城市發(fā)展對高原湖盆區(qū)極端降水的影響

李寶芬,李曉鵬,曹一梅,金 卓

(1.云南省水文水資源局昆明分局,云南 昆明 650032;2.昆明市氣象局,云南 昆明 650034)

根據(jù)國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2021年第五次評估報告顯示:由于全球變暖和大氣水汽增加,極端降水的頻次和強度均有增加,并有持續(xù)增加的趨勢,降水將更趨于集中[1]。城市極端降水事件變化引起了廣泛專家和學(xué)者的關(guān)注和研究,研究表明[2-11]:氣溫上升形成的城市熱島效應(yīng),造成城市極端降水各項指數(shù)的增加或減少,不同區(qū)域又有其獨特的變化特征,且隨著城市熱島效應(yīng)影響區(qū)域的改變,極端降水變化趨勢的不均勻性也愈加明顯;柏紹光等[12]、崔松云等[13]、王志浩等[14]研究了城市熱島效應(yīng)對昆明市降雨量或暴雨洪水的影響,闡明了城市熱島效應(yīng)對昆明城區(qū)的水文變量影響顯著,其導(dǎo)致暴雨量級增大、頻次增多、單點暴雨頻發(fā);但從湖盆區(qū)地形角度和城市熱島效應(yīng)對昆明城市極端降水的影響研究為空白,本文采用多站點多時間尺度極端降水資料,以云貴高原湖盆區(qū)省會城市昆明為例,論述了城市發(fā)展對湖盆區(qū)極端降水的貢獻率和影響區(qū)域特點,可為湖盆區(qū)城市防洪減災(zāi)、應(yīng)急處置、完善“四預(yù)”工作提供參考。

1 研究區(qū)城市概況

昆明城市位于云貴高原第二大盆地(面積736.6 km2),盆地內(nèi)地勢較為平坦,水熱條件較好,屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候,三面環(huán)山,南瀕滇池,為山原地貌;市區(qū)地勢由北向南傾斜,市區(qū)海拔在1 887～1 950 m,主城區(qū)地面高程約1 890 m,滇池多年平均水位1 886.68 m。20世紀(jì)70年代末昆明核心城區(qū)面積22.6 km2,范圍主要位于一環(huán)內(nèi);90年代開始,城市向北、南部區(qū)域擴張,1992年建成區(qū)面積70 km2,人口從1980年99.7萬人增至180萬人;大約2000年前后,北市區(qū)和南市區(qū)的拓展大幅提速;至2021年,主城各方向均擴張至山體或滇池湖邊,呈貢新區(qū)、空港新區(qū)迅速崛起,昆明建成區(qū)已達(dá)494.2 km2,城市人口已達(dá)510.03萬人。昆明建成區(qū)面積40余年來翻了20多倍,城市人口翻了5倍有余。2020年昆明市汽車擁有量250.39萬輛,人均汽車保有量居全國第3位。由于城市迅猛發(fā)展,土地利用發(fā)展方式改變,城市環(huán)境污染,導(dǎo)致水文氣象條件變化,城市化“熱島效應(yīng)”明顯,城區(qū)局地性暴雨和單點暴雨等極端天氣十分突出。

2 資料來源及方法

2.1 資料來源及處理

本文分析采用的長系列(1971—2021年)資料來源于昆明市氣象及水文自動監(jiān)測雨量站,各站資料嚴(yán)格按照專業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范進行質(zhì)量控制,基礎(chǔ)資料可靠、完整,具有代表性。根據(jù)地形變化及站點高程分布,選取具有代表性的 9個站點(圖1、表1),并根據(jù)離城區(qū)發(fā)展情況綜合考慮,將站點劃分為:湖盆區(qū)(昆明(氣象)、呈貢(氣象)、海埂,分別代表主城區(qū)、新城區(qū)、臨湖區(qū))、盆地邊緣(東白沙河(城東)、西北沙河(城西)、松華壩(城北))和盆地外圍山丘區(qū)(中和(遠(yuǎn)郊鄉(xiāng)村)、太華山(氣象,郊區(qū)站)、三家村(高山區(qū))、梁王山(高山區(qū)))。

表1 昆明湖盆區(qū)選用氣象水文雨量站點一覽

圖1 昆明城區(qū)氣象、水文雨量監(jiān)測站點分布

對氣象、水文日降水統(tǒng)計時間不一致問題,進行了統(tǒng)一處理,日降水量為8時對次日8時。

2.2 極端降水指數(shù)的選取及分析方法

根據(jù)ETCCDM[15]定義的11個降水相關(guān)指數(shù),選取其中5個極端降水指數(shù),同時增加暴雨以上總量、中雨以上總量、年總降水日數(shù)等3個指數(shù)一并進行研究分析,其定義及單位見表2。

表2 選取的極端降水指數(shù)定義

根據(jù)各年研究指數(shù)發(fā)生的頻次、量級,進行線性趨勢[5-6,11]和城市化前后不同時期變化分析,計算城市發(fā)展對極端降水的貢獻率[11]。城市化貢獻率的計算見式(1):

(1)

式中Eu——城市發(fā)展貢獻率,%;Pu、Pr——湖盆區(qū)周邊站點和遠(yuǎn)郊站降水量、降水日數(shù)的變化趨勢系數(shù),其差值反映城市發(fā)展影響,若Pu-Pr的值大于0表示城市發(fā)展使之增大或增多,即城市發(fā)展對所考慮的氣象要素造成增加貢獻,若為負(fù)值則表明城市發(fā)展對它們起減弱貢獻。

3 城市化對極端降水影響分析

3.1 城市熱島效應(yīng)

近50 a來,隨著昆明城市化進程的推進及城區(qū)人口的不斷增長,昆明主城區(qū)年平均、最低、最高氣溫增溫效果顯著,其中昆明主城從20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)明顯的氣溫升高,特別是1998年氣溫有明顯的躍升,50 a來平均、最低、最高氣溫增長速度分別為0.48、0.58、0.42℃/10a;新城區(qū)呈貢氣溫也呈逐漸升高的趨勢,50年來平均、最低、最高氣溫增長速度分別為0.37、0.56、0.26℃/10a,見圖2。圖中顯示昆明主城平均、最低、最高氣溫自1992年后逐年抬升,新城區(qū)呈貢平均、最低、最高氣溫自2000年前后逐年抬升,且昆明主城較新城區(qū)呈貢增幅明顯。新城區(qū)呈貢出現(xiàn)兩級躍升,2000年以后出現(xiàn)快速升高,2005年開始出現(xiàn)明顯的躍升,此變化與昆明主城、呈貢新城區(qū)大規(guī)模擴建時間節(jié)點基本一致。

a)昆明

太華山氣象站處于昆明近郊太華山頂、西山國家級名勝區(qū)內(nèi),自然環(huán)境穩(wěn)定,受城市發(fā)展的影響較小,利用昆明站與太華山站、呈貢站與太華山站的溫度差作為昆明站和呈貢站城市熱島強度系數(shù)。圖3顯示,兩地除呈貢最高氣溫?zé)釐u系數(shù)外,其他溫度熱島系數(shù)均逐年增強,昆明站1995年以后、呈貢站2005年以后出現(xiàn)呈現(xiàn)熱島強度系數(shù)躍升的情況,表明城市化進程的加快是導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要影響因素。孫績?nèi)A等[16]研究結(jié)果也表明2008年以后,昆明城市熱島面積不斷擴大,并出現(xiàn)熱島中心向呈貢一帶偏移的現(xiàn)象,這也印證了本文的分析結(jié)果。

a)昆明

3.2 對不同量級極端降水量的影響

表3顯示:各量級極端降水量線性趨勢中位于湖盆區(qū)的城南臨湖站與遠(yuǎn)郊站均為減少趨勢;湖盆區(qū)中心城區(qū)、盆地邊緣除年總降水量線性趨勢有增有減外,其余各量級極端降水量均表現(xiàn)為增加趨勢;山丘區(qū)西部、東南部年總降水量均為減少趨勢,東南部山丘區(qū)最大5 d 降水量為減少趨勢,其余各項為增加趨勢;總體為各區(qū)域增減幅度具有不均一性。其中,最大1 d最大增幅為湖盆區(qū)中心主城區(qū)、次大為盆地邊緣城西,東南部山丘區(qū)僅為微弱增加;最大5 d最大增幅為盆地邊緣的城西、次大為盆地邊緣城北,東南部山丘區(qū)為減少趨勢;暴雨以上最大增幅為東南部山丘區(qū)、次大為位于湖盆區(qū)東部的新城區(qū),城北僅為微弱增幅;中雨以上最大增幅為盆地邊緣城西、次大為東南部山丘區(qū),最小增幅為盆地邊緣城北。年總降水量各站變化趨勢有增有減,其中減幅最大為臨湖區(qū),次大減幅為位于湖盆區(qū)中心的主城區(qū);增幅最大為盆地邊緣城西,最小增幅為位于湖盆區(qū)東部的新城區(qū)。

表3 1971—2021年昆明湖盆中心城區(qū)、盆地邊緣、山丘區(qū)極端降水量線性變化趨勢 單位:mm/a

3.3 對不同量級極端降水日數(shù)的影響

1971—2021年不同量級極端降水日數(shù)總體表現(xiàn)為:山丘區(qū)>湖盆區(qū)>盆地邊緣(表4),又以位于盆地東部中心的新城區(qū)和東部邊緣最少。其中,暴雨以上日數(shù)臨湖區(qū)、盆地邊緣城北、西部山丘區(qū)表現(xiàn)為微弱減少,其他區(qū)域表現(xiàn)為微弱增多,增多最大為東南部山丘區(qū)。中雨以上日數(shù)均表現(xiàn)為微弱增多趨勢,以盆地邊緣城西增多最大;年總降水日數(shù)各站趨勢有增有減,增加區(qū)域位于盆地邊緣的城西、城東、東南部山丘區(qū),減少區(qū)域位于湖盆區(qū)、城北、西部山丘區(qū)。

表4 1971—2021年昆明湖盆中心城區(qū)、盆地邊緣、山丘區(qū)極端降水日數(shù)線性變化趨勢

3.4 城市化貢獻率分析

表5結(jié)果表明:城市發(fā)展對湖盆區(qū)、盆地邊緣、山丘區(qū)極端降水指數(shù)均有不同程度影響,其中城市發(fā)展除對臨湖區(qū)最大1 d、暴雨以上降水量及日數(shù),對西部山丘區(qū)暴雨以上日數(shù),對東南部最大5 d、年總降水量、中雨以上日數(shù)為減弱貢獻外,對其他區(qū)域的各極端降水指數(shù)均為增加貢獻。具體為:城市發(fā)展對湖盆區(qū)中心主城區(qū)貢獻最大的是年總降水量和暴雨以上日數(shù)、對新城區(qū)貢獻最大的是年總降水量和暴雨以上日數(shù)、對城南臨湖區(qū)貢獻最大的是中雨以上總量和中雨以上以上日數(shù);對盆地邊緣東部貢獻最大的是年總降水量和年總降水日數(shù)、對西部貢獻最大的是年總降水量和年總降水日數(shù)、對北部貢獻最大的是暴雨以上總量和暴雨以上日數(shù);對西部山丘區(qū)貢獻最大的是年總降水總量及其日數(shù)、對東南部山丘區(qū)貢獻最大的是暴雨以上總量和暴雨以上日數(shù)。

表5 城市發(fā)展貢獻率分析成果 %

3.5 不同時期極端降水量變率分析

根據(jù)昆明城市平均突變及城市大規(guī)模擴大時間節(jié)點,將各代表站資料系列分為1971(1979)—1992(1)、1993—2021(2)兩個系列,分析城市大規(guī)模擴大前后不同量級極端降水量變率,結(jié)果見表6。

表6 不同時期極端降水量變率分析

表6顯示除城南臨湖區(qū)最大1、5 d以及暴雨以上降水量前后期變率為負(fù)值外,其余各區(qū)域各極端降水量均表現(xiàn)為正值變率,表明城市化進程加快后極端降水發(fā)生呈增加趨勢。其中最大1 d 降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是東南部山丘區(qū);最大5 d降水量增加變率最大的是位于湖盆區(qū)中心的新城區(qū)、最小增加變率是東南部山丘區(qū);暴雨以上降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北;中雨以上降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北;年總降水量降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北。

總體表現(xiàn)為城市化后,盆地邊緣、新城區(qū)區(qū)域極端降水變率較湖盆中心主城區(qū)、山丘區(qū)明顯;盆地邊緣城西>城東>城北、湖盆區(qū)新城區(qū)>主城區(qū)>臨湖區(qū)、山丘區(qū)西部>東南部;其中位于盆地邊緣東部和湖盆東部中心區(qū)的新城區(qū)較城市化前增多明顯,這種變率表現(xiàn)與熱島發(fā)展方向相一致;而臨湖區(qū)變率變化表現(xiàn)為受滇池大型水體調(diào)節(jié)影響,城市化對臨湖區(qū)的極端降水影響不明顯。

同理,城市化發(fā)展對昆明東南部山丘區(qū)暴雨以上降水量有明顯影響,其前后變率較主城區(qū)、城北、新城區(qū)大,這一現(xiàn)象也可從同時期多年變化趨勢分析(圖4),結(jié)果為主城區(qū)、新城區(qū)、城北、東南部山丘區(qū)暴雨以上的年降水量整體呈增加趨勢,增率為東南部山丘區(qū)>湖盆中心城區(qū)>盆地邊緣城北,表明城市化對高山暴雨以上極端降水具有明顯影響。

a)近郊高山與主城區(qū)

4 結(jié)論

a)城市發(fā)展對湖盆區(qū)、盆地邊緣、盆地外圍山丘區(qū)各項極端降水指數(shù)均有不同程度影響,其中對盆地邊緣影響最強,對山丘區(qū)影響最弱,湖盆區(qū)影響居中,該結(jié)論與馬艷等[10]、SHERPARD等[11]發(fā)現(xiàn)最大降水量發(fā)生在城市中心邊緣區(qū)域相一致。因受地形、城市熱島效應(yīng)影響,城市發(fā)展還造成湖盆區(qū)、盆地邊緣、山丘區(qū)各區(qū)域極端降水指數(shù)多年線性趨勢增減幅度具有不均一性。

b)城市發(fā)展對湖盆區(qū)各極端降水指數(shù)均有影響。其中對位于湖盆中心區(qū)的主城區(qū)、新城區(qū)影響明顯大于城南臨湖區(qū),且對湖盆中心主城區(qū)、新城區(qū)各極端降水指數(shù)均為增加貢獻,貢獻率分別為25.5%～342.9%、48.6%～273.6%;城南臨湖區(qū)因受滇池大水體調(diào)節(jié)影響,極端降水指數(shù)受城市發(fā)展影響有增有減,對暴雨以上降水量及其降水日數(shù)有減弱貢獻,減弱貢獻率分別為-70.5%、-75.9%,對其他指數(shù)為增加貢獻,貢獻率47.9%～200.0%。

c)城市發(fā)展對盆地邊緣西部極端降水指數(shù)影響最強,對北部最弱,東部影響居中;但對北部的極端降水城市貢獻率最高,各項指數(shù)貢獻率為13.9%～966.7%。

d)城市發(fā)展對東南部山丘區(qū)暴雨以上極端降水具有明顯影響,對東南部山丘區(qū)最大5 d、年總降水量以及中雨以上日數(shù)有減弱貢獻,減弱貢獻率分別為-3.5%、-55.6%、-8.3%,對西部山丘區(qū)暴雨以上日數(shù)也有減弱影響,減弱貢獻率為-20.9%,對其他指數(shù)為增加貢獻,貢獻率為10.3%～364.2%。