王蓉蓉等

摘要利用邢臺站探空觀測資料，分析近32年（1979～2010年）城市化對邢臺氣溫變化的影響，并與該站地面觀測資料得出的城市熱島效應相比較。結果表明， 通過探空近地層與850 hPa層氣溫序列比較得出城市化對年均氣溫的增暖幅度為0.31 ℃/10a，貢獻率為49.21%；對比城市站與郊區(qū)背景站地面觀測氣溫資料得到城市熱島效應導致的增暖幅度為0.18 ℃/10a，城市化貢獻率為35.29%；采用城市站地面觀測氣溫與探空850 hPa層氣溫對比得到的城市化增溫幅度為0.19 ℃/10a，分離出的城市化貢獻率為37.25%；3種方法計算得出的城市化增溫幅度及貢獻率各不相同，卻一致表明城市化對邢臺年、季氣溫的增暖貢獻較為顯著。

關鍵詞探空資料；邢臺；氣溫變化；城市化

中圖分類號S165文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-179-03

作者簡介

王蓉蓉（1973- ），女，河北保定人，工程師，碩士，從事氣候變化研究、氣象服務工作。

收稿日期2014-12-29

城市熱島效應是指城市氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現象[1]。由于城市區(qū)域人口密集、人為熱排放增多、土地利用變化等引發(fā)的能量收支改變，導致近地層氣溫不斷升高[2]。城市熱島強度取決于城市的規(guī)模，一般定義為城區(qū)氣溫與郊區(qū)或鄉(xiāng)村氣溫之差。1990年以來，針對我國城市熱島效應基本特征及其對城市測站氣溫變化影響的相關研究廣泛展開，分析主要采用城市鄉(xiāng)村對比[3-4]、城市高山對比[5]、城市與近海海溫對比[6]以及器測與再分析資料對比[7-8]等方法，前3種方法主要思路是選取與城市站距離較近且處相同大氣環(huán)流背景的鄉(xiāng)村、高山或海洋構建背景站，由于假定背景站受人類活動影響較小，采用不同的背景站選取方法帶有一定的主觀性，得出的分析結果往往差異較大。而通過比較氣象站實測資料與NECP再分析資料的趨勢差來估計城市化和土地利用對氣候的影響，則由于再分析資料本身的計算誤差及穩(wěn)定性問題而使得該分析方法存在一定爭議[9]。

邢臺市地處河北省南部，是華北地區(qū)重要的工業(yè)、能源基地和京津冀地區(qū)的中心城市之一，城市化進程相對較快，河北省城鎮(zhèn)化發(fā)展統計監(jiān)測數據顯示，2009年邢臺市城市化水平已達41.01%，但對于邢臺氣溫變化中城市化影響的相關研究很少?？紤]到邢臺站有探空觀測業(yè)務，借鑒吳息等做法[10]，將對流層低層（850 hPa）氣溫變化的主要誘因歸結于自然變率的影響，而地面氣溫除受自然變率影響外，還受到城市化的顯著影響，因此可將高空氣溫變化趨勢與地面氣溫變化趨勢之差視為城市化效應。為準確、客觀分析邢臺氣溫變化對城市化的響應，消除探測時間及儀器誤差等對氣溫序列的影響，筆者利用探空及地面觀測資料，采用3種方法分別比較探空近地層和850 hPa層氣溫趨勢差，地面實測的城、鄉(xiāng)氣溫差及邢臺站地面實測與探空850 hPa層氣溫變化差異，分析邢臺年、季氣溫變化中的城市化影響及貢獻，并對上述3種方法的適用性和局限性進行討論。

1資料與方法

1.1資料處理

選取河北省信息中心收集整理的1979～2010年間邢臺站近地層及850 hPa標準等壓面的探空氣溫資料和1979～2010年間邢臺站（代表市區(qū)）及周邊16個一般氣候站（代表郊區(qū)）的地面逐月平均氣溫。氣象觀測站點分布如圖1所示。

文中年平均氣溫值為年內1～12月平均氣溫的算術平均值；季平均氣溫采用特征月平均氣溫，1、4、7、10月分別代表冬季、春季、夏季、秋季。與氣溫值相比，氣溫距平值可更直觀表示某特征氣溫相對于長期平均值的高低狀況，各特征氣溫距平值是各年份特征氣溫與32年相應特征氣溫平均值之差。

1.2研究方法

分別以邢臺站探空近地層及地面觀測氣溫距平序列作為研究序列，以探空850 hPa層及16個鄉(xiāng)村站平均氣溫的距平序列為氣候背景序列，比較分析目標序列與背景序列的變化趨勢差異，分離出邢臺市氣溫變化中的城市化影響，并計算城市化影響的貢獻率。

參照初子瑩等的研究[11-12]，將城市氣溫目標序列與背景序列變化趨勢差定義為城市化影響，城市化影響在其總變化率中所占百分比為城市化影響貢獻率。城市站氣溫變化趨勢以Tu表示，背景序列氣溫變化趨勢為Tr，城市站氣溫變化中的城市化影響則表示為Tu-Tr，城市化影響的貢獻率（Eu）則通過公式 Eu=（Tu-Tr）/Tu計算求得。

2結果與分析

2.1基于探空資料分析城市化影響

以探空儀器測定的近地層氣溫序列為目標序列，以850 hPa探空氣溫序列為背景序列，計算城市化增溫幅度及貢獻。主要原因是近地面層氣溫易受地面人類活動的影響，850 hPa層與地面城市雖然處于同一大氣環(huán)流背景下，但受人類活動影響小，能代表區(qū)域背景氣候變化，城市化影響會導致兩者的氣溫變化趨勢存在差異。因此，利用近地層氣溫與探空資料850 hPa的變化趨勢差來表征城市化影響。

由近32年邢臺站近地層探空氣溫與地面觀測氣溫及850 hPa層探空氣溫序列的相關系數（表1）可知，相關關系均遠超過0.01的置信水平（r0.01=0.45），表明以近地層探空氣溫代替地面觀測氣溫來討論邢臺市氣溫變化及其城市化影響是可行的，同時850 hPa層探空氣溫序列可作為研究邢臺城市化影響的區(qū)域背景氣候資料。

由近32年邢臺站年平均探空氣溫距平變化（圖2a）可見，邢臺站探空觀測近地層氣溫距平及850 hPa背景序列均呈總體升高趨勢，近地層增溫快于背景增溫，近地層年均氣溫線性增溫率達0.63 ℃/10a，背景增溫率則為0.32 ℃/10a；近地層及850 hPa層氣溫在20世紀90年代中期之前均處于相對較冷期，大部分年份的850 hPa層氣溫距平高于近地層氣溫距平。隨著城市化進程的加快，90年代中期之后二者均處于較暖期，多數年份的平均氣溫距平為正值，且大部分年份的近地層氣溫距平高于背景序列。對比分析，二曲線線性變化率差值為0.31℃/10a，表明就年平均氣溫而言邢臺市的城市化增溫效應以0.31℃/10a的速率增加。從1979～2010年邢臺市四季平均氣溫變化中城市化影響（圖2b）可看出，城市化影響導致四季平均氣溫總體呈現增溫趨勢；其中，冬季城市化增溫曲線波動明顯，春季城市化增溫曲線則相對平緩，表明城市化增溫在春季平均氣溫總體上升趨勢中所做貢獻最?。磺锛境鞘谢鰷刈蠲黠@，達0.48 ℃/10a，夏季城市化增溫也較為明顯。

由利用探空氣溫資料分離出的1979～2010年間邢臺站年及各季平均氣溫城市化增溫貢獻（表2）可見，邢臺站近地層年及各季平均氣溫線性增溫率皆高于背景序列的增溫率，年平均氣溫的城市化增溫幅度達0.31 ℃/10a；就各季平均氣溫而言，秋季城市化增溫最明顯，達0.48 ℃/10a，夏季、冬季次之，春季城市化增溫率相對較??；城市化引起的年及夏、秋、冬三季增溫變化趨勢均通過顯著性檢驗；年均氣溫的城市化增溫貢獻率達49.21%，夏、秋、冬三季貢獻率甚至超過50%。

2.2基于地面觀測資料分析城市化影響

城市熱島是指在城市化進程中由于人類活動、下墊面性質改變等影響而形成的城區(qū)整體或局部溫度高于周圍地區(qū)溫度的異常分布現象。參照Li等的做法[13]，利用邢臺實測氣溫距平序列與郊區(qū)背景氣候背景距平序列的線性趨勢差評估城市熱島。依據參考站遴選原則[14]，兼顧氣候背景以16個氣候站月均氣溫的算術平均值作為郊區(qū)背景站月均氣溫，計算相應的年、季平均氣溫距平，構建郊區(qū)背景氣候序列。

對比1979～2010年間邢臺站與郊區(qū)背景站的年、季平均氣溫變化趨勢（表3）可以看出，近32年間城、郊各季平均氣溫均呈現顯著上升趨勢，但城市站增溫幅度大于背景站；年及各季平均氣溫顯示出的城市熱島效應基本一致，城市熱島值在秋季最大，達0.30 ℃/10a，春季最小；就“城市熱島”貢獻率來講，秋季、夏季貢獻率較大，分別達57.69%和46.94%，貢獻率最小為春季26.47%，年均氣溫變化的城市熱島貢獻率為35.29%。可見，城市熱島效應對夏秋季增暖作用較大，冬春季較小。該結論與劉學鋒等分析河北大中城市熱島效應得出的結論[15]基本一致。

2.3以850 hPa層氣溫為背景分析城市化影響

借鑒吳息等的方法[10，16]，以850 hPa探空氣溫序列為背景序列，計算城市化增溫幅度及相應的貢獻。城市熱源可經大氣的湍流交換輸送到高層， 且對大氣的加熱作用隨高度增加而減小，在京津冀區(qū)域通過建模模擬得出城市增溫效應所能影響的最大高度為0.8 km[17]，低于850 hPa層標準等壓面高度，因此將850 hPa探空溫度資料作為背景場研究城市化對地面溫度的影響是可行的。

經分析，32年間年及各季邢臺站地面觀測與850 hPa探空背景相應氣溫距平序列的相關關系均超過0.01置信水平，表明兩者的氣溫變化趨勢差可以反映邢臺城市化影響。由1979～

2010年期間以850 hPa為背景分離出的城市化影響趨勢及貢獻率（表4）可見，邢臺地面觀測站和探空背景站的年及四季的平均氣溫距平總體均呈現上升趨勢，城市站增溫率大于背景站，年均溫增溫率差值為0.19 ℃/10a，表明城市化引起的年平均氣溫以0.19 ℃/10a的速率顯著增加；其中，分離得出的年均氣溫變化的城市化貢獻率為37.25%。就季節(jié)變化來看，夏季平均氣溫的城市化增溫最明顯，線性增溫幅度達0.40 ℃/10a，其中城市化增溫的貢獻率高達81.63%；秋季、冬季的城市化增溫趨勢也較明顯，但城市化引起的春季增溫趨勢及貢獻率相對較小。以邢臺站850 hPa層探空氣溫作為區(qū)域氣候背景場來衡量城市化對氣溫變化的影響，與傳統的的城郊差異分析結果相近。

3結論與討論

綜合利用探空及地面氣象觀測資料，采用3種思路分析了1979～2010年間邢臺市城市化增溫的貢獻率。結果表明，比較探空近地層與850 hPa層氣溫序列得到年均氣溫的城市化增暖幅度為0.31 ℃/10a，貢獻率為49.21%，各季氣溫變化中城市化增溫作用從大到小依次排列為夏季、秋季、冬季、春季；對比城市站與郊區(qū)背景站地面觀測氣溫資料，得到城市熱島效應導致的增暖幅度為0.18 ℃/10a，城市化貢獻率為35.29%，城市熱島導致的季節(jié)增暖作用在秋、夏季較大，冬、春季較??；對城市站地面觀測與探空850 hPa層氣溫進行對比分析發(fā)現，城市化增溫幅度為0.19 ℃/10a，分離出的城市化貢獻率為37.25%，城市化的季節(jié)增暖作用在夏季最大、春季最小。

綜上所述，城市化對邢臺的年/季氣溫有較明顯的增暖貢獻，該增溫作用在夏秋季較大、冬春季較小。但3種方法的定量分析結果有差異，第1種方法檢測出的包括“城市熱島”、土地利用改變等在內的所有人類活動的影響，該方法中目標序列及背景序列對應值采用相同的探測儀器，消除儀器差的影響，但探空測站數量少且資料的穩(wěn)定性具有不確定性；第2種方法檢測出的是“城市熱島”的影響，該方法簡便且易于被人接受，但對于“鄉(xiāng)村”臺站所受的人類活動影響缺乏考慮，且在鄉(xiāng)村背景序列的構造方法單一；而第3種方法理論上不僅包含傳統意義上“城市熱島”的范圍，也應包括下墊面性質改變因素的影響，該方法由于目標序列與背景序列探測儀器類型不同，其資料序列存在不可避免的系統性誤差。可見，3種方法各有其合理性和局限性，相較于較傳統的城鄉(xiāng)對比法，采用探空資料為背景甚至為目標研究城市化對氣溫變化的影響不失為一種新途徑。

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責任編輯黃小燕責任校對況玲玲