昆明近50年城市化氣候變化特征及未來趨勢

彭 妮，周 泓，李江林，王一鳴，黎云霞

(1.云南省石林縣氣象局，云南昆明 652200；2.云南省玉溪市氣象局，云南玉溪 653100)

昆明近50年城市化氣候變化特征及未來趨勢

彭 妮1，周 泓2*，李江林1，王一鳴1，黎云霞1

(1.云南省石林縣氣象局，云南昆明 652200；2.云南省玉溪市氣象局，云南玉溪 653100)

摘要[目的]研究昆明城市化氣候變化特征及未來趨勢。[方法]利用昆明及周邊3個觀測站1961～2010年的相關(guān)氣象資料，運用城郊對比法、R/S分析法以及統(tǒng)計分析方法，對近50年昆明城市化氣候變化特征及未來趨勢進行分析。[結(jié)果]近50年來昆明城區(qū)和郊區(qū)的年平均溫度和年平均相對濕度振蕩趨勢是一致的；昆明市的熱島強度和干島強度有隨時間加劇的趨勢；平均最低氣溫在城市化進程中對區(qū)域局地氣候的影響效應(yīng)更為敏感、更為直接。昆明和晉寧的各項氣象要素距平變化趨勢均存在4級及以上的明顯Hurst現(xiàn)象，昆明城市化進程對平均氣溫和平均最低氣溫變化的影響強于晉寧，晉寧平均相對濕度未來變化的持續(xù)性趨勢強于昆明，日照時數(shù)距平序列未來的減少趨勢具有很強的持續(xù)性。[結(jié)論]該研究為將來昆明城市發(fā)展戰(zhàn)略提供科學參考。

關(guān)鍵詞昆明；城市化效應(yīng)；R/S分析；未來趨勢

氣候變化是當前國際社會的熱點問題。人類活動影響氣候變化，在很多城市地區(qū)，隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市面積不斷擴大，城市人口密度不斷增長，各種廢、熱氣排放量不斷增加，如此種種改變了原有的區(qū)域氣候狀況，城市內(nèi)氣溫較遠郊區(qū)和農(nóng)村的氣溫明顯偏高，導致城市熱島效應(yīng)的氣候特征。國內(nèi)外研究表明，無論城市所處位置和城市規(guī)模大小，都可以出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)，只是其強度不同[1-4]。城市熱島效應(yīng)加劇了城市高溫的出現(xiàn)頻率和高溫災害，帶來了巨大的經(jīng)濟損失；由于城市熱島現(xiàn)象的存在使得城區(qū)的環(huán)境質(zhì)量下降，空氣污染物不易擴散，由此引發(fā)一系列的城市病和多發(fā)性流行病。同時，城市熱島環(huán)流使城郊之間的對流增強，使得城市更易于出現(xiàn)洪澇災害。因此，對于城市熱島效應(yīng)的研究非常必要。

昆明地處低緯(25°N、103°E)、高海拔(1 892 m)地區(qū)，受大氣環(huán)流、地理位置和海拔高度的共同影響，形成四季如春的氣候環(huán)境。近年來城市發(fā)展較快，城市中由于人口稠密，工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)扰欧诺臒崃恐苯釉雠耸袇^(qū)大氣，城市建筑物大型化、高層化使城市內(nèi)的粗糙度及日照等氣象要素發(fā)生改變。筆者在此利用昆明市近50年來的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、相對濕度、水汽壓、日照時數(shù)等氣象要素，運用統(tǒng)計分析方法對昆明市城市氣候特征進行客觀分析，并用地理條件近似于昆明市區(qū)，但較少受城市化影響的晉寧、呈貢和太華山為區(qū)域氣候背景進行對比，最后運用R/S分析法對昆明市氣候的各指標值進行Hurst指數(shù)估算，從而得出昆明市未來氣候變化與過去變化趨勢的自相似程度，得出昆明城市熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)變化特征，并由此對昆明市未來氣候變化進行科學推斷和預測，為將來昆明城市發(fā)展戰(zhàn)略提供科學參考。

1資料和方法

所用資料為昆明、太華山、晉寧和呈貢站1961～2010年的各月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、相對濕度、水汽壓、日照時數(shù)等氣象要素。晉寧距離昆明市南40 km，位于滇池南岸，太華山位于昆明西郊15 km，呈貢距離市區(qū)東南12 km，3縣均屬昆明市郊區(qū)。運用線性趨勢、滑動平均、功率譜等統(tǒng)計分析方法對昆明市城市氣候特征進行客觀分析。

R/S分析法也稱重標極差法[5-7]，最早是由英國科學家赫斯特(H.E.Hurst)在研究尼羅河多年水文觀測資料時提出，后來經(jīng)Mandelbrot與Wallis在理論上對該方法進一步補充完善，把它發(fā)展成為研究時間序列的分形理論。R/S分析法能將一個隨機序列與一個非隨機序列區(qū)分開來，且通過R/S分析還可以進行非線性系統(tǒng)長期記憶過程的探尋。該方法的主要原理為：

表1　Hurst指數(shù)分級

2昆明城市熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)特征

昆明市地處云貴高原中心，南瀕滇池，三面環(huán)山，屬亞熱帶季風氣候區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，1950年昆明城建區(qū)面積僅7.8 km2，隨著城市發(fā)展，到1999年擴大至141.0 km2，50年城區(qū)面積擴大了近18倍，進入21世紀后城市發(fā)展更加迅猛，目前主城區(qū)面積已達290.0 km2，11年間擴大了149 km2，平均每年凈增近14 km2。1950年人口33.7萬多人，2010年主城區(qū)總?cè)丝谠鲋两?00萬。昆明觀測站位于城市，20世紀80年代以前觀測站周圍主要為農(nóng)田，90年代以后城市化發(fā)展迅速，觀測站以外的地方已是高樓林立，成為一個比較典型的城市觀測站，其氣象要素變化主要受全球變暖和城市熱島效應(yīng)雙重影響。其他3站主要位于郊區(qū)，區(qū)域氣候相似，周圍以農(nóng)田為主，是比較理想的鄉(xiāng)村代表站，其氣象要素變化主要受全球變暖影響。

2.1城市熱島的發(fā)展演變趨勢城市熱島強度一般指城市市區(qū)與郊區(qū)或周邊鄉(xiāng)村間的溫度差[8]。為了考察昆明市區(qū)的城市熱島效應(yīng)，將昆明站與其遠郊區(qū)縣(太華山、晉寧和呈貢站)的氣溫進行對比分析。從近50年間昆明和周邊3站的年平均氣溫逐年變化(圖1a)可以看出，昆明、晉寧和呈貢的平均氣溫為13.7～16.7 ℃，太華山的平均氣溫為11.4～13.3 ℃，近50年來4站的溫度振蕩趨勢是一致的，即城區(qū)和郊區(qū)溫度是同位相升降；在1998年之前，昆明站平均溫度一直較晉寧站稍偏低，而1998年后，昆明站平均溫度超過了晉寧站；4個站中昆明站的氣候傾向率最高，為0.45 ℃/10a，晉寧和呈貢的氣候傾向率約為0.20 ℃/10a，太華山的氣候傾向率最小，僅為0.12 ℃/10a，4個站均通過0.001 的顯著性檢驗。以上數(shù)據(jù)說明，與郊區(qū)站相比，昆明城市熱島效應(yīng)非常明顯。從城市熱島強度逐年變化(圖1b)也可以清楚看到，近50年間昆明站與其遠郊各站的年平均氣溫之差的變化趨勢是一致的，在1998年之前變化較為平緩，1998年之后差值呈現(xiàn)持續(xù)上升態(tài)勢，特別是2010年的升幅更大；同樣采用線性趨勢擬合方法分析熱島強度的變化趨勢，昆明城市熱島強度的傾向率為0.25～0.33 ℃/10a，且均通過0.001的顯著性檢驗，說明近50年來昆明與郊區(qū)溫差逐年增大，昆明市的熱島強度有隨時間加劇的趨勢。

2.2城市干島的發(fā)展演變趨勢隨著城市的發(fā)展，城市地表大部分為不透水層所覆蓋，降水被迅速排走，蒸發(fā)到空中的水汽顯著減少，加上城市熱島的存在，使城區(qū)的相對濕度比郊區(qū)小，產(chǎn)生了所謂的“干島效應(yīng)”[9]。同樣使用城區(qū)與郊區(qū)同期的相對濕度差值來考察昆明城區(qū)的干島強度。從近50年間昆明和周邊3站年平均相對濕度的逐年變化(圖2a)可以看出，1970年之前，呈貢站年平均相對濕度為4站中最低，為64.4%～71.6%，其他3站為70.2%～76.5%，1970年至今4個站年平均相對濕度呈現(xiàn)同位相振蕩，但到1998年后，昆明站呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；呈貢和太華山?jīng)]有明顯的線性趨勢，而昆明站和晉寧站的氣候傾向率分別為-1.34和-0.52%/10a，呈貢站通過0.1的顯著性檢驗，太華山通過0.05的顯著性檢驗，晉寧站通過0.01顯著性檢驗，昆明通過0.001 的顯著性檢驗，說明昆明表現(xiàn)出明顯的“干島效應(yīng)”。 從城市干島強度逐年變化(圖2b)也可以清楚看到，1970年之前，昆明站與呈貢站之間相對濕度差值為正值，與晉寧站和太華山站之間相對濕度差值為負值，1970～1995年昆明站與其遠郊各站的年平均相對濕度之差的變化趨勢較為平緩，1998年之后差值呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢，到2005年之后又呈回升趨勢，但仍然處于負值階段；同樣采用線性趨勢擬合方法分析干島強度的變化趨勢，昆明城市干島強度的傾向率為-0.8～-1.7%/10a，且均通過0.01的顯著性檢驗，這充分說明與1998年以來昆明市區(qū)越來越顯著的城市熱島效應(yīng)相對應(yīng)，昆明市的城市干島效應(yīng)也越來越突出。

全球變暖背景下，昆明城市和郊區(qū)均呈增暖趨勢，且波動基本同步。1998年以來，昆明站氣溫及相對濕度的變化均較所轄各縣區(qū)顯著，這與城市化和工業(yè)化進程基本一致。隨著城市規(guī)模的不斷擴大，昆明的城市熱島效應(yīng)總體為增強趨勢，尤其是1998年之后最為明顯。研究表明，城市熱島效應(yīng)與建成區(qū)面積、人口、綠化和景觀等城市環(huán)境密切相關(guān)，城市綠化能較好地緩解城市熱島效應(yīng)[10]。從圖1b和圖2b可以看到，2000～2008年間昆明城市熱島強度和干島強度有明顯的減弱趨勢，有可能與城市綠化建設(shè)改善、滇池治理效果顯著有關(guān)；而2009年之后城市熱島強度和干島強度又呈顯著增強趨勢，這與昆明市大規(guī)模的城市改造對應(yīng)。以上分析可知，昆明市城市規(guī)?？焖贁U大帶來的城市熱島效應(yīng)對昆明市氣溫持續(xù)上升有著相當重要的貢獻。

3昆明城市氣候R/S分析及影響因素初步分析

3.1數(shù)據(jù)預處理根據(jù)江田漢等[11]研究表明，應(yīng)用R/S分析時，首先考慮數(shù)據(jù)序列長度是否足夠，是否可能存在周期或趨勢項，如果有，則在分析前應(yīng)該濾去周期和趨勢項。其次，τ的取值要合理并在對數(shù)軸上分布盡量均勻，同時應(yīng)選擇合理并能呈現(xiàn)標度律的范圍估計Hurst指數(shù)。因此運用文獻[12]中的方法處理為月距平資料。為了剔除顯周期，先用5次滑動平均處理距平序列，然后計算其功率譜，并用Hanning窗平滑，最后用α=0.05的紅噪聲標準譜檢驗以確定顯周期。剔除對應(yīng)的顯周期后，得到濾去周期后的序列，然后再濾去該序列的線性趨勢項，最后用R/S分析法對昆明市氣候的各指標值進行Hurst指數(shù)估算。

3.2R/S結(jié)果分析以昆明站月平均氣溫距平序列為例，序列總長度為50×12=600(圖3)，其功率譜計算顯示12個月為其主要顯周期(圖4)，濾去顯周期和趨勢項后對其進行R/S分析，并由此得到了月平均氣溫距平的R/S分析結(jié)果(圖5)。同樣方法得到昆明和晉寧各氣象要素的Hurst指數(shù)(表2)。

從表2 可以看出，昆明和晉寧的各項氣象要素距平變化趨勢均存在明顯的Hurst現(xiàn)象，即均與過去50年的變化具有相同的趨勢；昆明平均氣溫、平均最低氣溫和日照時數(shù)的H值均超過了0.9，平均最高溫度和平均相對濕度的H值分別為0.819 7和0.820 8，以上5項氣象要素的Hurst指數(shù)達到5級，水汽壓的持續(xù)性強度達到4級；從昆明與晉寧的對比來看，昆明的平均氣溫、平均最低氣溫的H值均比晉寧的高，而昆明和晉寧平均最高氣溫和日照時數(shù)的變化趨勢相差不大，表明昆明城市化進程對平均氣溫和平均最低氣溫變化的影響強于晉寧；昆明平均相對濕度和平均水汽壓的Hurst指數(shù)小于晉寧，說明晉寧平均相對濕度未來變化的持續(xù)性趨勢強于昆明。

3.3昆明城市氣候影響因素初步分析計算4站各項氣象要素月距平序列的傾向率(表3)發(fā)現(xiàn)，昆明平均溫度、平均最低溫度和平均最高溫度的距平均呈上升趨勢，增溫速率為平均最低氣溫>平均氣溫>平均最高氣溫，且城區(qū)>郊區(qū)，降濕速率為城區(qū)>郊區(qū)，說明伴隨昆明城市化過程而帶來的熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)導致昆明升溫降濕明顯強于郊區(qū)，且熱島效應(yīng)對平均最低溫度的影響尤其明顯，由于夜間一般大氣層結(jié)穩(wěn)定度高于白天，城市與其周圍地區(qū)之間水平和垂直方向的混合作用也較白天弱，這使得夜晚熱島強度高，而最低溫度一般出現(xiàn)在夜間，因此，最低溫度更能反映城市熱島效應(yīng)的變化。而日出后郊區(qū)氣溫上升速率和幅度大于城區(qū)，白天太陽輻射的加熱作用引起大氣穩(wěn)定度減弱、逆溫消失以及白天風速增大均是城市熱島在白天減弱的原因，致使城區(qū)和郊區(qū)的平均最高氣溫傾向率相差不大，增溫速率主要受全球變暖趨勢影響。

表2　昆明和晉寧各項氣象要素距平序列的Hurst指數(shù)值

由于城市下墊面類型的改變，市區(qū)可供蒸發(fā)的水分小于郊區(qū)，不透水面積增大，地面平均滲水率大大降低，降水流失，所以造成昆明市區(qū)相對濕度下降。據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果顯示，綠化能使相對濕度增加3%～12%[8]，近年來昆明致力于城市綠化建設(shè)，因此各站平均相對濕度距平的變化幅度均沒有溫度距平的變化明顯。結(jié)合R/S分析可知，昆明平均溫度、平均最低溫度和平均相對濕度未來總體變化趨勢將與過去保持很強的持續(xù)性，即未來仍以升溫降濕趨勢為主。從平均水汽壓的傾向率和R/S分析來看，城區(qū)和郊區(qū)均是呈上升趨勢，但昆明站的變化幅度小于郊區(qū)，這也說明城市干島效應(yīng)間接造成了城區(qū)水汽壓氣候遞增幅度減小，而未來仍維持這種緩慢遞增的趨勢。

從日照時數(shù)距平序列的傾向率和R/S分析來看，除呈貢站未通過信度檢驗外，其余3站均通過信度檢驗，表現(xiàn)為明顯負的變化趨勢，且太華山Hurst指數(shù)達到5級，其余3站也接近5級，預示未來這一減少趨勢將維持很強的持續(xù)性。造成日照時數(shù)減少的原因與城市空氣成分變化、降水變化等因素均有關(guān)系。城市空氣質(zhì)量下降，大氣污染物濃度增加，在近地層容易形成“濁霧”，使日照時數(shù)減少，也有研究指出[13-14]，城市化對降水有增加的作用，原因是城市下墊面粗糙度增加使得近地層擾動風速減弱，城市交通及人口密度的增加導致人為熱排放加大，影響了地表感熱通量變化，從而影響降水。另外熱島效應(yīng)也會引發(fā)邊界層熱擾動的不穩(wěn)定，促使邊界層內(nèi)上升運動加強，有利于局地弱降水過程的產(chǎn)生，且城市氣溶膠粒子增加了云凝結(jié)核，影響了云中微物理過程，也對增加降水起到一定的作用，諸多原因使得降水日數(shù)增多，致使日照時數(shù)減少。

表3　昆明市區(qū)和郊區(qū)各項氣象要素月距平傾向率

注：★、▲、■分別表示通過0.001、0.01和0.05信度水平檢驗。

4結(jié)論與討論

(1)近50年來昆明城區(qū)和郊區(qū)的年平均溫度和年平均相對濕度振蕩趨勢是一致的，1998年后昆明與郊區(qū)溫差逐年增大。昆明城區(qū)年平均相對濕度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，昆明市的熱島強度和干島強度有隨時間加劇的趨勢。

(2)2000～2008年昆明城市熱島強度和干島強度有明顯的減弱趨勢，有可能與城市綠化建設(shè)改善、滇池治理效果顯著有關(guān)。而2009年之后城市熱島強度和干島強度又呈顯著增強趨勢，這與昆明市大規(guī)模的城市改造對應(yīng)。

(3)氣象要素在城市化發(fā)展對區(qū)域局地氣候影響的響應(yīng)上，平均最低氣溫在城市化進程中對區(qū)域局地氣候的影響效應(yīng)更為敏感、更為直接。

(4)昆明和晉寧的各項氣象要素距平變化趨勢均存在4級及以上的明顯Hurst現(xiàn)象，昆明城市化進程對平均氣溫和平均最低氣溫變化的影響強于晉寧，晉寧平均相對濕度未來變化的持續(xù)性趨勢強于昆明，說明伴隨昆明城市化過程而帶來的熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)導致昆明升溫降濕明顯強于郊區(qū)，且熱島效應(yīng)對平均最低溫度的影響尤其明顯。城市干島效應(yīng)間接造成了城區(qū)水汽壓氣候遞增幅度減小，而未來仍維持這種緩慢遞增的趨勢。日照時數(shù)距平序列未來的減少趨勢具有很強的持續(xù)性。

(5)減緩城市熱島效應(yīng)的最好方法是通過各種途徑增加城市自然下墊面的比例，增加城市綠地面積是減輕城市熱島影響的關(guān)鍵措施。城市熱島強度隨著城市化發(fā)展而加強，人口高密度區(qū)也是建筑物高密度區(qū)和能量高消耗區(qū)，常形成氣

溫的高值區(qū)。因此在控制城市發(fā)展的同時，要控制城市人口密度、建筑物密度。應(yīng)大力發(fā)展公共交通，減少路面汽車數(shù)量，控制汽車尾氣超標排放，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

(6)城市化進程對城市氣候的影響，可能與城市人口基數(shù)和增長程度、城市的規(guī)模大小以及發(fā)展程度有關(guān)系，同時與“鄉(xiāng)村站”的選取和周圍環(huán)境變化也有一定關(guān)系。因此，如何定量研究它們之間的相互關(guān)系，是今后有待于進一步研究的問題。

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中圖分類號S161

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)30-171-04

作者簡介彭妮(1983- )，女，云南宜良人，工程師，從事氣象公共服務(wù)工作。*通訊作者，工程師，碩士，從事天氣氣候研究。

收稿日期2015-09-17

Study on the Variation Characteristic and Future Trend of Urbanization Cimate in Kunming in Nearly fifty Years

PENG Ni1，ZHOU Hong2*， LI Jiang-lin1et al(1.Shilin Meteorological Bureau,Shilin,Yunnan 652200;2.Yuxi Meteorological Bureau,Yuxi,Yunnan 653100)

Abstract[Objective] The research aimed to study the variation characteristic and future trend of urbanization cimate in Kunming.[Method]Using the meteorological data from 1961 to 2010 of Kunming and three rural observation stations near Kunming,the variation characteristic and future trend of urbanization cimate were analyzed in Kunming during nearly fifty years by the method of comparision between the urban and suburban’s, R/S analysis and statistical analysis.[Result]The variation tendencies of the annual average temperature and annual average relative humidity of urban were in accordance with suburban’s during nearly fifty years.The urban heat island intensity and dry island intensity were increasing obviously.The urbanization had great impact on the annual average minimum temperature.There were obvious Hurst phenomenon of grade 4 and above for the variation trends of the various meteorological elements anomaly in Kunming and Jinning.The impact of the urbanization process on the average temperature and the average minimum temperature changes in Kunming was stronger than the impact of Jinning.The future sustainable trend of the average relative humidity in Jinning was stronger than that of Kunming.The decreasing trend of sunshine hours anomaly sequenc had a strong sustainability in the future.[Conclusion] The study provides the scientific reference for the city development strategy of Kunming in the future.

Key wordsKunming;Urbanization effects;R/S analysis;Future trend