西宁城市化对气温的影响

谢启玉， 赵 娟， 朱宝文， 余学英， 沈 洁

(1.青海省西宁市气象台，西宁 810016； 2.青海省气象干部培训学院，西宁 810016)

引 言

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，即政府间气候变化专门委员会)第五次评估报告指出，1880-2012年全球海陆表面平均温度升高了0.85 ℃。随着全球气温的上升和社会经济的快速发展，作为土地覆盖形态变化最明显的城市增温更是显著，且由于人类生产、生活集中化状况促使城市化加速扩大，形成了相对于郊区而言的城市较高气温。与城市化率快速增长相对应的是近年来各地城市热岛越来越强[1-5]，因此对于城市化影响的研究也越来越广泛[6-15]。基于大气温度监测[1-11]、流动测量[13]、卫星遥感[12-17]、格点资料[18]及数值模拟[19]等数据资料，多年来各学者对城市热岛的分布、变化特征、形成机制、城市化对气温[20-22]及各行各业的影响进行了广泛的研究[23-27]，均认为城市化加速发展和规模加大造成热岛范围增大、强度增强，城市化影响使各地极端气温暖指日数增加而冷指日数减少；但城市绿化面积扩大等土地覆盖和利用的改变,又使热岛效应减弱。由于各地采取合理城市规划、加强环境治理等有效的缓解措施，近年来城市气温的极端性有所弱化。

西宁市处于青藏高原东北部，作为青海省的省会城市和面积最大、人口最集中的城市，因其相对舒适的夏季温度而被称为“中国夏都”。近年来西宁市政府也着力打造“凉爽城市”。但随着城市化进程的加快，工业、交通、人口等高度聚集分布，致使城市气温越来越高[28]，城市化影响越来越明显[29]。西宁城市化快速发展对城市气温影响程度如何，对气温表征的季节转换等方面有何影响，都有必要进行深入的研究。由于西宁每年自10月至次年4月有长达7个月的供暖期，这对城市气温也有明显的影响。因此本文用西宁及周围有代表性国家级气象观测站长时期的实测气温序列，划分全年、供暖期与非供暖期进行城市热岛强度特征的分析，进而探索城市化对极端气温、季节开始等的影响，为城市环境保护、城市规划、开展绿色旅游等可持续发展提供气候方面的参考。

1 资料和方法

1.1 郊区代表站选取

西宁周围具有较长时间序列资料的国家级气象观测站有5个(图1)。其中，大通很久以来就属于西宁市管辖，海拔(2450.0 m)略高于西宁的(2295.2 m)，平安的(2125.0 m)低于西宁的。大通、平安测站处于城镇较中心地带，湟中、湟源、互助站均处于县城的边缘地带；西宁、大通、平安均处于青海河湟谷地中，湟中、湟源、互助处于其南北两侧；主要公路从大通-西宁、西宁-平安通过，离湟中、湟源、互助较远。由于地形的影响，河湟谷地全年最多风向为东南风，湟中、湟源、互助均为迎风坡。因此，选择湟中、湟源、互助较适合作为西宁郊区的代表站。

图1 西宁市区周围站点分布及地形图

1.2 资料处理与方法

1.2.1 资料处理

由于各观测站建立的时间不同，为了保证数据的完整性和一致性，资料序列统一以最晚的湟中站1959年为准，选取1959-2015年时段内西宁、湟中、湟源、互助站逐日平均、最高(低)气温、极端最高(低)气温数据。由于该时段内各站不同的年份都出现了一次迁站，为了保证数据的可靠性，对资料进行了严格的质量控制和均一性检验。方法如下：(1)如果最高气温减去最低气温为负值，标识为错误值，用错误值前后的观测数据建立线性关系订正；(2)最高气温和最低气温的平均值与平均气温的差值分别>±5.0℃时，根据降水量及降水时段来分析数据合理性；(3)对于部分缺测数据，用缺测前后的观测数据建立线性关系订正；(4)对于各站迁站后的数据，根据同时期其他周围3站的观测数据利用多因子逐步回归法对气温序列进行订正。同时，对于4个测站之间的平均气温进行相关性分析，以确定属于同一气候区，4个测站两两之间的相关系数均通过了0.001的显著性检验。总人口、工业总产值、绿地总面积等城市社会资料来源于西宁市统计局及其发行的《西宁统计年鉴》和《西宁国民经济和社会发展统计公报》。

1.2.2 方 法

本文研究方法为：(1)城市热岛强度(UMR[30]，单位：℃)：城市气温距平与郊区气温距平之差，城市气温=西宁气温，郊区气温=(湟中气温+湟源气温+互助气温)/3；(2)城市热岛强度趋势(单位：℃/10a)：线性趋势法，以回归方程的相关系数作显著性检验；(3)城市化影响E(单位：℃/10a或天/10a)：城市气温距平的变化率与郊区气温距平变化率之差；(4)城市化影响贡献率，即城市化影响占城市气温距平变化率比重的绝对值，用百分数表示。对于极端降温指数和季节开始日期的处理也是该方法。

另外用M-K方法进行时间序列的突变检验，其中UF与UB分别为根据时间序列构造的统计量。若UF或UB的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表示呈下降趋势。当UF与UB出现交点时，交点时间对应为突变出现的时间。具体计算过程如文献[31]所示。

2 西宁城市热岛强度特征

表1是西宁1959-2015年全年、供暖期与非供暖期城市热岛强度趋势和城市社会资料。由表1可见，各气温的城市热岛强度变化率均>0，即总体上热岛强度是增强的。平均气温的城市热岛强度全年与供暖期增强率均较大，分别为0.21 ℃/10a和0.23 ℃/10a。最高气温的城市热岛强度全年、供暖期变化趋势不显著，非供暖期较强，为0.16 ℃/10a。这是由于随着城市化程度不断加快(1980-2015年总人口增加了68.2%)，城市建筑群逐渐密集增多，工业迅速发展(1980-2015年工业总产值增加了98.2倍)，非供暖期白天车辆更多、交通更繁忙、人口更密集，致使城市最高气温升高明显。最低气温的城市热岛强度全年、供暖期均呈增强趋势，尤其是供暖期增强趋势最明显，达到了0.24 ℃/10a。这是由于供暖期为保证有效供暖，热电厂、供热站等的供暖设备在夜间集中运行，且受寒冷天气影响，居民生活释放热量大增，致使城市最低气温明显升高。

表1 西宁1959-2015年城市热岛强度(UMR)趋势、城市社会资料

从城市热岛强度(最低气温为代表)的M-K分析(图2a)来看， UF曲线的变化表明1959年以来西宁城市热岛强度呈明显增强的趋势， 1980年之后这种增强趋势均通过了0.01的显著性检验，表明城市热岛强度增强趋势十分显著；UF与UB曲线在1980年相交，虽未通过显著性检验，但可以看出这是一明显的转折点，表明城市热岛强度在1980年有一明显的突变转折；UB曲线在2000年之后也出现较大波动。

图2 西宁城市热岛强度的M-K检验(a)和变化序列(b、c、d)

相应的城市热岛强度序列(图2b、c、d)主要有2个明显的变化阶段：第一阶段为1959—1980年，城市热岛强度全都处于负值，可能是经过距平标准化处理后，西宁最低气温的距平低于郊区距平造成，但无论是全年还是供暖期、非供暖期，西宁城市热岛强度均呈现迅速增强趋势，尤其是供暖期的最强，达到0.14 ℃/10a，通过了0.05的显著性检验。这也进一步表明，随着西宁城市化范围的明显扩大，供暖设备及用户迅速增加，对城市最低气温的影响显著增强，城市化效应开始产生。第二个阶段1981-2015年为波动起伏较大的时段，城市热岛强度以正值为主，但增强趋势有所减弱，其中非供暖期减弱幅度最大。这与西宁市区加强环境治理、增加绿化面积有关(1990—2015年绿地总面积增加了2544公顷)。2000年之后，波动明显增大，全年、非供暖期增强趋势明显减弱，这与冯仕超等[32]的结论相一致。

综上所述，西宁城市热岛强度在1980年有一明显的由迅速上升至缓慢波动的阶段性转折，且2000年之后波动增大，强度总体上减弱。

3 西宁城市化对气温的影响

3.1 城市化对气温的影响

由于西宁城市热岛强度在1980年有一个明显的阶段性转折且2000年之后波动性增大，因此统计了1959-2015年、1959-1980年、1981-2000年及2001-2015年全年供暖期和非供暖期气温的城市化影响及城市化影响贡献率(表2)。

由表2可知，1959-2015年西宁城市化影响均为正，即城市化影响造成气温升高。平均气温与最低气温的城市化影响较明显，分别为0.22 ℃/10a和0.19 ℃/10a，相应贡献率分别为40.8%和29.5%。供暖期最低气温的城市化影响最明显，为0.24 ℃/10a，相应贡献率为39.1%；非供暖期最高气温的城市化影响最明显，为0.16 ℃/10a，相应贡献率为39.8%。西宁非供暖期城市化对最高气温的影响最为显著。这与城市化对华北、东北地区的平均气温和最低气温的影响明显而对最高气温的影响较弱[10，20]的研究结果比较一致。从各个阶段来看，1959-1980年平均气温和最高气温的城市化影响较弱，最高气温的城市化影响均为负且相应的贡献率均达到100%；1981-2000年城市化影响较1980年之前的明显增强，其中最低气温的城市化影响最明显，最高气温的城市化影响则转为正；2001-2015年城市化影响又明显减弱，尤其是最高气温的城市化影响转为明显的负，相应贡献率达到100%，即城市化影响抑制最高气温的升高。

表2 西宁气温城市化影响及城市化影响贡献率

可见，西宁的城市化影响对气温的增强作用主要在1981-2000年，2000年之后城市化影响明显减弱，尤其是对最高气温转而起抑制作用，这种转变可能与郊区代表站的城镇化发展更迅速,致使其升温速率超过西宁市区有关。另外，城市生态环境改善如绿化面积的扩大等，也明显发挥了抑制增温效应。

3.2 城市化对极端气温的影响

定义极端气温指数[21-22]来分析西宁城市化对极端气温的影响：①极端最高(低)气温是年中气温极端最高(低)值；②高温(寒冷)日是年中最高(低)气温大于28 ℃(小于0 ℃)的日数；③暖昼(夜)日是日最高(低)气温大于90%分位数的日数；④冷昼(夜)日是日最高(低)气温小于10%分位数的日数，其中郊区的为3个代表站的平均(表3)。

统计结果(表3)显示，1959-2015年西宁暖指日数增多的趋势非常明显，尤其是高温日数、暖昼日数和暖夜日数增多率非常大，其中1981-2000年增加趋势最明显，2000年后增加趋势显著减弱，尤其高温日数转为减少趋势。西宁冷指日数则均呈明显的减少趋势，冷夜日数减少趋势最明显，达到-9.19天/10a，极端最低气温呈增高趋势。其中1980年之前各冷指日数减少的趋势较弱，寒冷日数为略增加的趋势；1981-2000年减少趋势明显增强，尤其冷夜日数减少率达到了-13.06天/10a；2000年之后则转为相反的趋势，即冷指日数呈增加趋势，但极端最低气温呈降低趋势。

表3 西宁极端气温指数城市化影响和城市化影响贡献率

从城市化影响来看，1959-2015年暖指数的城市化影响均为正，表明城市化影响造成极端最高气温增高和暖指日数的增多，尤其对高温日数、暖夜日数的影响最明显，达到2.77、2.69天/10a，相应贡献率分别为82.9%、36.8%。其中，1981-2000年城市化影响增强最明显，2000年之后除暖夜日数外，城市化对暖指数的影响转为负，即城市化影响对极端最高气温的增高和大部分暖指日数的增加起抑制作用。冷指数的城市化影响除极端最低气温外，均为负，表明城市化影响造成冷指日数的减少，尤其对冷夜日数的影响最明显，达到-1.59天/10a，相应贡献率为27.3%。其中，1981-2000年城市化影响明显增强，尤其冷夜日数达到了-5.67天/10a，相应贡献率为43.4%，2000年后城市化对冷指数转为相反的影响。

可见，1959-2015年西宁极端最高气温、极端最低气温均呈增高趋势，暖指日数增多、冷指日数减少趋势明显。城市化影响使暖指数增强、冷指数减弱，这种影响主要出现在1981-2000年。2000年之后，城市化影响转为相反的作用，即造成暖指数减弱、冷指数增强，使极端气温整体上呈现降低态势，这与西宁城市热岛强度2000年后总体上减弱相一致。其原因可能一方面是对全球变暖停滞的响应[33]，另一方面是西宁为打造凉爽城市进行的城市规划与绿化成果显著(表1)。此外，与北京、长江三角洲地区[21-22]城市化对冷指数如最低气温、冷(暖)夜日数的影响显著不同的是，西宁城市化对暖指数如高温日数的影响也显著。

3.3 城市化对季节转换的影响

以西宁各季节开始日期占每年中的第几顺序日来分析城市化对季节转换的影响(表4)。温暖、炎热、寒冷季开始日期分别指日平均气温稳定通过5 ℃、15 ℃、-5 ℃的初日，凉爽季开始日期指日平均气温稳定通过10 ℃的终日。

从各季节转换时间来看，温暖季、炎热季开始的日期(顺序日)呈现明显逐年减少趋势，达到了-3.18天/10a和-3.36天/10a，即温暖季、炎热季开始日期明显向前推进，表明西宁温暖季、炎热季开始的时间越来越早。其中，1981-2000年推进速率最明显，2000年之后推进的速率明显变缓。凉爽季、寒冷季开始的日期(顺序日)呈现逐年增加的趋势，分别为3.18天/10a和2.46天/10a，即凉爽季、寒冷季开始的日期向后延迟，其中1981-2000年凉爽、寒冷季始日向后推迟最明显。

从城市化对各季始日的影响来看，其对温暖季、炎热季始日的城市化影响均为负，表明城市化影响造成西宁温暖季、炎热季开始日期提前，且温暖季始日受城市化的影响最明显，达到-1.83天/10a，相应贡献率为57.5%。其中，1980年之前城市化对温暖季始日影响略弱，而对炎热季始日影响较强，1981-2000年城市化对暖季、炎热季始日影响明显增强，2000年之后对始日的影响明显减弱。凉爽季、寒冷季始日城市化影响均为正，表明城市化影响造成凉爽季、寒冷季开始日期向后延迟。其中，1981-2000年城市化影响较之前持续增强，尤其是寒冷季更是达到了9.93天/10a，相应贡献率达到100%，2000年之后对始日的影响也明显减弱。总之，城市化对季节转换的增强作用主要在1981-2000年。

表4 西宁季节开始日期变化趋势、城市化影响和城市化影响贡献率

4 结论与讨论

本文将1959-2015年西宁及3个郊区代表站的逐日气温经过质量控制和均一性检验后，对西宁城市热岛强度特征进行分析，探索了城市化对城市气温、极端气温、季节转换的影响，主要得到以下结论：

(1)西宁平均气温的城市热岛强度增强趋势最显著；供暖期最低气温的热岛强度增强趋势最显著；非供暖期则是最高气温的热岛强度增强趋势最显著。城市热岛强度在1980年有一明显的由迅速上升至缓慢波动的阶段性转折， 2000年之后波动增大，强度总体上减弱。

(2)西宁城市化对平均气温和最低气温影响最显著，相应贡献率分别为40.8%和29.5%。供暖期对最低气温的影响最显著，贡献率为39.1%；非供暖期则对最高气温的影响最显著，贡献率为39.8%。1959—2015年城市化影响造成气温升高，其增强作用主要在1981—2000年，2000年之后城市化影响明显减弱，且对最高气温转而起抑制作用。

(3)西宁极端最高气温、极端最低气温均呈增高趋势，暖指日数增多、冷指日数减少趋势明显。城市化对高温日数、暖夜日数和冷夜日数的影响最显著，分别为2.77天/10a、2.69天/10a和-1.59天/10a，相应贡献率分别为82.9%、36.8%和27.3%。城市化快速发展使暖指数增强、冷指数减弱，即造成极端最高气温、极端最低气温的增高和暖指日数增多、冷指日数减少，这种影响主要出现在1981—2000年，2000年之后城市化影响转为相反的作用，即造成暖指数减弱、冷指数增强，使极端气温整体上呈现降低态势。

(4)西宁城市化对温暖季、凉爽季始日的影响显著，分别为-1.83天/10a和1.40天/10a，对应的贡献率分别为57.5%和44.0%。城市化影响造成温暖季、炎热季开始的时间越来越早，凉爽季、寒冷季开始的日期逐渐向后延迟，1980年之后变化速率均明显加快。

另外，由于郊区站点的选择是城市化影响研究的关键之一，本文选取西宁周围3个测站的地理位置虽然均处于县城的边缘地带，较符合作为西宁郊区的代表站，但自身的气温也受到了发展影响，致使升温速率超过了西宁的，2000年后西宁城市化影响明显减弱与此也有关。同时，距离西宁较近的大通和平安的城镇化扩大较快，与西宁连成区域性的城市群，因此城市化对区域气温的影响是下一步研究的重点。