城市熱島對(duì)漳州氣溫和降水影響的分析

陳藝敏, 戴璽君, 陳建發(fā), 陳登輝

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龍文區(qū)氣象局，福建 漳州 363000)

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城市熱島對(duì)漳州氣溫和降水影響的分析

陳藝敏1, 戴璽君2, 陳建發(fā)1, 陳登輝2

(1. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龍文區(qū)氣象局，福建 漳州 363000)

摘 要：利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，分析了漳州市區(qū)（1957—2014年）的逐月平均氣溫和降水量，結(jié)果表明，90年代中期為氣溫的突變點(diǎn)，之后增溫趨勢(shì)明顯，而降水量的突變不明顯。漳州城市熱島效應(yīng)在2005－2014年表現(xiàn)明顯，熱島效應(yīng)主要增強(qiáng)了市區(qū)、東部(長(zhǎng)泰、龍海)與西部(南靖、平和)的正溫度梯度和負(fù)降水梯度，并且季節(jié)變化明顯。熱島效應(yīng)導(dǎo)致當(dāng)?shù)卮怪边\(yùn)動(dòng)的變化是影響當(dāng)?shù)亟邓兓目赡軝C(jī)因。

關(guān)鍵詞：城市化; 氣溫; 降水; Mann-Kendall檢驗(yàn)

1　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口的規(guī)模不斷擴(kuò)大，氣象學(xué)家們已經(jīng)注意到城市化進(jìn)程增加了人為熱排放并改變了城市下墊面性質(zhì)，形成城市溫度比郊區(qū)高的熱島效應(yīng)[1]。學(xué)者們經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，城市熱島效應(yīng)在升高氣溫的同時(shí)會(huì)影響城市流場(chǎng)與降水[2-4]。對(duì)北京城市熱島研究發(fā)現(xiàn)，熱島效應(yīng)的強(qiáng)度的減弱與大氣穩(wěn)定度減弱，大氣逆溫消失和地面風(fēng)速增大相關(guān)[5]。楊峰等發(fā)現(xiàn)近四十年來(lái)上海城區(qū)比郊區(qū)增溫明顯，且冬季增溫比夏季顯著。陳隆勛等[7]發(fā)現(xiàn)隨著長(zhǎng)江三角洲城市群的發(fā)展，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的氣溫迅速增加，形成區(qū)域性熱島，同時(shí)該地區(qū)的降水增加。

近十幾年來(lái)，漳州城市建設(shè)飛速發(fā)展，汽車(chē)數(shù)量劇增，人為熱排放顯著增加，形成城市熱島效應(yīng)。對(duì)于北京、上海等大城市熱島效應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懸延卸嗥撐陌l(fā)表，而面對(duì)中小城市熱島效應(yīng)的研究很少。本文主要探討在城市熱島影響下，漳州地區(qū)城鎮(zhèn)間氣溫和降水變化特征，以期為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

2　資料與方法

本文所用資料為漳州地區(qū)10個(gè)站點(diǎn)（區(qū)域范圍為116.85°～118.15°E，23.5°～25.2°N）1957－2014年的月平均氣溫和降水量資料，以及近 20年的日平均降水資料。為減少各地因海拔高度的差異給溫度帶來(lái)的影響，本文將10站的平均氣溫按照0.65℃/100m的垂直遞減率訂正到海平面。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，常用于時(shí)間序列的突變檢驗(yàn)，具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。計(jì)算得到的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)，UF>0為上升趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì)。UF曲線通過(guò)信度檢驗(yàn)可得出是否有明顯的變化趨勢(shì)。

3　結(jié)果分析

3.1漳州市區(qū)氣溫與降水的突變

漳州市區(qū)1957－2014年的年平均氣溫和降水量的M-K檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，從1989年以來(lái)，漳州市區(qū)氣溫呈持續(xù)上升趨勢(shì)，90年代中期為氣溫的突變點(diǎn)，之后增溫趨勢(shì)更加顯著，表現(xiàn)為UF曲線在90年代后期超過(guò)臨界值1.96（通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)）。當(dāng)?shù)貧鉁爻掷m(xù)上升的趨勢(shì)與全球變暖的氣候大背景吻合，但是陳葆德等[9]研究了大規(guī)模城市化和土地利用變化對(duì)氣溫的影響，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模下墊面改變導(dǎo)致的局地氣溫增加遠(yuǎn)高于全球變暖的作用。由于近十幾年漳州城市化進(jìn)程快速發(fā)展，城市下墊面的劇烈改變以及人為熱排放的顯著增加，是當(dāng)?shù)貧鉁匮杆偕仙脑颉?/p>

市區(qū)降水量的M-K檢驗(yàn)曲線在20世紀(jì)60、80年代及21世紀(jì)初出現(xiàn)了4個(gè)突變點(diǎn)。降水量的UF曲線在20世紀(jì)70年代前和2006年后呈減少的趨勢(shì)，而在此之間則是呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但變化不顯著（除1970年外均沒(méi)有通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)）。

圖1　漳州市區(qū)氣溫和降水量的M-K圖（虛線為α=0.05的顯著性檢驗(yàn)線）

3.2城市熱島效應(yīng)

為了觀察城市熱島效應(yīng)，分別計(jì)算1995－2004年和2005－2014年漳州地區(qū)10個(gè)站點(diǎn)平均氣溫和同期各站平均氣溫之間的差值，所得結(jié)果由Grads插值，如圖2所示。從圖2a中可以看到，在1995－2004年市區(qū)還沒(méi)有成為明顯的暖中心，且與相鄰的南靖、平和、長(zhǎng)泰和龍海的溫度梯度均不大，而南部的東山和詔安由于受到海洋的影響顯著，溫度比其他地區(qū)低而成為冷中心。2005－2014年（圖 2b）市區(qū)與東部的龍海和長(zhǎng)泰成為明顯的暖中心，且市區(qū)中心增溫明顯。從結(jié)果可以明顯看出，2005－2014年漳州城市熱島效應(yīng)明顯，這與當(dāng)?shù)卦诮畮啄陙?lái)城市化快速發(fā)展是一致的。由于南部距離市區(qū)較遠(yuǎn)，熱島效應(yīng)的影響很弱，本文主要關(guān)注的是市區(qū)以及相鄰的東部（龍海、長(zhǎng)泰）和西部（南靖、平和）地區(qū)。從1995－2004年到 2005－2014年，市區(qū)增溫明顯，且由于東部地形較為平坦，暖區(qū)的范圍從市區(qū)向東部擴(kuò)散，連為一體；但往西部的擴(kuò)散明顯受到西部多山地形的阻擋，使得南靖與平和成為相對(duì)的冷中心，導(dǎo)致東西部的溫度梯度明顯增大。

圖3 是漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年四季氣溫的空間距平差，反映的是熱島效應(yīng)影響下市區(qū)與各地溫度梯度的季節(jié)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱島效應(yīng)造成的東西部間的溫度梯度在春季最為明顯,其次為夏季，由溫度梯度產(chǎn)生的垂直對(duì)流在春季和夏季最顯著。

圖2　漳州地區(qū)氣溫的空間距平，溫度線間隔0.1℃ (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

圖3　漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年氣溫的空間距平差，溫度線間隔0.1℃

3.3熱島效應(yīng)對(duì)城鎮(zhèn)間降水的影響

城市熱島效應(yīng)造成城鎮(zhèn)間溫度梯度的變化，導(dǎo)致了垂直對(duì)流的變化，必定會(huì)影響當(dāng)?shù)氐慕邓?。按照前面的方法，同樣?jì)算了1995－2004年和2005－2014年平均降水和同期各站平均降水之間的差值，如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降水呈現(xiàn)北多南少、西多東少的趨勢(shì)，受海洋影響明顯的南部的東山和詔安的降水明顯少于其他地區(qū)。1995－2004年漳州市區(qū)和東部的降水量比西部少，東西部之間的降水梯度為負(fù)。受熱島效應(yīng)影響，2005－2014年市區(qū)、東部與西部的降水負(fù)梯度增加了。

四個(gè)季節(jié)降水量空間距平的變化(圖 5)反映了城市化進(jìn)程對(duì)于局地降水梯度的季節(jié)影響。受到熱島效應(yīng)影響，四個(gè)季節(jié)市區(qū)與東部的降水均為負(fù)值。市區(qū)、東部與西部的負(fù)降水距平在秋季最大，夏季次之；春季由于西部降水減少更顯著，在東西部間出現(xiàn)正降水距平。南部地區(qū)離市區(qū)較遠(yuǎn)，受到的城市熱島影響較弱，其夏季降水明顯的年代際變化，可能應(yīng)是由臺(tái)風(fēng)降水量的年代際變化引起的。

利用漳州市區(qū)日降水資料對(duì)1995－2014年的小雨（24小時(shí)降水量0～19.9mm），大雨（24小時(shí)降水量20.0～49.9mm）、暴雨（24小時(shí)降水量50.0～99.9mm）的天數(shù)和雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。受熱島效應(yīng)影響，漳州市區(qū)降水天數(shù)和降水量的減少主要表現(xiàn)為小雨和暴雨的天數(shù)和雨量的減少。漳州暴雨主要出現(xiàn)在夏季，多由大尺度的環(huán)流系統(tǒng)誘發(fā)--高空西風(fēng)槽和南支槽及其前側(cè)的副熱帶氣流和低空強(qiáng)西南氣流[10]，或由臺(tái)風(fēng)降水引起。由于城市熱島效應(yīng)主要影響的是局地對(duì)流型降水，而對(duì)大尺度的降水影響很小[11]。因而，本文認(rèn)為城市化進(jìn)程主要影響到小雨，此結(jié)論與敖翔宇等[12]模擬長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市化對(duì)降水影響一致。

圖4　漳州地區(qū)降水量的空間距平，雨量線間隔5mm (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

圖5　漳州地區(qū)2005－2014年和1995－2004年降水量的空間距平差，雨量線間隔3mm

表1　市區(qū)2005－2014年和1995－2004年降水天數(shù)和雨量

3.4可能機(jī)理分析

孫繼松等[13]研究發(fā)現(xiàn)由于城市熱島效應(yīng)所造成的溫度梯度的增大，邊界層內(nèi)垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了，有利于在盛行風(fēng)的下游發(fā)生降水過(guò)程，而在上游方向則相反。根據(jù) 1995－2014年漳州市區(qū)月最多風(fēng)向資料得知，當(dāng)?shù)刂饕⑿酗L(fēng)向?yàn)镋SE，西部為下游地區(qū)，東部為上游地區(qū)，所以漳州西部的降水比東部多。

4　結(jié) 論

本文利用M-K檢驗(yàn)法確定了90年代中期為氣溫的突變點(diǎn)，而降水的突變不明顯。利用漳州地區(qū)10個(gè)站點(diǎn)1995－2014 年的氣溫和降水資料研究城市熱島效應(yīng)及對(duì)漳州降水的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）2005－2014年為當(dāng)?shù)責(zé)釐u效應(yīng)最顯著的時(shí)期，熱島效應(yīng)使得漳州市區(qū)、東部與西部的正的溫度梯度明顯加大，并且春季增溫的幅度最明顯。

（2）熱島效應(yīng)增強(qiáng)了市區(qū)、東部與西部負(fù)的降水梯度，并且秋季的負(fù)梯度值最大。熱島效應(yīng)主要通過(guò)影響小雨來(lái)影響市區(qū)的降水。

（3）熱島效應(yīng)造成的漳州地區(qū)東西部溫度梯度的增加導(dǎo)致垂直上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)可能是造成了當(dāng)?shù)亟邓兓臋C(jī)理之一。

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（責(zé)任編輯：季 平）

Analysis of the influence of the city heat island on the temperature and precipitation in Zhangzhou

CHEN Yi-min1, DAI Xi-jun2, CHEN Jian-fa1, CHEN Deng-hui2
（1. Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000，China; 2. Zhangzhou Longwen District Meteorology Bureau, Zhangzhou 363000, China）

Abstract:The Mann-Kendall test is used to analyze monthly average temperature and precipitation from 1957 to 2014 in Zhangzhou. The results showed that the mid 1990s was the abrupt change point of temperature, followed by an obvious increasing trend, while no obvious changes of precipitation were found. The heat island caused by urbanization was obvious from 2005 to 2014. The heat island enhanced the positive temperature gradient and negative precipitation gradient between the urban area, the Eastern area (Changtai, Longhai) and the Western area (Nanjing, Pinghe), and the gradient is various with seasons. The heat island effect leading to the changes of vertical motion is likely the mechanism.

Key words:urbanization; temperature; precipitation; Mann-Kendall test

中圖分類(lèi)號(hào)：P423; P426.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào):1673-1417（2016）02-0015-06

doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.02.0004

收稿日期：2016－04－10

作者簡(jiǎn)介：陳藝敏（1979—），女，福建漳州人，講師，碩士，研究方向：環(huán)境科學(xué)與污染治理。