環渤海沿海城市氣候變化特征及其對城市發展的響應*

彭 飛，韓增林

（遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展中心 大連 116029）

環渤海沿海城市氣候變化特征及其對城市發展的響應*

彭 飛，韓增林

（遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展中心 大連 116029）

城市發展過程中，人類活動已成為影響氣候變化的主要原因。文章以環渤海沿海城市作為研究區域，利用1951—2011年地面觀測站氣象數據，采用氣候傾向率、距平、5年移動平均、Mann-Kendall等方法檢驗分析其氣候變化特征。結果顯示：近60年來環渤海沿海城市氣候表現為明顯的溫度升高，年降水量、風速和相對濕度減小的特征，氣候傾向率分別為0．274℃／10 a、－22．398 mm／10 a、－0．165 m／（s·10 a－1）、－0．646 4%／10 a，且各氣象要素均發生突變。運用主成分分析法構建環渤海沿海城市發展水平綜合指數模型，分析出：2000—2010年該地區城市化水平不斷提升，城市化發展指數與各氣象要素之間存在相關性，城市發展所造成的下墊面性質變化，粗糙度加大，人為熱排放增多，環境污染等是影響氣候變化的主要因素。

氣候變化；城市發展；影響；環渤海沿海城市

1 引言

政府間氣候變化專業委員會 （IPCC）第四次評估報告指出：近100年來（1906—2005年）全球平均氣溫上升了0．74℃，據估計到21世紀末，全球地表平均增暖1．1℃～6．4℃［1］。中國近百年來（1908—2009年）地表平均氣溫升高了1．1℃，自1986年以來經歷了21個暖冬，2007年是自1951年有系統氣象觀測以來最暖的一年。近50年來中國降水分布格局發生了明顯變化，西部和華南地區降水增加，而華北和東北大部分地區降水減少。我國許多學者也對氣候變化特征作了一系列研究［2－6］。

沿海地區城市化過程中，土地利用產生明顯變化，人口大量增加，城市產業快速擴張［7］。這些城市化的必然結果會導致下墊面變化，人為熱排放增多，大氣污染等，并對氣候產生一定的影響。城市化對城市氣候的影響成為許多專家學者研究的重點，并得出很多有意義的結論［8－10］。華麗娟［11］分析了中國區域溫差變化以及城市化增暖效應，指出中國存在明顯的城市化增暖效應。劉學峰等［12］對石家莊地區的氣溫變化狀況和城市熱島效應特征進行分析后指出，石家莊熱島強度的增加與市區已建城區面積擴大有很大的關系。劉洪利等［13］指出，在大城市群擴展地區，近地面年平均氣溫增加幅度為0．5℃～1℃，這種增溫效應以大城市群為中心向外擴散。城市化和工業污染造成城市下游降水量增加［14］。本研究以環渤海沿海城市為研究區域，分析城市氣候變化特征，探究氣候對城市發展的響應，有助于合理規劃城市發展，適應全球氣候變化。

2 環渤海沿海城市氣候變化特征

環渤海沿海城市地處中緯度，屬溫帶—暖溫帶、濕潤—半濕潤季風氣候類型。區內主要地理單元有遼東半島、山東半島及華北平原部分地區。氣候特征主要表現為四季分明，冬季寒冷、干燥少雪，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽。由于周邊地形的環繞阻擋以及渤海半封閉型海域自身系統的特殊性，使得環渤海海岸帶地區整體氣候演變特征及氣象要素的變化都較我國其他沿海地區有較大差異。

運用計量方法分析環渤海沿海城市各氣象要素的基本變化特征和突變檢驗。所使用1951—2010年的相關氣象數據（氣溫、降水、風速、相對濕度）均來自中國氣象數據科學共享服務網，選取大連、營口、錦州、天津、唐山、滄州、濱州、濰坊8個氣象臺站作為環渤海沿海城市的代表站，用以研究此區域的氣候變化特征。

2.1 氣象要素基本特征

運用距平、氣候傾向率和5年滑動平均計算方法，分析環渤海沿海城市近60年氣象要素的基本特征 （表1和圖1）。

表1 環渤海沿海城市氣候傾向率

圖1 1951—2011年環渤海沿海城市各氣象要素距平和5年滑動平均

近60年來環渤海沿海城市年平均氣溫傾向 率為0．274℃／10 a，呈明顯的增溫趨勢，各沿海城市中唐山的增溫幅度最大，濰坊最小 （表1）。從圖1可發現年均溫距平在1988年以前以負值為主，之后為正距平，說明1988年后的氣溫明顯高于60年的平均氣溫，氣溫明顯轉暖。5年滑動平均曲線有3次明顯的波動，1963年、1983年、2008年達到波峰，2008年是氣溫最高的一年；1957年、1972年、1987年達到波谷，1957年為氣溫最低的年份。總體說，環渤海沿海年平均溫呈波動上升趨勢，年均溫經歷了“暖→冷→暖”的演變過程。特別是20世紀90年代起，環渤海沿海年均溫明顯高于前期。

近60年研究區降水呈減少的趨勢 （氣候傾向率為－22．398 mm／10a），各城市中除錦州降水量呈增多趨勢，其他各市減少，天津減少幅度最大（表1）。年降水量正負距平值交替，波動性較大（圖1），說明降水量的變率不穩定。1979年以前大多為正距平，降水量較多，1979年以后，降水量距平大多為負值，降水量明顯減少。5年滑動平均曲線波動性較大，最大年降水量出現在1964年，最少年降水量出現在2002年。

環渤海沿海風速呈減小趨勢，變化傾向率為－0．165 m／（s·10 a－1）；唐山風速減小幅度最大，營口最小 （表1）。由環渤海沿海城市風速距平變化圖可知 （圖1），1982年以前距平值大多為正值，風速較大；1991年以后距平值均為負數，風速較小。5年滑動平均曲線出現了一次波峰和一次波谷，分別在1973年和2011年。風速變化經歷了 “大→小”的過程。

相對濕度的氣候傾向率為－0．6464%／10a，呈現逐漸降低的趨勢，滄州減小趨勢最大，濰坊最小（表1）。從圖1可看出，1951—1957年環渤海城市相對濕度距平波動性較大，在一定程度上與同年降水量變化相似。

2.2 Mann-Kendall突變分析

Mann-Kendall法可以用來分析各氣象要素的變化趨勢，且此方法已得到廣泛應用［15－16］。在Mann-Kendall突變檢驗圖中，如果UF與UB在臨界值間有一個顯著的交點，且UF上升超過或下降低于臨界值，則認為序列產生了突變，UF線表示從低向高突變，UB線表示從高向低突變，二者的交點就是突變的開端。反之，則認為沒有突變產生。

分別將環渤海沿海各氣象要素值時間序列輸入DPS軟件，進行M-K突變檢驗，可得到各要素的突變檢驗圖 （圖2）。

圖2 環渤海沿海各氣象要素Mann-Kendall突變檢驗圖

分析圖2可知，氣溫發生突變的年份為1988年（α＝0．01），1988年前氣溫呈波動性增長，之后氣溫直線上升趨勢明顯，1990年達到突變顯著性水平。年降水量在1978年發生突變（α＝0．05），1978年以前呈波動增長趨勢，1978年后逐年下降，2000年達到突變顯著性水平，2003年之后呈現微弱的增多趨勢。風速UF、UB曲線在臨界值間未相交，表明風速突變未能通過檢驗 （α＝0．01或α＝0．05），但該地區1951—2010年風速統計數據表明，1975年前后，風速開始逐漸減小。相對濕度突變的年份為20世紀50年代中期（α＝0．01），突變前，呈減小趨勢，60年代到90年代初期波動增大。

3 城市發展對環渤海沿海城市氣候的影響

城市發展對區域及全球氣候變化的影響是人們廣泛關注的問題。隨著城市化進程，森林、耕地面積大量減少，而城市地面大部分為混凝土或瀝青構成的不透水路面和建筑物。城市規模的發展、城市面積的擴大和城市人口的增加，大量生活、交通、工業人為熱及溫室氣體排放，在城市下墊面的熱力、動力作用和溫室效應的影響下，形成了城市區域氣候。董鎖成等［17］指出，中國沿海地區五大城市群人口、產業和設施密集，處于海—陸交互作用的脆弱敏感地帶，氣候變化將使五大沿海城市群成為全國受氣候變化影響最大的地區。

3.1 環渤海沿海城市化進程

選擇非農業人口比重、人均GDP、第三產業比重和建城區面積比重4項指標作為衡量環渤海沿海城市化發展程度的指標 （數據來自各省、市、自治區統計年鑒2001—2011年）。運用主成分分析方法，提取第一主成分的因子載荷。上述4項指標的因子載荷分別為0．98、0．993、0．242、0．976。構建城市發展水平綜合指數Z，Z＝0．98X1＋0．993X2＋0．242X3＋0．976X4，結果見圖3。從圖3中可看出，近10年來環渤海沿海城市發展水平綜合指數呈上升趨勢，城市發展迅速。大量人口涌進城市，人口城市化率逐步提升。經濟發展迅速，人均GDP年均增長30%，第三產業比重逐步提升。城市規模逐漸擴大，建城區面積比重增加，城市下墊面變化顯著，城市建筑增多，改變了原有下墊面的熱力性質和粗糙程度。

圖3 環渤海沿海城市2000—2010年城市發展水平綜合指數

3.2 城市發展對氣候的影響

為進一步確定城市發展對氣候的影響，運用相關分析法，計算城市發展水平綜合指數與各氣象要素的相關系數。城市發展綜合指數Z與年均溫、年降水量、風速、相對濕度的相關系數分別為0．3、0．692、－0．742、－0．039。可看出，城市發展與風速、相對濕度呈負相關，與氣溫、年降水量呈正相關。從數值大小來看，城市發展與相對濕度的相關系數較小，且相關性不大；與年降水量和風速的相關性較高。隨著城市發展綜合水平指數的升高，氣溫和風速減小，而降水量增多。城市下墊面熱力性質變化導致城市增溫，形成城市熱島；城市建筑增多，加大了下墊面的粗糙度，對風速產生影響；城市內部工業發展，人為污染物排放等，增加了城市內部凝結核，容易增多降水量，形成城市內澇。

3.3 原因分析

城市規模的擴大是影響城市氣候變化最直接的因素，城市規模中最具代表性的就是城市人口數量和建城區面積。建城區面積比重逐步增加，選取的環渤海沿海8個城市建城區總面積由2000年的650 km2，增加為2010年的1 000 km2。人口數量的增多必然推進社會經濟的發展，也增加了人為熱量的排放，進而影響氣候變化。

城市產業結構合理化水平是影響城市氣候變化的一個重要因素，環渤海地區近年來經濟發展迅速，各產業結構趨向合理化發展。其中第二產業占有很大的比重，由1997年的47．3%上升到2010年的53．3%，工業的發展導致工業產品增多，例如汽車、空調等產品的消費量增加，從而導致溫室氣體增多，增溫效果明顯。

下墊面性質的變化也會對城市氣候產生影響，根據統計年鑒資料顯示，環渤海沿海地區人均道路鋪裝面積由1997年的6．19 m2增加到2010年的20．07 m2。水泥路面擴展，改變了城市下墊面的熱力性質和粗糙程度，增大了地面接受熱量的能力，從而加劇了城市熱輻射；城市高大建筑物減小了地表風力降低熱量擴散的強度，不僅造成城市氣溫升高，減小了風速，而且阻滯降水系統，使降雨量增多。

城市環境也是影響城市氣候很重要的因素，工業三廢，汽車尾氣，生活垃圾等污染物都會對增加溫室氣體量，空氣中污染物增多有利于為降水提供凝結核從而影響城市氣候變化。城市環境中綠地具有改善局地小氣候的功效。

4 結論

（1）1951—2011年環渤海沿海城市氣候變化特征明顯，主要表現為氣溫升高，年降水量、風速、相對濕度減小，各氣象要素的變化傾向率分別為0．274℃／10 a、－22．398 mm／10 a、－0．165 m／（s·10 a－1）、－0．6464%／10 a，各氣象要素都經歷了不同的波動起伏時期。Mann-Kendall突變檢驗也證明各氣象要素在這60年中發生突變，氣溫突變年份為1988年，年降水量為1978年，風速為1975年，相對濕度突變發生在20世紀50年代中期。

（2）近10年來環渤海沿海城市發展迅速，城市發展綜合指數呈上升趨勢。城市發展與風速、相對濕度呈負相關，與氣溫、年降水量呈正相關。城市發展過程中人口增多、下墊面熱力性質和粗糙度變化、環境污染等都是影響城市氣候變化的重要因素。

（3）為了適應全球氣候變化，減小人類活動對氣候的影響，在未來城市發展過程中，應當控制大城市發展規模，集中發展中小城市，合理調整產業結構，增加城市綠地面積，發展低碳經濟，提倡碳中和的生活方式。

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國家自然科學基金項目（41071094）；遼寧省教育廳創新團隊項目（LT2010057）．