城市化对长江三角洲地区降水变化趋势影响初探

曾春芬，谢直卉，蔡忠银，王腊春，武旭同，张时雨

(1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；2.四川省电力设计院，四川 成都 610072；3.中国科学院青藏高原研究所 青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京 100101；4.中国科学院大学，北京 100049)

城市化对长江三角洲地区降水变化趋势影响初探

曾春芬1，谢直卉2，蔡忠银3，4，王腊春1，武旭同1，张时雨1

(1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；2.四川省电力设计院，四川 成都 610072；3.中国科学院青藏高原研究所 青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京 100101；4.中国科学院大学，北京 100049)

根据长江三角洲地区城市化程度，选择1956—2007年和城市化发展较为迅速的1981—2007年两个时段进行研究，基于长江三角洲地区35个国家基本/基准站1956—2007年52 a日降水量资料，分析了两个时段长江三角洲降水量的年和季节变化特征、降水的气候趋势系数和气候倾向率的空间分布差异，以及城市化对降水变化趋势的影响。初步的研究结果表明：1956—2007年长三角地区年降水呈减少趋势，城市化快速期减少趋势明显加快。两时期季节降水量有相同的变化趋势，但变化趋势明显程度和变化速率差别很大，城市化快速期变化剧烈，年降水变化趋势在城市化快速期几乎呈现出与整个52 a时段相反的空间分布，城市化快速期长江三角洲中部大片区域变干趋势显著。

长江三角洲；城市化；降水；变化趋势

地球气候正经历着一场以变暖为主要特征的显著变化，据IPCC第四次评估报告，在1906—2005年100 a间，全球地表平均气温升高了0.74℃，大气中温室气体的明显增加，很可能是全球升温的主要原因[1]。大幅度的变暖，对全球和区域降水量可能也产生了一定的影响，而降水量的变化与水资源、农业、生态环境，以及工商业等密切相关[2]。城市化与农业发展等造成的土地利用/覆被变化[3]及工业污染[4-5]是除温室气体外人类对地球环境另一重大影响。城市化进程直接改变了城市下垫面，对热交换、水文过程、微量气体、气溶胶等造成影响，使城市与郊区农村的大气组成产生不同，从而影响城市地区的辐射、气温、降水等[6]，形成不同于郊区农村的城市气候环境。

目前，城市化对降水的影响及其影响的物理机制还存在不确定因素[7]。较多的研究者认为城市化有使城区及其下风方向的降水量及降水天气现象发生频率增加的效应[8]。但也有学者认为城市化有抑制降水的效应[9]。而城市化影响降水的物理机制，普遍认为是由多种影响因素共同作用的产物，有时还与地形关系密切，因此造成城市化与降水的因果关系有季节和地区差异[6]。

中国作为发展中国家，从改革开放(1978年)以来城市化进程大幅加快，1985—2008年城市化率由23.71%提高到45.68%。20世纪80年代是中国城市化加速发展阶段，至1992年进入城市化全面推进阶段[10]。1978年以来，中国正朝大都市区和大城市集群方向发展，形成了长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区三大城市带[11]。但随着城市化进度不断加快，环境与经济发展的矛盾日益突出[12]。

目前国内对城市气候的研究已取得了一些重要成果，但大多注重温度变化的研究，对降水的研究也多是对单个城市的研究[2]。降水是水资源的重要来源，而长江三角洲又是我国城市化水平最高的区域之一，选择长江三角洲作为典型研究区来研究城市化对其降水的影响，对了解长江三角洲水资源现状及其变化趋势，以及为进一步开展区域气候变化趋势和变化原因研究都具有科学意义。

1 研究方法

关于城市化对降水影响的研究方法大致包括统计学方法、个例分析法、数值模拟法和卫星及雷达资料分析法等[8]。本文采用统计学方法，初步分析了长江三角洲城市化进程对长江三角洲地区降水的影响。为了排除地形变化和天气系统频率变化等地理因子的影响，可将长期降水资料根据城市化进程的程度划分为两个时期，分别研究整个时期及城市化进程快速期的降水变化特征。

长江三角洲自改革开放以来发展迅速，城市化进程大幅加快，因此以1980年为分界线，即定义1956—1980年为城市化进程缓慢时期，1981—2007年为城市化进程快速发展时期。着重分析1956—2007年和1981—2007年两个时期降水变化趋势的差异，探讨城市化对长江三角洲地区降水的可能影响。

1.1 降水变化趋势计算

趋势分析的方法很多，目前常用的有线性倾向估计、滑动平均、累计距平、二次平滑、三次样条函数、Kendall秩次相关法、Mann-Kendall秩次相关法等[13]。本文主要借助线性倾向估计和滑动平均方法对降水的变化趋势进行判别。

为研究降水在气候变化中升降的定量程度，并对其进行统计检验，计算了降水量的时间序列与自然数序列的相关关系，称为气候趋势系数[13]。降水量序列{Pi}(i=m,m+1,…,n)的气候趋势系数r：

(1)

将采用最小二乘法得到的要素值与时间的线性回归系数的10倍称为该要素的气候倾向率[14]。建立Pi和ti之间的一元线性回归方程Pi=a+bti，回归系数b和常数a的最小二乘估计为：

(2)

(3)

b的十倍即为降水量的气候倾向率，b的符号表示降水量的趋势倾向。

为了显示降水量的低频变化特点，本文还采用了5 a滑动平均法。经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的波动或周期大大削弱，显现出变化趋势[13]。

1.2 区域平均面雨量计算

在建立长江三角洲降水量序列时，采用Jones等提出的计算区域平均气候时间序列的方法，把长江三角洲区域按经纬度划分网格，网格尺寸为1.1°×1°；各网格的平均值为该网格里所有站点的降水量数据的算术平均值；最后应用面积加权计算整个区域的平均值。整个区域的降水量平均值计算公式为：

(4)

2 概况与材料

长江三角洲地处东亚季风区，自然条件优越，区位优势明显，是中国最大经济区之一，也是中国改革开放以来经济发展最为快速的城市群落之一。自改革开放以来，长江三角洲城市空间快速扩展，1979年城市用地为388.58 km2，2005年城市用地为4847.94 km2，是1979年的12.48倍，城市用地增加呈明显的加快趋势[15]，形成以宁镇扬、苏锡常、沪杭甬为中心的城市群，城市群之间出现城市化连片趋势。不同的研究中关于其具体范围的选取也不尽一致。本文选定118.1°—122.5°E，27.9°—33°N范围代表长江三角洲地区，主要包括江苏南部、浙江北部、上海市和安徽省东部部分地区。研究资料为长江三角洲地区国家基准、基本站日降水资料，共获得39个气象站数据。进行分析前，先对观测序列进行质量控制及有关检验，同时剔除缺测时间较长的台站，最终选定35个国家基准、基本站作为本研究的基本资料。其中除江苏高邮在1967年有缺测，浙江括苍山、温州、天目山、安徽芜湖、上海龙华部分年份有缺测外，其余站都有连续观测资料。图1为所选台站在研究区长江三角洲中的分布图。

图1 长江三角洲地区及所选台站分布

3 结果与讨论

3.1 区域降水量的时间演变特征

3.1.1 年降水量年际变化特征

长江三角洲年降水量的年际变化曲线如图2所示。1956—2007年长江三角洲年降水量有较明显的减少趋势，气候趋势系数为-0.218，显著性水平低。降水的气候倾向率即减少速率为-22.3 mm/10 a。除个别年份外，1956—2007年长三角年降水量年际波动幅度不是很大，降水最多的年份为1975年的1522.6 mm，最小值为884.4 mm，出现在1978年。

图2 1956—2007年长江三角洲历年年降水量变化曲线

从5年滑动平均曲线可以看出，在近52 a中，降水量变化波动明显，从20世纪60年代至20世纪80年代末呈现先降后升再降趋势，20世纪60年代中后期至20世纪70年代早期处在相对少雨阶段，20世纪80年代开始有缓慢上升趋势，20世纪80年代末20世纪90年代初处在相对多雨阶段，之后降水量呈现逐渐减少趋势。总体而言，前半期波动明显，后半期减少趋势明显。

表1分别给出长江三角洲1956—2007年、1981—2007年两个时期的年降水量的气候趋势系数和气候倾向率。近半个世纪降水量呈减少趋势，但显著性水平低，变化速率为-22.3 mm/10 a；城市化快速期减少趋势明显，变化速率为-65.4 mm/10 a。

表1 不同时段长江三角洲年降水的气候

注：标*表示超过0.05显著性水平，标**表示超过0.01显著性水平。

3.1.2 季节降水量变化特征

长江三角洲各个季节降水量特征变化曲线如图3、图4所示。从长江三角洲四季降水序列可以看出，春、秋季有明显下降趋势，变化速率较接近，春季变化速率为-13.9 mm/10 a，秋季变化速率为-15.9 mm/10 a，夏、冬季增加趋势明显，但变化速率相差较大，夏季变化速率为24.5 mm/10 a，冬季变化速率为9.2 mm/10 a。

图3 1956—2007年春、夏季长江三角洲历年年降水量变化曲线

图4 1956—2007年秋、冬季长江三角洲历年年降水量变化曲线

春季降水量没有明显波动，基本处在稳定下降的状态，在1973年最多为601.0 mm，在2001年最少为221.6 mm。20世纪60年代下降趋势明显，20世纪80年代中后期至20世纪90年代降水略有增多，之后又开始下降，目前处于较低水平。

夏季降水量在2000年前处于稳定增多阶段，波动微弱，20世纪60年代末和20世纪70年代末有短期呈现减少趋势，但又迅速恢复增多趋势，20世纪80年代初期增多趋势开始加快，2000年开始减少趋势十分明显。降水量最小值273.2 mm出现在1967年，最大值774.3 mm出现在1999年。

秋季降水量波动较明显，在1962年达到最多的424.4 mm后呈明显下降趋势，20世纪70—80年代中期经历了先增后减再增的过程，从80年代中期开始处于稳定下降阶段，在1995年达到最小值121.0 mm。

冬季降水量变化波动也较明显，最高值出现在1959年为315.1 mm，在1963年为最低值52.1 mm后呈上升趋势，20世纪70年代末和80年代初为减少阶段，之后由快速增多转为小振幅波动中稳定增加。

长江三角洲四季不同时期各季降水的气候趋势系数和气候倾向率如表2所示。从表中可知：四个季节在两个时期变化趋势相同，但变化速率差别较大。春季后27 a变化速率加快，夏季后27 a增加趋势不显著，变化速率仅为0.4 mm/10 a，几乎被21世纪以来的快速减少趋势所抵消，秋、冬季变化速率明显快于整个时期的变化速率，秋季后27 a变化速率约为整个52 a的两倍，而冬季后27 a的变化速率超过了整个52 a的3倍。

表2 不同时段长江三角洲各季节降水的

注：标*表示超过0.05显著性水平，标**表示超过0.01显著性水平。

3.2 降水趋势的空间分布特征

长江三角洲地区1956—2007年和1981—2007年两个时期年均降水量气候倾向率和气候趋势系数的空间分布如图5中a、b、c、d所示。可以看出整个52 a，浙江东北部、西北部沿海及岛屿，上海市、南京市及其周边地区有较明显变湿趋势，龙泉、丽水、括苍山一带和黄山地区变干趋势明显，其余地区无明显变湿或变干趋势。而城市化快速期呈现出了几乎相反的变化趋势， 整个地区表现出明显的变湿或变干趋势，大部分地区为变干趋势，这也与长江三角洲年均降水量在城市化快速期呈明显减少趋势相吻合。长江三角洲中部，即太湖流域、浙江东北部及浙江西北部至安徽东南部一线变干趋势明显，显著性水平较高，长江三角洲东南、西南及上海地区有较明显的变湿趋势。

图5 a、b分别为1956—2007年和1981—2007年长江三角洲年降水气候倾向率(mm/10 a)的空间分布； c、d分别为1956—2007年和1981—2007年长江三角洲年降水的气候趋势系数(10-2)的空间分布

3.3 城市化对降水的影响作用

城市化影响降水过程的可能物理机制主要包括以下几个方面[4, 8, 9]：①城市热岛效应。城市热岛效应产生的上升气流有利于对流性降水形成。②城市阻障效应。城市中高度不一的建筑物使其粗糙度变大。不仅能引起机械湍流，而且使移动滞缓的降水系统在城市边界层移动速度减慢，在城区滞留时间加长，导致城区降水强度增大和降水时间延长。③凝结核效应。气溶胶污染物造成城市有更多的凝结核，气溶胶是促进或抑制降水，取决于他们的大小和物理、化学性质。④工业污染源排放的水汽。

4 结 论

通过分析对比长江三角洲1956—2007年和1981—2007年期间年、季节降水量的时间和空间变化趋势和变化速率，得出以下几点结论：

(1)1956—2007年，水量呈减少趋势，但显著性水平低，变化速率为-22.3 mm/10 a；但在1981—2007年期间减少趋势明显，变化速率为-65.4 mm/10 a。春、夏、秋、冬各季节在城市化快速期与1956—2007年有相同的变化趋势，但变化趋势明显程度和变化速率差别大。春季和秋季在1956—2007年期间呈现显著减少趋势，夏季和冬季则呈现增加趋势，春、秋、冬季在城市化快速期的变化速率明显快于其在整个时期的变化速率，而夏季2000—2007年降水量快速减少，几乎抵消了20世纪80—90年代的增加趋势。

(2)变化趋势空间分布的分析表明，长江三角洲地区在城市化快速期降水趋势的空间分布与整个时期的降水趋势的空间分布几乎相反。整个52 a长江三角洲大部分地区无明显变干或变湿趋势，而1981—2007年期间，长江三角洲中部大片区域呈现出显著的变干趋势，并且变化速率快，只有南部、北部小部分区域和上海表现出不同程度的变湿趋势。

在天气系统频率变化背景下，长江三角洲地区城市化快速期降水的显著变化与城市群之间关系密切，但具体的影响机制，还需结合对长江三角洲地区土地利用/土地覆被、大气污染等的研究，以期做到定量分析城市化对降水的影响，进而对城市化影响降水的物理机制有更进一步的认识。

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Urbanization impact on precipitation change trend in the Yangtze River DeltaZENG Chunfen1，XIE Zhihui2，CAI Zhongyin3,4，WANG Lachun1， WU Xutong1， ZHANG Shiyu1

Based on the degree of urbanization of the Yangtze River Delta，two kinds of periods are selected，one is from 1956 to 2007，the other is from 1981 to 2007，during which the urbanization is rather rapid．It is analyzed that annual and seasonal precipitation characteristics，spatial distribution difference of precipitation trend coefficient and climate tendency rate，and the impact of urbanization on precipitation，based on the 52 years daily precipitation data from 35 national basic/reference meteorological stations．Preliminary studies suggest that the annual precipitation in the Yangtze River Delta has a decreasing tendency in the whole period(1956-2007)，while it has an obvious reduction during the rapid urbanization．The seasonal precipitation of the two periods has similar trend but they had great difference in change rate，which changes more severe in the rapid urbanization period．The distribution of annual precipitation trends in the rapid urbanization period is almost contrary to that in the 52 years， which means that large areas of the central Yangtze River Delta has the obvious trend to become dry．

Yangtze River Delta；urbanization；precipitation；change trend

国家自然科学基金青年科学基金项目(41401021)；江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20130567)；江苏省水利科技项目(2014007，2014016)；“十二五”国家科技支撑计划(2012BAJ25B09)

曾春芬(1982-)，女，助理研究员，主要从事水文水资源模拟、水资源配置方面的研究。E-mail： zengchunfen@nju.edu.cn

王腊春(1963-)，男，教授，主要从事水文水资源方面的研究。E-mail：wang6312@263.net.cn

P461+.8

A

2096-0506(2015)01-0005-06