北京市氣溫變化與城市化進(jìn)程關(guān)系研究

范紫婷，王默玉，申曉留，許瀝文

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

1 引言

人類活動(dòng)是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因，而城市化是人類活動(dòng)的集中體現(xiàn)。城市化(urbanization)最早是由西班牙人塞羅達(dá)在《城鎮(zhèn)化基本理論》一書(shū)中提出。隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)也變得越來(lái)越明顯。《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū) 2019》指出，1901～2018年，中國(guó)地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，氣候系統(tǒng)變暖趨勢(shì)進(jìn)一步持續(xù)[1]。

我國(guó)學(xué)者對(duì)于城市化對(duì)氣溫的影響研究已經(jīng)比較全面，曹霄霄等[2]采用主成分分析法和UMR城郊對(duì)比法等定量計(jì)算城市化對(duì)城市氣溫的影響，得出城市化的發(fā)展使得城市氣溫上升，尤其極端低溫上升最為明顯的結(jié)論。鄭倩云等[3]采用相關(guān)性回歸分析的研究方法得出2010～2015年京津冀城市群以低溫區(qū)和中溫區(qū)面積呈下降趨勢(shì)，次低溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)面積均呈上升趨勢(shì)的結(jié)論。時(shí)子童等[4]分析了1980～2009年長(zhǎng)江三角洲地區(qū)站點(diǎn)氣溫變化和站點(diǎn)周邊城市擴(kuò)展速率，發(fā)現(xiàn)城市化對(duì)年最低氣溫增溫貢獻(xiàn)率最高(28.44%)。但是城市化水平的評(píng)價(jià)與對(duì)城市氣溫的影響相結(jié)合的研究較少，由此本文基于主成分分析法評(píng)價(jià)北京市城市化水平，進(jìn)而結(jié)合北京市氣溫變化特征探討城市化進(jìn)程對(duì)氣溫的影響。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取了常住人口、城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積、地區(qū)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值、貨物進(jìn)出口總值、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、城市用電量、城市有效供水量、城市綠化覆蓋率、每千戶籍人口醫(yī)院床位數(shù)、城鎮(zhèn)居民家庭恩格爾系數(shù)，這十二個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)該城市的城市化水平。表征城市化水平的部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于北京市統(tǒng)計(jì)年鑒。

本文的氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家氣象中心提供的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)以及美國(guó)NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)全球氣象站點(diǎn)公布的氣溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲取到北京市1951～2017年逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2.2 研究方法

主成分分析法利用降維的思想把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)主成分，其中每個(gè)主成分均反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)。本文研究的問(wèn)題比較復(fù)雜，選取的城市化水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)包含多項(xiàng)影響因子，且因子之間存在聯(lián)系，選用主成分分析法能夠簡(jiǎn)化問(wèn)題。

主成分分析法的主要計(jì)算過(guò)程包括數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理、檢驗(yàn)變量之間是否有相關(guān)性和計(jì)算數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣以及計(jì)算變量的因子載荷矩陣。本文利用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和主成分分析。

3 模型與結(jié)果

3.1 北京市溫度變化特征

為了更直觀地反映北京市氣溫變化，將前文整理得到的北京市1951～2017年逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)繼續(xù)整理，分為年平均氣溫、春季平均氣溫、夏季平均氣溫、秋季平均氣溫以及冬季平均氣溫進(jìn)行分析。

圖1是北京市年平均氣溫變化情況，對(duì)年平均氣溫進(jìn)行線性回歸y=0.0412x+10.897。由圖可知，1951～2017年67年間，年均氣溫為12.5 ℃，從1988年之后年平均氣溫均高于年均氣溫。年平均氣溫的線性上升率為0.48 ℃/(10 a)。20世紀(jì)50、60年代和80年代氣溫變化波動(dòng)較大，其余時(shí)間波動(dòng)較為平緩，尤其20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)氣溫平穩(wěn)上升。

對(duì)北京市的春夏秋冬四季的平均氣溫進(jìn)行線性擬合并畫(huà)出趨勢(shì)線，圖中折線表示各季年平均氣溫，水平虛線表示1951年以來(lái)各季的平均氣溫，斜線表示各季氣溫變化趨勢(shì)。圖2為北京市四季的平均氣溫變化情況，可以看出，北京市的四季平均氣溫均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，春季平均氣溫上升趨勢(shì)最為明顯。趨勢(shì)線斜率為春季(0.0509)大于冬季(0.0458)大于秋季(0.0339)大于夏季(0.0315)。近幾年不論是年平均氣溫還是四季的平均氣溫均高于其平均值。夏季秋季氣溫變化較為平緩，春季冬季波動(dòng)較大。

3.2 運(yùn)用主成分分析法對(duì)城市化水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

城市化是現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，它是一個(gè)多維概念，本文采用定量分析的方式來(lái)研究北京城市化水平，選取了三類指標(biāo)，即從三個(gè)角度對(duì)城市化水平進(jìn)行分析：常住人口(x1)、城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積(x2)，這兩個(gè)指標(biāo)反映該城市的規(guī)模情況；地區(qū)生產(chǎn)總值(x3)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值(x4)、規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值(x5)、貨物進(jìn)出口總值(x6)，這四個(gè)指標(biāo)反映該城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況；城鎮(zhèn)居民人均可支配收入(x7)、城市用電量(x8)、城市有效供水量(x9)、城市綠化覆蓋率(x10)、每千戶籍人口醫(yī)院床位數(shù)(x11)、城鎮(zhèn)居民家庭恩格爾系數(shù)(x12)，這六個(gè)指標(biāo)反映該城市的居民生活情況。

圖2 北京市四季的平均氣溫變化情況

將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后保存為變量直接用于主成分分析，在進(jìn)行主成分分析前還需要進(jìn)行變量相關(guān)性檢驗(yàn)，本文選用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和巴特利特檢驗(yàn)，確保變量之間相關(guān)系數(shù)高，適合使用主成分分析法。使用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，KMO值取樣適切性量為0.871，位于0.8～0.9之間且巴特利特球形檢驗(yàn)的結(jié)果小于0.05，說(shuō)明原始變量之間存在相關(guān)性，可以運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行降維處理。

本文使用spss軟件進(jìn)行主成分分析，主成分分析的結(jié)果如圖3所示，第一列為12個(gè)成分；第二列為對(duì)應(yīng)的特征值，表示所解釋的方差的大小；第三列為對(duì)應(yīng)的成分所包含的方差占總方差的百分比；第四列為累計(jì)的百分比。只有第一主成分的特征根超過(guò)1，其貢獻(xiàn)率達(dá)93.328%，第一主因子Z1只與家庭恩格爾系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與其他都正相關(guān)。

輸出提取的成分矩陣如圖4所示，圖中的數(shù)值為公因子與原始變量之間的相關(guān)系數(shù)，絕對(duì)值越大說(shuō)明關(guān)系越密切。x2、x11一定程度上代表下墊面性質(zhì)，x3、x4、x5、x7一定程度上代表經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，因此，影響北京市氣溫變化的主要因素是城市人口集聚、下墊面性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及居民用水用電。

圖3 主成分分析結(jié)果

3.3 城市化進(jìn)程與氣溫變化的關(guān)系

出于城市的發(fā)展需要，土地利用類型發(fā)生改變、人為熱以及工業(yè)生產(chǎn)排出的污水和廢氣等使得城市“高溫化”。19世紀(jì)初，英國(guó)氣候?qū)W家路克·霍德華(Luke Howard)在《倫敦的氣候》一書(shū)中首先提出了“熱島效應(yīng)”的氣候特征理念。

圖4 主成分載荷情況

前文經(jīng)過(guò)主成分分析獲得多個(gè)成分，為簡(jiǎn)化計(jì)算選擇影響大于0.95的9個(gè)成分因子，參照劉霞等[5]的方法利用對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系構(gòu)建城市化因子Fu(Urbanization factor)，數(shù)據(jù)選取相同的時(shí)間段(1985年至2017年)。圖 5中平滑曲線表示城市化因子Fu，折線表示年平均情況，虛線為年平均氣溫趨勢(shì)線。從圖5可以看出，城市化進(jìn)程在不斷推進(jìn)，近幾年城市化因子Fu上升較為平緩，氣溫隨著城市化進(jìn)程的加速而逐年升高。利用SPSS軟件對(duì)Fu與年平均氣溫、各季平均氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Fu分別與年平均氣溫、春季平均氣溫、夏季平均氣溫、秋季平均氣溫呈顯著正相關(guān)，而對(duì)冬季平均氣溫的影響則不明顯(表1)。但現(xiàn)實(shí)生活中冬季取暖等人為熱因素會(huì)影響年平均最低氣溫，因此冬季相關(guān)性較低可能是樣本數(shù)量太少或者所選人為熱相關(guān)指標(biāo)太少導(dǎo)致。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正處于城市化發(fā)展的高峰期，1985～2018年北京市城市化綜合發(fā)展水平逐年提高，近幾年年均增長(zhǎng)

圖5 城市化水平與年平均氣溫的關(guān)系

表1 城市化進(jìn)程與氣溫變化的相關(guān)關(guān)系

率較為平緩。北京市的年平均氣溫和各季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，春季平均氣溫上升趨勢(shì)最為明顯，年平均氣溫增溫率大于同期全國(guó)的年平均增長(zhǎng)水平。城市化進(jìn)程與城市氣溫變化存在顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)不能忽視環(huán)境保護(hù)。分析結(jié)果表明，城市化發(fā)展到一定階段，人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)于城市環(huán)境問(wèn)題也會(huì)采取有效措施，城市環(huán)境會(huì)得到一定改善，使得城市氣溫上升變緩。