以探空资料分析城市化对邢台气温变化的贡献

王蓉蓉等

摘要利用邢台站探空观测资料，分析近32年（1979～2010年）城市化对邢台气温变化的影响，并与该站地面观测资料得出的城市热岛效应相比较。结果表明， 通过探空近地层与850 hPa层气温序列比较得出城市化对年均气温的增暖幅度为0.31 ℃/10a，贡献率为49.21%；对比城市站与郊区背景站地面观测气温资料得到城市热岛效应导致的增暖幅度为0.18 ℃/10a，城市化贡献率为35.29%；采用城市站地面观测气温与探空850 hPa层气温对比得到的城市化增温幅度为0.19 ℃/10a，分离出的城市化贡献率为37.25%；3种方法计算得出的城市化增温幅度及贡献率各不相同，却一致表明城市化对邢台年、季气温的增暖贡献较为显著。

关键词探空资料；邢台；气温变化；城市化

中图分类号S165文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）05-179-03

作者简介

王蓉蓉（1973- ），女，河北保定人，工程师，硕士，从事气候变化研究、气象服务工作。

收稿日期2014-12-29

城市热岛效应是指城市气温明显高于外围郊区的现象[1]。由于城市区域人口密集、人为热排放增多、土地利用变化等引发的能量收支改变，导致近地层气温不断升高[2]。城市热岛强度取决于城市的规模，一般定义为城区气温与郊区或乡村气温之差。1990年以来，针对我国城市热岛效应基本特征及其对城市测站气温变化影响的相关研究广泛展开，分析主要采用城市乡村对比[3-4]、城市高山对比[5]、城市与近海海温对比[6]以及器测与再分析资料对比[7-8]等方法，前3种方法主要思路是选取与城市站距离较近且处相同大气环流背景的乡村、高山或海洋构建背景站，由于假定背景站受人類活动影响较小，采用不同的背景站选取方法带有一定的主观性，得出的分析结果往往差异较大。而通过比较气象站实测资料与NECP再分析资料的趋势差来估计城市化和土地利用对气候的影响，则由于再分析资料本身的计算误差及稳定性问题而使得该分析方法存在一定争议[9]。

邢台市地处河北省南部，是华北地区重要的工业、能源基地和京津冀地区的中心城市之一，城市化进程相对较快，河北省城镇化发展统计监测数据显示，2009年邢台市城市化水平已达41.01%，但对于邢台气温变化中城市化影响的相关研究很少。考虑到邢台站有探空观测业务，借鉴吴息等做法[10]，将对流层低层（850 hPa）气温变化的主要诱因归结于自然变率的影响，而地面气温除受自然变率影响外，还受到城市化的显著影响，因此可将高空气温变化趋势与地面气温变化趋势之差视为城市化效应。为准确、客观分析邢台气温变化对城市化的响应，消除探测时间及仪器误差等对气温序列的影响，笔者利用探空及地面观测资料，采用3种方法分别比较探空近地层和850 hPa层气温趋势差，地面实测的城、乡气温差及邢台站地面实测与探空850 hPa层气温变化差异，分析邢台年、季气温变化中的城市化影响及贡献，并对上述3种方法的适用性和局限性进行讨论。

1资料与方法

1.1资料处理

选取河北省信息中心收集整理的1979～2010年间邢台站近地层及850 hPa标准等压面的探空气温资料和1979～2010年间邢台站（代表市区）及周边16个一般气候站（代表郊区）的地面逐月平均气温。气象观测站点分布如图1所示。

文中年平均气温值为年内1～12月平均气温的算术平均值；季平均气温采用特征月平均气温，1、4、7、10月分别代表冬季、春季、夏季、秋季。与气温值相比，气温距平值可更直观表示某特征气温相对于长期平均值的高低状况，各特征气温距平值是各年份特征气温与32年相应特征气温平均值之差。

1.2研究方法

分别以邢台站探空近地层及地面观测气温距平序列作为研究序列，以探空850 hPa层及16个乡村站平均气温的距平序列为气候背景序列，比较分析目标序列与背景序列的变化趋势差异，分离出邢台市气温变化中的城市化影响，并计算城市化影响的贡献率。

参照初子莹等的研究[11-12]，将城市气温目标序列与背景序列变化趋势差定义为城市化影响，城市化影响在其总变化率中所占百分比为城市化影响贡献率。城市站气温变化趋势以Tu表示，背景序列气温变化趋势为Tr，城市站气温变化中的城市化影响则表示为Tu-Tr，城市化影响的贡献率（Eu）则通过公式 Eu=（Tu-Tr）/Tu计算求得。

2结果与分析

2.1基于探空资料分析城市化影响

以探空仪器测定的近地层气温序列为目标序列，以850 hPa探空气温序列为背景序列，计算城市化增温幅度及贡献。主要原因是近地面层气温易受地面人类活动的影响，850 hPa层与地面城市虽然处于同一大气环流背景下，但受人类活动影响小，能代表区域背景气候变化，城市化影响会导致两者的气温变化趋势存在差异。因此，利用近地层气温与探空资料850 hPa的变化趋势差来表征城市化影响。

由近32年邢台站近地层探空气温与地面观测气温及850 hPa层探空气温序列的相关系数（表1）可知，相关关系均远超过0.01的置信水平（r0.01=0.45），表明以近地层探空气温代替地面观测气温来讨论邢台市气温变化及其城市化影响是可行的，同时850 hPa层探空气温序列可作为研究邢台城市化影响的区域背景气候资料。

由近32年邢台站年平均探空气温距平变化（图2a）可见，邢台站探空观测近地层气温距平及850 hPa背景序列均呈总体升高趋势，近地层增温快于背景增温，近地层年均气温线性增温率达0.63 ℃/10a，背景增温率则为0.32 ℃/10a；近地层及850 hPa层气温在20世纪90年代中期之前均处于相对较冷期，大部分年份的850 hPa层气温距平高于近地层气温距平。随着城市化进程的加快，90年代中期之后二者均处于较暖期，多数年份的平均气温距平为正值，且大部分年份的近地层气温距平高于背景序列。对比分析，二曲线线性变化率差值为0.31℃/10a，表明就年平均气温而言邢台市的城市化增温效应以0.31℃/10a的速率增加。从1979～2010年邢台市四季平均气温变化中城市化影响（图2b）可看出，城市化影响导致四季平均气温总体呈现增温趋势；其中，冬季城市化增温曲线波动明显，春季城市化增温曲线则相对平缓，表明城市化增温在春季平均气温总体上升趋势中所做贡献最小；秋季城市化增温最明显，达0.48 ℃/10a，夏季城市化增温也较为明显。

由利用探空气温资料分离出的1979～2010年间邢台站年及各季平均气温城市化增温贡献（表2）可见，邢台站近地层年及各季平均气温线性增温率皆高于背景序列的增温率，年平均气温的城市化增温幅度达0.31 ℃/10a；就各季平均气温而言，秋季城市化增温最明显，达0.48 ℃/10a，夏季、冬季次之，春季城市化增温率相对较小；城市化引起的年及夏、秋、冬三季增温变化趋势均通过显著性检验；年均气温的城市化增温贡献率达49.21%，夏、秋、冬三季贡献率甚至超过50%。

2.2基于地面观测资料分析城市化影响

城市热岛是指在城市化进程中由于人类活动、下垫面性质改变等影响而形成的城区整体或局部温度高于周围地区温度的异常分布现象。参照Li等的做法[13]，利用邢台实测气温距平序列与郊区背景气候背景距平序列的线性趋势差评估城市热岛。依据参考站遴选原则[14]，兼顾气候背景以16个气候站月均气温的算术平均值作为郊区背景站月均气温，计算相应的年、季平均气温距平，构建郊区背景气候序列。

对比1979～2010年间邢台站与郊区背景站的年、季平均气温变化趋势（表3）可以看出，近32年间城、郊各季平均气温均呈现显著上升趋势，但城市站增温幅度大于背景站；年及各季平均气温显示出的城市热岛效应基本一致，城市热岛值在秋季最大，达0.30 ℃/10a，春季最小；就“城市热岛”贡献率来讲，秋季、夏季贡献率较大，分别达57.69%和46.94%，贡献率最小为春季26.47%，年均气温变化的城市热岛贡献率为35.29%。可见，城市热岛效应对夏秋季增暖作用较大，冬春季较小。该结论与刘学锋等分析河北大中城市热岛效应得出的结论[15]基本一致。

2.3以850 hPa层气温为背景分析城市化影响

借鉴吴息等的方法[10，16]，以850 hPa探空气温序列为背景序列，计算城市化增温幅度及相应的贡献。城市热源可经大气的湍流交换输送到高层， 且对大气的加热作用随高度增加而减小，在京津冀区域通过建模模拟得出城市增温效应所能影响的最大高度为0.8 km[17]，低于850 hPa层标准等压面高度，因此将850 hPa探空温度资料作为背景场研究城市化对地面温度的影响是可行的。

经分析，32年间年及各季邢台站地面观测与850 hPa探空背景相应气温距平序列的相关关系均超过0.01置信水平，表明两者的气温变化趋势差可以反映邢台城市化影响。由1979～

2010年期间以850 hPa为背景分离出的城市化影响趋势及贡献率（表4）可见，邢台地面观测站和探空背景站的年及四季的平均气温距平总体均呈现上升趋势，城市站增温率大于背景站，年均温增温率差值为0.19 ℃/10a，表明城市化引起的年平均气温以0.19 ℃/10a的速率显著增加；其中，分离得出的年均气温变化的城市化贡献率为37.25%。就季节变化来看，夏季平均气温的城市化增温最明显，线性增温幅度达0.40 ℃/10a，其中城市化增温的贡献率高达81.63%；秋季、冬季的城市化增温趋势也较明显，但城市化引起的春季增溫趋势及贡献率相对较小。以邢台站850 hPa层探空气温作为区域气候背景场来衡量城市化对气温变化的影响，与传统的的城郊差异分析结果相近。

3结论与讨论

综合利用探空及地面气象观测资料，采用3种思路分析了1979～2010年间邢台市城市化增温的贡献率。结果表明，比较探空近地层与850 hPa层气温序列得到年均气温的城市化增暖幅度为0.31 ℃/10a，贡献率为49.21%，各季气温变化中城市化增温作用从大到小依次排列为夏季、秋季、冬季、春季；对比城市站与郊区背景站地面观测气温资料，得到城市热岛效应导致的增暖幅度为0.18 ℃/10a，城市化贡献率为35.29%，城市热岛导致的季节增暖作用在秋、夏季较大，冬、春季较小；对城市站地面观测与探空850 hPa层气温进行对比分析发现，城市化增温幅度为0.19 ℃/10a，分离出的城市化贡献率为37.25%，城市化的季节增暖作用在夏季最大、春季最小。

综上所述，城市化对邢台的年/季气温有较明显的增暖贡献，该增温作用在夏秋季较大、冬春季较小。但3种方法的定量分析结果有差异，第1种方法检测出的包括“城市热岛”、土地利用改变等在内的所有人类活动的影响，该方法中目标序列及背景序列对应值采用相同的探测仪器，消除仪器差的影响，但探空测站数量少且资料的稳定性具有不确定性；第2种方法检测出的是“城市热岛”的影响，该方法简便且易于被人接受，但对于“乡村”台站所受的人类活动影响缺乏考虑，且在乡村背景序列的构造方法单一；而第3种方法理论上不仅包含传统意义上“城市热岛”的范围，也应包括下垫面性质改变因素的影响，该方法由于目标序列与背景序列探测仪器类型不同，其资料序列存在不可避免的系统性误差。可见，3种方法各有其合理性和局限性，相较于较传统的城乡对比法，采用探空资料为背景甚至为目标研究城市化对气温变化的影响不失为一种新途径。

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责任编辑黄小燕责任校对况玲玲