城市化進程對湖南省極端氣溫的影響分析及其在氣候宜居評估中的應用

劉珺婷，楊 玲，謝益軍

（1.湖南省氣象服務中心，長沙 410118；2.湖南省氣候中心，長沙 410118）

城市是人類居住最密集的地方［1］。2020 年全國第七次人口普查數據顯示，63.89%的人口居住在城市地區。城市化過程作為一種人類活動的集中體現，使城市人口密度增加、下墊面屬性改變、大氣污染物增加，城市化過程對氣候事件的影響不可忽視［2-13］。

城市化引起的氣候變化日益受到關注，國內學者針對不同城市（群）采取不同方法進行研究［14-24］，李易芝等［25］和郭麗香等［26］分別開展了城市化進程對長株潭地區和長沙氣溫的影響研究。研究多是分析個別中心城市的城市化效應及其對氣候的影響，而城市化對于較大區域的影響分析甚少。

湖南省位于中國中部，2020 年城鎮化水平已達到58.76%。隨著城市化進程的進一步加快，城市規模迅速膨脹、人口急劇增長、建筑物越來越密集、機動交通工具成倍增長的同時，極端天氣氣候事件頻現，嚴重影響城市居民生產生活。本研究采用城郊對比法分析城市化進程對湖南省極端氣溫的影響，為城市化背景下極端氣候災害的防范提供決策依據。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為湖南省96 個國家地面氣象站1961—2020 年各站的逐日最高、最低氣溫數據。

1.2 方法

參考氣候變化探測與指標專家組定義的極端氣候指數和業內學者在研究中定義的極端氣候指數，共定義了9 個極端指數（表1），其中有5 個絕對指數，2 個極值指數，2 個均值指數［27］；利用線性斜率估計［28］對極端指數的變化趨勢進行檢測。

表1 極端氣溫指數及其定義

將湖南省96 個國家地面氣象站分為城市站點和郊縣站點2 個類別，第1 類為位于全省地級市（州）中心城區的14 個氣象站，代表受城市化影響大的區域。第2 類為位于位于縣城、縣級市及其城郊的82個氣象站，代表沒有城市化或受城市化影響少的區域。

通過線性趨勢斜率估算出2 類站點及全省平均的各個指數的趨勢，用ΔTur表示城市化對城市站的影響，用ΔTua表示城市化對全省的影響，其表達式如下。

式（1）、（2）中，ΔTu為城市站各指數變化趨勢，ΔTr為代表氣候變化背景場的郊縣站變化趨勢，ΔTa為全省所有站平均的各指數變化趨勢。

城市化影響貢獻率，指城市化影響對城市站（所有站）各個極端氣溫指數的貢獻率，即城市化影響在城市站（所有站）氣溫指數變化趨勢中所占的百分比。設Ei（i=1，2）為城市化影響貢獻率。

Ei有3 種情況，①當ΔTu＞ΔTr（ΔTa＞ΔTr）時，Ei＞0，表明城市化影響使其增加；②當ΔTu=ΔTr（ΔTa=ΔTr）時，Ei=0，表明城市化影響為0；③當ΔTu＜ΔTr（ΔTa＜ΔTr）時，Ei＜0，表明城市化影響使其減小。Ei＞100%的情況同Ei=100%，Ei＜-100%的情況同Ei=-100%。

2 結果分析

2.1 極端指數變化分析

每個站點1961—2020 年每年各個指數的平均值作為湖南省整體的極端指數值，通過線性斜率估計湖南省各個極端指數的變化趨勢，結果表明9 個極端溫度指數呈現較明顯的變化趨勢（圖1）。

圖1 湖南省極端溫度指數變化線性趨勢

極端溫度指數通過線性斜率估計得到的10 年變化趨勢，結果表明指示極端冷事件指數FD0、ID0均呈下降趨勢，FD0 下降速度為每10 年減少2.1 d，而指示極端暖事件指數SU35、SU25、TR20 呈上升趨勢，TXx、TNn、TMAX、TMIN 的增長呈上升趨勢，由此推斷湖南省在平均溫度上升的背景下，高溫日數、夏季日數和炎熱夜數呈增多趨勢。

2.2 城市化影響分析

城市和郊縣兩類站點之間極端指數變化趨勢見圖2。由圖2 可知，城市和郊縣兩類站點ID0、TXx 指數無明顯變化；兩類站點FD0 指數均呈明顯的減少趨勢；郊縣站點SU35 指數呈顯著增加趨勢，城市站點增加趨勢不明顯；兩類站點SU25、TR20、TNn、TMAX、TMIN 指數均呈顯著增加趨勢。

圖2 1961—2020 年湖南省城市與郊縣氣溫極端指數序列及差值

城市站點的FD0、SU25 和TMAX 指數均值明顯低于郊縣站點；兩站點ID0 指數平均值無明顯差異；城市站點SU35、TR20、TXx、TNn 和TMIN 指數均值明顯高于郊縣站點。2011 年后湖南城市站點由于城市包圍探測環境遭到破壞，陸續遷往城郊。兩類站點的SU25、SU35、TR20、TXx、TNn、TMAX 和TMIN指數差值明顯減小，FD0、ID0 指數差值明顯增大。

為去除遷站對于城市化效應的影響，分析1961—2010 年湖南省城市與郊縣極端氣溫指數的變化趨勢及城市化效益貢獻率，結果見表2。由表2可知，兩類站點的SU25、TR20、TNn、TMAX 和TMIN指數均呈顯著上升趨勢（通過了0.01 或0.05 水平顯著性檢驗）。城市站點的SU25 上升趨勢低于郊縣站點，城市化效益為負貢獻，其中對于城市站的貢獻-7.3%，對于全省的貢獻為-1.1%。城市站點的TR20上升趨勢明顯高于郊縣站點，城市化效益對于城市站的貢獻達到29.4%，對于全省的貢獻達到5.9%。城市站點的TNn 上升趨勢明顯高于郊縣站點，城市化效益對于城市站的貢獻達到13.8%，對于全省的貢獻為2.3%。城市站點的TMAX 上升趨勢低于郊縣站點，城市化效益為負貢獻，其中對于城市站的貢獻為-6.2%，對于全省的貢獻為-1.3%。城市站點的TMIN 上升趨勢明顯高于郊縣站點，城市化效益對于城市站的貢獻達到20.3%，對于全省的貢獻為3.6%。

表2 1961—2010 年湖南省極端氣溫指數趨勢及其城市化影響貢獻

兩類站點的FD0 指數均呈顯著減少趨勢（通過了0.01 水平的顯著性檢驗）。城市站點的減少趨勢明顯高于郊縣站點，城市化效益對于城市站的貢獻達到5.7%，對于全省的貢獻為0.9%。兩類站點ID0、SU35 和TXx 指數均無顯著變化，城市化總體體現為負效益。

對比9 個指數發現，城市化主要對最低溫度造成影響，城市化對以最低氣溫為基礎的極端指數變化均有正貢獻。可能是由于城市發展通過改變了城市建成區下墊面輻射特性，致使地氣感熱通量增加，潛熱通量減少，白天吸收（反射）的太陽輻射增多（減少），夜晚發射的地面長波輻射增加，近地面氣溫升高，夜間氣溫上升尤其明顯，即產生城市熱島效應；城市區域高強度的人為熱釋放也增加了建成區夜間變暖幅度。

3 小結與討論

基于線性傾向估計研究了湖南省1961—2020年的9 個極端溫度指數時間變化趨勢，并分析了湖南城市化進程對極端氣候指數的影響。主要結果如下。

1）在平均溫度上升趨勢的背景下，1961—2020年間湖南省極端冷事件整體呈下降趨勢，極端暖事件呈上升趨勢。

2）城市化對氣溫影響較大，導致城市站點暖事件明顯多于鄉村站點，冷事件則明顯少于鄉村站點。

3）相對于最高氣溫，城市化對最低溫度造成影響更大。城市化對以最低氣溫為基礎的極端指數變化均有正貢獻，其中對城市站點的貢獻率為5.7%～29.4%；對全省的貢獻率較小，為0.9%～5.9%。

4）2011 年后湖南城市站點陸續遷往城郊，為去除遷站影響，計算城市化對極端氣溫指數變化的貢獻率時僅用了1961—2010 年的資料進行統計，可能導致貢獻率被低估。

5）由于國家級氣象站擁有長序列的完整氣候資料，在開展諸如宜居城市（縣城）評估等氣候應用服務工作時，所用資料往往采用的是國家站點的氣象數據；而國家站站址大都位于城市中心或近郊，在開展年高溫、低溫日數、人體舒適度等相關指標評估時，應充分考慮城市化的影響，根據實際情況選擇與評估區域臨近的區域氣象站對國家站計算得到的相關指標進行訂正，從而得到更加合理的結果。