崇明东滩湿地与上海城市气候特征对比分析

贺芳芳， 毛卓成， 姚展予， 许建明， 彭 丽

(1.上海市气候中心，上海 200030; 2.长三角环境气象预报预警中心，上海 200030; 3.中国气象科学研究院，北京100081)

引 言

自然湿地是在特定的气候、地貌条件下，由陆地系统和水系统相互作用形成的自然综合体，具有调节气候、蓄洪防旱、控制土壤侵蚀、促淤造陆、降解环境污染和保护生物多样性等功能，被誉为“地球之肾”[1-4]。由于湿地表面强烈的水汽蒸发、植被蒸腾和地气之间的热量交换等都会直接或间接影响区域气候环境，加之某些湿地生态系统的植被指数呈下降趋势[5]及围湖造田和城市化导致有些天然湿地面积减少、湿地功能减弱、湿地生物多样性下降等湿地生态环境状况下降[6]，因此《湿地公约》强调了保护湿地的重要性及湿地在调节气候、改善环境等方面的功能[7]。近年来有关湿地调节局地(区域)气候方面的研究呈现多样性，不仅有利用遥感和地理信息系统技术分析出宁夏平原湿地面积增加对城市热环境改善优于相同面积的其他地物类型的作用[8]、运用 RegCM3 区域气候模式模拟出三江源湿地的退化会使青藏高原夏季平均温度升高、降水增多[9]、采用各种统计分析方法得出长江源头及东北半干旱区湿地面积消长对当地气候变化影响[10-11]等自然湿地变化与局地气候环境相互影响的研究。还有成果表明，城市湿地对局部环境具有明显的增湿降温、缩小昼夜温差效应，小气候调节效应与湿地面积、形状及和湿地的距离有关[12-14]，人工湿地能使年平均气温呈递减趋势[15-16]。以上研究成果都显示，湿地具有调节局地(区域)气候改善生态环境的多种功效。

崇明东滩湿地处长三角城市群和东海交界处，由于地理位置特殊，具有显著的原生性、脆弱性、稀有性，可作为鸟类栖息地、繁殖地和中转站。1998年11月经上海市人民政府批准建立自然保护区，2002年1月湿地公约秘书处指定崇明东滩鸟类自然保护区为国际重要湿地，2005年7月国务院正式批准建立崇明东滩鸟类国家级自然保护区。2006年被国家林业和草原局列为51个“国家级示范自然保护区”之一。由于其在国内外具有重要地位，近年来吸引了不少国内学者对其进行研究，取得了颇多成果，大多集中在湿地土壤成分分布特征和变化趋势分析[17-19]、湿地植被分类及微生物群落结构研究[20-21]、湿地水域海水水质评价[22]、湿地碳源/汇动态估算[23]、湿地大型底栖动物功能群分布特征[24]及湿地围堤工程对底栖动物群落的影响[25]等生态学方面的研究，有关其气候环境特征演变方面的研究还鲜有涉及。

2008年上海市气象局在崇明东滩鸟类国家级自然保护区核心区内建成了崇明东滩大气综合观测站，是典型的湿地生态系统观测站点，周边10 km范围内基本无人为污染和直接排放活动。东滩大气综合观测站观测项目包括气象要素、反应性气体、温室气体、大气气溶胶、大气辐射、生态要素和大气垂直遥感等七大类。本文根据近10年(2010-2019年)东滩综合观测站的温、湿、雨量等气象要素资料，与徐家汇、宝山、南汇、金山、崇明5个国家气象站同时期同类气象要素进行比较，分析崇明东滩湿地与崇明城镇、近海(宝山、南汇、金山)、市区(徐家汇)城市化程度不同地区的气候环境差异，旨在通过研究崇明东滩湿地对局地气候的影响特征，为崇明生态岛可持续发展、上海湿地保护及未来湿地发展规划管理决策提供重要的科学依据。

1 资料和方法

1.1 气象站点的选取

文中选用不同类型下垫面和不同城市化程度的徐家汇、宝山、南汇、金山、崇明和东滩共6个站同期数据进行对比分析，其中徐家汇代表中心城区，宝山、南汇、金山代表近海郊区，崇明代表城镇，东滩代表湿地。宝山站为国家基本气象站，徐家汇、南汇、金山、崇明为国家一般气象站，东滩为自动气象站，站点的分布见图1。

1.2 要素及资料时段的选取

文中选用了温度、相对湿度、降水3个气候要素进行对比分析。其中温度、降水资料时段为2010-2019年，相对湿度资料由于东滩自动站在2012-2013年出现故障，故选用时段为2014-2019年。风速对比时段为2010-2019年。

图1 东滩湿地及所选气象站点分布示意图

1.3 迁站说明

由于郊区城镇化发展，崇明于2013年、金山于2017年地面观测场由近海边的城镇迁到远离海边乡镇，两站的新老观测场直线距离为10～11 km(见图1)，崇明于2014年1月1日、金山于2018年1月1日采用新观测场资料上报。根据迁站对比观测分析，主要是新观测场的日最低气温降低了(受城镇和海洋影响小)。虽然两站都有1年的同比观测资料，但目前没有迁站同步观测资料订正规范。由于城镇变化较大，用1年同步观测资料订正其他年份的资料也不合适，故不作迁站观测资料订正，但会对迁站引起要素的变化进行分析。

2016年因受东滩湿地进行的生态修复工程影响，将站点向东南方向迁移至核心区内，于2018年8月工程竣工并业务运行。新址和老站的距离大概为6 km，观测环境基本一致，保持了观测数据的代表性、一致性和连续性。

1.4 数据质量控制

国家基本站和一般站的地面气象观测数据为上传国家气象局A文件数据，数据由上海市信息中心根据中国气象局制定的台站气象资料审核规范软件进行严格质量控制。东滩自动气象站数据统一按照相关质量控制方法进行质量控制，所选数据经过界限值检查、时间一致性检查、内部一致性检查和空间一致性检查[26-27]，没有异常突变和不连续数据。A文件数据有效性在99.5%以上，东滩自动气象站数据有效性达到96.8%，符合分析要求。

1.5 对比分析方法

由于经过有效质量控制的东滩自动站温度、相对湿度、雨量只有整点逐时资料，为了真实有效反映湿地调节局地气候的作用，其他台站的资料也采用整点逐时资料，使各台站对比资料保持时间同步的特性。其中日雨量取20-20时24 h雨量总和，小雨、中雨、大雨、暴雨用日雨量值表示(<10.0 mm为小雨、10.0～24.9 mm为中雨、25.0～49.9 mm为大雨、≥50.0 mm为暴雨)；日平均气温、日平均相对湿度取20时-次日20时的24 h气温及相对湿度的平均值，日最高气温、日最低气温取20时-次日20时整点的最高值或最低值,虽不代表某日实际的最高、最低气温，但也能同步对比出湿地与其他台站的不同；温度日较差为本文中日最高气温与日最低气温之差，湿度日较差为本文中小时最高相对湿度与小时最低相对湿度之差。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征差异

2.1.1 日平均最高、最低气温

图2为东滩湿地及市区(徐家汇)、近海地区(宝山、南汇、金山)、崇明日平均气温、日最高气温、日最低气温的年平均值的逐年变化。由图2可见：日平均气温的年平均值东滩湿地均低于近海地区和市区的，2014年以前日平均气温的年平均值东滩低于崇明站的，2014年以后则高于崇明站的(图2a)；日最高气温的年平均值东滩湿地的低于其他台站的2～3 ℃(图2b)，日最低气温的年平均值东滩湿地的接近或高于近海地区的，一直高于崇明站的，但低于市区的，2014年以后东滩的日最低气温的年平均值高于崇明站的幅度更大(图2c)。之所以2014年以后东滩日平均气温的年平均值高于崇明城镇站的，是因为2014年崇明地面观测站迁至离城镇及海边较远的乡村，受城镇和海洋影响比旧站的小，乡村夜间辐射冷却效果明显，夜间气温降幅较大，致使日平均气温下降。2018年金山迁站后也出现日平均气温和日最低气温下降趋势，原因与崇明的一样。

图2 2010-2019年崇明东滩湿地及上海其他台站日平均气温(a)、日最高气温(b)和日最低气温(c)的年平均值的逐年变化

从以上分析可以看出，虽然东滩湿地靠近海边，但与同样受海洋影响的台站来比，日最高气温均低于其他台站的，日最低气温则高于崇明城镇的，接近或高于其他近海台站的，说明湿地不易升温也不易降温。

另外，从图2中还发现，东滩和其他站存在一个共同特征，日平均气温和日最低气温近10年均有上升趋势，尤其是2014年以后气温升幅很大，这和同时期全球海表温度、全球地表温度的显著上升具有相似的变化特征[28]。这说明东滩和上海其他站都受到全球气候变暖的影响，日平均气温和最低气温均逐年上升。

2.1.2 温度日变化

从小时气温10年平均值的逐时变化来看，湿地日变化最小(图3a)；从2010-2019年气温日较差年平均值的逐年变化趋势看，2016年东滩湿地生态修复工程开始后，湿地与其他地区比，气温日较差年平均值的差值进一步增大 (图3b)，说明随着湿地生态修复，缩小昼夜温差作用在加大。由此可见，与中心城区比，东滩由于是临海湿地，受城市热岛效应影响小，日平均气温、日最高气温、日最低气温为较低且昼夜温差较小；与近海或远郊台站比，东滩调节气温主要体现在降低日最高气温和缩小昼夜温差上。

2.1.3 月平均气温

分析崇明东滩湿地及上海其他台站月平均气温可知(表1)，3-8月春夏气温上升期，东滩湿地月平均气温均低于其他台站的；但在9月-次年2月的秋冬季节，湿地月平均气温高于崇明站的，接近近海的金山、南汇站的，低于城市热岛效应较强的市区和宝山站的。这又从另一方面表明湿地不易升温、也不易降温。

图3 2010-2019年崇明东滩湿地及上海其他台站小时温度10年平均值的逐时变化(a)和气温日较差年平均值的逐年变化(b)

表1 2010-2019年崇明东滩湿地及上海其他台站月平均气温 ℃

2.2 降水变化特征差异分析

2.2.1 雨 量

从崇明东滩湿地与上海其他台站雨量对比来看：近10年东滩的逐年年雨量都比市区、近海各站、崇明城镇的少，平均年总雨量要比其他台站少40%～45%；东滩降水以小雨为主，占84%，在6个站中小雨概率最大，但中雨、大雨、暴雨概率都比其他站的小，尤其是暴雨概率，东滩站比其他站少68%～75%；根据上海市气象局强对流天气发布标准，小时雨量≥20 mm定义为短时强降水, 东滩站强降水次数比其他站的少70%～81%(图4)。

图4 2010-2019年崇明东滩湿地与上海其他台站年总雨量的逐年变化(a)、各等级雨量占比(b)和小时雨量≥20 mm的次数对比(c)

以上对比分析表明，东滩湿地无论与中心城区比，还是与近海远郊及崇明城镇比，中雨以上降水概率明显小于其他台站的，特别是暴雨概率及强降水次数比其他台站分别少68%～75%和70%～81%的事实，说明湿地具有降低降水强度及强降水出现概率的功能。

多年来，城市化发展造成城区下垫面不透水面积增加，蒸发小、耗热小，城区建筑材料易储热、不利散热，人类生活生产活动向空中释放的大量热量形成城市热岛[29-30]，促使城区上空的大气层结变得不稳定，易产生热力对流，若此时空气中水汽充足，极易产生强降水；城市化发展促使城区高楼林立，城区中高度不一且规模庞大的高层建筑使地面粗糙度增大，气流经过城市上空受地面摩擦影响速度减缓，在城区滞留时间增加，进而导致城区降雨强度增大及降雨时间延长[31-32]。为此上海其他台站都具有不同程度的城市热岛效应、阻碍效应产生的增雨作用。

对于东滩湿地而言，湿地表面的水汽蒸发和植被蒸腾都会消耗空气中的热量，使有雨日向上空大气输送的热量没有其他地区的多，不易产生热力对流。从东滩有雨日平均气温的年平均值低于其他台站(图5a)及日最高和日最低气温年平均值也低于其他台站(图略)的分布事实来看，东滩热岛效应较其他城市台站的弱。东滩湿地由于没有建筑，风速比其他台站的大，气流不易滞留(图5b)。这两个原因都说明东滩湿地没有城市热岛效应、阻碍效应引起的增雨，所以降水强度低于其他台站的。

因此，在今后海绵城市建设中，中心城区适当增加湿地公园，不仅能缓解城市热岛效应，改善空气流动，还能降低城区强降水出现概率，减少强降水造成城市道路、小区积水次数，起到防灾减灾的效果。

图5 2010-2019年东滩湿地和上海其他台站雨日平均气温的年平均值(a)和年平均风速(b)的逐年变化

2.2.2 雨 日

从崇明东滩湿地与上海其他台站雨日对比来看，东滩总雨日最多，比其他台站的多18～107天(图6a)。进一步对比分析各季总雨日发现，东滩夏季雨日反而比其他台站的少4%～11%，春季雨日仅略少于靠海的金山站的，略多于其他台站的，秋冬季雨日则比其他台站的多18%～40%，因此秋冬季雨日较多是东滩总雨日比其他台站的多的主要原因(图6b)。东滩夏季雨日少，是因为缺少城市雨岛效应致使强降水少于上海其他台站的，而秋冬季上海是少雨季节，东滩因为湿地相较陆地水汽较多，冷空气南下时容易冷暖交汇出现降雨，雨日则会比其他地区的多。

图6 2010-2019年崇明东滩湿地与上海其他台站总雨日(a)和各季雨日(b)对比

2.3 湿度变化特征差异分析

从崇明东滩湿地与上海其他台站湿度特征对比来看，近10年东滩的各年平均相对湿度要比市区徐家汇、宝山的略大，比近海金山、南汇和崇明城镇的略小，无雨日各年平均相对湿度变化情况也是如此。这说明湿地的增湿作用视城市环境而定，对于城市化程度较高的中心城区和宝山来讲，湿地公园的建设有增湿作用，但对离海边较近水汽相对充足、城市化程度相对较低地区来说，无明显增湿作用(图7a、7b)。

图7(c)显示的东滩湿地湿度主要特征为有雨日逐年平均相对湿度都比其他站的小，这与前面所述的湿地降水强度比其他地区的小有关，有雨日降水强度小，湿度就小。同时湿地相对湿度日变化都比其他站的小(图7d)，这是因为相比于其他地区不透水地面，湿地下垫面含水量多且植被蒸发量大，湿地相对湿度不易改变。

图7 2010-2019年崇明东滩湿地与上海其他台站年平均相对湿度(a)、无雨日年平均相对湿度(b)、有雨日年平均相对湿度(c)的逐年变化和相对湿度10年平均值的逐时变化(d)

3 结论与讨论

(1)东滩湿地日最高气温比其他台站的低，日平均气温低于近海和中心城区的，而日最低气温接近或高于近海台站和崇明城镇的，仅低于中心城区的；春夏温度上升期，湿地月平均气温均低于其他台站的，秋冬气温下降期，湿地月平均气温均接近或高于近海台站和崇明城镇的。这些对比结果都表明湿地不易升温、也不易降温。相比上海其他台站，湿地气温日较差最小，说明湿地具有缩小昼夜温差作用，且随着湿地生态修复，缩小昼夜温差的作用越来越大。

(2)东滩湿地中雨以上降水概率明显少于其他台站的，特别是暴雨概率比其他台站少68%～75%，强降水次数比其他台站少70%～81%，这表明湿地在降低降水强度及强降水出现概率方面能起较大作用。这是因为湿地下垫面性质及周围环境与城市各站的不同，没有热岛效应、阻碍效应引起的增雨。由于秋冬季东滩雨日比其他台站多18%～40%，致使东滩总雨日最多，而夏季东滩由于强降水少，雨日少于其他台站的。

(3)由于东滩湿地有雨日降水强度小，因此逐年平均相对湿度都比其他站的小；无雨日逐年平均相对湿度湿地比中心城区、宝山的大，但比近海金山、南汇和崇明城镇的略小，增湿作用视城市环境而定；相对湿度的日较差都比其他台站的小，这是因为湿地下垫面性质与其他台站的不同而造成的。

由于湿地热容量大于干燥地面的，吸热和放热比较慢，湿地气温变化没有干燥地面的剧烈;湿地表面的水汽蒸发、植被的蒸腾作用又比较大，所以湿地具有降温、增湿、缩小昼夜温差的作用，被称为“冷湿效应”[12-14,33-34]。崇明东滩湿地位于东海长江口，海洋对此地也有降温增湿影响。东滩湿地相对于上海其他台站，降温作用主要体现在日最高气温的升幅小及在气温上升的月份升温幅度小；湿地能降低雨强，使有雨日相对湿度反而比上海其他台站的小，亟须政府决策者的重视。目前上海在远郊、近海、近江建设了七大湿地公园，能起到一些调节局地小气候的作用。如果在中心城区建设绿地的同时，适当建设一些湿地公园，不仅可以减缓城市热岛效应，增加城市居住适度性，更可以降低城市强降水出现频率，减少街道小区出现积水次数，为城市防灾减灾做出贡献。