環(huán)渤海沿海城市氣候變化特征及其對城市發(fā)展的響應(yīng)*

彭 飛，韓增林

（遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展中心 大連 116029）

環(huán)渤海沿海城市氣候變化特征及其對城市發(fā)展的響應(yīng)*

彭 飛，韓增林

（遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展中心 大連 116029）

城市發(fā)展過程中，人類活動已成為影響氣候變化的主要原因。文章以環(huán)渤海沿海城市作為研究區(qū)域，利用1951—2011年地面觀測站氣象數(shù)據(jù)，采用氣候傾向率、距平、5年移動平均、Mann-Kendall等方法檢驗(yàn)分析其氣候變化特征。結(jié)果顯示：近60年來環(huán)渤海沿海城市氣候表現(xiàn)為明顯的溫度升高，年降水量、風(fēng)速和相對濕度減小的特征，氣候傾向率分別為0．274℃／10 a、－22．398 mm／10 a、－0．165 m／（s·10 a－1）、－0．646 4%／10 a，且各氣象要素均發(fā)生突變。運(yùn)用主成分分析法構(gòu)建環(huán)渤海沿海城市發(fā)展水平綜合指數(shù)模型，分析出：2000—2010年該地區(qū)城市化水平不斷提升，城市化發(fā)展指數(shù)與各氣象要素之間存在相關(guān)性，城市發(fā)展所造成的下墊面性質(zhì)變化，粗糙度加大，人為熱排放增多，環(huán)境污染等是影響氣候變化的主要因素。

氣候變化；城市發(fā)展；影響；環(huán)渤海沿海城市

1 引言

政府間氣候變化專業(yè)委員會 （IPCC）第四次評估報(bào)告指出：近100年來（1906—2005年）全球平均氣溫上升了0．74℃，據(jù)估計(jì)到21世紀(jì)末，全球地表平均增暖1．1℃～6．4℃［1］。中國近百年來（1908—2009年）地表平均氣溫升高了1．1℃，自1986年以來經(jīng)歷了21個暖冬，2007年是自1951年有系統(tǒng)氣象觀測以來最暖的一年。近50年來中國降水分布格局發(fā)生了明顯變化，西部和華南地區(qū)降水增加，而華北和東北大部分地區(qū)降水減少。我國許多學(xué)者也對氣候變化特征作了一系列研究［2－6］。

沿海地區(qū)城市化過程中，土地利用產(chǎn)生明顯變化，人口大量增加，城市產(chǎn)業(yè)快速擴(kuò)張［7］。這些城市化的必然結(jié)果會導(dǎo)致下墊面變化，人為熱排放增多，大氣污染等，并對氣候產(chǎn)生一定的影響。城市化對城市氣候的影響成為許多專家學(xué)者研究的重點(diǎn)，并得出很多有意義的結(jié)論［8－10］。華麗娟［11］分析了中國區(qū)域溫差變化以及城市化增暖效應(yīng)，指出中國存在明顯的城市化增暖效應(yīng)。劉學(xué)峰等［12］對石家莊地區(qū)的氣溫變化狀況和城市熱島效應(yīng)特征進(jìn)行分析后指出，石家莊熱島強(qiáng)度的增加與市區(qū)已建城區(qū)面積擴(kuò)大有很大的關(guān)系。劉洪利等［13］指出，在大城市群擴(kuò)展地區(qū)，近地面年平均氣溫增加幅度為0．5℃～1℃，這種增溫效應(yīng)以大城市群為中心向外擴(kuò)散。城市化和工業(yè)污染造成城市下游降水量增加［14］。本研究以環(huán)渤海沿海城市為研究區(qū)域，分析城市氣候變化特征，探究氣候?qū)Τ鞘邪l(fā)展的響應(yīng)，有助于合理規(guī)劃城市發(fā)展，適應(yīng)全球氣候變化。

2 環(huán)渤海沿海城市氣候變化特征

環(huán)渤海沿海城市地處中緯度，屬溫帶—暖溫帶、濕潤—半濕潤季風(fēng)氣候類型。區(qū)內(nèi)主要地理單元有遼東半島、山東半島及華北平原部分地區(qū)。氣候特征主要表現(xiàn)為四季分明，冬季寒冷、干燥少雪，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽。由于周邊地形的環(huán)繞阻擋以及渤海半封閉型海域自身系統(tǒng)的特殊性，使得環(huán)渤海海岸帶地區(qū)整體氣候演變特征及氣象要素的變化都較我國其他沿海地區(qū)有較大差異。

運(yùn)用計(jì)量方法分析環(huán)渤海沿海城市各氣象要素的基本變化特征和突變檢驗(yàn)。所使用1951—2010年的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)（氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度）均來自中國氣象數(shù)據(jù)科學(xué)共享服務(wù)網(wǎng)，選取大連、營口、錦州、天津、唐山、滄州、濱州、濰坊8個氣象臺站作為環(huán)渤海沿海城市的代表站，用以研究此區(qū)域的氣候變化特征。

2.1 氣象要素基本特征

運(yùn)用距平、氣候傾向率和5年滑動平均計(jì)算方法，分析環(huán)渤海沿海城市近60年氣象要素的基本特征 （表1和圖1）。

表1 環(huán)渤海沿海城市氣候傾向率

圖1 1951—2011年環(huán)渤海沿海城市各氣象要素距平和5年滑動平均

近60年來環(huán)渤海沿海城市年平均氣溫傾向 率為0．274℃／10 a，呈明顯的增溫趨勢，各沿海城市中唐山的增溫幅度最大，濰坊最小 （表1）。從圖1可發(fā)現(xiàn)年均溫距平在1988年以前以負(fù)值為主，之后為正距平，說明1988年后的氣溫明顯高于60年的平均氣溫，氣溫明顯轉(zhuǎn)暖。5年滑動平均曲線有3次明顯的波動，1963年、1983年、2008年達(dá)到波峰，2008年是氣溫最高的一年；1957年、1972年、1987年達(dá)到波谷，1957年為氣溫最低的年份?？傮w說，環(huán)渤海沿海年平均溫呈波動上升趨勢，年均溫經(jīng)歷了“暖→冷→暖”的演變過程。特別是20世紀(jì)90年代起，環(huán)渤海沿海年均溫明顯高于前期。

近60年研究區(qū)降水呈減少的趨勢 （氣候傾向率為－22．398 mm／10a），各城市中除錦州降水量呈增多趨勢，其他各市減少，天津減少幅度最大（表1）。年降水量正負(fù)距平值交替，波動性較大（圖1），說明降水量的變率不穩(wěn)定。1979年以前大多為正距平，降水量較多，1979年以后，降水量距平大多為負(fù)值，降水量明顯減少。5年滑動平均曲線波動性較大，最大年降水量出現(xiàn)在1964年，最少年降水量出現(xiàn)在2002年。

環(huán)渤海沿海風(fēng)速呈減小趨勢，變化傾向率為－0．165 m／（s·10 a－1）；唐山風(fēng)速減小幅度最大，營口最小 （表1）。由環(huán)渤海沿海城市風(fēng)速距平變化圖可知 （圖1），1982年以前距平值大多為正值，風(fēng)速較大；1991年以后距平值均為負(fù)數(shù)，風(fēng)速較小。5年滑動平均曲線出現(xiàn)了一次波峰和一次波谷，分別在1973年和2011年。風(fēng)速變化經(jīng)歷了 “大→小”的過程。

相對濕度的氣候傾向率為－0．6464%／10a，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，滄州減小趨勢最大，濰坊最?。ū?）。從圖1可看出，1951—1957年環(huán)渤海城市相對濕度距平波動性較大，在一定程度上與同年降水量變化相似。

2.2 Mann-Kendall突變分析

Mann-Kendall法可以用來分析各氣象要素的變化趨勢，且此方法已得到廣泛應(yīng)用［15－16］。在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖中，如果UF與UB在臨界值間有一個顯著的交點(diǎn)，且UF上升超過或下降低于臨界值，則認(rèn)為序列產(chǎn)生了突變，UF線表示從低向高突變，UB線表示從高向低突變，二者的交點(diǎn)就是突變的開端。反之，則認(rèn)為沒有突變產(chǎn)生。

分別將環(huán)渤海沿海各氣象要素值時間序列輸入DPS軟件，進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，可得到各要素的突變檢驗(yàn)圖 （圖2）。

圖2 環(huán)渤海沿海各氣象要素Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖

分析圖2可知，氣溫發(fā)生突變的年份為1988年（α＝0．01），1988年前氣溫呈波動性增長，之后氣溫直線上升趨勢明顯，1990年達(dá)到突變顯著性水平。年降水量在1978年發(fā)生突變（α＝0．05），1978年以前呈波動增長趨勢，1978年后逐年下降，2000年達(dá)到突變顯著性水平，2003年之后呈現(xiàn)微弱的增多趨勢。風(fēng)速UF、UB曲線在臨界值間未相交，表明風(fēng)速突變未能通過檢驗(yàn) （α＝0．01或α＝0．05），但該地區(qū)1951—2010年風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1975年前后，風(fēng)速開始逐漸減小。相對濕度突變的年份為20世紀(jì)50年代中期（α＝0．01），突變前，呈減小趨勢，60年代到90年代初期波動增大。

3 城市發(fā)展對環(huán)渤海沿海城市氣候的影響

城市發(fā)展對區(qū)域及全球氣候變化的影響是人們廣泛關(guān)注的問題。隨著城市化進(jìn)程，森林、耕地面積大量減少，而城市地面大部分為混凝土或?yàn)r青構(gòu)成的不透水路面和建筑物。城市規(guī)模的發(fā)展、城市面積的擴(kuò)大和城市人口的增加，大量生活、交通、工業(yè)人為熱及溫室氣體排放，在城市下墊面的熱力、動力作用和溫室效應(yīng)的影響下，形成了城市區(qū)域氣候。董鎖成等［17］指出，中國沿海地區(qū)五大城市群人口、產(chǎn)業(yè)和設(shè)施密集，處于?！懡换プ饔玫拇嗳趺舾械貛В瑲夂蜃兓瘜⑹刮宕笱睾３鞘腥撼蔀槿珖軞夂蜃兓绊懽畲蟮牡貐^(qū)。

3.1 環(huán)渤海沿海城市化進(jìn)程

選擇非農(nóng)業(yè)人口比重、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重和建城區(qū)面積比重4項(xiàng)指標(biāo)作為衡量環(huán)渤海沿海城市化發(fā)展程度的指標(biāo) （數(shù)據(jù)來自各省、市、自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒2001—2011年）。運(yùn)用主成分分析方法，提取第一主成分的因子載荷。上述4項(xiàng)指標(biāo)的因子載荷分別為0．98、0．993、0．242、0．976。構(gòu)建城市發(fā)展水平綜合指數(shù)Z，Z＝0．98X1＋0．993X2＋0．242X3＋0．976X4，結(jié)果見圖3。從圖3中可看出，近10年來環(huán)渤海沿海城市發(fā)展水平綜合指數(shù)呈上升趨勢，城市發(fā)展迅速。大量人口涌進(jìn)城市，人口城市化率逐步提升。經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人均GDP年均增長30%，第三產(chǎn)業(yè)比重逐步提升。城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，建城區(qū)面積比重增加，城市下墊面變化顯著，城市建筑增多，改變了原有下墊面的熱力性質(zhì)和粗糙程度。

圖3 環(huán)渤海沿海城市2000—2010年城市發(fā)展水平綜合指數(shù)

3.2 城市發(fā)展對氣候的影響

為進(jìn)一步確定城市發(fā)展對氣候的影響，運(yùn)用相關(guān)分析法，計(jì)算城市發(fā)展水平綜合指數(shù)與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)。城市發(fā)展綜合指數(shù)Z與年均溫、年降水量、風(fēng)速、相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0．3、0．692、－0．742、－0．039?？煽闯?，城市發(fā)展與風(fēng)速、相對濕度呈負(fù)相關(guān)，與氣溫、年降水量呈正相關(guān)。從數(shù)值大小來看，城市發(fā)展與相對濕度的相關(guān)系數(shù)較小，且相關(guān)性不大；與年降水量和風(fēng)速的相關(guān)性較高。隨著城市發(fā)展綜合水平指數(shù)的升高，氣溫和風(fēng)速減小，而降水量增多。城市下墊面熱力性質(zhì)變化導(dǎo)致城市增溫，形成城市熱島；城市建筑增多，加大了下墊面的粗糙度，對風(fēng)速產(chǎn)生影響；城市內(nèi)部工業(yè)發(fā)展，人為污染物排放等，增加了城市內(nèi)部凝結(jié)核，容易增多降水量，形成城市內(nèi)澇。

3.3 原因分析

城市規(guī)模的擴(kuò)大是影響城市氣候變化最直接的因素，城市規(guī)模中最具代表性的就是城市人口數(shù)量和建城區(qū)面積。建城區(qū)面積比重逐步增加，選取的環(huán)渤海沿海8個城市建城區(qū)總面積由2000年的650 km2，增加為2010年的1 000 km2。人口數(shù)量的增多必然推進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也增加了人為熱量的排放，進(jìn)而影響氣候變化。

城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化水平是影響城市氣候變化的一個重要因素，環(huán)渤海地區(qū)近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨向合理化發(fā)展。其中第二產(chǎn)業(yè)占有很大的比重，由1997年的47．3%上升到2010年的53．3%，工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致工業(yè)產(chǎn)品增多，例如汽車、空調(diào)等產(chǎn)品的消費(fèi)量增加，從而導(dǎo)致溫室氣體增多，增溫效果明顯。

下墊面性質(zhì)的變化也會對城市氣候產(chǎn)生影響，根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒資料顯示，環(huán)渤海沿海地區(qū)人均道路鋪裝面積由1997年的6．19 m2增加到2010年的20．07 m2。水泥路面擴(kuò)展，改變了城市下墊面的熱力性質(zhì)和粗糙程度，增大了地面接受熱量的能力，從而加劇了城市熱輻射；城市高大建筑物減小了地表風(fēng)力降低熱量擴(kuò)散的強(qiáng)度，不僅造成城市氣溫升高，減小了風(fēng)速，而且阻滯降水系統(tǒng)，使降雨量增多。

城市環(huán)境也是影響城市氣候很重要的因素，工業(yè)三廢，汽車尾氣，生活垃圾等污染物都會對增加溫室氣體量，空氣中污染物增多有利于為降水提供凝結(jié)核從而影響城市氣候變化。城市環(huán)境中綠地具有改善局地小氣候的功效。

4 結(jié)論

（1）1951—2011年環(huán)渤海沿海城市氣候變化特征明顯，主要表現(xiàn)為氣溫升高，年降水量、風(fēng)速、相對濕度減小，各氣象要素的變化傾向率分別為0．274℃／10 a、－22．398 mm／10 a、－0．165 m／（s·10 a－1）、－0．6464%／10 a，各氣象要素都經(jīng)歷了不同的波動起伏時期。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)也證明各氣象要素在這60年中發(fā)生突變，氣溫突變年份為1988年，年降水量為1978年，風(fēng)速為1975年，相對濕度突變發(fā)生在20世紀(jì)50年代中期。

（2）近10年來環(huán)渤海沿海城市發(fā)展迅速，城市發(fā)展綜合指數(shù)呈上升趨勢。城市發(fā)展與風(fēng)速、相對濕度呈負(fù)相關(guān)，與氣溫、年降水量呈正相關(guān)。城市發(fā)展過程中人口增多、下墊面熱力性質(zhì)和粗糙度變化、環(huán)境污染等都是影響城市氣候變化的重要因素。

（3）為了適應(yīng)全球氣候變化，減小人類活動對氣候的影響，在未來城市發(fā)展過程中，應(yīng)當(dāng)控制大城市發(fā)展規(guī)模，集中發(fā)展中小城市，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加城市綠地面積，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，提倡碳中和的生活方式。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41071094）；遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（LT2010057）．