城市发展对高原湖盆区极端降水的影响

李宝芬,李晓鹏,曹一梅,金 卓

(1.云南省水文水资源局昆明分局,云南 昆明 650032;2.昆明市气象局,云南 昆明 650034)

根据国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)2021年第五次评估报告显示:由于全球变暖和大气水汽增加,极端降水的频次和强度均有增加,并有持续增加的趋势,降水将更趋于集中[1]。城市极端降水事件变化引起了广泛专家和学者的关注和研究,研究表明[2-11]:气温上升形成的城市热岛效应,造成城市极端降水各项指数的增加或减少,不同区域又有其独特的变化特征,且随着城市热岛效应影响区域的改变,极端降水变化趋势的不均匀性也愈加明显;柏绍光等[12]、崔松云等[13]、王志浩等[14]研究了城市热岛效应对昆明市降雨量或暴雨洪水的影响,阐明了城市热岛效应对昆明城区的水文变量影响显著,其导致暴雨量级增大、频次增多、单点暴雨频发;但从湖盆区地形角度和城市热岛效应对昆明城市极端降水的影响研究为空白,本文采用多站点多时间尺度极端降水资料,以云贵高原湖盆区省会城市昆明为例,论述了城市发展对湖盆区极端降水的贡献率和影响区域特点,可为湖盆区城市防洪减灾、应急处置、完善“四预”工作提供参考。

1 研究区城市概况

昆明城市位于云贵高原第二大盆地(面积736.6 km2),盆地内地势较为平坦,水热条件较好,属北亚热带低纬高原山地季风气候,三面环山,南濒滇池,为山原地貌;市区地势由北向南倾斜,市区海拔在1 887～1 950 m,主城区地面高程约1 890 m,滇池多年平均水位1 886.68 m。20世纪70年代末昆明核心城区面积22.6 km2,范围主要位于一环内;90年代开始,城市向北、南部区域扩张,1992年建成区面积70 km2,人口从1980年99.7万人增至180万人;大约2000年前后,北市区和南市区的拓展大幅提速;至2021年,主城各方向均扩张至山体或滇池湖边,呈贡新区、空港新区迅速崛起,昆明建成区已达494.2 km2,城市人口已达510.03万人。昆明建成区面积40余年来翻了20多倍,城市人口翻了5倍有余。2020年昆明市汽车拥有量250.39万辆,人均汽车保有量居全国第3位。由于城市迅猛发展,土地利用发展方式改变,城市环境污染,导致水文气象条件变化,城市化“热岛效应”明显,城区局地性暴雨和单点暴雨等极端天气十分突出。

2 资料来源及方法

2.1 资料来源及处理

本文分析采用的长系列(1971—2021年)资料来源于昆明市气象及水文自动监测雨量站,各站资料严格按照专业数据质量控制规范进行质量控制,基础资料可靠、完整,具有代表性。根据地形变化及站点高程分布,选取具有代表性的 9个站点(图1、表1),并根据离城区发展情况综合考虑,将站点划分为:湖盆区(昆明(气象)、呈贡(气象)、海埂,分别代表主城区、新城区、临湖区)、盆地边缘(东白沙河(城东)、西北沙河(城西)、松华坝(城北))和盆地外围山丘区(中和(远郊乡村)、太华山(气象,郊区站)、三家村(高山区)、梁王山(高山区))。

表1 昆明湖盆区选用气象水文雨量站点一览

图1 昆明城区气象、水文雨量监测站点分布

对气象、水文日降水统计时间不一致问题,进行了统一处理,日降水量为8时对次日8时。

2.2 极端降水指数的选取及分析方法

根据ETCCDM[15]定义的11个降水相关指数,选取其中5个极端降水指数,同时增加暴雨以上总量、中雨以上总量、年总降水日数等3个指数一并进行研究分析,其定义及单位见表2。

表2 选取的极端降水指数定义

根据各年研究指数发生的频次、量级,进行线性趋势[5-6,11]和城市化前后不同时期变化分析,计算城市发展对极端降水的贡献率[11]。城市化贡献率的计算见式(1):

(1)

式中Eu——城市发展贡献率,%;Pu、Pr——湖盆区周边站点和远郊站降水量、降水日数的变化趋势系数,其差值反映城市发展影响,若Pu-Pr的值大于0表示城市发展使之增大或增多,即城市发展对所考虑的气象要素造成增加贡献,若为负值则表明城市发展对它们起减弱贡献。

3 城市化对极端降水影响分析

3.1 城市热岛效应

近50 a来,随着昆明城市化进程的推进及城区人口的不断增长,昆明主城区年平均、最低、最高气温增温效果显著,其中昆明主城从20世纪90年代开始出现明显的气温升高,特别是1998年气温有明显的跃升,50 a来平均、最低、最高气温增长速度分别为0.48、0.58、0.42℃/10a;新城区呈贡气温也呈逐渐升高的趋势,50年来平均、最低、最高气温增长速度分别为0.37、0.56、0.26℃/10a,见图2。图中显示昆明主城平均、最低、最高气温自1992年后逐年抬升,新城区呈贡平均、最低、最高气温自2000年前后逐年抬升,且昆明主城较新城区呈贡增幅明显。新城区呈贡出现两级跃升,2000年以后出现快速升高,2005年开始出现明显的跃升,此变化与昆明主城、呈贡新城区大规模扩建时间节点基本一致。

a)昆明

太华山气象站处于昆明近郊太华山顶、西山国家级名胜区内,自然环境稳定,受城市发展的影响较小,利用昆明站与太华山站、呈贡站与太华山站的温度差作为昆明站和呈贡站城市热岛强度系数。图3显示,两地除呈贡最高气温热岛系数外,其他温度热岛系数均逐年增强,昆明站1995年以后、呈贡站2005年以后出现呈现热岛强度系数跃升的情况,表明城市化进程的加快是导致城市热岛效应的主要影响因素。孙绩华等[16]研究结果也表明2008年以后,昆明城市热岛面积不断扩大,并出现热岛中心向呈贡一带偏移的现象,这也印证了本文的分析结果。

a)昆明

3.2 对不同量级极端降水量的影响

表3显示:各量级极端降水量线性趋势中位于湖盆区的城南临湖站与远郊站均为减少趋势;湖盆区中心城区、盆地边缘除年总降水量线性趋势有增有减外,其余各量级极端降水量均表现为增加趋势;山丘区西部、东南部年总降水量均为减少趋势,东南部山丘区最大5 d 降水量为减少趋势,其余各项为增加趋势;总体为各区域增减幅度具有不均一性。其中,最大1 d最大增幅为湖盆区中心主城区、次大为盆地边缘城西,东南部山丘区仅为微弱增加;最大5 d最大增幅为盆地边缘的城西、次大为盆地边缘城北,东南部山丘区为减少趋势;暴雨以上最大增幅为东南部山丘区、次大为位于湖盆区东部的新城区,城北仅为微弱增幅;中雨以上最大增幅为盆地边缘城西、次大为东南部山丘区,最小增幅为盆地边缘城北。年总降水量各站变化趋势有增有减,其中减幅最大为临湖区,次大减幅为位于湖盆区中心的主城区;增幅最大为盆地边缘城西,最小增幅为位于湖盆区东部的新城区。

表3 1971—2021年昆明湖盆中心城区、盆地边缘、山丘区极端降水量线性变化趋势 单位:mm/a

3.3 对不同量级极端降水日数的影响

1971—2021年不同量级极端降水日数总体表现为:山丘区>湖盆区>盆地边缘(表4),又以位于盆地东部中心的新城区和东部边缘最少。其中,暴雨以上日数临湖区、盆地边缘城北、西部山丘区表现为微弱减少,其他区域表现为微弱增多,增多最大为东南部山丘区。中雨以上日数均表现为微弱增多趋势,以盆地边缘城西增多最大;年总降水日数各站趋势有增有减,增加区域位于盆地边缘的城西、城东、东南部山丘区,减少区域位于湖盆区、城北、西部山丘区。

表4 1971—2021年昆明湖盆中心城区、盆地边缘、山丘区极端降水日数线性变化趋势

3.4 城市化贡献率分析

表5结果表明:城市发展对湖盆区、盆地边缘、山丘区极端降水指数均有不同程度影响,其中城市发展除对临湖区最大1 d、暴雨以上降水量及日数,对西部山丘区暴雨以上日数,对东南部最大5 d、年总降水量、中雨以上日数为减弱贡献外,对其他区域的各极端降水指数均为增加贡献。具体为:城市发展对湖盆区中心主城区贡献最大的是年总降水量和暴雨以上日数、对新城区贡献最大的是年总降水量和暴雨以上日数、对城南临湖区贡献最大的是中雨以上总量和中雨以上以上日数;对盆地边缘东部贡献最大的是年总降水量和年总降水日数、对西部贡献最大的是年总降水量和年总降水日数、对北部贡献最大的是暴雨以上总量和暴雨以上日数;对西部山丘区贡献最大的是年总降水总量及其日数、对东南部山丘区贡献最大的是暴雨以上总量和暴雨以上日数。

表5 城市发展贡献率分析成果 %

3.5 不同时期极端降水量变率分析

根据昆明城市平均突变及城市大规模扩大时间节点,将各代表站资料系列分为1971(1979)—1992(1)、1993—2021(2)两个系列,分析城市大规模扩大前后不同量级极端降水量变率,结果见表6。

表6 不同时期极端降水量变率分析

表6显示除城南临湖区最大1、5 d以及暴雨以上降水量前后期变率为负值外,其余各区域各极端降水量均表现为正值变率,表明城市化进程加快后极端降水发生呈增加趋势。其中最大1 d 降水量增加变率最大的是盆地边缘城西、最小增加变率是东南部山丘区;最大5 d降水量增加变率最大的是位于湖盆区中心的新城区、最小增加变率是东南部山丘区;暴雨以上降水量增加变率最大的是盆地边缘城西、最小增加变率是盆地边缘城北;中雨以上降水量增加变率最大的是盆地边缘城西、最小增加变率是盆地边缘城北;年总降水量降水量增加变率最大的是盆地边缘城西、最小增加变率是盆地边缘城北。

总体表现为城市化后,盆地边缘、新城区区域极端降水变率较湖盆中心主城区、山丘区明显;盆地边缘城西>城东>城北、湖盆区新城区>主城区>临湖区、山丘区西部>东南部;其中位于盆地边缘东部和湖盆东部中心区的新城区较城市化前增多明显,这种变率表现与热岛发展方向相一致;而临湖区变率变化表现为受滇池大型水体调节影响,城市化对临湖区的极端降水影响不明显。

同理,城市化发展对昆明东南部山丘区暴雨以上降水量有明显影响,其前后变率较主城区、城北、新城区大,这一现象也可从同时期多年变化趋势分析(图4),结果为主城区、新城区、城北、东南部山丘区暴雨以上的年降水量整体呈增加趋势,增率为东南部山丘区>湖盆中心城区>盆地边缘城北,表明城市化对高山暴雨以上极端降水具有明显影响。

a)近郊高山与主城区

4 结论

a)城市发展对湖盆区、盆地边缘、盆地外围山丘区各项极端降水指数均有不同程度影响,其中对盆地边缘影响最强,对山丘区影响最弱,湖盆区影响居中,该结论与马艳等[10]、SHERPARD等[11]发现最大降水量发生在城市中心边缘区域相一致。因受地形、城市热岛效应影响,城市发展还造成湖盆区、盆地边缘、山丘区各区域极端降水指数多年线性趋势增减幅度具有不均一性。

b)城市发展对湖盆区各极端降水指数均有影响。其中对位于湖盆中心区的主城区、新城区影响明显大于城南临湖区,且对湖盆中心主城区、新城区各极端降水指数均为增加贡献,贡献率分别为25.5%～342.9%、48.6%～273.6%;城南临湖区因受滇池大水体调节影响,极端降水指数受城市发展影响有增有减,对暴雨以上降水量及其降水日数有减弱贡献,减弱贡献率分别为-70.5%、-75.9%,对其他指数为增加贡献,贡献率47.9%～200.0%。

c)城市发展对盆地边缘西部极端降水指数影响最强,对北部最弱,东部影响居中;但对北部的极端降水城市贡献率最高,各项指数贡献率为13.9%～966.7%。

d)城市发展对东南部山丘区暴雨以上极端降水具有明显影响,对东南部山丘区最大5 d、年总降水量以及中雨以上日数有减弱贡献,减弱贡献率分别为-3.5%、-55.6%、-8.3%,对西部山丘区暴雨以上日数也有减弱影响,减弱贡献率为-20.9%,对其他指数为增加贡献,贡献率为10.3%～364.2%。