哈尔滨市城市化进程对气温变化影响

崔 嵩，贾朝阳，宋梓菡，付 强，刘 东，崔宁波

（1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学松花江流域生态环境保护研究中心，哈尔滨 150030）

气候变化主要是太阳活动[1]和大气环流[2]等自然因素与人为因素共同作用结果[3]，随着经济社会迅速发展和城市化进程不断加快，人类活动对全球气候变化影响明显，城市化进程对气候变化影响受到关注。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental panel on climate change，IPCC）在第五次评估报告中指出，人类对气候系统影响明确并增强[4]；气候变化使人类生存环境发生改变，在农业、林业、生物多样性、海洋环境和水土资源变化等方面存在重要影响[5-6]。而全球变暖作为气候变化标志[7]，影响农业及人类居住环境等。Asseng等研究表明，全球温度每升高1 ℃，全球小麦产量将下降6%[8]。2018 年10 月8 日，IPCC在韩国仁川发布《IPCC全球升温1.5 ℃特别报告》表示，将全球变暖限制在1.5 ℃有益，控制全球气温变化对人类生产生活具有重要意义[9]。

研究发现，城市化进程对城市气温变化影响明显[10]。任学慧等研究表明，城市化水平、城市人口数量、城市产业结构合理化水平和下垫面性质改变等城市化进程指标已成为影响大连市气温变化主导因子[11]；殷红等研究表明，城市人口、GDP、全社会固定资产投资总额和竣工房屋建筑面积是影响沈阳市年均气温变化主要因素[12]；彭嘉栋等通过分析发现城市化发展对长沙市市区气温影响显著[13]。研究表明，在城市化发展过程中，伴随人类剧烈活动，大气边界层特性发生变化[14]。20世纪80年代以来，哈尔滨市城市化进程加快，增加全市人口数量、人均道路面积和人均居住面积等，影响城市气温变化。郭家林等分析哈尔滨地区各县市气温变化规律及差异，表明城郊县市增温幅度明显小于近城区县市[15]。哈尔滨市气温变化规律方面已有研究，但大多关注城市化进程中气象指标变化，而城市化进程中各种人为因素特征指标对城市气温变化影响相关研究不足。

在不考虑受全球气候变暖大背景影响前提下，本文重于研究推进城市化进程相关指标及因素对气温变化影响；城市化进程伴随人类活动产生影响也是地区或区域气候（气温）变化主要贡献因子。因此，本文以哈尔滨市1951～2017年逐日气温数据及1986～2017年相关经济统计数据为分析基础，通过线性趋势分析和M-K 检验等统计方法，探寻气温变化趋势及突变时间，并运用灰色关联分析法揭示可引起气温变化人为因素主导因子，评估哈尔滨市城市化进程对气温变化影响。本研究可为城市化进程影响下，城市生态调节能力提升提供有效方法及途径，为城市可持续发展和应对气候变化相关政策制定以及区域范围经济产业结构合理布局提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

哈尔滨市作为我国高寒地区典型城市，位于东经125°42′～130°10′，北纬44°04′～46°40′，是我国气温最低、纬度最高且工业基础较完备省会城市。哈尔滨市共有9 个辖区，市区面积为1.02×104km2，全市总人口951.50万人，辖区人口550.90万人。哈尔滨市属于中温带大陆性季风气候，年平均气温5.60 ℃，最高月平均气温23.60 ℃，最低月平均气温-15.80 ℃，其全年平均降水量约为423 mm，6～9 月为主要降水期，11 月～1 月（次年）为主要降雪期，供暖期为10 月下旬至次年4 月中旬[16]。

1.2 数据来源

本研究气温数据来源于中国气象数据网[17]多年连续观测资料，本文选用1951～2017年哈尔滨市逐日气温数据；本研究相关经济统计数据来自《哈尔滨市统计年鉴（1987～2018）》[18]，选用其中人均居住面积、建成区面积、居民消费水平、机动车保有量、第二产业生产总值、城市用电量、每万人拥有公交车辆、人均道路面积、人均公共绿地面积和废气排放量数据作为评价指标。

1.3 数据处理与分析方法

本研究对哈尔滨市气温数据作年平均气温和季节平均气温计算，并建立气温数据距平序列；应用线性倾向率估计法和距平分析法[19]分析哈尔滨市气温变化趋势。采用Mann-Kendall 检验法（即M-K 检验）对1951～2017 年哈尔滨市年平均气温和各季节平均气温作突变检验。M-K 检验计算步骤如下[20]：

构造一秩序列：

定义统计量：

式中，UF1=0，E(sk)，Var(sk)是累计数sk均值和方差，x1,x2,…,xn相互独立具有相同连续分布。UF是按时间序列x顺序x1,x2,…,xn计算统计量序列，UB 是按时间序列x逆序xn,xn-1,…,x1,再重复上述过程构造逆序列。通过计算UF和UB，确定显著性水平α=0.01，可明确序列突变时间并找出突变区域。若UF 值大于0，则表明序列呈上升趋势；若UF 值小于0，表明序列呈下降趋势，当UF 值超过上、下信度线（U0.01=2.56）时，表明序列升降趋势显著，如果上、下信度线内出现UF 与UB 交点，则交点对应时刻发生突变。

本文应用灰色关联分析法对影响哈尔滨市气温变化城市化因子作关联度分析。灰色关联分析法是一种定性分析和定量分析相结合综合评价方法，其基本思路是依据比较序列与参考序列变化趋势相似程度判断二者之间联系紧密性，并表征关联度。关联度计算步骤如下[21]：

①运用“初值化法”作数据标准化，某一因子序列中k时刻标准化数值为：

②第k年因子i与因子j灰色关联度系数为：

③因子i与因子j灰色关联度为：

式中，Fi(k)是某一因子序列中k时刻原始值；miniminj称为两级最小差，mini为第一级最小差，miniminj表示在找出最小差基础上，再按i= 1,2,3,…,n找出所有最小差最小值；maximaxj为两极最大差，意义与两极最小差相似；xi（k）、xj（k）分别为k时刻因子i、因子j标准化数值；ξij（k）为因子xj对因子xi在k时刻关联系数；Rij为因子i与因子j之间灰色关联度；ρ为分辨系数，为提高分辨度，本文取分辨系数ρ＝0.01。本文通过关联度大小和排序识别引起气温变化人为因素中主导因子。

2 结果与分析

2.1 哈尔滨市气温变化特征

2.1.1 年平均气温变化特征

哈尔滨市年平均温度距平随时间演变趋势如图1所示，1989年为时间分割点，之前哈尔滨市年平均气温整体以低于67年（1951～2017）哈尔滨市年平均气温为主；哈尔滨市年平均气温整体高于67年哈尔滨市年平均气温且具有上升趋势。由图1可知，67 年间哈尔滨市年平均气温呈上升趋势，增温幅度为 0.37 ℃·10 年-1。据 IPCC 第五次报告显示，1951～2012 年全球平均气温增温幅度为0.12 ℃·10 年-1[4]，而全国平均气温增温幅度约为0.25 ℃·10年-1[22]。哈尔滨市年平均气温具有更明显上升趋势，年平均气温增温幅度是全球气温增温幅度3.08 倍，是全国气温增温幅度1.48 倍。因此，哈尔滨市年平均气温升高，除受全球变暖大背景影响外，受哈尔滨市城市化发展影响。67 年间哈尔滨市建成区面积增长2.78 倍，人口数量增加2.06 倍，人均居住面积增加5.89 倍，产业结构由以第二产业为主逐步向第三产业转变。研究表明，受城市化影响，沈阳市年平均气温增温幅度为0.28 ℃·10 年-1[13]。哈尔滨市作为高寒地区典型城市，城市化进程对气温增高影响更显著。

2.1.2 季平均气温变化特征

67 年间哈尔滨市各季节平均温度距平随时间演变趋势如图2所示，各季节平均气温均呈大幅度上升趋势，其中春季增温幅度最大，增温幅度达到0.48 ℃·10 年-1；冬秋两季节增温幅度次之，增温幅度分别为 0.44 和 0.29 ℃·10 年-1；夏季增温幅度相对较缓，增温幅度为0.27 ℃·10 年-1。结果表明[22]，全国冬季平均气温增暖最为明显，增温幅度为0.39 ℃·10 年-1，春秋两季次之，增温幅度分别为 0.28 和 0.20 ℃·10 年-1，夏季升温幅度缓慢，增温幅度为0.15 ℃·10 年-1。因此，哈尔滨市季平均温度变化与全国相比，哈尔滨市各季节增温幅度均高于全国平均水平，春季增温幅度高于冬季增温幅度。气候变化国家评估报告指出，全国升温主要发生在20世纪80年代中期后，主要原因与人类活动有关[23]。根据《哈尔滨市统计年鉴（1987～2018）》，32年间（1986～2017）哈尔滨市由于城市化进程加快和人口不断增长，由于哈尔滨市供暖期由秋季末期开始至春季中旬结束，供暖期长达6个月，且主要以燃煤为主，哈尔滨市集中供热面积由1988 年6.90×106m2增至 2017 年 2.86×108m2，增长近 41倍，这是春冬两季哈尔滨市增温较快原因。此外，哈尔滨市机动车保有量由1986 年9.60 万辆增至2017年337.62万辆，增长35.17倍，机动车尾气排放量增加是哈尔滨市年平均气温增长较快原因。

2.2 哈尔滨市气温突变分析

气温突变主要表现为气温统计特性改变[24]。本文采用M-K 检验对哈尔滨市年平均和季节平均气温作突变检验。结果表明，哈尔滨市气温存在明显突变特征，但不同季节突变时间差异明显。67年间哈尔滨市年平均气温突变检验曲线如图3 所示，根据年平均气温突变检验结果显示，哈尔滨市年平均气温在1974 年开始呈上升趋势，1993 年起气温显著升高。在M-K 统计量上表现为在1974年以前存在少数UF值小于0，1975年后UF值均大于0，且UF 曲线明显呈上升趋势，1993 年起超过α=0.01 显著水平。UF 与 UB 交点出现在 1988 年，表明哈尔滨市年平均气温突变时间开始于1989年。

67 年间哈尔滨市各季节平均气温突变检验曲线如图4 所示，近67 年哈尔滨市各季平均气温均有上升趋势，气温突变趋势显著（α=0.01）。但不同季节气温突变开始时间不同，春季最先发生气温突变（1981 年），冬季发生气温突变（1986 年），秋季（1993 年）和夏季（1996 年）气温突变发生时间相对滞后。

目前关于气温突变原因尚不明晰，已有相关研究表明气温突变原因来自于自然因素和人为因素。自然因素包括太阳活动[25]、北大西洋年代际振荡增强[26]等，人为因素表现在两个方面，一方面是人类活动时排放温室气体和气溶胶，另一方面则是人类对地表状态改变，前者通过大气化学和物理过程影响气温变化，后者则通过路面物理和生物过程对气温产生影响[27]。根据王绍武等[28]以及IPCC 工作报告[4]可知，在20 世纪70 年代后期全球发生一次气温突变，可见哈尔滨市气温突变与全球气温突变具有相对一致性。但哈尔滨市气温升高幅度明显高于全球及全国气温升高幅度，因此在排除全球变暖大环境影响下，人类活动成为哈尔滨市气温升高及突变主要原因。相关研究表明，气温突变影响气温上升、气温序列发生改变[29]、旱涝灾害发生[30]。因此，探究城市化进程对哈尔滨市气温变化影响具有重要意义。

2.3 哈尔滨市气温变化与城市化关系

城市化是指人类生产与生活方式由农村型向城市型转化历史过程，主要表现为农村人口转化为城市人口以及城市不断发展完善[31]。从20 世纪80 年代开始，哈尔滨市城市化进程加快，作为全国重要工业基地之一，人口密度、建筑物密度和建成区面积增加，能源消耗增大，导致大量人为热和污染物释放，快速城市化进程改变城市下垫面性质[32]，影响哈尔滨市气温变化。因此，本文选取1986—2017 年影响哈尔滨市气温变化城市化指标，并运用灰色关联分析法作定量分析。

2.3.1 城市化指标选择

本文根据哈尔滨市社会发展状况和自然环境特点，从人口规模、经济发展和城镇建设三方面构建衡量城市化指标体系，见表1。

本研究选取人均居住面积（X1）、建成区面积（X2）、居民消费水平（X3）、机动车保有量（X4）、第二产业生产总值（X5）、城市用电量（X6）、每万人拥有公交车辆（X7）、人均道路面积（X8）、人均公共绿地面积（X9）和废气排放量（X10）[12]共10 项作为气温变化影响因子作研究。以上因子具有层次性多、可操作性强、易量化、分布面广和代表性强等特点，能够直接或间接影响到城区气温变化。选择上述指标通过函数关系构成城市化进程参数F[33]，用以反映城市化程度。

设：F=lg(X1·X2·X3·X4·X5·X6·X7·X8·X9·X10)

根据上述10 项指标数据计算1986—2017 年哈尔滨市城市化进程参数F统计值见表2。

由表1 可知，随时间推移，F值逐年增大。1986～2017年哈尔滨市年平均气温和城市化进程参数F关系如图5所示，即随哈尔滨市城市化程度提高，哈尔滨市年平均温度呈上升趋势。

2.3.2 城市化进程对哈尔滨市年及各季节平均气温影响

将1986～2017年哈尔滨市年及各季节平均气温作初值化无量纲化处理，通过对10 项城市化因子作灰色关联度计算，各城市化因子关联度如图6所示。由图6可知，人均道路面积（X8）、废气排放量（X10）和建成区面积（X2）是哈尔滨市年平均气温变化主要影响因子，其次是人均公共绿地面积（X9）、每万人拥有公交车辆（X7）、人均居住面积（X1）、城市用电量（X6），而机动车保有量（X4）、居民消费水平（X3）和第二产业生产总值（X5）对哈尔滨市年平均气温影响相对较小。

在城市化进程对各季节平均气温影响中，人均道路面积（X8）、废气排放量（X10）和建成区面积（X2）仍是哈尔滨市各季节平均气温变化主要影响因子，其次是人均公共绿地面积（X9）、每万人拥有公交车辆（X7）、人均居住面积（X1）、城市用电量（X6），而机动车保有量（X4）、居民消费水平（X3）和第二产业生产总值（X5）则对各季节平均气温影响较小，这与年平均气温灰色关联分析结果一致。但同一城市化因子对不同季节平均气温影响程度不同，废气排放量在春秋两季关联度较低，而在夏季和冬季关联度最大，这与夏季游客频繁出行带来大量交通热量和汽车尾气及冬季供暖排放大量温室气体有关[34]。

可见，在影响哈尔滨市气温变化人为因素中，人均道路面积（X8）、废气排放量（X10）和建成区面积（X2）对气温变化具有重要影响，各项指标所反应城市下垫面性质改变、城市能源消耗状况和人口聚集程度是造成哈尔滨市气温变化核心因子。

表1 1986～2017年哈尔滨市城市化进程指标体系Table 1 System of urbanization process in Harbin City in 1986-2017

表2 1986～2017年哈尔滨市城市化进程参数F统计值Table 2 Statistical value of parameters F of urbanization process in Harbin City in 1986-2017

2.3.3 影响因素分析

城市下垫面性质改变也是影响哈尔滨市气温变化因素之一。城市高低建筑物相互交错构成极其复杂城市下垫面，由道路、屋顶和墙壁等构成反射面经过多次反射，导致放射面吸收能量多于被反射能量[32]。哈尔滨市实有道路铺装面积增加，1986～2017 年共增加4.88×107m2，城市道路铺装面积增加导致地面吸收热量能力增强。由于城市高层建筑增加、增高使地表风力减小，降低风力对热量扩散[35]，因此造成城市气温升高。

城市能源消耗状况是影响哈尔滨市气温变化因素之一，其增加导致人为热释放增加，气温增加[13]。随城市人口数量增加、工业发展加快等因素影响，哈尔滨市能源消耗量不断增加，居民用电量从 1986 年 2.36×109kW·h 迅速增加至 2017 年1.82×1010kW·h，增加7.7倍，限于城市燃煤消耗量不易获取，故以居民用电量为替代数据，表征燃煤能源消耗导致城市气温变化影响指标；哈尔滨市废气排放量由1986 年1.01×103亿标立方米增长至2017年2.99×103亿标立方米，增加近3倍[25]。城市能源消耗量及居民用电量增加，导致城市热排放量增加，废气中排放温室气体加大城市温室效应，引起城市增温。

3 结 论

研究1951～2017年哈尔滨市年及各季节增温幅度、突变时间和影响气温变化城市化因子，结果表明哈尔滨市年及各季节增温幅度呈增长趋势，年平均气温增暖幅度为0.37 ℃·10 年-1，突变年份为1988年，与全球气温变暖时间一致。哈尔滨市除受全球变暖大背景影响外，还受城市化发展影响，其中产业结构合理化水平、城市下垫面性质改变、城市能源消耗状况和人口聚集程度是影响城市气温升高主导因子。通过识别城市化进程中影响气温变化主导因子，可准确判断由人为因素引起的城市气温升高原因，并为城市区域发展应对气候变化政策制定和管理决策，产业结构优化配置提供参考。但缓解城市气温升高问题仍需通过控制人口密度、积极调整城市下垫面结构、控制温室气体排放等措施调控，根据不同城市实际情况寻找控制气温与经济发展平衡点。