城市化對西青氣象要素影響分析

劉志杰，王 靜，于 紅

（天津市西青區氣象局 天津 300380）

隨著經濟社會的深入發展，天津城市規模不斷擴大，由此引起的熱島效應逐漸加劇。以往研究已表明，城市發展使得熱島效應加強，天津年平均氣溫不斷升高，且城區明顯高于郊區，冬春兩季增溫明顯［1］。精細化分析顯示，天津主城區熱島效應向四周輻射，熱島強度冬季最強，夜間較白天明顯［2］。城市化也使得市區濕度下降、風力減弱，從而成為明顯的干島和污濁島［3-4］。此外，天津地區因其鄰近渤海的地理位置，也常受到海陸風的影響，熱島環流疊加海風環流可改變中小尺度系統位置和強度，從而直接影響局部地區對流性降水［5］。

作為毗鄰市區的西郊地區，西青區局地氣候也必然受到天津城區及外圍城市化的影響，但單獨針對西青地區的研究尚未深入開展，研究尺度也不夠精細。本文擬以西青街鎮一級氣象站點逐時觀測資料為基礎，對比不同下墊面區域各類要素均值和極值差異特征，探究城市化對近郊西青天氣氣候的影響。

1 數據資料

本研究選用西青國家站和各街鎮自動站逐時觀測氣溫、小時最高最低氣溫、小時降水量、平均風速和極大風速資料，并分析氣溫、降水和風速3類要素的均值和極值在月份和小時尺度上的差異。對西青區現有4街7鎮和經濟開發區，除津門湖街外，其余街鎮各選取一個氣象站作為代表站點。由于津門湖街成立不久，觀測資料積累不足，所以暫不予以考慮。對上述數據進行基本質控，異常數據按缺測處理。

此外，下墊面分布選取自然資源部研制的30 m空間分辨率全球地表覆蓋數據GlobeLand 30［6］，該數據于2020年更新發布，可較好地反應西青實際下墊面分布。GlobeLand 30數據包括10個一級類型，西青區域主要涉及4類，分別是耕地、草地、水體和人造地表。

2 西青地區下墊面分布特征

西青區位于天津市區西南部，總體呈西北-東南狹長走向，南北長48 km，東西寬11 km。鑒于熱島強度與城鄉站選擇密切相關［7］，本文首先基于GlobeLand 30資料對西青下墊面進行分析。資料顯示，西青區下墊面主體由人造地表和耕地組成，耕地面積略多于人造地表，其中毗鄰市區的街鎮多以人造地表為主，體現出了城市擴展帶來的影響，而遠離城區的街鎮多以耕地為主，間或有草地或水體覆蓋。通過分析西青區各街鎮自動站所處位置，結合下墊面分布特征，將各街鎮自動站類型標出（表1），并按下墊面類型分為鄉村站（耕地、草地）及城鎮站（人造地表），各包含6個站點。

表1 西青各街鎮氣象站所屬下墊面分類Tab.1 Classification of underlying surface of Xiqing street/township meteorological stations

3 城市化對西青各類氣象要素的影響

3.1 城市化對氣溫的影響

西青區各站多年平均逐月氣溫顯示（圖1），全年平均氣溫在7月份最高，1月份最低，城鎮氣溫明顯高于鄉村，平均差值0.8 ℃。城鄉溫差表現出了一定的年變化特征，其中冬季＞秋季＞春季＞夏季。最高氣溫極值和最低氣溫極值表現為類似特征，但最高氣溫極值在6月最高，城鄉差異整體偏弱，僅為0.5 ℃，且夏季差異最為明顯，最低氣溫極值城鄉差異則整體偏強，平均能達1.5 ℃以上。

圖1 西青城鎮及鄉村氣象站逐月平均氣溫（a）、最高氣溫極值（b）、最低氣溫極值（c）差異Fig.1 Monthly average temperature（a）, maximum air temperature extreme value（b）, minimum air temperature extreme value（c） and their differences at Xiqing urban and rural meteorological stations

逐時氣溫顯示（圖2），日平均氣溫在清晨06時最低，15時最高。城鎮氣溫全天均高于郊區站，平均溫差可達0.81 ℃（表2），且在夜間20時到次日06時差異明顯達1 ℃以上。其中最大溫差出現在05時，達1.26 ℃；最小溫差出現在16時，僅為0.24 ℃。小時最高氣溫極值分布特征與平均氣溫相似，但下午差異幅度偏大；最低氣溫差異僅在后半夜明顯，03—09時溫差可達1 ℃以上，體現出了城市化的影響。

圖2 西青城鎮及鄉村氣象站逐時平均氣溫（a）、最高氣溫極值（b）、最低氣溫極值（c）Fig.2 Hourly average temperature（a）, maximum air temperature extreme value（b） and minimum air temperature extreme value（c） at Xiqing urban and rural meteorological stations

表2 西青城鎮及鄉村氣象站各類氣象要素均值及極值Tab.2 Mean and extreme values of various meteorological elements at Xiqing urban and rural meteorological stations

3.2 城市化對降水的影響

城市化一方面可使得近地面粗糙度增大，導致氣流抬升、繞流現象明顯，能夠改變中小尺度流場分布；另一方面可使得城區中心熱量增多、不穩定增強、上升作用明顯，這些都對雨區位置和強度有一定影響［8］。天津地處渤海之濱，地形地貌獨特，熱島環流和海陸風交互影響，特別是天津繞城熱島環流能夠減弱城區風速，以及增強向島氣流輻合和抬升運動，使得城區降雨增多。

然而西青地區觀測資料卻顯示，本地月平均降雨量城鄉間無明顯差異。小時平均降雨量存在一定的日變化，其在后半夜01—03時、早晨07時雨量顯著偏多，上午10—12時雨量偏少，城鎮和鄉村站降雨量差異不明顯（表2、圖3）。小時最大降雨量呈現類似特征，表明西青雨量分布與城鄉差異無明顯對應關系，具體影響需結合實際降雨過程綜合分析。

圖3 西青城鎮及鄉村氣象站逐時平均降水量（a）及最大降水量極值（b）Fig.3 Hourly average precipitation（a） and maximum precipitation extreme value（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

3.3 城市化對風速的影響

從風速分布看，西青城鄉平均風速均在春季最大，秋季最小，城鄉差異也表現出相同特征，春季城鄉平均風速差值可達0.6 m/s以上，體現出城市化對風速減弱的作用（圖4）。大風極值鄉村站在夏季6—8月偏大，致使城鄉差異也在夏季最為明顯，平均可達3 m/s以上。夏季中小尺度強對流活動多發，易形成強烈的局地風暴天氣，而城區粗糙下墊面對中小尺度天氣影響作用明顯，這可能是導致鄉村站夏季大風極值偏高和城鄉差異偏大的主要原因。

圖4 西青城鎮及鄉村氣象站逐月平均風速（a）及最大風速極值（b）Fig.4 Monthly average wind speed（a） and extreme value of maximum wind speed（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

小時尺度上，西青地區平均風速存在顯著日變化特征，其在午后12—15時偏大、凌晨03—06時偏?。▓D5）。城鄉風速差異顯著（表2），城鎮風速全天均明顯弱于鄉村，且差值在中午前后更為明顯，達0.6 m/s以上。大風極值在前半夜相對偏大，可能與前半夜強對流活動多發有關。城鄉差異中午前后也更為明顯，11—15時差值均超過2.5 m/s。

圖5 西青城鎮及鄉村氣象站逐時平均風速（a）及最大風速極值（b）Fig.5 Hourly average wind speed（a） and extreme value of maximum wind speed（b） at Xiqing urban and rural meteorological stations

4 結論和討論

①城市化使得西青區城鄉氣溫呈現明顯差異，且表現出一定的年變化特征，冬季＞秋季＞春季＞夏季，最高氣溫極值城鄉差異整體偏弱，夏季最為明顯，最低氣溫極值城鄉差異則整體偏強。城鎮氣溫在夜間明顯高于鄉村，最大溫差出現在清晨05時左右。相對于平均氣溫，最高氣溫極值城鄉差異在下午偏大，最低氣溫差異僅在后半夜明顯。

②西青城鎮和鄉村站逐月和逐時降雨量無明顯差異，其中小時平均降雨量和最大降雨量極值存在一定日變化特征，在后半夜及早晨雨量偏多，上午雨量偏少。

③西青城鄉平均風速及其差異均在春季最大、秋季最小。大風極值城鄉差異則在夏季6—8月最大，城鎮較鄉村風速偏弱，平均可達3 m/s以上。城鄉平均風速及最大風速均存在顯著日變化特征，午間城鄉平均風速及最大風速差異最為明顯。