乌鲁木齐城市化进程对局地气候变化的影响研究

韩文堂，陈学刚*，孙蓉花

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆乌鲁木齐 830054）

乌鲁木齐城市化进程对局地气候变化的影响研究

韩文堂1，2，陈学刚1，2*，孙蓉花1，2

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆乌鲁木齐 830054）

利用1976—2014年乌鲁木齐城区和郊区两个气象站的气温、降水、相对湿度和风速气象数据及1995—2014年乌鲁木齐市城市发展数据，运用线性趋势对比分析城区和郊区各气候要素的年际变化特征；采用相关分析法对城市化因子和气候要素进行了探讨。结果表明：城、郊区气温均呈明显的上升趋势，城区的年均气温高于郊区；城区降水量是郊区的3.93倍，增长速率是郊区的3.98倍；各年代城区相对湿度比郊区大，但呈下降趋势，郊区呈上升趋势；各年代郊区风速大于城区，郊区风速约为城区的2.35倍，均呈下降趋势。近20 a，乌鲁木齐城市化进程加快，对局地气候影响明显，其中对平均气温和相对湿度的影响最为显著。

城市化；气候变化；相关分析法；乌鲁木齐

城市是人类活动的集中表现，快速的城市化在促进经济发展和社会进步的同时，对城市自然生态环境产生深刻的影响，特别是对城市气候环境的影响。气候变化在很大程度上严重威胁着城市的生态环境及人们的生存条件，也逐步成为地区经济可持续发展的突出障碍。因此，城市发展和人类活动对气候的影响成为学者、管理者和民众关注的焦点。IPCC第五次评估报告明确指出：人类活动是20世纪中期以来全球气候变暖的主因，在过去的130 a，全球升温0.85℃，21世纪末期及以后时期的全球气候变化主要取决于累积CO2排放[1]。1833年，英国气候学家赖克·霍华德[2]对伦敦城、郊区的气温进行同时间的对比观测后，发现城区气温高于郊区气温，并在《伦敦的气候》一书中首次提出“热岛效应”。这是人类关注城市气候研究的开端。随着我国城市化进程不断加快，我国学者分别对北京[3]、上海[4]、郑州[5]、南京[6]、西安[7]等大城市的气温进行了分析研究。普遍认为城市人口剧增、下垫面结构变化、温室气体排放是城市气温升高的主导因子。除此之外，城市化对降水、湿度、风速等气候要素有深远的影响。朱焱等[8]利用1970—2007年苏州城市及近郊气象站观测资料，结合Landsat5卫星反演资料，统计分析城市化进程对苏州区域气候变化的影响，认为随着城市化进程的加快，城、郊区气温均有明显上升趋势，相对湿度呈下降趋势。刘钰等[9]分析了银川近20 a各气候要素变化和城市发展的关系，认为城市发展使城区风速、相对湿度呈显著下降趋势。近年来，随着城市化进程不断加快，在规模上，中、小型城市气候变化的研究日益增多[10，11]。

乌鲁木齐地处欧亚大陆腹地、天山中段北麓、准噶尔盆地南部，三面环山，属于典型的温带大陆性气候，作为新疆维吾尔自治区的首府、丝绸之路经济带核心节点，近20 a，随着城市人口不断增加，城区面积不断扩大，城市气候效应日趋明显。众多学者[12，13]对乌鲁木齐气候变化进行了研究，但主要是对气候要素变化特征分析，而有关城市化和城市气候变化关系的研究鲜有报道。本文基于历史气象监测数据和城市发展数据，采用统计分析方法，揭示城市化进程对气候环境的影响，为城市环境保护和生态建设提供有利的参考。

1 资料和方法

1.1 数据资料

选取中国气象数据网提供的1976—2014年乌鲁木齐站和达坂城站共计39 a的气温、年降水量、相对湿度和风速4个气候要素监测资料。乌鲁木齐站监测值代表城区气象监测数据，达坂城站监测值代表郊区气象监测数据。乌鲁木齐站1951年始建于建国路郊外（87°37′E，43°47′N），自建站后经历了4次迁站，1960年11月1日—1975年12月31日在乌鲁木齐西郊机场（87°28′E，43°54′N），位于郊区，1976年1月1日迁至乌鲁木齐市幸福路27号（87° 37′E，43°47′N），2000年1月1日迁至乌鲁木齐市建国路97号（87°39′E，43°47′N），最后两次迁站均位于城区，且水平距离约1 km，均能代表城市气象监测数据。

选取《乌鲁木齐统计年鉴2015》提供的1995—2014年乌鲁木齐市非农业人口占总人口的比重（%）、非农业人口（万人）、人均GDP（元）、第三产业生产总值（亿元）、第三产业占GDP的比重（%）、人均道路铺装面积（m2）、建成区园林绿地面积（hm2）、万人拥有公交车辆数（标台）、建成区面积（km2）、工业废水年排放量（万吨）10项指标来反映城市化进程。

1.2 研究方法

采用线性趋势分析法对城区、郊区两站各气候要素的年际变化特征进行分析；选取乌鲁木齐市既能体现城市发展，又能对气候变化产生影响的10个因子，用对数连乘法求出能够体现城市化进程的综合参数值，最后采用相关分析法对城市化因子和气候要素进行分析，探讨城市化进程对气候要素的影响。数据分析在Excel 2003、SPSS 21.0软件中完成。

2 结果分析

2.1 乌鲁木齐市城区、郊区气候时空变化特征

2.1.1 气温变化

图1为乌鲁木齐城区、郊区1976—2014年间气温变化趋势图。从图1中发现，两站点年平均气温的年际变化趋势类似，总体呈上升趋势，城区增温趋势明显大于郊区，气候倾向率城区为0.49℃/10 a，郊区为0.22℃/10 a，增长趋势均通过0.01显著性检验。城区和郊区的多年平均气温分别为7.25℃和6.85℃，温度之差为0.4℃。从年代际变化来看，20世纪70年代中期到80年代后期，两站点气温差值较小，几乎趋于一致，气温年际波动趋势较大，20世纪90年代后，城区和郊区的气温均分别高于其多年平均值，气温升高迅速，均呈波动上升趋势，城区气温增幅较大，两站点气温差距逐渐增大，1997年城区出现极大值8.8℃。

图1 温度年际变化趋势

2.1.2 降水量变化

1976—2014年，两站点年降水量均呈上升趋势（图2），城区年降水量增长趋势较显著，增长率为14.21 mm/10 a，郊区为3.57 mm/10 a，增长趋势均通过0.01的显著性检验。城区年均降水量为292.5 mm，最大值出现在2007年（419.5 mm），最小值出现在1997年（159.8 mm），年均降水量约为郊区（74.39 mm）的3.93倍。两站点降水量的年代际变化基本一致，80年代中期之前，两站点降水量均低于其多年平均值，90年代初期城区降水量明显增加，年际之间振幅加大，城区的降水量增加比郊区显著，2000年以后两站点降水量又略有减少。

图2 降水量年际变化趋势

2.1.3相对湿度变化

从图3可以看出，过去39 a来城区年平均相对湿度呈下降趋势，下降速度为0.98%/10 a，通过0.01显著性检验，郊区年平均相对湿度呈上升趋势，上升速度0.22%/10 a,未通过0.01显著性检验。城区和郊区的多年平均相对湿度分别为57.41%和50.87%，各年代城区相对湿度比郊区大。从年代际变化来看，1976年到20世纪90年代中期，城区相对湿度总体高于其多年平均值，郊区相对湿度低于其多年平均值，90年代中期以后，城区相对湿度下降趋势更加明显，郊区相对湿度呈缓慢上升趋势，城区相对湿度在1998年出现最低值51%，郊区相对湿度在2003年出现最大值55.58%，但仍低于同年城区相对湿度2.42%。

图3 相对湿度年际变化趋势

2.1.4 风速变化

图4给出了1976—2014年城区和郊区风速变化趋势。城、郊区两站点年均风速均呈减小趋势，风速减小速率分别为0.09 m·s-1/10 a、0.8 m·s-1/10 a，减小趋势均通过了0.01显著性检验。城区、郊区年均风速分别为2.4 m/s、5.66 m/s，郊区风速约为城区的2.35倍，且各年代城区风速均小于郊区。城区风速在1976—1979年、2000—2004年两个阶段明显高于平均值，郊区风速年际变化明显，可分为3个阶段：风速偏大期（1976—1988年），风速缓慢减小期（1989—2004年），风速快速减小期（2005—2014年），这3个阶段的风速呈阶梯状不断递减。

图4 风速年际变化趋势

2.2 乌鲁木齐城市化水平评价

城市化是社会化大生产和规模经济的必然结果，是一个国家或地区社会经济发展的重要标志。2014年乌鲁木齐人口城市化率虽已达73%，但仅用这一指标来反映城市发展水平还存在一定局限性。为了更全面地体现城市化水平，本文通过构建城市化综合指标——城市化进程参数来体现乌鲁木齐城市发展状况。

选取《乌鲁木齐统计年鉴》中既能体现城市发展，又能对气候变化产生影响的10项因子：非农业人口占总人口的比重（x1）、非农业人口（x2）、人均GDP（x3）、第三产业生产总值（x4）、第三产业占GDP的比重（x5）、人均道路铺装面积（x6）、建成区园林绿地面积（x7）、万人拥有公交车辆数（x8）、建成区面积（x9）、工业废水年排放量（x10）。非农业人口占总人口的比重用来代表人口城市化水平，非农业人口用来代表城市规模，人均GDP用来代表城市经济发展水平，第三产业生产总值用来代表城市服务设施水平，第三产业占GDP比重用来代表城市化产业结构合理水平，建成区面积和人均道路铺装面积用来代表下垫面状况，建成区园林绿地面积用来代表城市绿化状况，万人拥有公交车辆数和工业废水年排放量用来代表工业排污量。

参照李雪铭等[14]采用连乘求对数法计算城市化水平的方法，通过对数函数关系构建反映1995—2014年间乌鲁木齐城市化进程因子综合参数值F，

得出乌鲁木齐最近20 a的城市化进程综合参数值F（图5）。可见乌鲁木齐城市化发展进程逐步加快。

图5 城市化进程参数值随时间变化曲线

2.3 城市化与气候要素变化的关系

从图5可以看出，1995年以后，乌鲁木齐城市化进程不断加快，进入快速发展阶段。为分析城市化与城市气候的关系，用人均GDP、非农业人口、人均道路铺装面积、每万人拥有公共汽车辆数和建成区面积5个描述城市化进程的重要指标与气候要素进行Pearson相关性分析（表1）。

表1 城市化因子与气候要素的相关性

结果显示：人均GDP、非农业人口和每万人拥有公共汽车辆数与平均气温呈显著正相关，相关系数分别为0.465、0.59、0.53，这说明人均GDP、非农业人口和每万人拥有公共汽车辆数与乌鲁木齐的城市温度关系密切，是引起城市热岛效应的重要驱动因素。

人均GDP、非农业人口、人均道路铺装面积和建成区面积与相对湿度呈显著负相关，相关系数分别为-0.485、-0.462、-0.475和-0.472。表明乌鲁木齐城市化进程中，随着人口增加、城区面积和人均道路铺装面积扩大，下垫面状况发生很大改变，使城市的水汽供应量减少，造成空气中的水分含量减少和相对湿度降低。

3 结论与讨论

（1）近39 a乌鲁木齐城区、郊区平均气温变化趋势相近，均呈增长趋势，乌鲁木齐增温率为0.49 ℃/10 a，达坂城为0.22℃/10 a。20世纪90年代后期以来，城区增温明显加快，城区各年气温均高于郊区，年平均气温增加了约1.93℃。原因可能是乌鲁木齐位于北半球中纬度地带，在全球变暖的大背景影响下，增温速率高；1995年以后，乌鲁木齐城市化进程加快，城市规模扩大，使城区热岛效应加剧，温度升高。可见，乌鲁木齐气温上升是全球变暖大背景下叠加了城市化进程对局地气候影响的综合效应下的结果。

（2）乌鲁木齐和达坂城年降水量均呈波动上升趋势，乌鲁木齐年降水量增长趋势较大，特别是20世纪90年代以后降水量明显增加，增长率为14.21 mm/10 a，达坂城为3.57 mm/10 a。原因可能是由于达坂城站位于峡谷中，受地形影响，常年多风，不利于形成降水，而乌鲁木齐站处于山前平原地区，降水量比达坂城多；同时，城市规模扩大、温度升高使城区空气层结不稳定，低层水汽上升，形成对流性降水，城市建筑物的阻障作用导致降水时间延长[15]，使城区形成“雨岛效应”。

（3）乌鲁木齐相对湿度较达坂城大，但总体呈下降趋势，下降速度为0.98%/10 a，达坂城相对湿度呈上升趋势，上升速度0.22%/10 a。乌鲁木齐相对湿度与降水量呈显著正相关，相关系数为0.559（P<0.01，n=39），乌鲁木齐降水量是达坂城的3.93倍，可能是导致乌鲁木齐相对湿度高于达坂城的主要原因；相对湿度与气温呈显著负相关，相关系数为-0.582（P< 0.01，n=39），乌鲁木齐相对湿度的下降可能与城区人类活动密集、城市化进程加快而导致城区温度升高有关。

（4）达坂城风速是乌鲁木齐的2.35倍，两站平均风速均呈减小趋势。风速减小速率乌鲁木齐为0.09 m·s-1/10 a，达坂城为0.8 m·s-1/10 a。乌鲁木齐风速在1976年与2000年发生突变，风速明显高于平均值，可能是1976、2000年两次迁站，监测站周边环境更加空旷引起的变化，之后随着城市的扩展使风速监测受到影响而发生变化。达坂城风速大于乌鲁木齐，是由于达坂城受河谷地形和狭管效应的影响，多年盛行风向稳定，风速较大[16]。

（5）城市化进程对乌鲁木齐气候影响明显，城市经济发展水平（人均GDP）、城市人口规模（非农业人口）和工业污染（每万人拥有公共汽车辆数）与平均气温呈显著正相关，城市经济发展、城市人口规模、城区面积扩大（建成区面积）、下垫面结构改变（人均道路铺装面积）与相对湿度呈显著负相关，平均风速和降水量与城市化指标无显著相关性。表明城市化进程对城市气温和相对湿度的影响最为显著。

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Effect of Urbanization on Local Climate Change in Urumqi

HAN Wentang1，2，CHEN Xuegang1，2，SUN Ronghua1，2
（1.School of Geography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China；2.Key Laboratory of Arid Region Lake Environment and Resource of Xinjiangy，Urumqi 830054，China）

Based on the meteorological data from 1976 to 2014,the air temperature,precipitation, relative humidity and wind speed was obtained from two meteorological stations in urban area and suburb,and the statistical data of the urban development during 1995-2014 in Urumqi,this study used the method of linear trend analysis to analyze and compare the inter-annual variation characteristics of climatic factors between urban and suburban areas,and discussed the relationship between urbanization and climate factors by correlation analysis.The results showed that urban area and suburb temperature increasing significantly,while the average annual temperature in the urban area is higher than the suburbs,and rainfall is 3.93 times,the growth rate of the city is 3.98 times that of the suburbs.The humidity of urban area is relatively higher than that of suburb,but it showed a declining tendency,the humidity of suburb is on the rise.Wind speed in the suburb is greater than the urban area,wind speed is about 2.35 times that of the suburbs,showing a falling trend.Urbanization process is accelerated in Urumqi in the past two decades,evidently influenced on the local climate,especially on the average temperature and relative humidity.

urbanization；climate change；correlation analysis；Urumqi

P463.3

：B

1002-0799（2016）06-0054-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.008

2016-08-08；

2016-08-25

国家自然科学基金项目（41161029）资助。

韩文堂（1989-），男，硕士研究生，主要从事城市地理与规划研究。E-mail：576810609@qq.com

陈学刚（1977-），男，教授，主要从事城市地理与环境研究。E-mail：caschxg@126.com

韩文堂，陈学刚，孙蓉花.乌鲁木齐城市化进程对局地气候变化的影响研究[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：54-58.