1951—2017年鞍山市气温变化特征及城市热岛变化

金巍 刘卫华 李晶 康晓玉

(1.鞍山市气象局，辽宁 鞍山 114000； 2.中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京 100190； 3.大连气象信息中心,辽宁 大连 116001； 4.辽宁省气象信息中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

近一个世纪以来，全球气候明显变暖,IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年地球表面平均温度线性升高了0.85 ℃。任国玉等[1]研究发现近100 a中国年平均温度增温幅度为0.79 ℃，平均增温速率达到0.08 ℃/10 a，较同期全球平均增温略高。

近30 a以来，气候变暖相关研究已经引起国内外专家学者的关注。翟盘茂和潘晓华[2]研究中国北方近50 a温度变化发现，温度极端偏低日数、极端偏高日数分别呈显著减小和明显增加趋势；赵宗慈等[3]研究得出近百年中国气候变暖趋势达到0.2—0.8 ℃/100 a，近50 a变暖趋势更达到0.6—1.1 ℃/5 a；任国玉等[4]研究发现中国近50 a来地表年平均气温增温速率较全球或半球其他地区明显偏高，约为0.22 ℃/10 a；周雅清和任国玉[5]分析了1956—2008年中国极端气温事件变化特征得出，日极值最高、最低气温均呈上升趋势,且北方地区上升较为明显。杨萍等[6]利用自动站资料研究了城区与郊区气温的日变化差异与季节特征。于秀晶等[7]分析了吉林省气候季节的演变特征得出，吉林省大部地区冬季长度显著缩短，东部地区尤为明显。李尚锋等[8]研究中国东北冬季相邻两天降温特征及其年代际变化发现，日平均温度、日最低温度和日最高温度的强降温高频发生时段均发生在20世纪60年代和70年代，随后开始减少。

目前，中国正处在工业化和城市化的高速发展时期，城市化对城市气候的影响已成为国内外气象学家的关注热点。周雅晴和任国玉[9]在中国华北地区的城市化影响研究指出，城市化造成的年平均气温和年平均最低气温的增温分别为0.11 ℃/10 a和0.20 ℃/10 a，对全部增温的贡献率分别为39.3%和52.6%；杨鹏等[10]分析石家庄地区城市热岛变化，得到其与城市化进程具有同步变化趋势。白莹莹等[11]分析城市化进程对重庆夏季高温炎热天气的影响得出，城市化进程加快对平均气温和最低气温的增温影响，尤其是最低气温。任国玉等[12]研究城市化对石家庄气温变化的研究得出，平均气温、平均最低、平均最高概率密度均倾向高温方向偏移。李易芝等[13]研究得出，近52 a长株潭地区年平均气温、最高气温和最低气温的城市化贡献率分别为24.0%、21.2%，15.2%，其中，平均气温影响最大。李娇等[14]用资料均一化分析沈阳站气温趋势和城市化偏差得出，受资料均一化处理显著影响的是日最低气温及其衍生的极端气温指数。姬兴杰等[15]分析了河南省气温资料均一化前后气温的变化趋势。金巍等[16]对比分析了营口和鞍山气候变化特征。

城市热岛效应是人为影响气候最显著的特征之一。徐洪和杨世莉[17]研究得出，热岛引起地表温度的升高和水分改变,对城市生态系统的物质能量流动和城市生态系统结构与功能必将产生深远的影响。杨敏等[18]为了从城镇化进程角度研究北京市城市热岛效应,分析了北京市热岛分布以及城市热岛效应特征，高温区域和亚高温区域不断地由郊区向城区集中,工业园区对热岛效应的影响远高于住宅区对热岛效应的影响。

目前，鞍山市区是一个以鞍钢为主体产业的接近两百万人口的重工业城市，二氧化碳等温室气体排放较多，而海城市属于鞍山市管辖的县级市，距离鞍山市区约30 km，海城观测站位于县区边缘的验军村，属于乡村站。在国内关于城市化影响文献中，对中国东北地区以重工业城市为主体样本的城市化对城市气候影响研究相对较少，本文通过分析1951年以来鞍山市气候变化特征，以及利用地理位置相近的城郊海城站对比分析鞍山城市热岛效应的变化趋势，探讨中国东北地区城市化对气候变暖的影响。

1 资料与方法

鞍山市位于辽宁省中部，属半湿润温带季风气候，四季分明。利用1951—2017年鞍山和1958—2017年海城国家气象观测站提供的逐日和每天4次观测气温资料，以及国家气候中心提供的均一化气候资料。鞍山市气象观测站在1968年、1976年和1984年各发生一次迁址；利用累积距平(图1)和Mann-Kendall方法(图2)的突变检验表明，鞍山市年平均气温突变点均出现在1988年前后，迁站前后没有出现数据资料的突变；1968年和1976年鞍山站迁址前后距离较近，地理气候条件相近，海拔高度差别不大，气温影响较小；1984年迁站后，测站海拔较之前测站提高50 m左右，气温略有降低，所以文中鞍山市月气候数据参考了国家气候中心提供的均一化订正数据。建站以来海城气象观测站位于海城市(县级)验军村，站点经纬度没有变化，1957年10月海城观测站点海拔高度为249 m，1982年海拔高度为253 m，由于前后气候条件相近，气温影响较小，不足订正处理。

图1 1951—2017年鞍山市年平均气温距平累计距平变化Fig.1 Cumulative anomaly curve of the annual average air temperature anomaly in Anshan from 1951 to 2017

图2 1951—2017年Mann-Kendall方法对鞍山市年平均气温突变检验Fig.2 Abrupt change test of the annual average air temperature in Anshan from 1951 to 2017 based on Mann-Kendall method

在四个季节中，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—1月，冬季为12月至翌年2月。

2 结果分析

2.1 气温变化

1951—2017年鞍山市年平均气温为9.6 ℃，呈显著递增趋势(图3),气温变化趋势倾向率为0.43 ℃/10 a。多项式分析表明，1951—2017年鞍山市年平均气温呈上行趋势；20世纪50—80年代中期气温稳定少变，20世纪80年代中期到21世纪气温呈明显上升趋势。1951—1987年(前37 a为突变前期，简称突变前，下同)和1988—2017年(近30 a为突变后期，简称突变后，以下类同)鞍山市年平均气温分别为8.8 ℃和10.5 ℃(表1)，气温变化趋势倾向率分别为0.23 ℃/10 a和0.30 ℃/10 a,均呈显著递增趋势。上述表明,1988—2017年(突变后)鞍山市年平均气温增暖趋势较1951—1987年(突变前)有所增强，且突变后的平均气温值较突变前有明显升高。

图3 1951—2017年鞍山市年平均气温变化Fig.3 Variation of annual average air temperature in Anshan from 1951 to 2017

1951—2017年鞍山市1—12月平均气温均呈显著递增趋势(表1)，其中，1—3月递增最强,气温变化趋势倾向率≥0.58 ℃/10 a,6—8月递增最弱，气温变化趋势倾向率为0.22—0.30 ℃/10 a；春、夏、秋,冬四季的平均气温变化呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.26—0.60 ℃/10 a，其中，冬季递增最强，春、秋季次之，夏季最弱。

表1 1951—2017年鞍山市不同时期平均气温及变化趋势Table 1 Average air temperature and its change trend in different periods in Anshan from 1951 to 2017

1951—2017年鞍山市平均最高气温变化见表2，由表2可知，1951—2017年鞍山市年平均最高气温为14.7 ℃，气温变化趋势倾向率为0.21 ℃/10 a，呈显著递增趋势；其中，1951—1987年(突变前)呈递减趋势，气温变化趋势倾向率为-0.12 ℃/10 a；1988—2017年(突变后)呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.23 ℃/10 a；上述表明，整个过程鞍山市年平均最高气温呈显著递增趋势，1988—2017年(突变后)气温变化呈递增趋势与1951—1987年(突变前)变化趋势相反。

由表2可知，1951—2017年鞍山市1—12月平均最高气温呈不同程度的增温趋势，其中，1—4月和8—9月呈显著递增，气温变化趋势倾向率≥0.14 ℃/10 a；春、夏、秋,冬四季的平均最高气温均呈显著递增，其中，冬、春两季递增幅度最大，气温变化趋势倾向率为0.28—0.29℃/10 a。综上，鞍山市1—12月和四季的平均最高气温均呈递增趋势，冬、春两季递增趋势较夏、秋两季更为显著，其中，冬春两季的2—3月递增趋势最为突出。

表2 1951—2017年鞍山市平均最高气温不同时期变化Table 2 Variations of average maximum air temperature in different periods in Anshan from 1951 to 2017

1951—2017年鞍山市年平均最低气温为5.0 ℃(表3)，气温变化趋势倾向率为0.68 ℃/10 a,呈显著递增趋势；其中，1951—1987年(突变前)、1988—2017年(突变后)年平均最低气温分别为3.9 ℃和6.4 ℃，气温变化趋势倾向率分别为0.51 ℃/10 a和0.43 ℃/10 a，均呈显著递增趋势；1951—2017年鞍山市年平均最低气温呈递增趋势，1988—2017年(突变后)较1951—1987年(突变前)的年平均最低气温值有明显提高、递增幅度略有下降。

由表3可知，1951—2017年鞍山市1—12月和四季的平均最低气温均呈显著增温趋势,1—12月气温变化趋势倾向率均≥0.35 ℃/10 a,其中，1—2月递增最强，为1.01—1.23 ℃/10 a，7—8月递增最弱，为0.35—0.39 ℃/10 a；春、夏、秋,冬四季的平均最低气温变化趋势倾向率为0.42—0.98 ℃/10 a，冬季递增趋势最强，春季次之，夏、秋两季较弱；上述表明，1951—2017年鞍山市年、四季和1—12月平均最低气温均为递增趋势，其中，冬季递增趋势较其他季节更强，1—2月递增趋势较其他月份更为突出。

表3 1951—2017年鞍山市平均最低气温不同时期变化Table 3 Variations of average minimum air temperature in different periods in Anshan from 1951 to 2017

对比分析突变前后的鞍山市年、四季气温变化特征可知(表1至表3)，1951—1987年(突变前)和1988—2017年(突变后)鞍山市年平均气温和平均最低气温均呈显著递增趋势，1951—1987年(突变前)鞍山市年平均最高气温呈递减趋势，1988—2017年(突变后)为递增趋势。在四季的平均气温中，1951—1987年(突变前)夏季呈弱递减趋势、冬、春、秋三季呈递增趋势，1988—2017年(突变后)冬季呈弱递减趋势，春、夏、秋三季呈递增趋势，突变前后冬、夏两季呈现出相反变化特征；在四季的平均最高气温中，1951—1987年(突变前)春、夏、秋三季均呈递减趋势、冬季呈递增趋势与1988—2017年(突变后)变化趋势相反；在四季的平均最低气温中，1951—1987年(突变前)与1988—2017年(突变后)各季变化趋势较为一致，只是突变前冬季递增最强、夏季最弱，突变后转为春、夏两季更强，冬季最弱。

分析突变前后的鞍山市1—12月气温变化特征可知(表1至表3)，在1951—1987年(突变前)鞍山市1—12月平均气温和平均最低气温中，除7月、8月外，均呈递增趋势，1988—2017年(突变后)1—12月平均气温(除1月、12月外)和平均最低气温均呈递增趋势。1951—1987年(突变前)鞍山市1月、3月、4月、12月平均最高气温呈弱递增趋势，其余月份均呈递减趋势，1988—2017年(突变后)1月、11月、12月为弱递减趋势，其余月份为不同程度的递增趋势。

综合上述，在年际、四季和1—12月中，1951—2017年鞍山市平均最低气温递增幅度最大，平均气温次之，平均最高气温递增幅度最小；冬季增暖趋势最强，春、秋两季次之，夏季最弱；冬季最冷的1—2月递增幅度最为突出。1951—1987年(突变前)和1988—2017年(突变后)鞍山市年平均气温呈显著递增趋势、鞍山市年和春、秋两季平均最低气温均呈显著递增趋势，1951—1987年(突变前)鞍山市年和春、夏、秋三季的平均最高气温均呈递减趋势、冬季呈递增趋势，1988—2017年(突变后)年和四季的变化趋势均与突变前相反；在平均气温变化中，1951—1987年(突变前)冬季递增和夏季递减，1988—2017年(突变后)冬季递减和夏季递增，冬夏两季在突变前后存在相反的变化趋势。

2.2 极端气温变化特征

2.2.1 极端最高气温

1951—2017年鞍山市平均年极端最高气温为34.4 ℃,气温变化趋势倾向率为-0.02 ℃/10 a(图4)，整个阶段呈两端高、中间低分布；1951—1987年(突变前)、1988—2017年(突变后)鞍山市平均年极端最高气温分别为34.3 ℃和34.6 ℃，气温变化趋势倾向率分别为-0.79 ℃/10 a和0.54 ℃/10 a,分别呈显著递减和显著递增趋势。上述表明，1951—2017年鞍山市年极端最高气温呈弱递减趋势，突变前后变化趋势相反。

图4 1951—2017年鞍山市年极端最高气温变化Fig.4 Variation of annual extreme maximum air temperature in Anshan from 1951 to 2017

对1951—2017年、1951—1987年、1988—2017年鞍山市各阶段平均月极端最高气温分析可知，1951—2017年鞍山市1—12月极端最高气温变化趋势除7月和12月气温变化趋势倾向率为-0.05～-0.10 ℃/10 a，呈弱递减趋势以外，其余各月份气温变化趋势倾向率为0.03—0.53 ℃/10 a，呈递增趋势，其中，3月气温变化趋势倾向率为0.53 ℃/10 a，呈显著递增。1951—1987年(突变前)，除1月、2月、10月和12月气温变化趋势倾向率为0.20～-0.40 ℃/10 a，呈递增趋势以外，其余各月气温变化趋势倾向率为-0.07～-0.68 ℃/10 a，均呈递减趋势；1988—2017年(突变后)，除1月、4月、11月和12月外，其余各月均呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.05—0.65 ℃/10 a，以上说明突变后鞍山市极端最高气温呈递增趋势的月份较突变前有明显增多。

2.2.2 极端最低气温

1951—2017年鞍山市平均年极端最低气温为-22.5 ℃(图5)，气温变化趋势倾向率为1.44 ℃/10 a；1951—1987年(突变前)和1988—2017年(突变后)鞍山市平均年极端最低气温分别为-25.1 ℃和-19.3 ℃，气温变化趋势倾向率分别为1.15 ℃/10 a和-0.28 ℃/10 a；以上表明，1951—2017年和1951—1987年(突变前)鞍山市年极端最低气温呈显著递增趋势，1988—2017年(突变后)呈递减趋势，说明突变后的极端最低气温变化趋势有所下降。

图5 1951—2017年鞍山市年极端最低气温变化Fig.5 Variation of annual extreme minimum air temperature in Anshan from 1951 to 2017

1951—2017年鞍山市1—12月极端最低气温呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.36—1.43 ℃/10 a；1951—1987年(突变前)，除9月和10月外，均呈递增趋势，气温变化趋势倾向率在0.36—1.43 ℃/10 a；1988—2017年(突变后)，除2—3月、8月和10月呈递减趋势，气温变化趋势倾向率为-0.10～-0.21 ℃/10 a，其余各月均呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.04—1.02 ℃/10 a。以上说明，1988—2017年(突变后)鞍山市1—12月极端最低气温呈递减趋势的月份较1951—1987年(突变前)增多，呈递增趋势的月份减少。

2.3 城市热岛变化

1958—2017年鞍山与城郊海城站年平均气温之间外的平均温差(鞍山与城郊海城站的平均温差简称鞍山城市热岛强度，下同)为0.76 ℃，气温变化倾向速率(气温变化倾向速率简称为热岛指数，下同)为0.14 ℃/10 a(表4)；1958—2017年鞍山春、夏、秋、冬四季平均气温的城市热岛强度分别为0.52 ℃、0.44 ℃、0.79 ℃和1.30 ℃，热岛指数分别为0.10 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a、0.18 ℃/10 a和0.14 ℃/10 a。1958—2017年鞍山年、四季和1—12月平均气温的城市热岛强度均呈显著递增趋势，其中，冬季(1月、2月、12月)热岛强度最强，秋季(9—11月)次之，然后是春季3—4月，5—8月热岛强度最弱。

表4 1958—2017年鞍山不同时期平均气温、最高气温和最低气温的热岛强度变化Table 4 Variation of urban heat island intensity based on mean,maximum and minimum air temperature in different periods in Anshan from 1958 to 2017

在1958—2017年鞍山市年、四季和1—12月最高气温变化中，除6月、12月以外，鞍山平均最高气温的城市热岛均呈较弱递增趋势，热岛指数为0.01—0.12 ℃/10 a，仅3月通过显著性检验，鞍山最高气温的城市热岛递增幅度较平均气温明显下降，其中，1月、9—11月鞍山最高气温的热岛强度均为负值。以上说明，鞍山最高气温的城市热岛呈较弱的递增趋势，对城市化影响较小。

在最低气温中，1958—2017年鞍山年、四季和1—12月的平均最低气温的城市热岛均呈递增趋势，热岛指数为0.13—0.69 ℃/10 a，鞍山最低气温的热岛强度的递增幅度较平均气温有较大提高，除2—3月和7月外，均通过显著性检验。

对比分析每日四次定时观测资料得出(图6)，定时观测02时、08时、14时和20时1958—2017年鞍山年平均气温的城市热岛强度分别为1.44 ℃、0.92 ℃、-0.24 ℃和0.95 ℃，热岛指数为0.25 ℃/10 a、0.16 ℃/10 a、-0.01 ℃/10 a和0.14 ℃/10 a，除14时呈线性弱递减趋势外，其余观测时次热岛指数均呈显著递增趋势；02时热岛强度递增趋势最强，其次是20时和08时。这表明，在地理位置相近条件下，鞍山夜间的城市热岛强度较白天显著增强，说明鞍山城市热岛强度在夜间最强。随着秋冬季北方城市取暖，大气中二氧化碳的排放较夏季显著增加，鞍山城市热岛强度和气候增暖幅度均在冬季达到最强。综上所述，鞍山城市热岛强度增加是鞍山市气候显著增温的一个主要原因。

图6 1958—2017年鞍山与海城各时次的年平均气温差变化Fig.6 Variation of annual average temperature difference with 6-hour interval in Anshan and Haicheng from 1958 to 2017

3 结论

(1)1951—2017年鞍山市年、四季和1—12月平均气温变化趋势均呈显著递增趋势，除冬季以外，1988—2017年(突变后)增暖趋势较1951—1987年(突变前)有所增强，1951—1987年(突变前) 鞍山市夏季平均气温(7—8月)呈递减、冬季(1月、12月)递增趋势，1988—2017年(突变后)转变为冬季(1月、12月)递减、夏季(7—8月)递增趋势。

(2)1951—2017年鞍山市年平均最高气温呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.21 ℃/10 a，其中，1951—1987年(突变前)和1988—2017年(突变后)气温变化趋势倾向率分别为-0.12 ℃/10 a和0.23 ℃/10 a，突变前与突变后呈反相变化趋势。1951—2017年鞍山市1—12月平均最高气温均呈递增趋势，冬、春两季气候增暖明显强于夏、秋两季；1—12月，1951—1987年(突变前)鞍山市平均最高气温以递减趋势为主，1988—2017年(突变后)转变为以递增趋势为主，递增月份明显增多。

(3)1951—2017年鞍山市年平均最低气温呈递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.68 ℃/10 a，其中，1951—1987年(突变前)和1988—2017年(突变后)气温变化趋势倾向率分别为0.51 ℃/10 a和0.43 ℃/10 a。1951—2017年鞍山市1—12月平均最低气温均呈递增趋势，冬季(1—2月)递增趋势较其他季节更为突出，鞍山市平均最低气温递增趋势较平均最高气温明显增强。

(4)1951—2017年鞍山市年极端最高气温呈弱递减趋势，气温变化趋势倾向率为-0.02 ℃/10 a，1—12月，突变后呈递增趋势月份较突变前有明显增多。1951—2017年鞍山市年极端最低气温呈显著递增趋势，气温变化趋势倾向率为0.83 ℃/10 a，1—12月，突变后呈递减趋势月份较突变前增多。

(5)1958—2017年鞍山市年平均气温、平均最高气温和平均最低气温的城市热岛强度均呈显著递增趋势,其中，平均最低气温的城市热岛强度最大、平均气温次之，平均最高气温最小、递增趋势较弱，在各季的平均最低气温中，冬季鞍山平均最低气温的城市热岛强度呈显著递增趋势，较其他季节更强；在每日4次定时观测气温资料对比分析中，中午14时鞍山年平均气温的城市热岛强度最小，热岛指数呈递减趋势，其余三次观测数据均呈显著递增趋势，其中，夜间02时鞍山平均气温的城市热岛强度递增趋势最强、热岛指数最大。

(6)在每天4次观测中，鞍山城市热岛强度夜间02时最强，08时和20时次之，14时最弱且存在负效应。四季中，鞍山城市热岛强度和气候增暖幅度均在冬季达到最强，说明鞍山城市热岛强度显著升高是鞍山市气候明显变暖的一个主要原因。

(致谢：感谢中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室对本文的支持)