山西省氣溫變化特征及其城市化效應＊

周雅清，胡桃花，王弢，郭彩萍

山西省氣溫變化特征及其城市化效應＊

周雅清1，胡桃花2，王弢1，郭彩萍1

（1.山西省晉中市氣象局，山西 晉中 030600；2.山西省朔州市氣象局，山西 朔州 036000）

利用山西省近6年408個高密度自動氣象站逐時氣溫資料，對比分析了城市和鄉村臺站氣溫日變化特征和極端氣溫出現時間概率分布。結果表明，山西省城市站年平均氣溫在全天所有時段均高于鄉村站，午后到夜間兩者差異更明顯；四季氣溫日變化與年平均氣溫相似，但夏季和春季氣溫日內變化相對平緩，城鄉差異更顯著。氣溫城市化影響顯著時段主要在午后到夜間，20：00—21：00達到峰值，近中午時降到谷值；從日最高（低）氣溫出現概率看，山西省城市站和鄉村站日最高氣溫最大出現率的時次均為15：00，日最低氣溫最大出現率的時次均為06：00，城市站最高（低）氣溫出現時間比鄉村站有延后傾向。

氣溫；日變化；城市化效應；自動站

全球變暖因其影響深遠受到人們的廣泛關注。任國玉等[1]研究發現，1951—2004年中國地面溫度升高趨勢接近0.25 ℃/10年，比同期全球或北半球平均高得多，尤其以北方和青藏高原增溫最明顯，城鎮化造成的升溫問題應該得到重視。盡管IPCC第四次評估報告[2]指出在全球或者半球尺度上城市熱島效應可以忽略不計，但在區域尺度上，大量研究表明城市熱島對地表氣溫的增暖趨勢有重要影響[3-4]。張愛英等[5]的研究表明，中國大陸1961—2004年國家站平均氣溫增溫率為0.278 ℃/10年，其中城市化增溫率占全部增溫率的27.33%。周雅清等[6]研究發現，1961—2000年華北地區城市熱島效應加強因素引起國家基本、基準站年平均氣溫增暖達到0.11 ℃/10年，占全部增溫的37.9%。長三角[7]、珠三角[8]等地的研究也表明區域地面氣溫序列中存在明顯的城市化偏差。在以往的研究中，多采用國家級臺站資料對城市熱島進行評估，由于密度有限，對城市內部氣象要素的日變化特征缺乏詳細分析。近年來，隨著高密度區域自動站的布設，積累了大量高時空分辨率的觀測資料，為揭示氣溫的精細化結構特征以及城鄉差異提供了數據支撐。

山西省位于華北地區，地形復雜，是典型的資源型經濟地區，特殊的工業化道路導致了特殊的城鎮化過程。本文利用2011—2016年山西省加密自動氣象站逐時氣溫資料，對比分析了城鄉臺站氣溫日變化、日極端氣溫概率分布的差異，為更好地理解山西省氣溫變化規律，評估城市熱島增強效應提供科學依據。

1 資料和方法

山西省有109個國家氣象站，2010年以前啟用的兩要素（氣溫、降水）及以上的區域自動氣象站618個。去掉整年無數據的以及氣溫資料缺測超過1/3的臺站，選用2011—2016年408個國家和區域自動氣象站逐小時氣溫觀測資料進行分析，如圖1所示。對所用觀測數據進行了界限值檢查、時間一致性檢查和空間一致性檢查[9]。檢測出的錯誤數據按照缺測處理。

根據臺站位置和周邊環境將上述408個臺站分為城市站和鄉村站：位置描述為“鄉村”或“山頂”，且在Google earth高清地圖上，以臺站為中心的半徑2 km范圍內，建成區面積在1/3以內的臺站定義為鄉村站（325個)，代表氣候背景變化；其余臺站則定義為城市站（83個），如圖1所示。

注：黑色點為城市站，灰色點為鄉村站。

為了定量評價城市化擴張對氣溫變化的影響，參照周雅清等的研究[10]定義如下術語：城市化影響是指由于城市熱島

效應等因素引起的城市站與鄉村站氣象要素值的差異，用 △ur表示。△ur值越大，表明城市化影響越顯著。設△u為城市站氣象要素的值，△r為鄉村站氣象要素的值，那么城市化影響（△ur）的表達式為：

△ur=u－r（1）

2 結果分析

近6年山西省年平均氣溫日變化的城鄉對比如圖2所示，由圖2可見，城市站所有時次的氣溫均高于鄉村站，午后到夜間差異尤其明顯。從日變化來看，兩者都是15：00達到最高，06：00降到最低，城市站氣溫上升速度與鄉村站差別不大，但下降速度比鄉村站緩慢。四季變化與年變化相似，但春季和夏季氣溫變化相對平緩，城鄉差異更明顯；秋季和冬季升溫快，降溫也快，正午前后氣溫城鄉差異非常小，具體如圖3所示。

圖2 山西省2011—2016年年平均氣溫日變化

圖3 山西省2011—2016年四季平均氣溫日變化

利用城市站和鄉村站的逐時氣溫，根據公式（1）計算得到氣溫城市化影響的日變化，如圖4所示?？梢钥闯?，山西省年平均氣溫城市化影響日內變化在0.2～1.9 ℃之間，午后到夜間在1 ℃以上，20：00—21：00達到峰值，日出后迅速減小，近中午時降到谷值。從季節變化看，夏季氣溫城市化影響最明顯，日內變化在0.6～2.2 ℃之間，夜間 20：00—24：00均達到2 ℃以上；其次為春季，城市化增溫在0.4～2.2 ℃之間，峰值也是在夜間；秋季城市化增溫相對較低，在0.1～1.6 ℃之間；冬季氣溫城市化影響最低，日內變化在﹣0.2～1.4 ℃之間，正午前后為負值，午后緩慢升高，峰值在20：00前后。

與北京[11]冬季城市熱島強度最強不同，山西省冬季氣溫城市化影響是最小的。造成這種差異的原因主要是城市發展水平有差距，且城市影響主導因子不盡相同。山西省城市發展水平相對較低，城市人為熱排放較少，地面增溫以太陽輻射加熱為主。當城區污染遠較鄉村嚴重時，大氣透明度低導致白晝大部分時間接受太陽輻射比鄉村少，所以城區升溫比鄉村慢，白晝城區溫度反而低于鄉村。這一點在冬季氣溫的城市化影響上有明顯反映。山西省一般11月至次年3月為供暖季，北部稍長，南部稍短，秋、冬季是空氣質量最差的時候。城區污染嚴重，空氣透明度差，太陽直接輻射受到削弱大，得到太陽輻射較鄉村區域少。從圖4可以看到，冬季日出后，城市化影響迅速下降，到中午前后城區氣溫已經比鄉村還低，午后由于城區反射率小，存留下更多的熱能用于加熱地表和表層大氣，而鄉村空曠，有效輻射強，大氣失熱快，降溫率大于城區，城鄉溫差逆轉，并在夜間達到穩定?？傮w來看，由于獲得的熱能少，因此城鄉差異也就不顯著了。夏季相對而言空氣質量是最好的，城鄉得到的太陽輻射總量大且差別較小，城區迅速儲存了大量的熱能，而其立體下墊面的特征使得其得到的熱能經過多次的反射和吸收，返回太空的輻射遠小于鄉村區域，同時由于鄉村植被覆蓋率明顯大于城區，綠色植被的反射率比裸地高得多，導致鄉村對太陽輻射的反射更大于城區，這就使得白天城區積蓄的熱能大于鄉村，而這部分熱能就用于加熱地面和大氣，所以城市增溫在夏季是最明顯的。春季的情況比較復雜，3月和4月城市增溫效應不明顯，5月類似于夏季，太陽輻射明顯增強，植被生長茂盛，且多云和降水日數較少，更容易產生城市熱島效應。

圖4 山西省年、季平均氣溫城市化影響日變化

最高（最低）氣溫出現時間的概率可以表征氣溫日變化形態的概率分布特征。因此，對最高（最低）氣溫的概率分布的認識，可以深化對氣溫日變化特征的了解。

山西省最高氣溫、最低氣溫各時次年平均出現頻率如圖5所示。從圖5可以看出，城市站和鄉村站日最高氣溫最大出現率的時次均為15：00，出現頻率在30%以上；日最低氣溫最大出現率的時次均為06：00，出現頻率在30%左右。城市站最高氣溫和最低氣溫出現時間均有延后傾向。城市站最高氣溫在16：00—18：00出現頻率都高于鄉村站，而 11：00—14：00都低于鄉村站。這說明城市區域熱容量大于鄉村，午后鄉村已經開始降溫，而城市因其蓄積的熱量較多，地面的長波輻射仍在對其上的空氣進行加熱，使得氣溫下降緩慢，甚至還會略升，最高氣溫就出現在更晚的時次。城市站最低氣溫07：00—08：00出現頻率均高于鄉村站， 21：00至次日05：00反之。說明城區蓄熱多，釋放加熱大氣會持續更長時間，氣溫降到最低值也相應的晚于鄉村站。

圖5 山西省最高氣溫、最低氣溫各時次年平均出現頻率

3 結論

本文根據高時空分辨率的自動站氣溫觀測資料，分析了山西省2011—2016年氣溫的日變化特征，并對其城市化影響進行了評估，得到以下主要結論：①從山西省氣溫日變化城鄉對比看，城市站氣溫在全天所有時段均高于鄉村站，午后到夜間差異明顯；城市站氣溫下降的速度比鄉村站緩慢。四季變化與年變化相似，但夏季和春季氣溫變化相對平緩，城鄉差異更明顯。②從城市化影響的日變化看，山西省年平均氣溫城市熱島顯著時段主要在午后到夜間，20：00— 21：00達到峰值，近中午時降到谷值。城市增溫在夏季最明顯，秋、冬季城市化影響相對較低。③從日最高（低）氣溫出現概率看，山西省城市站和鄉村站日最高氣溫最大出現率的時次均為15：00，出現頻率在30%以上；日最低氣溫最大出現率的時次均為06：00，出現頻率在30%左右。城市站最高氣溫和最低氣溫出現時間均有延后傾向。

［1］任國玉，徐銘志，初子瑩，等.近54年中國地面氣溫變化［J］.氣候與環境研究，2005，10（4）：717-727.

［2］IPCC.Guidance notes for lead authors of the IPCC fourth assessment report on addressing uncertainties［M］. Geneva Switzerland：IPCC，2005.

［3］任玉玉，任國玉，張愛英，等.城市化對地面氣溫變化趨勢影響研究綜述［J］.地理科學進展，2010，29（11）：1301-1310.

［4］褚紅瑞，王詠梅，范艷琴，等.1961—2010年山西省寒潮的氣候特征與可能成因［J］.科技與創新，2014（8）：136-139.

［5］張愛英，任國玉，周江興，等.中國地面氣溫變化趨勢中的城市化影響偏差［J］.氣象學報，2010，68（6）：957-966.

［6］周雅清，任國玉.華北地區地表氣溫觀測中城鎮化影響的檢測和訂正［J］.氣候與環境研究，2005，10（4）：743-753.

［7］賈艷青，張勃，張耀宗，等.城市化對長三角地區極端氣溫影響的時空分異研究［J］.自然資源學報，2017，32（5）：814-828.

［8］黃宏濤，吳榮軍，王曉云，等.城市化對珠三角地區氣溫及日較差的可能影響［J］.氣象，2016（7）：847-856.

［9］任芝花，趙平，張強，等.適用于全國自動站小時降水資料的質量控制方法［J］.氣象，2010，36（7）：123-132.

［10］周雅清，任國玉.城市化對華北地區極端氣溫事件頻率的影響［J］.高原氣象，2014，33（6）：1589-1598.

［11］張佳華，孟倩文，李欣，等.北京城區城市熱島的多時空尺度變化［J］.地理科學，2011，31（6）：1349-1354.

2095－6835（2020）24－0068－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.022

周雅清（1971—），女，碩士，正高級工程師，主要從事氣候變化研究。

山西省重點研發計劃項目（編號：201703D321038）；山西省氣象局面上項目（編號：SXKMSQH20185132）

〔編輯：王霞〕