城市化进程对湖南省极端气温的影响分析及其在气候宜居评估中的应用

刘珺婷，杨 玲，谢益军

（1.湖南省气象服务中心，长沙 410118；2.湖南省气候中心，长沙 410118）

城市是人类居住最密集的地方［1］。2020 年全国第七次人口普查数据显示，63.89%的人口居住在城市地区。城市化过程作为一种人类活动的集中体现，使城市人口密度增加、下垫面属性改变、大气污染物增加，城市化过程对气候事件的影响不可忽视［2-13］。

城市化引起的气候变化日益受到关注，国内学者针对不同城市（群）采取不同方法进行研究［14-24］，李易芝等［25］和郭丽香等［26］分别开展了城市化进程对长株潭地区和长沙气温的影响研究。研究多是分析个别中心城市的城市化效应及其对气候的影响，而城市化对于较大区域的影响分析甚少。

湖南省位于中国中部，2020 年城镇化水平已达到58.76%。随着城市化进程的进一步加快，城市规模迅速膨胀、人口急剧增长、建筑物越来越密集、机动交通工具成倍增长的同时，极端天气气候事件频现，严重影响城市居民生产生活。本研究采用城郊对比法分析城市化进程对湖南省极端气温的影响，为城市化背景下极端气候灾害的防范提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料为湖南省96 个国家地面气象站1961—2020 年各站的逐日最高、最低气温数据。

1.2 方法

参考气候变化探测与指标专家组定义的极端气候指数和业内学者在研究中定义的极端气候指数，共定义了9 个极端指数（表1），其中有5 个绝对指数，2 个极值指数，2 个均值指数［27］；利用线性斜率估计［28］对极端指数的变化趋势进行检测。

表1 极端气温指数及其定义

将湖南省96 个国家地面气象站分为城市站点和郊县站点2 个类别，第1 类为位于全省地级市（州）中心城区的14 个气象站，代表受城市化影响大的区域。第2 类为位于位于县城、县级市及其城郊的82个气象站，代表没有城市化或受城市化影响少的区域。

通过线性趋势斜率估算出2 类站点及全省平均的各个指数的趋势，用ΔTur表示城市化对城市站的影响，用ΔTua表示城市化对全省的影响，其表达式如下。

式（1）、（2）中，ΔTu为城市站各指数变化趋势，ΔTr为代表气候变化背景场的郊县站变化趋势，ΔTa为全省所有站平均的各指数变化趋势。

城市化影响贡献率，指城市化影响对城市站（所有站）各个极端气温指数的贡献率，即城市化影响在城市站（所有站）气温指数变化趋势中所占的百分比。设Ei（i=1，2）为城市化影响贡献率。

Ei有3 种情况，①当ΔTu＞ΔTr（ΔTa＞ΔTr）时，Ei＞0，表明城市化影响使其增加；②当ΔTu=ΔTr（ΔTa=ΔTr）时，Ei=0，表明城市化影响为0；③当ΔTu＜ΔTr（ΔTa＜ΔTr）时，Ei＜0，表明城市化影响使其减小。Ei＞100%的情况同Ei=100%，Ei＜-100%的情况同Ei=-100%。

2 结果分析

2.1 极端指数变化分析

每个站点1961—2020 年每年各个指数的平均值作为湖南省整体的极端指数值，通过线性斜率估计湖南省各个极端指数的变化趋势，结果表明9 个极端温度指数呈现较明显的变化趋势（图1）。

图1 湖南省极端温度指数变化线性趋势

极端温度指数通过线性斜率估计得到的10 年变化趋势，结果表明指示极端冷事件指数FD0、ID0均呈下降趋势，FD0 下降速度为每10 年减少2.1 d，而指示极端暖事件指数SU35、SU25、TR20 呈上升趋势，TXx、TNn、TMAX、TMIN 的增长呈上升趋势，由此推断湖南省在平均温度上升的背景下，高温日数、夏季日数和炎热夜数呈增多趋势。

2.2 城市化影响分析

城市和郊县两类站点之间极端指数变化趋势见图2。由图2 可知，城市和郊县两类站点ID0、TXx 指数无明显变化；两类站点FD0 指数均呈明显的减少趋势；郊县站点SU35 指数呈显著增加趋势，城市站点增加趋势不明显；两类站点SU25、TR20、TNn、TMAX、TMIN 指数均呈显著增加趋势。

图2 1961—2020 年湖南省城市与郊县气温极端指数序列及差值

城市站点的FD0、SU25 和TMAX 指数均值明显低于郊县站点；两站点ID0 指数平均值无明显差异；城市站点SU35、TR20、TXx、TNn 和TMIN 指数均值明显高于郊县站点。2011 年后湖南城市站点由于城市包围探测环境遭到破坏，陆续迁往城郊。两类站点的SU25、SU35、TR20、TXx、TNn、TMAX 和TMIN指数差值明显减小，FD0、ID0 指数差值明显增大。

为去除迁站对于城市化效应的影响，分析1961—2010 年湖南省城市与郊县极端气温指数的变化趋势及城市化效益贡献率，结果见表2。由表2可知，两类站点的SU25、TR20、TNn、TMAX 和TMIN指数均呈显著上升趋势（通过了0.01 或0.05 水平显著性检验）。城市站点的SU25 上升趋势低于郊县站点，城市化效益为负贡献，其中对于城市站的贡献-7.3%，对于全省的贡献为-1.1%。城市站点的TR20上升趋势明显高于郊县站点，城市化效益对于城市站的贡献达到29.4%，对于全省的贡献达到5.9%。城市站点的TNn 上升趋势明显高于郊县站点，城市化效益对于城市站的贡献达到13.8%，对于全省的贡献为2.3%。城市站点的TMAX 上升趋势低于郊县站点，城市化效益为负贡献，其中对于城市站的贡献为-6.2%，对于全省的贡献为-1.3%。城市站点的TMIN 上升趋势明显高于郊县站点，城市化效益对于城市站的贡献达到20.3%，对于全省的贡献为3.6%。

表2 1961—2010 年湖南省极端气温指数趋势及其城市化影响贡献

两类站点的FD0 指数均呈显著减少趋势（通过了0.01 水平的显著性检验）。城市站点的减少趋势明显高于郊县站点，城市化效益对于城市站的贡献达到5.7%，对于全省的贡献为0.9%。两类站点ID0、SU35 和TXx 指数均无显著变化，城市化总体体现为负效益。

对比9 个指数发现，城市化主要对最低温度造成影响，城市化对以最低气温为基础的极端指数变化均有正贡献。可能是由于城市发展通过改变了城市建成区下垫面辐射特性，致使地气感热通量增加，潜热通量减少，白天吸收（反射）的太阳辐射增多（减少），夜晚发射的地面长波辐射增加，近地面气温升高，夜间气温上升尤其明显，即产生城市热岛效应；城市区域高强度的人为热释放也增加了建成区夜间变暖幅度。

3 小结与讨论

基于线性倾向估计研究了湖南省1961—2020年的9 个极端温度指数时间变化趋势，并分析了湖南城市化进程对极端气候指数的影响。主要结果如下。

1）在平均温度上升趋势的背景下，1961—2020年间湖南省极端冷事件整体呈下降趋势，极端暖事件呈上升趋势。

2）城市化对气温影响较大，导致城市站点暖事件明显多于乡村站点，冷事件则明显少于乡村站点。

3）相对于最高气温，城市化对最低温度造成影响更大。城市化对以最低气温为基础的极端指数变化均有正贡献，其中对城市站点的贡献率为5.7%～29.4%；对全省的贡献率较小，为0.9%～5.9%。

4）2011 年后湖南城市站点陆续迁往城郊，为去除迁站影响，计算城市化对极端气温指数变化的贡献率时仅用了1961—2010 年的资料进行统计，可能导致贡献率被低估。

5）由于国家级气象站拥有长序列的完整气候资料，在开展诸如宜居城市（县城）评估等气候应用服务工作时，所用资料往往采用的是国家站点的气象数据；而国家站站址大都位于城市中心或近郊，在开展年高温、低温日数、人体舒适度等相关指标评估时，应充分考虑城市化的影响，根据实际情况选择与评估区域临近的区域气象站对国家站计算得到的相关指标进行订正，从而得到更加合理的结果。