城市發展對高原湖盆區極端降水的影響

李寶芬,李曉鵬,曹一梅,金 卓

(1.云南省水文水資源局昆明分局,云南 昆明 650032;2.昆明市氣象局,云南 昆明 650034)

根據國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2021年第五次評估報告顯示:由于全球變暖和大氣水汽增加,極端降水的頻次和強度均有增加,并有持續增加的趨勢,降水將更趨于集中[1]。城市極端降水事件變化引起了廣泛專家和學者的關注和研究,研究表明[2-11]:氣溫上升形成的城市熱島效應,造成城市極端降水各項指數的增加或減少,不同區域又有其獨特的變化特征,且隨著城市熱島效應影響區域的改變,極端降水變化趨勢的不均勻性也愈加明顯;柏紹光等[12]、崔松云等[13]、王志浩等[14]研究了城市熱島效應對昆明市降雨量或暴雨洪水的影響,闡明了城市熱島效應對昆明城區的水文變量影響顯著,其導致暴雨量級增大、頻次增多、單點暴雨頻發;但從湖盆區地形角度和城市熱島效應對昆明城市極端降水的影響研究為空白,本文采用多站點多時間尺度極端降水資料,以云貴高原湖盆區省會城市昆明為例,論述了城市發展對湖盆區極端降水的貢獻率和影響區域特點,可為湖盆區城市防洪減災、應急處置、完善“四預”工作提供參考。

1 研究區城市概況

昆明城市位于云貴高原第二大盆地(面積736.6 km2),盆地內地勢較為平坦,水熱條件較好,屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候,三面環山,南瀕滇池,為山原地貌;市區地勢由北向南傾斜,市區海拔在1 887～1 950 m,主城區地面高程約1 890 m,滇池多年平均水位1 886.68 m。20世紀70年代末昆明核心城區面積22.6 km2,范圍主要位于一環內;90年代開始,城市向北、南部區域擴張,1992年建成區面積70 km2,人口從1980年99.7萬人增至180萬人;大約2000年前后,北市區和南市區的拓展大幅提速;至2021年,主城各方向均擴張至山體或滇池湖邊,呈貢新區、空港新區迅速崛起,昆明建成區已達494.2 km2,城市人口已達510.03萬人。昆明建成區面積40余年來翻了20多倍,城市人口翻了5倍有余。2020年昆明市汽車擁有量250.39萬輛,人均汽車保有量居全國第3位。由于城市迅猛發展,土地利用發展方式改變,城市環境污染,導致水文氣象條件變化,城市化“熱島效應”明顯,城區局地性暴雨和單點暴雨等極端天氣十分突出。

2 資料來源及方法

2.1 資料來源及處理

本文分析采用的長系列(1971—2021年)資料來源于昆明市氣象及水文自動監測雨量站,各站資料嚴格按照專業數據質量控制規范進行質量控制,基礎資料可靠、完整,具有代表性。根據地形變化及站點高程分布,選取具有代表性的 9個站點(圖1、表1),并根據離城區發展情況綜合考慮,將站點劃分為:湖盆區(昆明(氣象)、呈貢(氣象)、海埂,分別代表主城區、新城區、臨湖區)、盆地邊緣(東白沙河(城東)、西北沙河(城西)、松華壩(城北))和盆地外圍山丘區(中和(遠郊鄉村)、太華山(氣象,郊區站)、三家村(高山區)、梁王山(高山區))。

表1 昆明湖盆區選用氣象水文雨量站點一覽

圖1 昆明城區氣象、水文雨量監測站點分布

對氣象、水文日降水統計時間不一致問題,進行了統一處理,日降水量為8時對次日8時。

2.2 極端降水指數的選取及分析方法

根據ETCCDM[15]定義的11個降水相關指數,選取其中5個極端降水指數,同時增加暴雨以上總量、中雨以上總量、年總降水日數等3個指數一并進行研究分析,其定義及單位見表2。

表2 選取的極端降水指數定義

根據各年研究指數發生的頻次、量級,進行線性趨勢[5-6,11]和城市化前后不同時期變化分析,計算城市發展對極端降水的貢獻率[11]。城市化貢獻率的計算見式(1):

(1)

式中Eu——城市發展貢獻率,%;Pu、Pr——湖盆區周邊站點和遠郊站降水量、降水日數的變化趨勢系數,其差值反映城市發展影響,若Pu-Pr的值大于0表示城市發展使之增大或增多,即城市發展對所考慮的氣象要素造成增加貢獻,若為負值則表明城市發展對它們起減弱貢獻。

3 城市化對極端降水影響分析

3.1 城市熱島效應

近50 a來,隨著昆明城市化進程的推進及城區人口的不斷增長,昆明主城區年平均、最低、最高氣溫增溫效果顯著,其中昆明主城從20世紀90年代開始出現明顯的氣溫升高,特別是1998年氣溫有明顯的躍升,50 a來平均、最低、最高氣溫增長速度分別為0.48、0.58、0.42℃/10a;新城區呈貢氣溫也呈逐漸升高的趨勢,50年來平均、最低、最高氣溫增長速度分別為0.37、0.56、0.26℃/10a,見圖2。圖中顯示昆明主城平均、最低、最高氣溫自1992年后逐年抬升,新城區呈貢平均、最低、最高氣溫自2000年前后逐年抬升,且昆明主城較新城區呈貢增幅明顯。新城區呈貢出現兩級躍升,2000年以后出現快速升高,2005年開始出現明顯的躍升,此變化與昆明主城、呈貢新城區大規模擴建時間節點基本一致。

a)昆明

太華山氣象站處于昆明近郊太華山頂、西山國家級名勝區內,自然環境穩定,受城市發展的影響較小,利用昆明站與太華山站、呈貢站與太華山站的溫度差作為昆明站和呈貢站城市熱島強度系數。圖3顯示,兩地除呈貢最高氣溫熱島系數外,其他溫度熱島系數均逐年增強,昆明站1995年以后、呈貢站2005年以后出現呈現熱島強度系數躍升的情況,表明城市化進程的加快是導致城市熱島效應的主要影響因素。孫績華等[16]研究結果也表明2008年以后,昆明城市熱島面積不斷擴大,并出現熱島中心向呈貢一帶偏移的現象,這也印證了本文的分析結果。

a)昆明

3.2 對不同量級極端降水量的影響

表3顯示:各量級極端降水量線性趨勢中位于湖盆區的城南臨湖站與遠郊站均為減少趨勢;湖盆區中心城區、盆地邊緣除年總降水量線性趨勢有增有減外,其余各量級極端降水量均表現為增加趨勢;山丘區西部、東南部年總降水量均為減少趨勢,東南部山丘區最大5 d 降水量為減少趨勢,其余各項為增加趨勢;總體為各區域增減幅度具有不均一性。其中,最大1 d最大增幅為湖盆區中心主城區、次大為盆地邊緣城西,東南部山丘區僅為微弱增加;最大5 d最大增幅為盆地邊緣的城西、次大為盆地邊緣城北,東南部山丘區為減少趨勢;暴雨以上最大增幅為東南部山丘區、次大為位于湖盆區東部的新城區,城北僅為微弱增幅;中雨以上最大增幅為盆地邊緣城西、次大為東南部山丘區,最小增幅為盆地邊緣城北。年總降水量各站變化趨勢有增有減,其中減幅最大為臨湖區,次大減幅為位于湖盆區中心的主城區;增幅最大為盆地邊緣城西,最小增幅為位于湖盆區東部的新城區。

表3 1971—2021年昆明湖盆中心城區、盆地邊緣、山丘區極端降水量線性變化趨勢 單位:mm/a

3.3 對不同量級極端降水日數的影響

1971—2021年不同量級極端降水日數總體表現為:山丘區>湖盆區>盆地邊緣(表4),又以位于盆地東部中心的新城區和東部邊緣最少。其中,暴雨以上日數臨湖區、盆地邊緣城北、西部山丘區表現為微弱減少,其他區域表現為微弱增多,增多最大為東南部山丘區。中雨以上日數均表現為微弱增多趨勢,以盆地邊緣城西增多最大;年總降水日數各站趨勢有增有減,增加區域位于盆地邊緣的城西、城東、東南部山丘區,減少區域位于湖盆區、城北、西部山丘區。

表4 1971—2021年昆明湖盆中心城區、盆地邊緣、山丘區極端降水日數線性變化趨勢

3.4 城市化貢獻率分析

表5結果表明:城市發展對湖盆區、盆地邊緣、山丘區極端降水指數均有不同程度影響,其中城市發展除對臨湖區最大1 d、暴雨以上降水量及日數,對西部山丘區暴雨以上日數,對東南部最大5 d、年總降水量、中雨以上日數為減弱貢獻外,對其他區域的各極端降水指數均為增加貢獻。具體為:城市發展對湖盆區中心主城區貢獻最大的是年總降水量和暴雨以上日數、對新城區貢獻最大的是年總降水量和暴雨以上日數、對城南臨湖區貢獻最大的是中雨以上總量和中雨以上以上日數;對盆地邊緣東部貢獻最大的是年總降水量和年總降水日數、對西部貢獻最大的是年總降水量和年總降水日數、對北部貢獻最大的是暴雨以上總量和暴雨以上日數;對西部山丘區貢獻最大的是年總降水總量及其日數、對東南部山丘區貢獻最大的是暴雨以上總量和暴雨以上日數。

表5 城市發展貢獻率分析成果 %

3.5 不同時期極端降水量變率分析

根據昆明城市平均突變及城市大規模擴大時間節點,將各代表站資料系列分為1971(1979)—1992(1)、1993—2021(2)兩個系列,分析城市大規模擴大前后不同量級極端降水量變率,結果見表6。

表6 不同時期極端降水量變率分析

表6顯示除城南臨湖區最大1、5 d以及暴雨以上降水量前后期變率為負值外,其余各區域各極端降水量均表現為正值變率,表明城市化進程加快后極端降水發生呈增加趨勢。其中最大1 d 降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是東南部山丘區;最大5 d降水量增加變率最大的是位于湖盆區中心的新城區、最小增加變率是東南部山丘區;暴雨以上降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北;中雨以上降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北;年總降水量降水量增加變率最大的是盆地邊緣城西、最小增加變率是盆地邊緣城北。

總體表現為城市化后,盆地邊緣、新城區區域極端降水變率較湖盆中心主城區、山丘區明顯;盆地邊緣城西>城東>城北、湖盆區新城區>主城區>臨湖區、山丘區西部>東南部;其中位于盆地邊緣東部和湖盆東部中心區的新城區較城市化前增多明顯,這種變率表現與熱島發展方向相一致;而臨湖區變率變化表現為受滇池大型水體調節影響,城市化對臨湖區的極端降水影響不明顯。

同理,城市化發展對昆明東南部山丘區暴雨以上降水量有明顯影響,其前后變率較主城區、城北、新城區大,這一現象也可從同時期多年變化趨勢分析(圖4),結果為主城區、新城區、城北、東南部山丘區暴雨以上的年降水量整體呈增加趨勢,增率為東南部山丘區>湖盆中心城區>盆地邊緣城北,表明城市化對高山暴雨以上極端降水具有明顯影響。

a)近郊高山與主城區

4 結論

a)城市發展對湖盆區、盆地邊緣、盆地外圍山丘區各項極端降水指數均有不同程度影響,其中對盆地邊緣影響最強,對山丘區影響最弱,湖盆區影響居中,該結論與馬艷等[10]、SHERPARD等[11]發現最大降水量發生在城市中心邊緣區域相一致。因受地形、城市熱島效應影響,城市發展還造成湖盆區、盆地邊緣、山丘區各區域極端降水指數多年線性趨勢增減幅度具有不均一性。

b)城市發展對湖盆區各極端降水指數均有影響。其中對位于湖盆中心區的主城區、新城區影響明顯大于城南臨湖區,且對湖盆中心主城區、新城區各極端降水指數均為增加貢獻,貢獻率分別為25.5%～342.9%、48.6%～273.6%;城南臨湖區因受滇池大水體調節影響,極端降水指數受城市發展影響有增有減,對暴雨以上降水量及其降水日數有減弱貢獻,減弱貢獻率分別為-70.5%、-75.9%,對其他指數為增加貢獻,貢獻率47.9%～200.0%。

c)城市發展對盆地邊緣西部極端降水指數影響最強,對北部最弱,東部影響居中;但對北部的極端降水城市貢獻率最高,各項指數貢獻率為13.9%～966.7%。

d)城市發展對東南部山丘區暴雨以上極端降水具有明顯影響,對東南部山丘區最大5 d、年總降水量以及中雨以上日數有減弱貢獻,減弱貢獻率分別為-3.5%、-55.6%、-8.3%,對西部山丘區暴雨以上日數也有減弱影響,減弱貢獻率為-20.9%,對其他指數為增加貢獻,貢獻率為10.3%～364.2%。