韓文堂，陳學(xué)剛*，孫蓉花

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實驗室，新疆烏魯木齊 830054）

烏魯木齊城市化進(jìn)程對局地氣候變化的影響研究

韓文堂1，2，陳學(xué)剛1，2*，孫蓉花1，2

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實驗室，新疆烏魯木齊 830054）

利用1976—2014年烏魯木齊城區(qū)和郊區(qū)兩個氣象站的氣溫、降水、相對濕度和風(fēng)速氣象數(shù)據(jù)及1995—2014年烏魯木齊市城市發(fā)展數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢對比分析城區(qū)和郊區(qū)各氣候要素的年際變化特征；采用相關(guān)分析法對城市化因子和氣候要素進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：城、郊區(qū)氣溫均呈明顯的上升趨勢，城區(qū)的年均氣溫高于郊區(qū)；城區(qū)降水量是郊區(qū)的3.93倍，增長速率是郊區(qū)的3.98倍；各年代城區(qū)相對濕度比郊區(qū)大，但呈下降趨勢，郊區(qū)呈上升趨勢；各年代郊區(qū)風(fēng)速大于城區(qū)，郊區(qū)風(fēng)速約為城區(qū)的2.35倍，均呈下降趨勢。近20 a，烏魯木齊城市化進(jìn)程加快，對局地氣候影響明顯，其中對平均氣溫和相對濕度的影響最為顯著。

城市化；氣候變化；相關(guān)分析法；烏魯木齊

城市是人類活動的集中表現(xiàn)，快速的城市化在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的同時，對城市自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響，特別是對城市氣候環(huán)境的影響。氣候變化在很大程度上嚴(yán)重威脅著城市的生態(tài)環(huán)境及人們的生存條件，也逐步成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出障礙。因此，城市發(fā)展和人類活動對氣候的影響成為學(xué)者、管理者和民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。IPCC第五次評估報告明確指出：人類活動是20世紀(jì)中期以來全球氣候變暖的主因，在過去的130 a，全球升溫0.85℃，21世紀(jì)末期及以后時期的全球氣候變化主要取決于累積CO2排放[1]。1833年，英國氣候?qū)W家賴克·霍華德[2]對倫敦城、郊區(qū)的氣溫進(jìn)行同時間的對比觀測后，發(fā)現(xiàn)城區(qū)氣溫高于郊區(qū)氣溫，并在《倫敦的氣候》一書中首次提出“熱島效應(yīng)”。這是人類關(guān)注城市氣候研究的開端。隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，我國學(xué)者分別對北京[3]、上海[4]、鄭州[5]、南京[6]、西安[7]等大城市的氣溫進(jìn)行了分析研究。普遍認(rèn)為城市人口劇增、下墊面結(jié)構(gòu)變化、溫室氣體排放是城市氣溫升高的主導(dǎo)因子。除此之外，城市化對降水、濕度、風(fēng)速等氣候要素有深遠(yuǎn)的影響。朱焱等[8]利用1970—2007年蘇州城市及近郊?xì)庀笳居^測資料，結(jié)合Landsat5衛(wèi)星反演資料，統(tǒng)計分析城市化進(jìn)程對蘇州區(qū)域氣候變化的影響，認(rèn)為隨著城市化進(jìn)程的加快，城、郊區(qū)氣溫均有明顯上升趨勢，相對濕度呈下降趨勢。劉鈺等[9]分析了銀川近20 a各氣候要素變化和城市發(fā)展的關(guān)系，認(rèn)為城市發(fā)展使城區(qū)風(fēng)速、相對濕度呈顯著下降趨勢。近年來，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，在規(guī)模上，中、小型城市氣候變化的研究日益增多[10，11]。

烏魯木齊地處歐亞大陸腹地、天山中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南部，三面環(huán)山，屬于典型的溫帶大陸性氣候，作為新疆維吾爾自治區(qū)的首府、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心節(jié)點(diǎn)，近20 a，隨著城市人口不斷增加，城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，城市氣候效應(yīng)日趨明顯。眾多學(xué)者[12，13]對烏魯木齊氣候變化進(jìn)行了研究，但主要是對氣候要素變化特征分析，而有關(guān)城市化和城市氣候變化關(guān)系的研究鮮有報道。本文基于歷史氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和城市發(fā)展數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析方法，揭示城市化進(jìn)程對氣候環(huán)境的影響，為城市環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)提供有利的參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的1976—2014年烏魯木齊站和達(dá)坂城站共計39 a的氣溫、年降水量、相對濕度和風(fēng)速4個氣候要素監(jiān)測資料。烏魯木齊站監(jiān)測值代表城區(qū)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，達(dá)坂城站監(jiān)測值代表郊區(qū)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。烏魯木齊站1951年始建于建國路郊外（87°37′E，43°47′N），自建站后經(jīng)歷了4次遷站，1960年11月1日—1975年12月31日在烏魯木齊西郊機(jī)場（87°28′E，43°54′N），位于郊區(qū)，1976年1月1日遷至烏魯木齊市幸福路27號（87° 37′E，43°47′N），2000年1月1日遷至烏魯木齊市建國路97號（87°39′E，43°47′N），最后兩次遷站均位于城區(qū)，且水平距離約1 km，均能代表城市氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。

選取《烏魯木齊統(tǒng)計年鑒2015》提供的1995—2014年烏魯木齊市非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎兀?）、非農(nóng)業(yè)人口（萬人）、人均GDP（元）、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值（億元）、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重（%）、人均道路鋪裝面積（m2）、建成區(qū)園林綠地面積（hm2）、萬人擁有公交車輛數(shù)（標(biāo)臺）、建成區(qū)面積（km2）、工業(yè)廢水年排放量（萬噸）10項指標(biāo)來反映城市化進(jìn)程。

1.2 研究方法

采用線性趨勢分析法對城區(qū)、郊區(qū)兩站各氣候要素的年際變化特征進(jìn)行分析；選取烏魯木齊市既能體現(xiàn)城市發(fā)展，又能對氣候變化產(chǎn)生影響的10個因子，用對數(shù)連乘法求出能夠體現(xiàn)城市化進(jìn)程的綜合參數(shù)值，最后采用相關(guān)分析法對城市化因子和氣候要素進(jìn)行分析，探討城市化進(jìn)程對氣候要素的影響。數(shù)據(jù)分析在Excel 2003、SPSS 21.0軟件中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 烏魯木齊市城區(qū)、郊區(qū)氣候時空變化特征

2.1.1 氣溫變化

圖1為烏魯木齊城區(qū)、郊區(qū)1976—2014年間氣溫變化趨勢圖。從圖1中發(fā)現(xiàn)，兩站點(diǎn)年平均氣溫的年際變化趨勢類似，總體呈上升趨勢，城區(qū)增溫趨勢明顯大于郊區(qū)，氣候傾向率城區(qū)為0.49℃/10 a，郊區(qū)為0.22℃/10 a，增長趨勢均通過0.01顯著性檢驗。城區(qū)和郊區(qū)的多年平均氣溫分別為7.25℃和6.85℃，溫度之差為0.4℃。從年代際變化來看，20世紀(jì)70年代中期到80年代后期，兩站點(diǎn)氣溫差值較小，幾乎趨于一致，氣溫年際波動趨勢較大，20世紀(jì)90年代后，城區(qū)和郊區(qū)的氣溫均分別高于其多年平均值，氣溫升高迅速，均呈波動上升趨勢，城區(qū)氣溫增幅較大，兩站點(diǎn)氣溫差距逐漸增大，1997年城區(qū)出現(xiàn)極大值8.8℃。

圖1 溫度年際變化趨勢

2.1.2 降水量變化

1976—2014年，兩站點(diǎn)年降水量均呈上升趨勢（圖2），城區(qū)年降水量增長趨勢較顯著，增長率為14.21 mm/10 a，郊區(qū)為3.57 mm/10 a，增長趨勢均通過0.01的顯著性檢驗。城區(qū)年均降水量為292.5 mm，最大值出現(xiàn)在2007年（419.5 mm），最小值出現(xiàn)在1997年（159.8 mm），年均降水量約為郊區(qū)（74.39 mm）的3.93倍。兩站點(diǎn)降水量的年代際變化基本一致，80年代中期之前，兩站點(diǎn)降水量均低于其多年平均值，90年代初期城區(qū)降水量明顯增加，年際之間振幅加大，城區(qū)的降水量增加比郊區(qū)顯著，2000年以后兩站點(diǎn)降水量又略有減少。

圖2 降水量年際變化趨勢

2.1.3相對濕度變化

從圖3可以看出，過去39 a來城區(qū)年平均相對濕度呈下降趨勢，下降速度為0.98%/10 a，通過0.01顯著性檢驗，郊區(qū)年平均相對濕度呈上升趨勢，上升速度0.22%/10 a,未通過0.01顯著性檢驗。城區(qū)和郊區(qū)的多年平均相對濕度分別為57.41%和50.87%，各年代城區(qū)相對濕度比郊區(qū)大。從年代際變化來看，1976年到20世紀(jì)90年代中期，城區(qū)相對濕度總體高于其多年平均值，郊區(qū)相對濕度低于其多年平均值，90年代中期以后，城區(qū)相對濕度下降趨勢更加明顯，郊區(qū)相對濕度呈緩慢上升趨勢，城區(qū)相對濕度在1998年出現(xiàn)最低值51%，郊區(qū)相對濕度在2003年出現(xiàn)最大值55.58%，但仍低于同年城區(qū)相對濕度2.42%。

圖3 相對濕度年際變化趨勢

2.1.4 風(fēng)速變化

圖4給出了1976—2014年城區(qū)和郊區(qū)風(fēng)速變化趨勢。城、郊區(qū)兩站點(diǎn)年均風(fēng)速均呈減小趨勢，風(fēng)速減小速率分別為0.09 m·s-1/10 a、0.8 m·s-1/10 a，減小趨勢均通過了0.01顯著性檢驗。城區(qū)、郊區(qū)年均風(fēng)速分別為2.4 m/s、5.66 m/s，郊區(qū)風(fēng)速約為城區(qū)的2.35倍，且各年代城區(qū)風(fēng)速均小于郊區(qū)。城區(qū)風(fēng)速在1976—1979年、2000—2004年兩個階段明顯高于平均值，郊區(qū)風(fēng)速年際變化明顯，可分為3個階段：風(fēng)速偏大期（1976—1988年），風(fēng)速緩慢減小期（1989—2004年），風(fēng)速快速減小期（2005—2014年），這3個階段的風(fēng)速呈階梯狀不斷遞減。

圖4 風(fēng)速年際變化趨勢

2.2 烏魯木齊城市化水平評價

城市化是社會化大生產(chǎn)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)的必然結(jié)果，是一個國家或地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志。2014年烏魯木齊人口城市化率雖已達(dá)73%，但僅用這一指標(biāo)來反映城市發(fā)展水平還存在一定局限性。為了更全面地體現(xiàn)城市化水平，本文通過構(gòu)建城市化綜合指標(biāo)——城市化進(jìn)程參數(shù)來體現(xiàn)烏魯木齊城市發(fā)展?fàn)顩r。

選取《烏魯木齊統(tǒng)計年鑒》中既能體現(xiàn)城市發(fā)展，又能對氣候變化產(chǎn)生影響的10項因子：非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎兀▁1）、非農(nóng)業(yè)人口（x2）、人均GDP（x3）、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值（x4）、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重（x5）、人均道路鋪裝面積（x6）、建成區(qū)園林綠地面積（x7）、萬人擁有公交車輛數(shù)（x8）、建成區(qū)面積（x9）、工業(yè)廢水年排放量（x10）。非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎赜脕泶砣丝诔鞘谢?，非農(nóng)業(yè)人口用來代表城市規(guī)模，人均GDP用來代表城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值用來代表城市服務(wù)設(shè)施水平，第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重用來代表城市化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理水平，建成區(qū)面積和人均道路鋪裝面積用來代表下墊面狀況，建成區(qū)園林綠地面積用來代表城市綠化狀況，萬人擁有公交車輛數(shù)和工業(yè)廢水年排放量用來代表工業(yè)排污量。

參照李雪銘等[14]采用連乘求對數(shù)法計算城市化水平的方法，通過對數(shù)函數(shù)關(guān)系構(gòu)建反映1995—2014年間烏魯木齊城市化進(jìn)程因子綜合參數(shù)值F，

得出烏魯木齊最近20 a的城市化進(jìn)程綜合參數(shù)值F（圖5）?？梢姙豸斈君R城市化發(fā)展進(jìn)程逐步加快。

圖5 城市化進(jìn)程參數(shù)值隨時間變化曲線

2.3 城市化與氣候要素變化的關(guān)系

從圖5可以看出，1995年以后，烏魯木齊城市化進(jìn)程不斷加快，進(jìn)入快速發(fā)展階段。為分析城市化與城市氣候的關(guān)系，用人均GDP、非農(nóng)業(yè)人口、人均道路鋪裝面積、每萬人擁有公共汽車輛數(shù)和建成區(qū)面積5個描述城市化進(jìn)程的重要指標(biāo)與氣候要素進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析（表1）。

表1 城市化因子與氣候要素的相關(guān)性

結(jié)果顯示：人均GDP、非農(nóng)業(yè)人口和每萬人擁有公共汽車輛數(shù)與平均氣溫呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.465、0.59、0.53，這說明人均GDP、非農(nóng)業(yè)人口和每萬人擁有公共汽車輛數(shù)與烏魯木齊的城市溫度關(guān)系密切，是引起城市熱島效應(yīng)的重要驅(qū)動因素。

人均GDP、非農(nóng)業(yè)人口、人均道路鋪裝面積和建成區(qū)面積與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.485、-0.462、-0.475和-0.472。表明烏魯木齊城市化進(jìn)程中，隨著人口增加、城區(qū)面積和人均道路鋪裝面積擴(kuò)大，下墊面狀況發(fā)生很大改變，使城市的水汽供應(yīng)量減少，造成空氣中的水分含量減少和相對濕度降低。

3 結(jié)論與討論

（1）近39 a烏魯木齊城區(qū)、郊區(qū)平均氣溫變化趨勢相近，均呈增長趨勢，烏魯木齊增溫率為0.49 ℃/10 a，達(dá)坂城為0.22℃/10 a。20世紀(jì)90年代后期以來，城區(qū)增溫明顯加快，城區(qū)各年氣溫均高于郊區(qū)，年平均氣溫增加了約1.93℃。原因可能是烏魯木齊位于北半球中緯度地帶，在全球變暖的大背景影響下，增溫速率高；1995年以后，烏魯木齊城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模擴(kuò)大，使城區(qū)熱島效應(yīng)加劇，溫度升高?？梢?，烏魯木齊氣溫上升是全球變暖大背景下疊加了城市化進(jìn)程對局地氣候影響的綜合效應(yīng)下的結(jié)果。

（2）烏魯木齊和達(dá)坂城年降水量均呈波動上升趨勢，烏魯木齊年降水量增長趨勢較大，特別是20世紀(jì)90年代以后降水量明顯增加，增長率為14.21 mm/10 a，達(dá)坂城為3.57 mm/10 a。原因可能是由于達(dá)坂城站位于峽谷中，受地形影響，常年多風(fēng)，不利于形成降水，而烏魯木齊站處于山前平原地區(qū)，降水量比達(dá)坂城多；同時，城市規(guī)模擴(kuò)大、溫度升高使城區(qū)空氣層結(jié)不穩(wěn)定，低層水汽上升，形成對流性降水，城市建筑物的阻障作用導(dǎo)致降水時間延長[15]，使城區(qū)形成“雨島效應(yīng)”。

（3）烏魯木齊相對濕度較達(dá)坂城大，但總體呈下降趨勢，下降速度為0.98%/10 a，達(dá)坂城相對濕度呈上升趨勢，上升速度0.22%/10 a。烏魯木齊相對濕度與降水量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.559（P<0.01，n=39），烏魯木齊降水量是達(dá)坂城的3.93倍，可能是導(dǎo)致烏魯木齊相對濕度高于達(dá)坂城的主要原因；相對濕度與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.582（P< 0.01，n=39），烏魯木齊相對濕度的下降可能與城區(qū)人類活動密集、城市化進(jìn)程加快而導(dǎo)致城區(qū)溫度升高有關(guān)。

（4）達(dá)坂城風(fēng)速是烏魯木齊的2.35倍，兩站平均風(fēng)速均呈減小趨勢。風(fēng)速減小速率烏魯木齊為0.09 m·s-1/10 a，達(dá)坂城為0.8 m·s-1/10 a。烏魯木齊風(fēng)速在1976年與2000年發(fā)生突變，風(fēng)速明顯高于平均值，可能是1976、2000年兩次遷站，監(jiān)測站周邊環(huán)境更加空曠引起的變化，之后隨著城市的擴(kuò)展使風(fēng)速監(jiān)測受到影響而發(fā)生變化。達(dá)坂城風(fēng)速大于烏魯木齊，是由于達(dá)坂城受河谷地形和狹管效應(yīng)的影響，多年盛行風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速較大[16]。

（5）城市化進(jìn)程對烏魯木齊氣候影響明顯，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平（人均GDP）、城市人口規(guī)模（非農(nóng)業(yè)人口）和工業(yè)污染（每萬人擁有公共汽車輛數(shù)）與平均氣溫呈顯著正相關(guān)，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市人口規(guī)模、城區(qū)面積擴(kuò)大（建成區(qū)面積）、下墊面結(jié)構(gòu)改變（人均道路鋪裝面積）與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，平均風(fēng)速和降水量與城市化指標(biāo)無顯著相關(guān)性。表明城市化進(jìn)程對城市氣溫和相對濕度的影響最為顯著。

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Effect of Urbanization on Local Climate Change in Urumqi

HAN Wentang1，2，CHEN Xuegang1，2，SUN Ronghua1，2
（1.School of Geography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China；2.Key Laboratory of Arid Region Lake Environment and Resource of Xinjiangy，Urumqi 830054，China）

Based on the meteorological data from 1976 to 2014,the air temperature,precipitation, relative humidity and wind speed was obtained from two meteorological stations in urban area and suburb,and the statistical data of the urban development during 1995-2014 in Urumqi,this study used the method of linear trend analysis to analyze and compare the inter-annual variation characteristics of climatic factors between urban and suburban areas,and discussed the relationship between urbanization and climate factors by correlation analysis.The results showed that urban area and suburb temperature increasing significantly,while the average annual temperature in the urban area is higher than the suburbs,and rainfall is 3.93 times,the growth rate of the city is 3.98 times that of the suburbs.The humidity of urban area is relatively higher than that of suburb,but it showed a declining tendency,the humidity of suburb is on the rise.Wind speed in the suburb is greater than the urban area,wind speed is about 2.35 times that of the suburbs,showing a falling trend.Urbanization process is accelerated in Urumqi in the past two decades,evidently influenced on the local climate,especially on the average temperature and relative humidity.

urbanization；climate change；correlation analysis；Urumqi

P463.3

：B

1002-0799（2016）06-0054-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.008

2016-08-08；

2016-08-25

國家自然科學(xué)基金項目（41161029）資助。

韓文堂（1989-），男，碩士研究生，主要從事城市地理與規(guī)劃研究。E-mail：576810609@qq.com

陳學(xué)剛（1977-），男，教授，主要從事城市地理與環(huán)境研究。E-mail：caschxg@126.com

韓文堂，陳學(xué)剛，孫蓉花.烏魯木齊城市化進(jìn)程對局地氣候變化的影響研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：54-58.