上海地区地气温差变化特征及影响因子初步分析

穆海振,薛正平,李 军

(1上海市气象信息与技术支持中心，上海 200030；2上海市气候中心，上海 200030)

在全球变暖背景下，最近50年全国年平均地表气温增加1.1℃，每10年增温速率为0.22℃，明显高于北半球同期平均速率[1]。地面感热通量作为低层大气主要热量来源与地表气温关系密切，而地气温差是计算感热通量的主要指标，其变化对大气环流和天气变化、农业生产、生态环境有重要影响，因此研究地气温差具有重要的气候学和生态学意义[2-4]。有较多学者利用地气温差作为前兆信号进行短期气候预测，如周连童等[5]分析了我国春季(3—5月)和夏季(6—8月)地气温差的时空变化特征及其与夏季降水的联系；王澄海等[6]对东亚夏季风爆发前青藏高原地气温差变化特征进行了分析，刘颖等[7]分析了春季地气温差与长江中下游旱涝的关系。同时，也有部分学者开展了各区域地气温差的变化规律和成因的研究工作，如温李明等[8]分析了1960—2006年我国东西部地气温差的年代际变化特征，发现我国东南部地区各季地气温差在20世纪70年代末以前的大部分年份偏高，而在20世纪70年代末以后，我国东南部地区各季地气温差偏低，在夏季和冬季表现尤为明显；张文纲等[9]研究表明青藏高原地气温差6月份最大，12月份最小；杨智等[10]研究发现，云南省地气温差差值在夏季最大，其次为秋季和春节，冬季最小，且有逐年缓慢上升趋势；符睿等[11]分析了我国西北干旱区地气温差变化的原因，指出20世纪后40年西北干旱区冬季地气温差呈减小趋势，其原因可能是20世纪80年代后全球进一步变暖，西北干旱区对流层中层高度场升高、气温升高，寒潮活动减少，近地层风速减弱使得气温增暖高于地温；杨晓玲等[12]研究发现影响武威市地气温差的主要因子是最高地温、蒸发量和降水量；陈娟等[13]报道我国西北地区冬季风速的年代际变化趋势及突变年与春、夏季地表感热的变化基本一致,冬季风速变化与春、夏季地表感热变化有较好的正相关关系；Song等[14]分析了美国Phoenix地区地气温度相互关系，发现地气的互相作用与直接太阳辐射和风速最为敏感。从国内外其他地区现有研究成果来看，地气温差变化受太阳辐射影响最为显著，另外风速也是较为显著的影响因子，其长期变化趋势也多呈降低趋势，但对全球变暖和城市化双重影响下地气温差分布特征及其成因机理方面的研究成果还较少，值得进一步深入探讨。

上海属亚热带季风气候，位于长江口南岸，东临海岸，西连太湖，北界长江，南靠杭州湾，占地面积6 340.5km2，地势特点是东高西低，海拔高3—5m。根据1981—2010年资料统计，上海年地区年平均气温15.8—16.9℃，年降水量1 128.5—1 259.5mm，冬季受西伯利亚冷高压控制，盛行西北风，寒冷干燥；夏季在副热带高压控制下，多东南风，暖热湿润，春秋是季风的转变期，多低温阴雨天气[15]。同时，上海因人口密集，工业集中，高大建筑物林立，能源消耗量大，城市“热岛”“雨岛”等效应显著[16]。从已有的文献来看，对长江三角洲地区的地气温差变化规律及其影响因素方面的研究还比较少，上海作为典型的河口海岸特大型城市，既受全球变暖背景影响，同时城市化带来的局地气候环境效应也比较显著，研究该地的地气温差变化特征具有较高的学术价值。由此，本研究利用上海地区气象台(站)观测资料，对地气温差的空间分布特征、长期变化趋势和影响因素进行分析，以期进一步深入探索上海地区近地层热环境变化规律，为合理指导农业生产、保护和改善城市生态环境提供科学的参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

资料来源于上海地区宝山、嘉定、青浦、松江、奉贤、徐家汇、崇明、南汇、金山等9个气象台(站)的月平均地表温度(0cm地温)、月平均地面气温(1.5m气温)、月平均风速、月降水总量、月日照时数、月蒸发量、月相对湿度，时间序列为1961—2015年。上述9个站点的观测数据完整性和连续性较好，并经过较为严格的质量控制，能够满足研究的需要，其中徐家汇站位于上海中心城区，宝山站位于上海近郊，其他站点均位于远郊。利用逐月地表温度和地面气温，求得季、年地表温度和地面气温，季、年地气温差的值为季、年地表温度和地面气温之差。全市地气温差为9个站点的平均值。季节划分3—5月份为春季、6—8月份为夏季、9—11月份为秋季、12月至翌年2月份为冬季。

1.2 方法

利用线性拟合计算方法分析季、年地气温差的变化趋势，用xi表示样本量为n的气候变量，用ti表示xi所对应的时间，利用最小二乘法建立xi和ti之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti(i= 1，2，3，…，n)

(1)

式中b为气候变量的倾向率，b> 0 表示直线递增，b< 0 表示直线递减，b× 10 表示每10 年的变化率，单位为℃。变化趋势的显著性采用时间t与序列变量x之间的相关系数即气候趋势系数进行检验，通过置信度α=0.01、α=0.05显著性检验对应的相关系数临界值依次为0.341、0.263。

选取各站各季节日照总时数、平均风速、蒸发总量、平均相对湿度和降水总量作为预报因子，各季节的地气温差平均值为预报对象，利用R语言的lm()和step()等函数，采取多元逐步回归方法，以AIC(Akaike information criterion)信息统计量为准则[17]，筛选各站各季节地气温差的显著影响因子，预报因子剔除法选取后退法。所得回归方程预报因子的回归系数为正视为正相关，为负视为负相关，显著性检验标准分别取0.01和0.05。

2 地气温差空间分布特征

通过资料分析表明：上海地区地气温差的全年和各季节平均状况，从全年平均来看，各站点地表温度均高于地面气温，总体上呈现出中心城区地气温差小、郊区地气温差大的分布形态：南汇、金山、奉贤、松江、青浦及崇明站地气温差均大于2℃，其中金山站(2.4℃)为最大；嘉定和宝山在1—2℃；徐家汇站最小，仅为0.8℃。从季节变化来看，各个季节地气温差分布均呈现出中心城区低、郊区高的分布特征，但各站地气温差数值和城郊之间差异存在较为明显的季节变化：夏季是上海地气温差最为明显的季节，除徐家汇、宝山和嘉定站外，其余各站地气温差均超过3℃，金山站(4.1℃)为最大，较地气温差最小的徐家站(1.9℃)偏高2.2℃；春季地气温差也较为明显，除徐家汇、宝山和嘉定站外，其余各站地气温差均超过2℃，金山站(2.6℃)地气温差最大，较地气温差最小的徐家站(1.2℃)偏高1.4℃；秋季地气温差较春季偏弱，除金山站外，其余各站温差均小于2℃，其中徐家汇站最小(0.1℃)；冬季是地气温差最小的季节，各站地气温差均小于1℃，徐家汇站地气温差低于0℃，金山站最高，两者相差1.0℃，冬季也是城郊差异最小的季节。从上述特征分析中可以看出，上海地区虽然覆盖面积较小，全年和各季节的地气温差平均值仍有较为明显的空间分布差异，突出表现在中心城区低、郊区高的特征，与城市“热岛”“雨岛”等空间分布特点相类似，但变化梯度方向相反，这说明下垫面土地利用变化和人类活动对地气温差的空间分布特征产生了较为显著的影响。

3 长期变化趋势分析

3.1 长期变化趋势分析

表1给出了上海各站地气温差长期变化趋势，从全市平均来看，年平均地气温差呈现明显的减少趋势，平均为每10年减少0.16℃，其中在夏季最为显著，平均每10年减少0.31℃，秋季和冬季次之，春季的长期变化趋势则不明显。各站的地气温差长期变化趋势表现出来一定的区域差异，除远郊的青浦和奉贤站外，各站的年平均地气温差均呈显著的下降趋势，其中徐家汇站减少趋势最为明显，宝山站次之。在春季崇明、南汇、金山和松江站的长期变化趋势不明显，青浦站呈显著上升趋势，其余各站呈显著下降趋势；夏季除青浦站外，其余各站均呈显著下降趋势，其中宝山站减少最为明显，嘉定站次之；在秋季绝大多数站点地气温差也呈下降趋势，其中徐家汇站下降最为明显；冬季各站均呈现下降趋势，其中徐家汇站最为明显，宝山站次之。总体来看，上海地区地气温差总体呈减小趋势，其中夏季作为地气温差最大的季节，其减小趋势最为明显，秋季和冬季略弱，春季的趋势不显著，同时空间分布特征表现为中心城区和近郊站点减少趋势最为显著，这说明这些站点的感热分量在热量平衡方程所占比例随上海城市化进程推进有逐步减小的趋势。

表1 1961—2015年上海各站每10年地气温差的长期变化趋势

注：**为通过99%的置信度检验，*为通过95%的置信度检验

3.2 年际和年代际变化特征

图1给出了上海地区9站平均的年和春、夏、秋、冬各季节的地气温差历年演变情况。从上海地区年平均地气温差来看(图1a)，其年际和年代际波动幅度均较小，除1980s较1970s略有上升外，其余各年代均呈缓慢下降趋势。春季的地气温差年际波动较小，但年代际波动幅度较为明显，1970s、1990s和2000s是低值区，1960s、1980s是相对高值区；夏季的年际波动明显大于其他3个季节，年代际变化则呈现较为明显的下降趋势；秋季的年际波动幅度也较小，1960s是较为明显的高值区，其后各年代温差呈缓慢下降趋势；冬季的年际变化趋势亦不显著，其年代际变化总体呈缓慢下降趋势。总体来看，上海地区全年和各季节的地气温差的年代际变化趋势呈现出较为平缓的下降趋势，年代际的波动较小。

图1 1961—2015年上海地区全年(a)、春季(b)、夏季(c)、秋季(d)和冬季(e)地气温差历年演变图 Fig.1 The whole Shanghai GATD variation for annual(a)，spring(b)，summer(c)，autumn(d)and winter(e)during 1961—2015

4 影响因素分析

4.1 与地表温度、地面气温关系分析

为进一步解释地气温差变化的成因，统计分析了上海地区各季节和全年的地表温度、地面气温的长期变化趋势(表2)，春季全市平均地表温度和地面气温均呈显著上升趋势，两者上升幅度接近，导致地气温差长期变化趋势不显著；夏季地表温度变化趋势不明显，但地面气温有明显的上升趋势，导致地气温差显著变小；在秋季和冬季地表温度和地面气温均呈明显上升趋势，但地面气温上升幅度较地表温度明显偏高，导致地气温差减小；从全年平均来看表现为地面气温上升速率快于地表温度，导致年平均地气温差减小(图2)。

上海地区各站各季节地气温差长期变化趋势与地表温度、地面气温的关系表现出了一定的区域差异。在春季，虽然各站的地气温差长期变化趋势均不显著，但各站的地表温度和地面气温均表现出了较为显著上升趋势，宝山、嘉定、崇明、徐家汇等中北部各站地面气温上升速率较地表温度上升速率偏快，导致地气温差有弱的减小趋势，其他站点则地面气温上升速率较地表温度偏慢，导致地气温差有较弱的增大趋势。在夏季，各站地面气温均呈上升趋势，除崇明站外，其他各站均通过α=0.05以上的的显著性检验，而各站的地表温度除青浦呈显著上升趋势外，其他各站均呈下降趋势，导致夏季上海地区绝大多数站点地气温差均呈较为显著的下降趋势。在秋季，各站点地面气温呈显著上升趋势，均通过了α=0.01的显著性检验，各站的地表温度也呈上升趋势，除青浦站外，其上升速率均小于地面气温上升速率，导致上海地区除青浦站外各站秋季地气温差均呈下降趋势。在冬季，各站地面气温的上升趋势也较为明显，各站均通过了α=0.05以上的显著性检验，各站的地表温度也呈显著上升趋势，除青浦站外各站的上升速率均慢于地面气温，导致各站点地气温差呈减小趋势。

表2 1961—2015年上海地区每10年地表温度、地面气温的长期变化趋势

注：**为通过99%的置信度检验，*为通过95%的置信度检验

图2 1961—2015年上海地区全年地气温差历年演变图 Fig.2 Annual air temperature，ground temperature and GATD variation for whole Shanghai region during 1961—2015

4.2 环境因子影响分析

地表温度和地面气温变化是导致地气温差变化的直接因素，但地表温度和地面气温之间相互作用涉及到复杂的地气热量交换过程，大气热力、动力和水分等分量都可能对其产生影响，为此，分别选取各站各季节热量(日照)、动力(风)、水分(蒸发、相对湿度、降水)变量作为预报因子，地气温差作为预报对象，通过多元逐步回归方法筛选出各季节影响地气温差变化的显著因子(图3)。

图3 上海地区各站春季(a)、夏季(b)、秋季(b)、冬季(d)地气温差变化显著影响因子示意图Fig.3 Demonstration figure of significant influence factors in spring(a)，summer(b)，autumn(c)and winter(d) for weather stations in Shanghai

在春季(图3a)，降水是上海地区多数站点地气温差变化最为显著的影响因子，表现为降水多，地气温差变小；日照时数也对春季地气温差的变化也有一定影响，表现为日照时数多，地气温差变大；蒸发量和相对湿度与地气温差的相互关系较为复杂，不同的站点作用不同。在夏季(图3b)，影响地气温差最为显著因子为日照时数，日照时数多，地气温差变大；与春季类似，降水也是较为显著的影响因子，与地气温差表现为负相关关系；此外，相对湿度、蒸发和风速在个别站点也与地气温差有显著相关关系。在秋季(图3c)，影响地气温差变化的最为显著因子亦是日照，各站点地气温差与日照的相关显著性均超过0.05；相对湿度对秋季地气温差也有较为明显影响，有6个站点表现出显著的正相关关系；与春季和夏季类似，降水也与地气温差存在一定的负相关关系。 在冬季(图3d)，地气温差受环境因素影响相比其他季节较弱，最为显著的因子为风速，此外还有超过半数的站点没有显著影响因子。

分要素来看，热量条件是影响夏季和秋季地气温差最为显著的因子，表现为正相关关系；降水量也是影响春季、夏季和秋季地气温差较为显著的因子，表现为负相关；动力条件中的平均风速在冬季影响最为显著，在其他季节个别站点也有一定影响，具体表现为正相关关系；蒸发和相对湿度对地气温差的影响则较为复杂，不同站点、不同季节对温差变化作用差异较大。上述结论也与前文中得到的上海地区地气温差的气候分布特征等研究成果得到了相互验证。夏季是日照时数最多的季节，地表热源作用显著，导致上海地区夏季地气温差最为明显；中心城区由于城市雨岛效应影响降水较郊区偏多，受近地面粗糙度大影响风速较郊区偏低，导致在各个季节中心城区的地气温差均为最小。

4.3 城市化影响分析

从上述分析可知，上海地气温差呈减小趋势的主要原因是地面气温的升高，其长期变化主要与气候背景变化和城市热岛效应有关，为进一步定量评估上述因素对地气温差变化的影响，以徐家汇站为例，利用徐家汇站与崇明站的气温差值作为表征城市热岛强度指标，将1961—1970年作为基准年代，分时段统计了热岛效应和气候背景变化对地气温差的影响程度(表3)。从分析结果中可以看出，热岛强度，即城市化效应导致的温度升高相比基准值呈现逐年增大的态势，2001—2015年热岛强度较1961—1970年升高了0.9℃，在1981年后尤为升幅显著，但与此同时，气候背景变化导致气温升高效应也日趋显著，热岛强度对气温升高的贡献率相应却有所下降，如在1981—1990年地表气温升高的主要原因为热岛效应，在1991—2000年热岛效应所占的贡献约为62%，在2001—2015年则降为45%。上述结论说明在全球变暖日趋加剧的背景下，城市热岛效应对上海中心城区地气温差变化趋势的相对贡献率呈下降趋势。

表3 不同年代上海地区地表气温和热岛强度与基准年代(1961—1970年)差异

5 结论与讨论

通过对上海地区9个气象台(站)的地气温差时空变化特征及影响因素进行初步分析，得出结论：1)从多年平均来看，上海各站地表温度均高于地面气温。地气温差在夏季最大，春季次之，冬季最小。上海地区地气温差呈现出中心城区低、郊区高的空间分布特征，与城市热岛和雨岛效应的梯度相反。2)上海地区年平均地气温差总体呈缓慢减小趋势，其中夏季最为明显。从空间分布来看，中心城区和近郊站点减少趋势最为显著。3)从总体上看，地面气温上升速率快于地表温度是上海地区地气温差减少的直接因素。夏季和秋季地气温差的显著影响因子为日照和降水量，春季的显著影响因子为降水，冬季的显著影响因子为风速。上海中心城区热岛强度绝对值呈现增大趋势，但其对地气温差变化相对贡献率呈现出下降趋势。

地气温差是表征热环境变化的重要指标，本研究发现了气候变化和城市化双重作用下，气候环境因子也发生了明显变化，导致地面气温和地表温度的变化速率不一致，地气温差总体呈显著减小趋势且城郊之间出现了明显差异，也初步定量评估了城市化效应和气候背景变化对地气温差变化的贡献，上述结论对科学认识城市生态环境的变化具有重要意义。同时，本研究部分成果还需要在后续工作中进一步深化，如上海市中心城区的地气温差显著小于郊区，导致感热通量减少，是否说明城市人为热排放分量在地表热量平衡中所占比重加大，还需要将观测试验和数值模式工具相结合做进一步研究；上海地气温差变化总体呈变小趋势，但也存在一定的区域差异，其成因及还需要进一步研究。