何鈺清，李磊，2，3，張麗，楊紅龍

(1. 中山大學大氣科學學院，廣東 珠海 519082；2. 環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質量變化廣東省野外科學觀測研究站，廣東 珠海 519082；3. 熱帶大氣海洋系統(tǒng)科學教育部重點實驗室，廣東 珠海 519082；4. 深圳市國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040)

1 引 言

過去40 余年，中國經(jīng)歷了舉世矚目的快速城市化進程?？焖俪鞘谢M程疊加于全球變暖的大背景，給我國城市地區(qū)的氣候帶來了顯著的影響[1-2]。城市化改變了下墊面的物理屬性以及可滲水土地面積[3]，使得地表能量收支及地表溫度發(fā)生改變，從而對城市及其周圍區(qū)域的氣候、天氣以及環(huán)境產(chǎn)生重要影響[4]。許多學者報道，在中國地區(qū)，近幾十年來極端天氣更易發(fā)生[5-6]，尤其是極端降水、極端高溫和低溫[7-9]。同時，下墊面的改變對局地風場也有重要影響[10-11]，并進一步影響了局地的環(huán)境氣象條件。凡此種種，給城市如何適應氣候變化和保障公共安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

廣東省深圳市作為我國的特大城市之一，在過去的幾十年里飛速發(fā)展，成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的一個樣板型城市。深圳市的氣候在過去的幾十年同樣發(fā)生了巨大的變化，許多研究都表明城市化對深圳的氣候環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響[12-15]。一些研究給出的數(shù)據(jù)表明，1984—2002 年深圳的氣溫增長速率較快，而從2002—2010 年則呈下降趨勢[16-17]，氣候變化幅度減小。事實上，由于城市生態(tài)紅線的劃定，深圳城市建成區(qū)組團分布的空間格局在2010 年之前已基本定型[18]，這與同期深圳氣候變暖速率減緩似乎是一致的。然而，Li 等[19]指出，深圳所在的粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展在近年來從未停滯，即使城市建成區(qū)的組團格局已大致確定，城市能耗的增加和建筑物數(shù)量的增加，同樣會對局地氣候產(chǎn)生影響，從而使得粵港澳大灣區(qū)成為研究城市化氣候效應天然的實驗床（Testbed），關于本區(qū)域城市氣候的相關研究仍然有持續(xù)深入開展的空間。

特別是已有的城市氣候研究主要依賴于各個城市國家基本站（簡稱基本站）的資料開展，通常以單點的資料統(tǒng)計結果來研究整個城市的氣候變化[14]。而實際上，城市的建筑和植被分布并不均勻，下墊面不均一，對局地氣候的影響較大，依賴單站資料研究得出的結論對整個城市的代表性在一定程度上受到了影響。依賴單站資料開展城市氣候研究在過去是不得已而為之的結果，因為一旦涉及長時間序列問題（例如30 年以上），一個城市通常只有一個站有超過30 年的觀測記錄。然而，深圳作為我國經(jīng)濟最發(fā)達的城市，在過去20年內(nèi)陸續(xù)投資建設了大量區(qū)域自動氣象站，其中相當一部分站點已經(jīng)積累了10 年以上的資料，這些資料為開展精細化的城市氣候研究提供了可能[20-21]。特別是在一些比較關注氣候要素空間分布的城市氣候研究中，自動氣象站資料已經(jīng)發(fā)揮了重要作用[22-23]。

在這種背景下，采用深圳2011—2020 年的自動氣象站資料以及同期深圳國家基本站資料進行對比研究，期望通過研究回答以下問題：近10年深圳的變暖趨勢是否已如之前研究所報道的那樣有所停滯？這10 年中的城市氣候變化有什么特點？利用自動氣象站數(shù)據(jù)研究得到的城市氣候變化特點與利用基本站單站數(shù)據(jù)得到的結果有何不同？而回答這些問題，將進一步提升對于深圳這一超大城市氣候特點的科學認識，并為深圳的適應氣候變化工作和精細化管理提供科學依據(jù)。

2 資料與方法

截止到2020 年底，深圳市已建有超過200 個自動氣象站，根據(jù)數(shù)據(jù)的完整程度以及站點的地理位置，本文在深圳的寶安區(qū)、南山區(qū)、大鵬區(qū)、鹽田區(qū)、羅湖區(qū)、福田區(qū)、坪山區(qū)、龍崗區(qū)、光明區(qū)、龍華區(qū)分別挑選了3 個數(shù)據(jù)積累10 年以上的站點代表各個區(qū)(圖1、表1)，本文所用的平均溫度、平均相對濕度以及2 分鐘平均風速資料為2011—2020年的逐小時數(shù)據(jù)，日最高溫度、日最低溫度、降雨量為2011—2020 年的逐日數(shù)據(jù)。其中，光明區(qū)的塘家站以及坪山區(qū)的沙湖站相對濕度數(shù)據(jù)全部缺測，因此不計入統(tǒng)計?；瑒咏邓繑?shù)據(jù)同樣來自深圳的自動氣象站，本文以深圳各個區(qū)為劃分，分別統(tǒng)計了2011—2020 年每年前30 個極值，滑動取樣時間分別為30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h。深圳市國家基本氣象站為竹子林站，已包含在選取的30個站點中，氣象數(shù)據(jù)為月平均溫度、日最高溫度、日最低溫度、月平均風速、月平均相對濕度以及月降雨量，月尺度數(shù)據(jù)來自深圳市國家氣候觀象臺在2011—2019年期間發(fā)布的逐月氣象監(jiān)測公報。利用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)的年平均值、年總量進行一元線性擬合得到年增長率，并進行顯著性檢驗。最后采用反距離權重插值法對上述月平均數(shù)據(jù)、月總量、年平均數(shù)據(jù)、年總量、年增長率進行空間插值。

表1 深圳各區(qū)觀測站

圖1 深圳自動氣象站(菱形)、國家基本站(圓形)位置分布

3 氣候分析結果

3.1 溫 度

利用深圳30個自動氣象站以及基本站的逐小時氣溫數(shù)據(jù)、日最高溫度、日最低溫度數(shù)據(jù)以及大灣區(qū)范圍的逐小時氣溫數(shù)據(jù)(ERA5 再分析數(shù)據(jù))計算得到2011—2020 年的年平均氣溫時間序列(圖2)。利用最小二乘法進行一元線性擬合得到溫度的變化趨勢(圖2 中虛線)，變化趨勢的顯著性均通過α=0.05 的顯著性檢驗。由圖2 可獲得以下信息：(1) 基本站與自動站記錄數(shù)據(jù)所反映的氣候變化總體趨勢接近，但變化的斜率有所不同；(2)基本站與自動站記錄的年平均氣溫數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)顯著上升趨勢，這表明深圳市的氣候變暖趨勢在近10年內(nèi)并未停滯；(3) 深圳的基本站與自動站記錄的氣溫數(shù)據(jù)均比大灣區(qū)整體氣溫高大約1 ℃，表明深圳基本站總體上代表城市建成區(qū)的情況，熱島效應明顯；(4) 基本站反映的升溫速率與大灣區(qū)平均升溫速率保持一致，這表明深圳基本站所處位置的城市建成區(qū)格局已相當穩(wěn)定，故基本站記錄到的10 年升溫基本上均由區(qū)域總體升溫造成，城市化的影響在基本站升溫過程中幾乎沒有貢獻；(5) 自動站數(shù)據(jù)反映的年平均氣溫增長率約為0.15 ℃/a，比基本站和區(qū)域的升溫率約高36%。這表明，從深圳面上的情況看，過去10年城市化對深圳整體升溫的貢獻率大約為36%；(6) 由于地處城市中心區(qū)，基本站日最高溫度的年平均數(shù)據(jù)比自動站高，且其升溫幅度也更高，達到了0.18 ℃/a；(7) 基本站日最低溫度的年平均數(shù)據(jù)比自動站仍略高，但其升溫幅度卻小于自動站，為0.14 ℃/a；(8) 基本站年平均氣溫日較差(Diurnal Temperature Range, DTR)比自動站高，平均每年增加0.04 ℃，且DTR變化趨勢與自動站相反。

圖2 2011—2020年深圳氣溫相關要素的變化情況 a. 自動站、基本站觀測的年平均氣溫、ERA5再分析數(shù)據(jù)反映的大灣區(qū)年平均氣溫及它們的一元線性擬合趨勢；b. 2011—2020年深圳自動站和基本站年平均日最高氣溫；c. 年平均日最低氣溫；d. 年平均DTR及其一元線性擬合趨勢。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，自動氣象站的最低氣溫升溫速率要高于最高氣溫的升溫速率，從而導致年平均DTR 呈下降趨勢，平均每年減小0.01 ℃，這與前人的研究結論相同[24]。而用基本站單站得到的結論卻正好相反，這表明在深圳用基本站單站觀測數(shù)據(jù)分析出來的近10 年氣候變化，可能會出現(xiàn)與一些已有研究相矛盾的結論。盡管很難判斷基本站單站反映的氣候趨勢是否準確，但本文的分析至少已表明，用它來代表全市域的情況是有可能會出現(xiàn)矛盾的，而用自動站網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值來反映氣候趨勢，則與本區(qū)域已有的大量研究結論更為一致。當然，自動站與基本站所反映的趨勢的差異，還需要在未來更長時間序列資料基礎上進一步跟蹤觀察。

利用自動站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到2011—2020 年的每月平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫，深圳市的最高月平均氣溫出現(xiàn)在7 月，最低月平均氣溫則為1 月，平均日最高氣溫在6、7、8、9 月突破30 ℃，平均日最低氣溫為12.87 ℃，出現(xiàn)在1月份。對30 個站點統(tǒng)計得到的2011—2020 年月平均氣溫以及年平均氣溫進行反距離權重空間插值(圖3)。溫度分布受下墊面用地類型及海拔高度差異的影響較大，總體上平均氣溫呈西高東低態(tài)勢，這是因為城市建成區(qū)主要集中在西部，而東部的鹽田和大鵬區(qū)均有大面積的山林最熱的7 月份城市熱島效應顯著，有1 ℃以上的區(qū)域溫度差異，特別在寶安區(qū)北部、龍崗區(qū)北部、坪山區(qū)北部以及光明區(qū)屬內(nèi)陸，海拔較低，海風被山體阻擋難以深入，因而溫度較高。受大的環(huán)流背景影響，深圳市1月受干冷空氣影響較大，氣溫最低且分布較為均勻，氣溫差異在1 ℃以內(nèi)。

圖3 深圳年平均氣溫(a)、7月平均氣溫(b)、1月平均氣溫(c)、年平均DTR(d)空間分布

圖4為深圳市的年平均氣溫、年平均日最高氣溫、年平均日最低氣溫、年平均DTR增長率空間分布。賴鑫等[14]根據(jù)天空開闊度、人口以及經(jīng)濟將深圳劃分為發(fā)達地區(qū)(福田、羅湖、南山)、新興發(fā)展地區(qū)(龍華、光明、坪山)、和未發(fā)展地區(qū)(大鵬)，而寶安區(qū)西部、龍崗北部以及鹽田中東部為未發(fā)展區(qū)域，其余為新興發(fā)展地區(qū)。從圖4 中可看出，平均溫度增長率為0.11～0.24 ℃/a，發(fā)達地區(qū)以及新型發(fā)展地區(qū)普遍增溫較大，而升溫最快的區(qū)域為光明區(qū)。日最高氣溫以及日最低氣溫的增長率區(qū)間分別為0.06～0.25 ℃/a、0.11～0.26 ℃/a，與此同時，大多數(shù)地區(qū)DTR 也呈下降趨勢。福田區(qū)DTR呈上升趨勢主要是由于最高氣溫升高幅度較大造成的，作為城市中心區(qū)，福田區(qū)CBD 高樓日益增多，消耗了更多的能源，特別是午間高溫時段，用于制冷的能耗在過去10 年中快速增長，進一步推升了室外的最高氣溫。而在深圳未開發(fā)區(qū)整體增溫較少的情況下，大鵬區(qū)東部最高溫和DTR 都有較大幅度的增加，這可能是測站周圍景區(qū)開發(fā)導致能耗增加造成。

圖4 深圳年平均溫度(a)、年平均日最高溫度(b)、年平均日最低溫度(c)、年平均DTR(d)增長率空間分布

3.2 風 速

受城市化進程的影響，整個大灣區(qū)的近地面風速均呈下降趨勢[25]，對熱量、污染物的擴散不利。對比2011—2020 年的年平均風速(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，自動站與基本站觀測到的年均風速均呈下降趨勢，但總體上自動站下降速率稍緩，約每年減小0.03 m/s。而基本站的下降趨勢約為每年0.05 m/s，這與深圳基本站周圍近年來的城市建設開發(fā)不無關系[17]。盡管已經(jīng)采取了比較嚴厲的管控措施，但近10年深圳基本站周邊3 km 范圍內(nèi)的高樓數(shù)量仍有增加，從而增加了基本站所在區(qū)域的粗糙度，導致了近地面風速下降較快。

圖5 深圳2011—2020年自動氣象站與國家基本站年平均風速及其一元線性擬合趨勢(黑色虛線)

采用上節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法得到深圳市年平均風速空間分布圖(圖6a)，以及年平均風速增長率空間分布圖(圖6b)。年平均風速有顯著的區(qū)域性特征，最大值與最小值相差2.2 m/s，未發(fā)展的生態(tài)區(qū)風速較大，例如大鵬區(qū)通常月平均風速都大于2 m/s，這是因為這些地區(qū)建筑稀疏，地面粗糙度相對小，且地形以山地為主，海拔較高，因而風速較大。西北內(nèi)陸的新興發(fā)展地區(qū)風速較小，均小于2 m/s，這些地區(qū)離海洋稍遠，海風深入內(nèi)陸會因沿海城市建成區(qū)的阻尼作用而損失動能。統(tǒng)計月尺度自動站風速數(shù)據(jù)可得，月平均風速沒有顯著的季節(jié)性變化，12月平均風速最大為2.11 m/s，1—11 月均小于2 m/s，8 月風速最低。圖6b 表明，深圳市年平均風速在過去10 年基本呈下降趨勢，總體而言，發(fā)達地區(qū)風速下降速度比新興發(fā)展地區(qū)更快。但風速下降速率最快的地區(qū)卻出現(xiàn)在了大鵬區(qū)的桔釣沙站，該站年均風速在10 年中下降了約2.6 m/s。究其原因，是因為該站周邊在過去10年中提升了開發(fā)強度，并建設了多個游艇碼頭，測站周圍下墊面粗糙度迅速增大從而使得風速大幅下降。全市僅有光明區(qū)的塘家站、南山區(qū)的西麗站、鹽田區(qū)的三洲田站的年平均風速整體趨勢為增加，但增幅極小，不具有市域面上的代表性。

圖6 深圳年平均風速空間分布(a)以及年平均風速年增長率空間分布(b)

3.3 平均相對濕度

圖7 給出了基本站和自動站觀測到的過去10年相對濕度年均值的變化情況，二者之間的差異要大于年均氣溫，基本站記錄到的濕度起伏要大于自動站記錄到的平均值。擬合得到的二者的線性變化趨勢均呈為正，表明過去10 年深圳的相對濕度總體上是呈緩慢增加的態(tài)勢，且無論是基本站觀測數(shù)據(jù)還是自動氣象站觀測數(shù)據(jù)，結論是一致的。然而，無論是經(jīng)典教科書，亦或是已有的關于珠三角地區(qū)城市氣候的研究，均指出由于城市化導致下墊面硬化面積增加，土壤的涵水能力下降，從而導致濕度呈下降趨勢[14]。但在近期Li等[19]一項綜述性研究中，對粵港澳大灣區(qū)的11 個城市的1971—2019 年的平均相對濕度進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在1971—2011 年期間粵港澳大灣區(qū)的相對濕度確實呈顯著下降趨勢，而自2012年開始，整個灣區(qū)的相對濕度卻呈顯著上升趨勢。Li 等[19]猜測這種上升趨勢可能與部分站點遷站有關，然而本文的研究卻表明，這種上升趨勢并不一定是由遷站造成，因為本文所用的資料來源站點在過去10 年中未遷址。鄧玉嬌等[26]指出近年來廣東省的歸一化植被指數(shù)（NDVI）卻總體呈上升趨勢，全省NDVI 正增長區(qū)面積占比達94.50%。這表明，盡管城市化進程十分迅速，但生態(tài)環(huán)境質量仍然得到了較大范圍和較大程度的改善，即使是在城市建成區(qū)，公共綠地和城市森林仍然保持了一定的面積，甚至還有所擴張，從而增加了城市的涵水能力。特別是深圳近年來開展了大規(guī)模的海綿城市建設，更是顯著增加了城市地表的透水能力和整個地面的涵水能力，而相對濕度在近10 年的逐漸上升，不過是城市生態(tài)環(huán)境改善和海綿城市建設在氣候要素上的一個具體體現(xiàn)。

圖7 深圳2011—2020年自動氣象站與國家基本站年平均相對濕度及其一元線性擬合趨勢(黑色虛線)

自動站年平均相對濕度空間插值的結果如圖8 所示，深圳的年平均相對濕度變化區(qū)間約為67%～83%，有明顯的區(qū)域性特征，總體呈東高西低的格局，未發(fā)展地區(qū)植被覆蓋率高，因而相對濕度較高。對月平均相對濕度進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有較明顯的季節(jié)性變化特征，雨季(4—9 月)的相對濕度較大，5 月份月平均相對濕度最高，部分地區(qū)最高達到85%以上，而12 月為相對濕度最低的時期，受干冷空氣的影響，深圳大部分區(qū)域的月平均相對濕度在60%～65%。對相對濕度的年均增長率進行差值得到圖8，可發(fā)現(xiàn)深圳市大部分區(qū)域相對濕度都呈增加趨勢，且最高每年增長約1.33%，只有龍崗區(qū)南灣站觀測到的相對濕度呈下降趨勢，并不具備區(qū)域面上的代表性。

圖8 深圳年平均相對濕度空間分布(a)、5月平均相對濕度空間分布(b)、12月平均相對濕度空間分布(c)以及年平均相對濕度年增長率空間分布(d)

3.4 降水量

深圳市2011—2020年自動站與基本站的年總降水量數(shù)據(jù)如圖9 所示，二者差異并不大，且波動均較為劇烈。擬合得到的年總雨量的線性趨勢均呈上升趨勢，但增長率有所不同，自動站的年總降水量每年增長11.27 mm，而基本站的增長率是自動站的3倍，然而考慮到受環(huán)流形勢的影響年總雨量的年際振蕩較為劇烈，僅靠10 年的數(shù)據(jù)還難以確認上升趨勢確實存在。深圳年總降水量的空間分布情況受下墊面的影響較大(圖10a)，迎風坡地形導致深圳市有兩個降水中心(均為未發(fā)展地區(qū))，一個是深圳中部鹽田區(qū)及周邊地區(qū)，另一個是大鵬區(qū)東部，最大年降雨量達到2 207.05 mm，與深圳西南部最小年降雨量的差值約為780 mm。同樣地，計算得到年總降水量增長率分布圖(圖10b)，發(fā)現(xiàn)深圳大多數(shù)地區(qū)的年總降水量在大部分地區(qū)均呈上升趨勢，且東部山區(qū)的增長率高于西部城區(qū)，僅在珠江口的寶安地區(qū)增長率為負。同樣地，這種變化趨勢還有待更長時間序列的資料予以確認。

圖9 深圳2011—2020年自動氣象站與國家基本站年總降水量及其一元線性擬合趨勢(黑色虛線)

圖10 深圳年總降水量空間分布(a)以及年總降水量增長率空間分布(b)

為得到極端降水的變化情況，分區(qū)統(tǒng)計了每年不同歷時滑動雨量的前30 個最大記錄值，計算其年平均值后再進行一元線性擬合得到不同滑動時間的極端降水量的年平均變化趨勢，如圖12 所示?？梢钥吹?，除光明區(qū)外，深圳發(fā)達地區(qū)以及新興發(fā)展地區(qū)的短歷時(30 min～6 h)滑動雨量的極端值實際上呈下降趨勢，而長歷時的極端降雨量(12～72 h)呈增加趨勢，說明足以誘發(fā)城市地質災害的長歷時暴雨風險有一定程度增加。未發(fā)展地區(qū)在不同歷時的極端降水量都呈上升趨勢，說明這些地區(qū)的地質災害風險比城區(qū)更高，更需要加強防范。

圖11 深圳各區(qū)不同歷時極端降水量的線性增長率

4 結論與討論

利用深圳市30個自動氣象站記錄到的氣象數(shù)據(jù)的平均值與深圳市國家基本站的進行對比，結果表明，二者所描述的氣候變化均呈氣溫變暖、風速減小和濕度增加的趨勢。但二者得到的波動趨勢并不完全一致，年平均增長率也有所不同。

自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的均值年際變化趨勢表明，深圳市2011—2020 年的平均氣溫增長率約1.47 ℃/(10 a)，比上一個10年顯著增加，氣候變暖并未停滯，且過去10 年城市化對深圳總體升溫的貢獻率大約在36%左右。在深圳西北地區(qū)，日最高氣溫年平均值已突破了30 ℃，城市總體上變得更為炎熱。同時，受城市化的影響，深圳市DTR在較大范圍內(nèi)呈減小趨勢，但在少數(shù)地區(qū)卻反常地呈現(xiàn)了上升趨勢，這可能與這些地區(qū)最高溫的過快升高有關。受城市粗糙度增加的影響，深圳的地面風速總體呈下降趨勢，其中發(fā)達地區(qū)風速下降更快，平均每年最高下降0.1 m/s 以上。與以往的研究不同，2011—2020 年深圳市的平均相對濕度呈上升趨勢，大約每年增加0.57%，最高每年增長1.33%，一個重要的原因可能是生態(tài)環(huán)境的改善增加了城市的涵水能力。2011—2020年深圳年總降水量呈波動上升趨勢，平均每年增加11.27 mm。統(tǒng)計深圳各區(qū)不同時次的極端降雨量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，未發(fā)展地區(qū)的極端降雨量增速較大，年總降水量的增長率也較高，增長率最高為42.41 mm/a，而其他地區(qū)的6 h 以內(nèi)的滑動降水量極大值均呈下降趨勢。

此外，本文的研究表明，隨著自動氣象站積累數(shù)據(jù)的增加，利用多個自動氣象站長時間序列數(shù)據(jù)，可以對深圳局地氣候變化特征進行更加精細化的分析。這對國家基本站而言是一種有益的補充，有助于更加深刻地發(fā)掘城市化與氣候變化的關系。特別是，利用自動站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)對氣候趨勢進行分析，對于城市整個市域的代表性更有保障，從而可以避免單站觀測數(shù)據(jù)的代表性問題。