温度变化和土地利用变化对城市降水的影响

鲍建腾，范梦歌

(郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

水资源系统对气候的变化具有敏感性［1］，同时大规模的城市化也对全球水文循环具有重大影响.全球变暖背景下大气环流的调整也是影响降水的直接因素［2］.

笔者对文献［3］提出的水文变异诊断系统进行了简化，对温度、降水变化进行年际以及季度变化趋势进行了分析，并运用统计分析技术对郑州市城市土地利用变化进行了研究，初步探讨了温度变化和土地利用变化对郑州市降水的影响.

1 研究区域概况

郑州市地处中原腹地，北临黄河，西依嵩山，东、南接黄淮海大平原，位于东经 112°42'～114°14'，北纬34°16'～34°58'，如图1 所示.年平均气温 14.3 ℃，平均降水量640.9 mm.近年来，城市化进程迅速，一系列的社会经济和生态环境的冲突开始凸现出来.

图1 研究区所在位置图

2 资料来源与处理方法

2.1 资料来源

选取郑州市市区的郑州气象站1951—2008年的温度和降水观测数据，并参考文献［4］提供的1988年、2001年和2008年的TM遥感影像作为分析郑州市土地利用的现状数据［4］，得出郑州市1988年、2001年和2008年3期的土地利用情况.

2.2 温度和降水数据处理方法

采用滑动平均法［5］和 Hurst系数法［6］，结合变差系数和极值比，通过对实测资料进行统计整理，来检测郑州市温度和降水的长期变化趋势.最后根据实际水文调查，对变异形式和结论进行确认.在水文序列分析中，Hurst系数H通常满足［7］

式中:Rn为极差;n为样本容量.相关系数C(t)和Hurst系数H存在如下对应关系［8］

在给定显著性水平为α的情况下，对相关函数值C(t)进行显著性检验，当C(t)大于等于临界值rα时，认为序列的长期相关性显著;当C(t)小于临界值rα时，认为序列的长期相关性不显著.在分析中选用显著性水平 α=0.05，β=0.01，通过查表确定不同显著水平下相关系数最低值rα［9］，对郑州市58 a的温度和降水序列进行变异分析.

2.3 土地利用变化对降水过程影响的分析方法

采用文献［10］提出的基于水文统计数据的分析方法(Rational method)，对郑州市1988—2008年长期降水观测数据和土地利用变化数据进行统计分析，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地共6个大类［11］.利用土地利用变化幅度指标来揭示土地利用变化的基本特征［10］.

为了能够将土地利用变化数据与降水序列进行同步统计分析，选择受人类活动影响较大的耕地和建设用地2种土地类型，分别利用分段线性插补技术［10］，获得1988—2008年21 a连续的土地利用变化数据序列.

最后，根据获得的连续土地利用变化数据序列，通过回归分析，分析耕地和建设用地与降水量之间的统计关系，探究两者是否存在显著的相关关系.

3 温度和降水量变化规律

3.1 郑州市1951—2008年温度和年降水分析

3.1.1 温度变异分析

采用水文变异诊断系统，对郑州市1951—2008年的年平均温度序列进行检验，点绘年平均温度过程线及5 a滑动平均值过程线，如图2所示.

图2 1951—2008年郑州市年平均温度及5 a滑动平均值过程线

从图2可以看出，郑州市年平均温度时间序列有增加的趋势，变化显著.序列的Hurst系数值H=0.87，相关函数计算值 C(t)=0.67，在显著性水平α =0.05 的条件下，临界值 rα=0.26，Hurst系数临界值 Hα=0.89.在显著性水平 β =0.01 的条件下，rβ=0.34，Hurst系数临界值 Hβ=0.93.查阅变异程度分级表［6］(见表1)，可知郑州市年平均温度时间序列存在变异，且变异程度为强变异.

表1 变异程度分级表

3.1.2 降水变异分析

采用水文变异诊断系统，对郑州市1951—2008年的年降水序列进行检验，如图3所示.

图3 郑州市1951—2008年年降水量及5 a滑动平均值过程线

从图3可以看出，郑州市年降水时间序列基本上在均值附近波动，变化不明显.序列的Hurst系数值 H=0.58，C(t)=0.12，在显著性水平 α =0.05 的条件下，临界值 rα=0.26，Hurst系数临界值 Hα=0.89.在显著性水平 β =0.01 的条件下，rβ=0.34，Hurst系数临界值Hβ=0.93.由变异程度分级表可知，郑州市年降水时间序列变异不显著.

3.2 郑州市1951—2008年季度温度和降水分析

利用Excel绘制多年温度和降水变化情况(图4)，并对水文变量的变异程度和变化趋势进行分析，见表 2、表 3.

表2为郑州市1951—2008年各年内四季温度和降水变化的参数数值.通过对郑州市1951—2008年春季到冬季的温度和降水时间序列的比较，4个季节的温度均有不同程度增加的趋势，如图4所示，这与年际变化的趋势相似，而冬季温度和降水的变化有相反的趋势.

根据线性回归趋势的斜率，分析各个季度的平均变化速率(表3).温度均有不同程度增加的趋势，其中春季温度变化率为0.372℃/a，冬季温度变化率为0.365℃/a.郑州市属于暖温带季风气候，选择春夏两季的降水情况来反映降水的季节变化特征.与温度变化不同，郑州市春季降水急剧减少，降水递减率达到－0.885 mm/a，直接影响农业生产.夏季降水有所增加，降水变化率为0.545 mm/a.

图4 郑州市1951—2008年四季的温度和降水5 a滑动平均曲线

表2 郑州市1951—2008年各年内季度温度和降水

表3 四季温度和降水变化趋势分析和变化幅度

4 土地利用改变的影响

4.1 郑州市1988—2008年土地利用格局变化

郑州市1988—2008年土地利用分布中建设用地占总面积的42.65%，比重最大，其次是耕地，其余土地类型分布很少.在1988—2000年13 a间建设用地快速扩张，耕地等土地类型显著减少.2001—2008年8 a间建设用地增加了28.92%，耕地、林地和水域分别减少了 12.02%，16.24%，28.66%，耕地等土地类型继续减少，建设用地持续增加，但增幅降低.

4.2 土地利用变化与水文过程变化的关系

土地利用变化导致该区反射率、植被覆盖率、下垫面粗糙度、叶面积指数等发生变化，是导致该区水循环改变的重要因素之一.常见的几种下垫面类型对应不同的反射率值.

通过1951—2008年的温度和降水变化情况可以看出，自20世纪80年代开始研究区温度开始持续升高(图2)，利用回归分析可得20世纪80年代以后郑州秋冬季温度和降水的相关关系(r2=0.365 1)，两者之间不具有统计意义上显著的相关关系.因此可以认为，郑州市在20世纪80年代以来的土地利用变化导致的土壤下垫面改变是水文过程参量变化的主要原因.

综上所述，土地利用改变对水文循环过程的影响主要是通过改变下垫面条件而间接影响降水.

5 结语

利用回归分析方法探究了郑州市土地利用变化与水文变量之间的相关关系.郑州市多年降水并未出现显著变化，但是各季节的分布不均，水文极端现象集中;温度变化和土地利用变化对城市降水有一定影响，应引起相关部门的重视.

致谢:感谢左其亭教授和马细霞教授在研究过程中给予的指导!

［1］王守荣，朱川海，程磊，等.全球水循环与水资源［M］.北京:气象出版社，2003.

［2］张存杰，高学杰，赵红岩.全球气候变暖对西北地区秋季降水的影响［J］.冰川冻土，2003，25(2):157 －164.

［3］谢平，陈广才，雷红富，等.变化环境下地表水资源评价方法［M］.北京:科学出版社，2009.

［4］闫艳.1988—2008年郑州市土地利用变化及其驱动力分析［D］.开封:河南大学，2006.

［5］裴益轩，郭民.滑动平均法的基本原理及应用［J］.火箭发射与控制学报，2001(1):21－23.

［6］谢平，窦明，朱勇，等.流域水文模型——气候变化和土地利用/覆被变化的水文水资源效应［M］.北京:科学出版社，2010.

［7］王文圣，丁晶，金菊良.随机水文学［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［8］徐绪松，马莉莉，陈彦斌.R/S分析的理论基础:分数布朗运动［J］.武汉大学学报:理学版，2004，50(5):547－550.

［9］丁晶，邓育仁.随机水文学［M］.成都:成都科技大学出版社，1988.

［10］王根绪，张钰，刘桂民，等.马营河流域1967—2000年土地利用变化对河流径流的影响［J］.中国科学(D辑:地球科学)，2005，35(7):671 －681.

［11］肖鹏峰，刘顺喜，冯学智，等.基于遥感的土地利用与覆被分类系统评述及代码转换［J］.遥感信息，2003(4):54－58.