山西省氣溫變化特征及其城市化效應(yīng)＊

周雅清，胡桃花，王弢，郭彩萍

山西省氣溫變化特征及其城市化效應(yīng)＊

周雅清1，胡桃花2，王弢1，郭彩萍1

（1.山西省晉中市氣象局，山西 晉中 030600；2.山西省朔州市氣象局，山西 朔州 036000）

利用山西省近6年408個高密度自動氣象站逐時氣溫資料，對比分析了城市和鄉(xiāng)村臺站氣溫日變化特征和極端氣溫出現(xiàn)時間概率分布。結(jié)果表明，山西省城市站年平均氣溫在全天所有時段均高于鄉(xiāng)村站，午后到夜間兩者差異更明顯；四季氣溫日變化與年平均氣溫相似，但夏季和春季氣溫日內(nèi)變化相對平緩，城鄉(xiāng)差異更顯著。氣溫城市化影響顯著時段主要在午后到夜間，20：00—21：00達到峰值，近中午時降到谷值；從日最高（低）氣溫出現(xiàn)概率看，山西省城市站和鄉(xiāng)村站日最高氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為15：00，日最低氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為06：00，城市站最高（低）氣溫出現(xiàn)時間比鄉(xiāng)村站有延后傾向。

氣溫；日變化；城市化效應(yīng)；自動站

全球變暖因其影響深遠受到人們的廣泛關(guān)注。任國玉等[1]研究發(fā)現(xiàn)，1951—2004年中國地面溫度升高趨勢接近0.25 ℃/10年，比同期全球或北半球平均高得多，尤其以北方和青藏高原增溫最明顯，城鎮(zhèn)化造成的升溫問題應(yīng)該得到重視。盡管IPCC第四次評估報告[2]指出在全球或者半球尺度上城市熱島效應(yīng)可以忽略不計，但在區(qū)域尺度上，大量研究表明城市熱島對地表氣溫的增暖趨勢有重要影響[3-4]。張愛英等[5]的研究表明，中國大陸1961—2004年國家站平均氣溫增溫率為0.278 ℃/10年，其中城市化增溫率占全部增溫率的27.33%。周雅清等[6]研究發(fā)現(xiàn)，1961—2000年華北地區(qū)城市熱島效應(yīng)加強因素引起國家基本、基準(zhǔn)站年平均氣溫增暖達到0.11 ℃/10年，占全部增溫的37.9%。長三角[7]、珠三角[8]等地的研究也表明區(qū)域地面氣溫序列中存在明顯的城市化偏差。在以往的研究中，多采用國家級臺站資料對城市熱島進行評估，由于密度有限，對城市內(nèi)部氣象要素的日變化特征缺乏詳細(xì)分析。近年來，隨著高密度區(qū)域自動站的布設(shè)，積累了大量高時空分辨率的觀測資料，為揭示氣溫的精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征以及城鄉(xiāng)差異提供了數(shù)據(jù)支撐。

山西省位于華北地區(qū)，地形復(fù)雜，是典型的資源型經(jīng)濟地區(qū)，特殊的工業(yè)化道路導(dǎo)致了特殊的城鎮(zhèn)化過程。本文利用2011—2016年山西省加密自動氣象站逐時氣溫資料，對比分析了城鄉(xiāng)臺站氣溫日變化、日極端氣溫概率分布的差異，為更好地理解山西省氣溫變化規(guī)律，評估城市熱島增強效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

山西省有109個國家氣象站，2010年以前啟用的兩要素（氣溫、降水）及以上的區(qū)域自動氣象站618個。去掉整年無數(shù)據(jù)的以及氣溫資料缺測超過1/3的臺站，選用2011—2016年408個國家和區(qū)域自動氣象站逐小時氣溫觀測資料進行分析，如圖1所示。對所用觀測數(shù)據(jù)進行了界限值檢查、時間一致性檢查和空間一致性檢查[9]。檢測出的錯誤數(shù)據(jù)按照缺測處理。

根據(jù)臺站位置和周邊環(huán)境將上述408個臺站分為城市站和鄉(xiāng)村站：位置描述為“鄉(xiāng)村”或“山頂”，且在Google earth高清地圖上，以臺站為中心的半徑2 km范圍內(nèi)，建成區(qū)面積在1/3以內(nèi)的臺站定義為鄉(xiāng)村站（325個)，代表氣候背景變化；其余臺站則定義為城市站（83個），如圖1所示。

注：黑色點為城市站，灰色點為鄉(xiāng)村站。

為了定量評價城市化擴張對氣溫變化的影響，參照周雅清等的研究[10]定義如下術(shù)語：城市化影響是指由于城市熱島

效應(yīng)等因素引起的城市站與鄉(xiāng)村站氣象要素值的差異，用 △ur表示。△ur值越大，表明城市化影響越顯著。設(shè)△u為城市站氣象要素的值，△r為鄉(xiāng)村站氣象要素的值，那么城市化影響（△ur）的表達式為：

△ur=u－r（1）

2 結(jié)果分析

近6年山西省年平均氣溫日變化的城鄉(xiāng)對比如圖2所示，由圖2可見，城市站所有時次的氣溫均高于鄉(xiāng)村站，午后到夜間差異尤其明顯。從日變化來看，兩者都是15：00達到最高，06：00降到最低，城市站氣溫上升速度與鄉(xiāng)村站差別不大，但下降速度比鄉(xiāng)村站緩慢。四季變化與年變化相似，但春季和夏季氣溫變化相對平緩，城鄉(xiāng)差異更明顯；秋季和冬季升溫快，降溫也快，正午前后氣溫城鄉(xiāng)差異非常小，具體如圖3所示。

圖2 山西省2011—2016年年平均氣溫日變化

圖3 山西省2011—2016年四季平均氣溫日變化

利用城市站和鄉(xiāng)村站的逐時氣溫，根據(jù)公式（1）計算得到氣溫城市化影響的日變化，如圖4所示。可以看出，山西省年平均氣溫城市化影響日內(nèi)變化在0.2～1.9 ℃之間，午后到夜間在1 ℃以上，20：00—21：00達到峰值，日出后迅速減小，近中午時降到谷值。從季節(jié)變化看，夏季氣溫城市化影響最明顯，日內(nèi)變化在0.6～2.2 ℃之間，夜間 20：00—24：00均達到2 ℃以上；其次為春季，城市化增溫在0.4～2.2 ℃之間，峰值也是在夜間；秋季城市化增溫相對較低，在0.1～1.6 ℃之間；冬季氣溫城市化影響最低，日內(nèi)變化在﹣0.2～1.4 ℃之間，正午前后為負(fù)值，午后緩慢升高，峰值在20：00前后。

與北京[11]冬季城市熱島強度最強不同，山西省冬季氣溫城市化影響是最小的。造成這種差異的原因主要是城市發(fā)展水平有差距，且城市影響主導(dǎo)因子不盡相同。山西省城市發(fā)展水平相對較低，城市人為熱排放較少，地面增溫以太陽輻射加熱為主。當(dāng)城區(qū)污染遠較鄉(xiāng)村嚴(yán)重時，大氣透明度低導(dǎo)致白晝大部分時間接受太陽輻射比鄉(xiāng)村少，所以城區(qū)升溫比鄉(xiāng)村慢，白晝城區(qū)溫度反而低于鄉(xiāng)村。這一點在冬季氣溫的城市化影響上有明顯反映。山西省一般11月至次年3月為供暖季，北部稍長，南部稍短，秋、冬季是空氣質(zhì)量最差的時候。城區(qū)污染嚴(yán)重，空氣透明度差，太陽直接輻射受到削弱大，得到太陽輻射較鄉(xiāng)村區(qū)域少。從圖4可以看到，冬季日出后，城市化影響迅速下降，到中午前后城區(qū)氣溫已經(jīng)比鄉(xiāng)村還低，午后由于城區(qū)反射率小，存留下更多的熱能用于加熱地表和表層大氣，而鄉(xiāng)村空曠，有效輻射強，大氣失熱快，降溫率大于城區(qū)，城鄉(xiāng)溫差逆轉(zhuǎn)，并在夜間達到穩(wěn)定。總體來看，由于獲得的熱能少，因此城鄉(xiāng)差異也就不顯著了。夏季相對而言空氣質(zhì)量是最好的，城鄉(xiāng)得到的太陽輻射總量大且差別較小，城區(qū)迅速儲存了大量的熱能，而其立體下墊面的特征使得其得到的熱能經(jīng)過多次的反射和吸收，返回太空的輻射遠小于鄉(xiāng)村區(qū)域，同時由于鄉(xiāng)村植被覆蓋率明顯大于城區(qū)，綠色植被的反射率比裸地高得多，導(dǎo)致鄉(xiāng)村對太陽輻射的反射更大于城區(qū)，這就使得白天城區(qū)積蓄的熱能大于鄉(xiāng)村，而這部分熱能就用于加熱地面和大氣，所以城市增溫在夏季是最明顯的。春季的情況比較復(fù)雜，3月和4月城市增溫效應(yīng)不明顯，5月類似于夏季，太陽輻射明顯增強，植被生長茂盛，且多云和降水日數(shù)較少，更容易產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。

圖4 山西省年、季平均氣溫城市化影響日變化

最高（最低）氣溫出現(xiàn)時間的概率可以表征氣溫日變化形態(tài)的概率分布特征。因此，對最高（最低）氣溫的概率分布的認(rèn)識，可以深化對氣溫日變化特征的了解。

山西省最高氣溫、最低氣溫各時次年平均出現(xiàn)頻率如圖5所示。從圖5可以看出，城市站和鄉(xiāng)村站日最高氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為15：00，出現(xiàn)頻率在30%以上；日最低氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為06：00，出現(xiàn)頻率在30%左右。城市站最高氣溫和最低氣溫出現(xiàn)時間均有延后傾向。城市站最高氣溫在16：00—18：00出現(xiàn)頻率都高于鄉(xiāng)村站，而 11：00—14：00都低于鄉(xiāng)村站。這說明城市區(qū)域熱容量大于鄉(xiāng)村，午后鄉(xiāng)村已經(jīng)開始降溫，而城市因其蓄積的熱量較多，地面的長波輻射仍在對其上的空氣進行加熱，使得氣溫下降緩慢，甚至還會略升，最高氣溫就出現(xiàn)在更晚的時次。城市站最低氣溫07：00—08：00出現(xiàn)頻率均高于鄉(xiāng)村站， 21：00至次日05：00反之。說明城區(qū)蓄熱多，釋放加熱大氣會持續(xù)更長時間，氣溫降到最低值也相應(yīng)的晚于鄉(xiāng)村站。

圖5 山西省最高氣溫、最低氣溫各時次年平均出現(xiàn)頻率

3 結(jié)論

本文根據(jù)高時空分辨率的自動站氣溫觀測資料，分析了山西省2011—2016年氣溫的日變化特征，并對其城市化影響進行了評估，得到以下主要結(jié)論：①從山西省氣溫日變化城鄉(xiāng)對比看，城市站氣溫在全天所有時段均高于鄉(xiāng)村站，午后到夜間差異明顯；城市站氣溫下降的速度比鄉(xiāng)村站緩慢。四季變化與年變化相似，但夏季和春季氣溫變化相對平緩，城鄉(xiāng)差異更明顯。②從城市化影響的日變化看，山西省年平均氣溫城市熱島顯著時段主要在午后到夜間，20：00— 21：00達到峰值，近中午時降到谷值。城市增溫在夏季最明顯，秋、冬季城市化影響相對較低。③從日最高（低）氣溫出現(xiàn)概率看，山西省城市站和鄉(xiāng)村站日最高氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為15：00，出現(xiàn)頻率在30%以上；日最低氣溫最大出現(xiàn)率的時次均為06：00，出現(xiàn)頻率在30%左右。城市站最高氣溫和最低氣溫出現(xiàn)時間均有延后傾向。

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2095－6835（2020）24－0068－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.022

周雅清（1971—），女，碩士，正高級工程師，主要從事氣候變化研究。

山西省重點研發(fā)計劃項目（編號：201703D321038）；山西省氣象局面上項目（編號：SXKMSQH20185132）

〔編輯：王霞〕