其值分別為17.2和18.5 ℃；波谷出現(xiàn)在1984和2011年，分別為16.8和18.1 ℃，且1984—2008年一直呈上升趨勢，從近期趨勢來看，又將呈上升趨勢，平均氣溫又將迎來新一輪升高。

2.1.3 城市地面最高氣溫變化特征分析 為了解城市下墊面近47年的變化情況，分析地面最高氣溫，結果見圖3。由圖3可以看出，自20世紀70年代末至今，長沙市地面最高氣溫呈波動上升趨勢。除海拔、緯度等固定的因素外，人口密度、工業(yè)發(fā)展程度、森林覆蓋面積等直接影響了地面溫度的高低，表明城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展使得城市熱島效應加劇，地面溫度逐年上升。

2.1.4 城市日最高氣溫≥35 ℃日數(shù)變化特征分析 全球變暖，城市群加速發(fā)展，使得地面溫度升高，氣溫也會隨之升高，長沙市1970—2016年日最高氣溫≥35 ℃總日數(shù)的5年滑動平均序列見圖4。由圖4可以看出，21世紀之前，日最高氣溫≥35 ℃日數(shù)變化幅度較小，最大天數(shù)在25 d左右，21世紀后，呈迅速增加的趨勢，2013年已超過40 d，較21世紀之前多出了15 d以上。說明高溫持續(xù)天數(shù)愈加增多，高溫熱浪現(xiàn)象越發(fā)明顯。

2.2 降水

湖南省是洪澇災害多發(fā)省份，僅以水災為例，湖南省有水災文字記載始于漢惠帝五年，自公元前190年至2002年間共有水災記錄641年次。最近的500年里，湖南出現(xiàn)水災456次，平均每百年就出現(xiàn)91次，同期出現(xiàn)全省性水災67次/年，平均每百年有13.4次，尤其是洞庭湖區(qū)過去幾乎是“十年九災”。因此，分析長沙城市雨季降水量分布有著重要的意義。

2.2.1 城市雨季降水量特征分析 1970—2017年長沙市雨季（4—6月）降水量5年滑動平均演變特征見圖5。由圖5可以看出，長沙市雨季降水量均在600 mm以上，最大值（850 mm）出現(xiàn)在1977年，最小值（604 mm）出現(xiàn)在1988年。20世紀70年代至90年代呈減少趨勢，20世紀90年代開始呈上升趨勢，到2005年前后開始減少，2010年后又開始增加，近年來增幅較大，出現(xiàn)洪澇次數(shù)增多，災害加重，如2017年6月下旬的暴雨造成的損失巨大。

2.3 最大風速

風是最重要的氣象要素之一，隨著風力發(fā)電的迅速發(fā)展，人們更重視風速，特別是最大風速的分布變化。風也是生產(chǎn)建設規(guī)劃和設計中必須慎重考慮的氣象要素，所以正確分析年最大風速分布特征有重要意義[6]。

2.3.1 城市年最大風速特征分析 因1970—1979年缺少最大風速觀測資料，故分析1980—2016年最大風速變化趨勢。1980—2015年長沙市年最大風速5年滑動平均演變情況見圖6。由圖6可以看出，長沙市年最大風速呈下降趨勢。除自然因素外，人類強迫是導致近數(shù)十年來風速減小的重大原因之一，城市化效應、土地利用變化、城市地表粗糙度增加等因子都會使風速削減[7]。

2.3.2 城市最大風速季節(jié)變化特征分析 長沙市1980—2016年最大風速四季的5年滑動平均演變見圖7。由圖7可以看出，四季最大風速均呈下降趨勢，其中夏季減少最快，秋季減緩最慢。全球變暖及土地利用變化都導致了2016年以來風速呈不斷下降的趨勢。

2.4 能見度和霾、霧日數(shù)

2.4.1 城市能見度特征分析 能見度是反映大氣透明度的一個指標。除受降水、霧、沙塵等天氣現(xiàn)象的自然因素影響之外，人為因素如污染物排放所造成的空氣污染等也對能見度有很大的影響。近年來，隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，礦物燃料的迅猛應用，使得大氣中因油、煤和廢棄物燃燒而產(chǎn)生的氣溶膠粒子數(shù)量明顯增加，造成大氣能見度下降且空氣混濁，因此低能見度污染問題受到人們的高度關注[8]。

1980—2016年長沙市年能見度小于1 km的總概率5年滑動平均變化趨勢見圖8。由圖8可以看出，能見度小于1 km的概率總體上呈下降趨勢，表明空氣在變得愈加渾濁。并且在2014年之后有一段明顯的上升，2016年能見度小于1 km概率高達71.5%，環(huán)境污染嚴重。

2.4.2 城市霾、霧日數(shù)特征分析 在眾多影響空氣能見度的因素之下，霾和霧是兩個關鍵的因子。其中大霧（或濃霧）是較常見的影響湖南的災害性天氣之一，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，特別是交通、通訊的迅猛發(fā)展，大霧天氣對人們的影響日趨明顯，對高速公路的影響更加突出[9]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化加快，空氣污染加劇，霾天氣明顯增多，出現(xiàn)霾天氣時，室外能見度降低，污染持續(xù)，對交通運輸造成不利影響，同時還影響人們的身心健康[10]。

1970—2016年長沙市霾和霧日數(shù)5年滑動平均演變情況見圖9。由圖9可以看出，霾日數(shù)呈波動上升趨勢，且增長較快，這與城市加速發(fā)展，工業(yè)化加快有密不可分的關系；霧日數(shù)在20世紀90年代以前呈現(xiàn)增長的趨勢，在20世紀90年代之后呈減少趨勢，近年來大霧日呈現(xiàn)減少趨勢的原因可能與城市化和經(jīng)濟的快速發(fā)展有關。

3 小結與討論

分析研究了近47年長沙市各氣象要素及長沙的城市發(fā)展對氣候的影響，得出如下結論。

1）長沙市近年的冷暖變化有加劇態(tài)勢；地面最高氣溫呈上升趨勢；高溫日數(shù)增多，高溫熱浪現(xiàn)象明顯，近47年內(nèi)增多了約20 d。這是由于工業(yè)發(fā)展使得能源消耗劇增，大量的人為放熱量的增加會使城市熱島效應加強。大氣污染物的增多使得市區(qū)上空形成一層塵蓋。夜晚，該塵蓋會削弱地面長波輻射，增加大氣向地面的長波逆輻射，使地面冷卻減弱，增強熱島效應，使氣溫升高。

2）長沙市雨季降水量近年來呈增加的趨勢，這是由于城市熱島效應的增強使大氣層結的不穩(wěn)定性增強，將導致城市上空向上垂直運動的產(chǎn)生，另外城市大氣污染的結果提供了足夠多的凝結核，這是有利于降水形成的因素。

3）長沙市年最大風速近47年呈下降趨勢；四季最大風速均呈減小趨勢，并且夏季減小速率較大，秋季較小；這是由于氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，以及人類活動如城市化效應、土地利用變化、風電場效應、城市地表粗糙度、人類排放導致的全球變暖等因素造成的。

4）長沙市能見度小于1 km的概率近47年總體呈下降趨勢，但近兩年為增加趨勢，并且2016年概率高達70%以上，是往年的數(shù)倍；霾日數(shù)呈增加趨勢，并且增長較快；霧日數(shù)在20世紀90年代以前呈增長的趨勢，在20世紀90年代之后呈減少趨勢。且霾日數(shù)近年已超過了霧日數(shù)。霧的分布與地理因素有關，霾則是與城市工業(yè)化和污染排放有關，風速的減小也有利于霾的形成與維持。

城市的氣候條件遭到改變與破壞會使城市氣象災害愈加頻發(fā)，城市氣象災害是天氣、氣象要素與城市系統(tǒng)相互作用和沖突的產(chǎn)物，當氣象條件不利于城市系統(tǒng)的正常運作時，就容易產(chǎn)生城市氣象災害，這不僅對人們的健康和生命造成危害，還會損害城市環(huán)境及資源狀況，這并不利于城市化的發(fā)展，因而，大力推動城市化進展而忽視對環(huán)境的保護只會有害而無利。

雖然目前氣候主要受自然因子的影響為主，城市化發(fā)展對其影響的范圍較小，但是隨著時間推移，城市化進程越來越快，城市發(fā)展對氣候的影響必然會更加明顯，因為城市是人類活動中影響氣候最強烈的地區(qū)，包括下墊面影響、人類活動、熱島效應等。通過分析長沙市近47年的氣候變化特征，研究城市發(fā)展對氣候的影響，在所得結果中可以看出，城市化已經(jīng)對氣候造成了較為明顯的影響，所以在制定城市發(fā)展規(guī)劃時，應考慮到城市發(fā)展對氣候的不利影響，以趨利避害。

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