长沙城市化发展背景下的气候变化特征

谭诗琪 范嘉智 张弘豪

摘要：利用1970—2016年长沙站的气象数据研究了长沙城市发展对局地气候的影响。发现近年来长沙市冷暖变化加剧，年平均气温、地面最高温度呈增加趋势，高温日数增多，高温热浪现象明显；雨季降水量呈增加趋势；最大风速呈下降趋势；能见度小于1 km的概率在近两年内急速增加，霾日数已超过雾日数，且呈增加趋势。表明城市化发展导致的热岛效应、凝结核增加、土地利用变化及工业化加快等对气候造成了很大的影响，因此在发展城市建设的同时，要关注城市发展对气候的影响。

关键词：城市发展；气候变化；影响

中图分类号：P467 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）16-0047-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.011 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Characteristics of Climate Change under the Background of

Urbanization in Changsha

TAN Shi-qi1，FAN Jia-zhi2，ZHANG Hong-hao3

（1.Hunan Meteorological Service Centre，Changsha 410118，China；2.China Meteorological Administration Training Centre Hunan Branch， Changsha 410125，China；3.Yangjiang Meteorological Bureau，Guangdong Province，Yangjiang 529500，Guangdong，China）

Abstract： Influence on local climate in Changsha by urban development had been studied with the 1970—2016 meteorological data of Changsha station， which found the changes in heating and cooling had intensified in recent years， the annual mean temperature and the highest ground temperature showed an increasing trend， high temperature days had increased， and the heat wave phenomenon was obvious； The precipitation in the rainy season was increasing； The maximum wind speed was decreasing； The probability of visibility less than 1 km had increased rapidly in the past two years， the number of haze days had exceeded the number of foggy days， and which was increasing. It was indicated that the heat island effected， the increase of condensation nucleus， the change of land use and the accelerated industrialization of urbanization had a great impact on the climate， therefore， while developing urban construction， influence of urban development on climate should be paid more attention.

Key words： urban development； climate change； influence

大規模城市化（城市群）是中国经济社会发展的主要驱动力和重大战略[1]。《中国城市状况报告2014—2015》指出，中国城市人口在2011年超过了农村人口，这是数千年历史上的第一次，标志着中国的城镇化已经处于一个全新的发展阶段。当前中国城镇化水平已跨越50%的历史性门槛，正步入转型发展的关键时期。并强调城镇化是现代化建设的主要内容，要坚持工业化、信息化、城镇化和农业现代化同步，保持城镇化发展速度与经济社会发展水平相匹配。以全面建设小康社会、实现现代化为总体目标，强化产业支撑，保持城镇人口和产业聚集同步[2]。随着城市的加速发展、工业化的加快，城镇化水平得到提升，但与此同时，城市的发展对气候也会带来巨大的影响。长沙市随着城市规模的不断发展，城市气候效应日趋明显。

1 资料来源

利用长沙市气象站1970—2016年47年的气象资料进行研究分析，以探究长沙城市发展对气候的影响。

2 城市化气候变化

2.1 气温

温度的升高不仅直接影响温度极端值的变化，而且导致高温干旱和暴雨洪涝等极端气候事件的发生频率与强度出现加剧的趋势[3]。随之而来的极端气温事件的频繁发生，给社会、经济和人民生活造成了严重的影响和损失[4，5]。湖南地理位置特殊，呈东西走向的南岭山脉横亘在湖南和两广的边界上，它的存在对湖南气候有着重要影响，夏季盛行的偏南风在翻越南岭山脉时产生的焚风效应，对湖南夏季的炎热高温有着加强作用。再加上城市化速度加快、城市建筑群密集、汽车尾气排放量增加等因素，使得长沙城区内部储存了较多的热量，导致气温升高。因此研究长沙市气温的变化特征有着重要意义。

2.1.1 城市气温异常变化特征的分析 1970—2016年气温年极差的5年滑动平均序列曲线见图1。由图1可以看出，从20世纪70年代至今，气温年极差的变化趋势为21世纪前减少，21世纪后增加，21世纪后气温年极差起伏较前期更剧烈，表明21世纪后气温的冷暖变化有加剧的趋势。

2.1.2 城市年平均气温变化特征分析 在分析年平均气温变化特征时，为了消除短波的干扰，可对年平均气温进行多年滑动滤波，滤波后的长沙市年平均气温的变化曲线见图2。由图2可以看出，整体上看呈两峰两谷型，波峰出现在1979和2008年，其值分别为17.2和18.5 ℃；波谷出现在1984和2011年，分别为16.8和18.1 ℃，且1984—2008年一直呈上升趋势，从近期趋势来看，又将呈上升趋势，平均气温又将迎来新一轮升高。

2.1.3 城市地面最高气温变化特征分析 为了解城市下垫面近47年的变化情况，分析地面最高气温，结果见图3。由图3可以看出，自20世纪70年代末至今，长沙市地面最高气温呈波动上升趋势。除海拔、纬度等固定的因素外，人口密度、工业发展程度、森林覆盖面积等直接影响了地面温度的高低，表明城镇化的加速发展使得城市热岛效应加剧，地面温度逐年上升。

2.1.4 城市日最高气温≥35 ℃日数变化特征分析 全球变暖，城市群加速发展，使得地面温度升高，气温也会随之升高，长沙市1970—2016年日最高气温≥35 ℃总日数的5年滑动平均序列见图4。由图4可以看出，21世纪之前，日最高气温≥35 ℃日数变化幅度较小，最大天数在25 d左右，21世纪后，呈迅速增加的趨势，2013年已超过40 d，较21世纪之前多出了15 d以上。说明高温持续天数愈加增多，高温热浪现象越发明显。

2.2 降水

湖南省是洪涝灾害多发省份，仅以水灾为例，湖南省有水灾文字记载始于汉惠帝五年，自公元前190年至2002年间共有水灾记录641年次。最近的500年里，湖南出现水灾456次，平均每百年就出现91次，同期出现全省性水灾67次/年，平均每百年有13.4次，尤其是洞庭湖区过去几乎是“十年九灾”。因此，分析长沙城市雨季降水量分布有着重要的意义。

2.2.1 城市雨季降水量特征分析 1970—2017年长沙市雨季（4—6月）降水量5年滑动平均演变特征见图5。由图5可以看出，长沙市雨季降水量均在600 mm以上，最大值（850 mm）出现在1977年，最小值（604 mm）出现在1988年。20世纪70年代至90年代呈减少趋势，20世纪90年代开始呈上升趋势，到2005年前后开始减少，2010年后又开始增加，近年来增幅较大，出现洪涝次数增多，灾害加重，如2017年6月下旬的暴雨造成的损失巨大。

2.3 最大风速

风是最重要的气象要素之一，随着风力发电的迅速发展，人们更重视风速，特别是最大风速的分布变化。风也是生产建设规划和设计中必须慎重考虑的气象要素，所以正确分析年最大风速分布特征有重要意义[6]。

2.3.1 城市年最大风速特征分析 因1970—1979年缺少最大风速观测资料，故分析1980—2016年最大风速变化趋势。1980—2015年长沙市年最大风速5年滑动平均演变情况见图6。由图6可以看出，长沙市年最大风速呈下降趋势。除自然因素外，人类强迫是导致近数十年来风速减小的重大原因之一，城市化效应、土地利用变化、城市地表粗糙度增加等因子都会使风速削减[7]。

2.3.2 城市最大风速季节变化特征分析 长沙市1980—2016年最大风速四季的5年滑动平均演变见图7。由图7可以看出，四季最大风速均呈下降趋势，其中夏季减少最快，秋季减缓最慢。全球变暖及土地利用变化都导致了2016年以来风速呈不断下降的趋势。

2.4 能见度和霾、雾日数

2.4.1 城市能见度特征分析 能见度是反映大气透明度的一个指标。除受降水、雾、沙尘等天气现象的自然因素影响之外，人为因素如污染物排放所造成的空气污染等也对能见度有很大的影响。近年来，随着全球经济的迅速发展，矿物燃料的迅猛应用，使得大气中因油、煤和废弃物燃烧而产生的气溶胶粒子数量明显增加，造成大气能见度下降且空气混浊，因此低能见度污染问题受到人们的高度关注[8]。

1980—2016年长沙市年能见度小于1 km的总概率5年滑动平均变化趋势见图8。由图8可以看出，能见度小于1 km的概率总体上呈下降趋势，表明空气在变得愈加浑浊。并且在2014年之后有一段明显的上升，2016年能见度小于1 km概率高达71.5%，环境污染严重。

2.4.2 城市霾、雾日数特征分析 在众多影响空气能见度的因素之下，霾和雾是两个关键的因子。其中大雾（或浓雾）是较常见的影响湖南的灾害性天气之一，随着社会经济的发展和城市化进程的加快，特别是交通、通讯的迅猛发展，大雾天气对人们的影响日趋明显，对高速公路的影响更加突出[9]。随着社会经济的快速发展，工业化、城市化加快，空气污染加剧，霾天气明显增多，出现霾天气时，室外能见度降低，污染持续，对交通运输造成不利影响，同时还影响人们的身心健康[10]。

1970—2016年长沙市霾和雾日数5年滑动平均演变情况见图9。由图9可以看出，霾日数呈波动上升趋势，且增长较快，这与城市加速发展，工业化加快有密不可分的关系；雾日数在20世纪90年代以前呈现增长的趋势，在20世纪90年代之后呈减少趋势，近年来大雾日呈现减少趋势的原因可能与城市化和经济的快速发展有关。

3 小结与讨论

分析研究了近47年长沙市各气象要素及长沙的城市发展对气候的影响，得出如下结论。

1）长沙市近年的冷暖变化有加剧态势；地面最高气温呈上升趋势；高温日数增多，高温热浪现象明显，近47年内增多了约20 d。这是由于工业发展使得能源消耗剧增，大量的人为放热量的增加会使城市热岛效应加强。大气污染物的增多使得市区上空形成一层尘盖。夜晚，该尘盖会削弱地面长波辐射，增加大气向地面的长波逆辐射，使地面冷却减弱，增强热岛效应，使气温升高。

2）长沙市雨季降水量近年来呈增加的趋势，这是由于城市热岛效应的增强使大气层结的不稳定性增强，将导致城市上空向上垂直运动的产生，另外城市大气污染的结果提供了足够多的凝结核，这是有利于降水形成的因素。

3）长沙市年最大风速近47年呈下降趋势；四季最大风速均呈减小趋势，并且夏季减小速率较大，秋季较小；这是由于气候系统内部的相互作用，以及人类活动如城市化效应、土地利用变化、风电场效应、城市地表粗糙度、人类排放导致的全球变暖等因素造成的。

4）长沙市能见度小于1 km的概率近47年总体呈下降趋势，但近两年为增加趋势，并且2016年概率高达70%以上，是往年的数倍；霾日数呈增加趋势，并且增长较快；雾日数在20世纪90年代以前呈增长的趋势，在20世纪90年代之后呈减少趋势。且霾日数近年已超过了雾日数。雾的分布与地理因素有关，霾则是与城市工业化和污染排放有关，风速的减小也有利于霾的形成与维持。

城市的气候条件遭到改变与破坏会使城市气象灾害愈加频发，城市气象灾害是天气、气象要素与城市系统相互作用和冲突的产物，当气象条件不利于城市系统的正常运作时，就容易产生城市气象灾害，这不仅对人们的健康和生命造成危害，还会损害城市环境及资源状况，这并不利于城市化的发展，因而，大力推动城市化进展而忽视对环境的保护只会有害而无利。

虽然目前气候主要受自然因子的影响为主，城市化发展对其影响的范围较小，但是随着时间推移，城市化进程越来越快，城市发展对气候的影响必然会更加明显，因为城市是人类活动中影响气候最强烈的地区，包括下垫面影响、人类活动、热岛效应等。通过分析长沙市近47年的气候变化特征，研究城市发展对气候的影响，在所得结果中可以看出，城市化已经对气候造成了较为明显的影响，所以在制定城市发展规划时，应考虑到城市发展对气候的不利影响，以趋利避害。

参考文献：

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