城市熱島效應對西寧地區夏季降水的影響

趙娟 謝啟玉 沈潔 朱寶文

摘 要：利用1986—2015年西寧城區、大通和湟中三個站氣溫和降水資料，通過線性回歸、距平分析、Mann-Kendall檢驗等方法分析了夏季城市熱島效應對西寧地區夏季降水的影響。研究表明，1986—2015年西寧城區的夏季城市熱島強度呈減弱趨勢，最高氣溫對其貢獻最大。近30年西寧地區的夏季氣溫呈顯著上升趨勢，西寧城區、大通和湟中平均氣溫的升溫率分別達0.7、1.0 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，西寧城區夏季氣溫在1997年出現突變，湟中在1994年出現突變，大通未發生突變。近30年西寧城區的夏季降水量和降水日數分別以4.5 mm/10 a和1.2 d/10 a的趨勢增加;大通的夏季降水量在增加，降水日數在減少;湟中的夏季降水量和降水日數均在減少。三個站的夏季降水量突變主要出現在20世紀90年代，西寧城區還在2000年發生突變。城區夏季最高氣溫熱島強度和最高氣溫與夏季降水量和降水日數之間有較好的相關性，郊區也是夏季最高氣溫與降水量的相關性最好。城市熱島效應對降水的影響主要是由于盛行風向和河谷地形的作用。

關鍵詞：城市熱島效應;夏季氣溫;降水

中圖分類號：P463.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）01-0152-07

Abstract： In this study， timeseries data of temperature and precipitationfrom 1986 to 2015 of 3 meteorological stations were collected and means of linear regression， anomaly analysis， Mann-Kendall test were used to reveal the influence of urban heat island effect on summer precipitation in Xining. The results showed that the intensity of summer urban heat island in Xining City exhibited downward trend during 1986—2015， and the summer maximum temperature contributed the most to the summer urban heat island. The summer temperature in Xining area showed a significant rising trend in the 30 years. The average temperature rise rates of Xining City， Datong and Huangzhong were 0.7 ℃/10 a， 1.0 ℃/10 a and 0.5 ℃/10 a， respectively. The summer temperature in Xining city had a mutation in 1997， Huangzhong in 1994， Datong had no mutation. In the past 30 years， the summer precipitation and the number of precipitation days in Xining city increased by 4.5 mm/10 a and 1.2 d/10 a， respectively; the summer precipitation in Datong increased and the number of precipitation days decreased; the summer precipitation and the number of precipitation days in Huangzhong decreased. The abrupt changes of summer precipitation in three stations mainly occurred in 1990s， and in Xining City in 2000. There was a good correlation between the summer maximum temperature heat island intensity and the maximum temperature in urban area and the summer precipitation and the number of precipitation days. The effect of urban heat island on precipitation is mainly due to prevailing wind direction and valley topography.

Keywords： urban heat island effect;summer temperature;precipitation

1 研究背景

在過去幾十年，社會經濟的發展極大加速了全球范圍內的城市化進程，而工業化及城市化的發展對城市的小氣候必然產生較大影響。近年來，在氣候變化研究中，對氣候變暖的趨勢及增溫幅度[1]、城市熱島及氣候變暖原因[2]的研究較多。氣候意義上的城市熱島，本質上是由于城市化的人為因素與局地天氣氣候變化共同作用導致的。下墊面性質的改變、人為熱源的排放、大氣環境等因素都會造成城鄉間出現氣溫差異，而氣溫差異必然迫使局地流場發生調整，從而可能導致局地天氣氣候要素（如風、降水等）的差異，局地天氣氣候要素的差異反過來對城鄉之間的氣溫差異產生影響[3]。Daniel等[4]認為，在氣候狀態下，城市化和工業污染將造成下游降雨、降雪量增加。Jauregui等[5]認為，熱島效應增強了城市的局地對流，從而引發對流性降水。孫繼松等[3]研究了北京城市熱島效應的年際變化及其對降水的影響，結果表明熱島效應對降水量、降水日數的影響在冬夏季及城市不同區域表現出不同特征。周健康等[6]的研究指出，受城市化影響，南京地區發生大雨、暴雨的頻率及年降水量有增加的趨勢。孟秀敬等[7]的研究顯示，河西走廊的氣溫在過去57年呈顯著上升趨勢，年降水量也呈顯著增加趨勢，總體向暖濕化發展。王建鵬等[8]的研究表明，由于城市規模不斷擴大，西安在冬夏季均形成了以西安為中心的明顯“熱島”，由熱島效應和季節性變化的環境風場間相互作用，降水的季節空間分布差異是由冬夏盛行風變化引起的。以上研究均表明氣象要素（氣溫、降水）的分布因城市熱島效應而發生改變。

西寧市位于西北地區東部，植被條件較差，生態環境自我調節能力弱，人為因素對氣候的影響更容易顯現。同時，其地處湟水河谷地，河谷地形在人為活動影響的基礎上進一步作用，使其氣溫變化更具典型性。施雅風等的研究指出，近50年是中國西部地區400年來降水量最豐沛的時期，西北氣候由暖干向暖濕轉型明顯[9，10]。張建新等[11]利用西寧城區1957—1992年氣象觀測資料，分析得出城市化對西寧市的氣溫有顯著影響。于斌等[12]指出，在1961—2004年40多年間，西寧城區的氣溫平均升高了0.4 ℃，同時城區的城市熱島效應呈減弱趨勢。梅朵等[13]利用西寧市1961—2010年氣象資料分析得出近50年西寧市全年和四季平均氣溫均呈上升趨勢。

綜上，已有研究對西寧市城市熱島的研究較少，并且氣溫方面的關注多于對降水的關注。西寧市年降水量四季分布不均，1986—2015年西寧夏季降水量（6—8月）為全年降水總量的60%，夏季降水量的多少決定了全年降水豐枯狀況。因此，本文選擇西寧市3個氣象站1986—2015年逐日氣溫和降水數據，采用線性回歸、距平分析、Mann-Kendall檢驗等統計方法研究西寧市夏季城市熱島效應對降水的影響。這對本地區的生態建設和水資源保護及配置方面具有極其重要的現實意義，也可以為全球氣候變暖背景下出現的城市熱島效應和水資源評價方面提供科學的理論支撐。

2 資料和方法

2.1 研究區概況

本文研究城市熱島，將西寧市區作為城區代表，大通縣和湟中縣作為郊區代表。西寧市位于青藏高原與黃土高原過渡地帶，地處青海省東部河湟谷地，地勢西北高東南低，屬典型河谷型城市，總面積7 665 km2，是青海省政治、經濟、文化中心和主要工業基地，平均海拔高度2 261 m，氣候屬于高原大陸性半干旱氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年降水量398.7 mm，雨熱同期。大通縣和湟中縣屬于西寧市轄區，與西寧市處同一氣候區。大通位于祁連山南麓，西寧市北部，其北部和西部為高山地區，地勢西北高東南低，平均海拔高度2 450 m。湟中縣位于西寧市西部，地勢西北高而東南略低，海拔高度2 668 m。

2.2 數據來源

為建立穩定的氣候數據序列，保證氣象數據的一致性，并考慮海拔高度、地理位置和城市化程度等因素，選取西寧城區、大通和湟中1986—2015年逐日氣溫和降水數據，按月、季、年整理，并進行了數據質量控制。資料統計時，四季劃分為3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。為盡可能避免遺漏夏季相對孤立的中小尺度天氣系統降水過程，測站日降水量≥0.1 mm記為一個降水日，氣象數據來自青海省氣象信息中心。西寧地區氣象站點基本信息如表1所示。

2.3 研究方法

為消除因海拔高度導致的差異，首先將三個站1986—2015年的夏季氣溫按照氣溫的垂直遞減率（年平均0.6 ℃/100 m;夏季：0.65 ℃/100 m）統一訂正到平原地區平均高度（398 m）。

西寧城區的城市熱島強度（單位：℃）和城市熱島效應（單位：%），計算方法如下：

[Tu=T西寧Tr=（T大通+T湟中）/2城市熱島強度=Tu-Tr城市熱島效應=城市熱島強度/Tu] ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Tu]為城市氣溫，即西寧城區氣溫;[Tr]為郊區氣溫。仿照周明煜等[14]的做法，這里定義城市熱島強度≥2.0 ℃時為強熱島，2.0 ℃>城市熱島強度>0.5 ℃為熱島，-0.5 ℃≤城市熱島強度≤0.5 ℃時無熱島，-2.0 ℃<城市熱島強度<-0.5 ℃時為冷島，城市熱島強度≤-2.0 ℃時為強冷島。城市熱島增強率為城區溫度減去郊區溫度的變化率，單位是℃/10 a。城市熱島效應為熱島強度所占城市氣溫的比重，單位是%。

本文采用線性回歸、距平分析等方法來揭示西寧城區夏季城市熱島對西寧地區夏季降水的影響。分析氣溫的年代際變化時取3站1986—1995年、1996—2005年、2006—2015年3個時段夏季氣溫、降水量和降水日數與各站同期平均的差值（即距平值）。采用Mann-Kendall非參數檢驗法（簡稱M-K）進行時間序列數據的突變檢驗，顯著性水平設為0.05。

3 結果分析

3.1 夏季氣溫的變化特征

3.1.1 第一，夏季氣溫年際變化。圖1是1986—2015年三站夏季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的氣溫距平變化曲線。結果顯示，西寧夏季平均、最高和最低氣溫均呈上升趨勢。其中，西寧城區、大通和湟中三站的平均氣溫增溫率分別是0.7、1.0 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區，為2.7 ℃，其次是大通為2.3 ℃，最后湟中為0.5 ℃，30年中正距平年數西寧城區為27 a，大通21 a，湟中只有1 a;西寧城區、大通和湟中的最高氣溫增溫率分別是0.8、0.7 ℃/10 a和0.6 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區，為2.4 ℃，其次是大通為1.8 ℃，最后湟中為1.6 ℃，正距平年數西寧城區有25 a，大通和湟中都是18 a;西寧城區、大通和湟中的最低氣溫增溫率為0.6、1.1 ℃/10 a和0.5 ℃/10 a，最大正距平是西寧城區，為2.4 ℃，其次是大通為1.5 ℃，最后湟中為1.6 ℃，正距平年數西寧城區18 a，大通和湟中分別是8 a和15 a。可見，夏季最高氣溫的增幅、正距平最大值和正距平年數都是城區高于郊區。

第二，氣溫的年代際變化。近30年來，西寧城區夏季氣溫的上升趨勢表現為較快—快—慢。在20世紀90年代和21世紀初為顯著升溫期，特別是城區最高氣溫增幅達1.1 ℃/10 a。這與施雅鳳等[9]人得出的20世紀80—90年代我國西北地區升溫迅速的結論一致。同時，城區夏季平均和最高氣溫在2000—2010年上升更明顯，這與2000年后西寧進入城市化快速發展階段有關，說明西寧地區夏季氣溫由于城市化和人類活動的加強而升溫明顯。郊區兩站氣溫上升變化規律一致，表現為快—較快—慢，兩站在20世紀90年代升溫顯著，特別是大通最低氣溫增幅達1.4 ℃/10 a。近30年，城區與郊區夏季平均氣溫溫差的年代際變化表現為大—小—大;城區與大通最高、最低氣溫的溫差呈遞減趨勢，而城區與湟中的溫差在緩慢增加，最大溫差為0.4 ℃。統計數據顯示，截至2015年末，西寧市區城鎮化率達96.5%，而大通和湟中的城鎮化率僅為42.6%和28.2%。結合大通的升溫趨勢，說明近年來城鎮化進程的加快使大通的夏季氣溫遞增顯著，而海拔更高、城鎮化較低的湟中增溫較慢，從而使城區的夏季熱島強度減弱。