基于探空资料的城市化对石家庄市气温变化的影响

彭旭东

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)

基于探空资料的城市化对石家庄市气温变化的影响

彭旭东

(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)

摘要[目的]研究城市化对石家庄市气温变化的影响，以及利用探空资料进行城市化影响研究的适用性。[方法]基于1981～2010年的逐月探空资料和地面观测资料，研究城市化对石家庄市气温变化影响的性质和程度。[结果]1981～2010年，石家庄市增温趋势达到0.59 ℃/10a，探空资料增温趋势为0.40 ℃/10a；其中冬季增温最为明显；城市热岛效应导致石家庄气温增温幅度为0.19 ℃/10a；夏秋两季城市热岛对季节的增温作用较大；探空资料分离出的城市热岛增温贡献率为32.22%。[结论]城市化对石家庄市气温增暖贡献较为显著。

关键词探空资料；气温变化；城市化；石家庄市

城市热岛是指受人类活动和下垫面性质改变等因素的影响，造成城市区域近地层气温高于周边气温的现象[1]。近20年来，关于城市化对全国[2-3]、区域[4-5]以及城市[6-7]气温变化贡献的研究较多，研究结果表明：区域或局地气温增暖过程中城市化贡献显著，同时城市化对不同地区和不同时段气温序列的影响存在差异。在城市化影响的研究中，采用较多的是用城、郊站要素序列趋势进行差异分析[8-9]。段春锋等[10]利用人口稀疏、下垫面性质接近自然的高山站气温与实测资料的趋势差分析了城市化对气温变化趋势的影响[10]，但选取探空资料作为背景研究城市化影响的研究鲜见报道。石家庄市城市化进程较快，2008年城市化水平达到46.31%[11]。以往城市化对石家庄市气温变化的影响及贡献率研究主要采用城乡(郊)气温资料对比方法[12-13]。然而，因选取的背景站及资料年限不同，计算得到的城市热岛强度及对总体增温的贡献率均有差异。为进一步认识城市化对石家庄市气温变化的影响，笔者基于探空资料850 hPa气温构造背景序列，与石家庄站实测气温序列进行对比，分析了城市化对石家庄市年及四季气温变化的影响及贡献，旨在为城市气候变化监测及应对气候变化工作提供科学依据。

1材料与方法

1.1数据来源笔者选取的地面气象观测资料为河北省气候中心收集整理的1979～2011年石家庄站(代表石家庄市区)的逐月平均气温资料，从中国高空气候标准值月值数据中遴选出2个河北省探空站(表1)。探空所用气球位于城市上空，相较乡村站其气温受到人类活动的影响更少，同时近地面层与城市处于同一大气环流背景，两者气温变化趋势差可认为是城市化的贡献。通常，探空资料近地层包含1 000、925、850 hPa层，由于1 000和925 hPa层过于靠近地面，因此选择探空850 hPa层气温资料作为气候背景序列，计算城市化增温幅度及贡献。

表1　 河北省探空站及石家庄市区站、周边参考台站信息

注：人口数量为2010年数据。

Note：The population was data of 2010.

原始数据为月平均气温资料，年(季)平均气温序列为各年(季)所含月份平均气温的算术平均值。季节采用气象季节定义：3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月和次年的1～2月为冬季。

1.2研究方法将石家庄站的年、季平均气温时间序列作为目标研究序列，将探空资料作为背景气候序列，对比分析目标序列和背景序列的变化趋势及其差异，分离出石家庄市年、季平均气温变化中的城市化影响，并计算城市化影响的贡献率。

1.2.1背景气候序列的建立。 邢台站(53798)和张家口站(54401)分别位于石家庄站(53698)的东北和偏南方向，在全国探空站中与石家庄站距离较近。以邢台、张家口2站探空资料850 hPa逐月气温的算术平均值作为石家庄站850 hPa背景站逐月气温，计算相应的年、季平均气温，用于代表区域气候变化背景序列。

石家庄站实测气温序列与探空气温序列年相关系数为0.991 7，春、夏、秋、冬季的相关系数分别为0.951 6、0.933 4、0.966 2、0.936 3，且年与各季平均气温之间的相关关系均通过α=0.01显著性检验，表明探空资料平均值可以作为石家庄站的探空资料。

1.2.2城市化影响的分析方法。参照白虎志等[14]的研究，定义城市化影响为城市站与背景站气温变化率之差，将城市化影响在其总变化率中所占的百分比定义为城市化影响贡献率。城市化影响贡献率Eu的计算方法见下式：

Eu=(Tu-Tr)/Tu

式中，Tu表示石家庄站气温变化率，Tr表示背景序列气温变化率，Tu-Tr表示石家庄气温变化中的城市化影响。

2结果与分析

2.1探空站与城市站年平均和各季平均气温变化趋势从图1可见，地面实测气温和850 hPa背景值年平均气温均呈显著的变暖趋势，通过α=0.01显著性检验(表2)。石家庄年平均地面实测气温线性增温率(0.59 ℃/10a)高于850 hPa背景序列的增温率(0.40 ℃/10a)。从图1a可见，1990年之前，大部分年份的地面实测气温距平值小于850 hPa背景值。这是由于这一时期石家庄域内城市化及城镇化水平均较低，气象观测活动受人类活动的影响很小。随着城市化进程的加快，1995年后处于较暖期，多数年份的平均气温距平为正值，且大部分年份的地面实测气温距平高于850 hPa背景值。图1b表明，整个时间域内石家庄地面实测气温距平值与850 hPa背景值差值总体呈上升趋势，1981年开始5年间距平差值曲线较为平缓，80年代中期以来曲线波动明显，1995年后热岛值的增加尤为突出，变化率为0.43 ℃/10a，远远大于近30年来的变化速率。

图1　1981～2010年石家庄年均气温距平及城市化影响Fig.1　Observed temperature anomaly time series and urbanization effect of Shijiazhuang from 1981 to 2010

由表2可知，1981～2010年地面实测气温与850 hPa探空气温的各季平均气温距平和均呈上升趋势，冬、春和秋季平均气温显著上升，而夏季变暖趋势较小。地面实测序列的各季平均气温增温率高于850 hPa背景序列的增温率。

表21981～2010年石家庄市地面实测气温与850 hPa背景气温变化趋势

Table 2Variation trends of mean air temperatures and 850 hPa upper-air temperatures in Shijiazhuang form 1981 to 2010

℃/10a

注：**、*分别表示气温变化趋势通过α=0.01、α=0.05的显著性水平。

Note：**，* stands for temperature variation trend was at 0.01 and 0.05 significant level respectively.

从图2a可见，在1981年到90年代中期多数年份春季地面实测平均气温距平为负值，且绝对值大于850 hPa背景值距平；之后的大部分年份地面实测气温距平为正值，且绝对值大于850 hPa背景值；整个时段地面实测气温春季平均增温率为0.55 ℃/10a，850 hPa背景站增温率为0.45 ℃/10a。从图2b可见，20世纪90年代中期之前，无论是地面实测值还是850 hPa背景值，夏季平均气温距平波动较小，且实测距平值小于背景值；之后各年份距平值波动幅度明显且地面实测值多大于850 hPa背景值；整个时段地面实测值夏季增温率为0.49 ℃/10a，850 hPa背景站增温率为0.17 ℃/10a。图2c显示，相邻年份间秋季气温距平值差异较大，总体变化趋势与春、夏季平均气温变化一致。图2d显示，冬季气温距平波动幅度大于其他三季，地面实测气温最暖冬与最冷冬温差达到4.60 ℃，850 hPa背景值各年份最大温差甚至达到4.90 ℃；30a间地面气温增温率为0.64 ℃/10a，850 hPa增温率为0.44 ℃/10a。

2.2城市化影响由表3可知，城市化对于石家庄平均气温变化趋势的影响为正贡献，表明城市化加速了石家庄变暖趋势。城市化对年平均气温的贡献达到0.19 ℃/10a，贡献率达到32.20%；四季的情况与年基本相似，城市化对平均气温的影响均表现为增暖；夏季城市化影响最大，为0.32 ℃/10a，其次为冬季和秋季，春季最小。四季城市化影响贡献率大小顺序与之相同。

图2　1981～2010年石家庄站四季平均气温距平实测值序列及850 hPa气温序列Fig.2　Seasonal temperature anomaly time series of the observed data and 850 hPa upper-air observations in Shijiazhuang from 1981-2010

Table 3Urban heat island temperature increasing rate and contribution rate in Shijiazhuang during 1981-2010

阶段Phase城市热岛增温率值Urbanheatislandtemperatureincreasingrate∥℃/10a城市热岛贡献率Urbanheatislandcontributionrate∥%全年Wholeyear0.1932.20春季Spring0.1018.18夏季Summer0.3265.31秋季Autumn0.1830.00冬季Winter0.2031.25

3 结论与讨论

(1)笔者通过构造探空资料为气候背景序列，对比分析了1981～2010年石家庄站地面实测气温序列和850 hPa背景站的年和四季气温变化趋势，在此基础上，分析了城市化对石家庄市气温变化趋势影响的性质和程度，得出以下结论：①1981～2010年石家庄平均气温呈显著上升趋势。四季中，冬季气温变暖趋势最大，其次为秋、春季，夏季最小。②探空资料的年平均气温变化趋势小于实测气温变化趋势；四季增暖趋势特征体现为冬强夏弱。③探空资料分离出的城市影响达到0.19 ℃/10a，贡献率为32.20%，城市化导致的季节增暖作用在夏秋较大。

(2)对比以往研究，刘学锋等[12]研究表明，1981～2003年河北国家站热岛年增温率为0.098 ℃/10a，对总体增温趋势的贡献率为15.80%；除秋季外，春夏冬三季热岛增温率均小于笔者研究得出的结果，但国家基本/基准站增温“以冬季增温为最大”及“城市热岛效应增强因素对季节增暖的作用在夏秋季较大，冬季最小”的结论与笔者研究得出的基本一致。卞韬等[13]指出，1962～2009年石家庄城市热岛年增温率为0.19 ℃/10a，贡献率为67.90%。这与笔者得出的结论有一定差异，原因可能是选取的气候背景序列不同。此外，城市化影响贡献率不仅与城市化影响有关，还与城市气温变化趋势有关，因此笔者计算得到的城市化影响贡献率偏低。卞韬等[13]分析得出，1980和1990年以来的平均城市热岛强度分别为0.50和0.80 ℃，这与笔者得到的1981～2010(0.19 ℃/10a)及1991～2010(0.43 ℃/10a)2个时段的城市化增温幅度及其随时间的变化趋势基本一致。

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Effect of Urbanization on Variation of Air Temperature in Shijiazhuang Based on Upper-air Observation

PENG Xu-dong

(Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101)

Abstract[Objective] The aim was to study effects of urbanization on temperature changes in Shijiazhuang, as well as applicability of upper-air observations on carrying out urbanization effect research. [Method] Based on the monthly upper-air observations and air temperature data from 1981 to 2010, the influence property and degree of urbanization on the variation of air temperature in Shijiazhuang was investigated. [Result] The results indicated that the warming trend in Shijiazhuang was remarkable in recent 30 years, which is 0.59 ℃ per decade and for upper-air observations was 0.40 ℃ per decade, and maximum warming rate was occurred in winter; The effect of urbanization to the mean temperature increasing was 0.19 ℃ per decade; The contribution of urbanization effect to seasonal warming was significant in summer and autumn; The contribution rate of the urban heat island effect to mean air temperature was 32.22%. [Conclusion] The contributions of urbanization to air temperature of Shijiazhuang are apparent.

Key wordsUpper-air observations; Air temperature variation; Urbanization; Shijiazhuang City

作者简介彭旭东(1991- )，男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向：中小尺度气象学。

收稿日期2016-03-18

中图分类号S 164

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-063-03