云南中部区域气温变化特征及其受城市化影响程度分析

吴志杰，何云玲

(云南大学资源环境与地球科学学院，昆明650091)

0 引言

近百年来全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。1880—2012年全球地表温度升高了0.85℃，1951—2012年气温上升速率为0.12℃/10a，变暖幅度自20世纪90年代以来明显加速，未来100年全球气温将升高1.0～3.7℃［1］。中国的气候变化趋势与全球基本一致，特别是近50年来，全国增暖趋势尤为显著，1951—2009年全国地表平均气温上升了1.38℃，变暖速率为0.23℃/10a，高于同期全球增温平均值［2］。全球气候变化以及城市化发展对区域气候变化的影响已成为当前国际社会的热点问题。

云南省地处低纬度高原，其复杂的地形地貌铸就了多样的气候类型。作为西南的高密度人口地区和生态脆弱区域［3］，由全球和地区人类活动引起的气候变化是影响云南气候的重要因素［4］。已有研究表明:近50年来云南气候变化突出，主要表现为与全球一致的变暖趋势［5-7］，1961—2008年云南的年平均气温上升了0.66℃，增温速率为0.14℃/10a，低于全国平均水平，略大于全球变化水平。从区域尺度来看，气候变化势必引起区域水热条件的变化，从而影响自然生态系统，尤其是气温的增加以及降水的减少使得干旱发生频率增多，强度加重，严重制约农业生产和经济发展［8］。另外，随着城市开发与建设的大规模展开，城市紧凑化、高密度的发展过程重塑了城市下垫面，改变了辐射能量平衡，减少了空气对流对热量的驱散，导致了以热岛效应为主的城市气候问题的出现［9-10］。目前，对于气温的时空变化特征研究，在不同时空尺度上都比较齐全，方法相对成熟，国内外研究成果也较多。在研究范围上，主要集中于大中城市单站案例研究，针对西部高原城市的研究较少。而针对一个区域气候变化的研究，基本上都是考虑区域的平均情况，缺少对区域内部差异的研究。

由于气候变化受地形、人为活动的影响，区域或特定地区的气候变化特征具有时空上的特殊性［11-12］。云南中部区域地处滇东高原盆地，属亚热带气候，既受到全球气候变化的影响，又有明显的地域性特点。本研究基于1961—2010年逐月气象实测资料，分析云南中部区域平均气温的时空变化特征，并采用城郊对比法分析城市化对于气温变化的影响程度和贡献，这对于明确云南中部地区的气候变化特征、认识高原地区城市化对气候变化的影响具有重要意义。

1 资料与方法

本研究中的云南中部区域是指《滇中城市群规划修改(2009—2030年)》所划定的滇中地区:以昆明为核心，半径约150～200 km，包括昆明、曲靖、玉溪和楚雄4个地州。该地区属于高原盆地，以山地和山间盆地地形为主，地势起伏和缓，地理位置为99°30'～104°14'E，23°12'～26°41'N。滇中地区气候四季如春，位置偏北的地区有短暂的冬季，偏南的地区有短暂的夏季。之所以选择该地区作为研究区域，一方面是由于其地处滇东高原盆地，气候变化具有时空上的特殊性;另一方面则考虑到该地区的城市化水平在云南省最高，对气候变化的影响显著，其作为《全国主体功能区规划》中的重点开发地区之一，城市化进程的提速所带来的环境压力将持续增大。

气象数据来自国家气象信息中心，包括云南中部地区国家基准站、基本站以及一般站1961—2010年逐月气温资料。在剔除了存在台站迁移记录以及观测资料不连续的站点后进行质量检验，最终选取37个台站的资料。个别月份的缺测值则根据邻近站点的数据，采用多元回归插值补齐。

气温的时间序列特征采用趋势系数、气候倾向率、Mann-Kendall非参数检验、Morlet小波等方法进行分析，具体的计算过程参考J.Xu等［13］、董长虹［14］、魏凤英［15］等的研究。区域的内部空间结构则借助Surfer 12.0的Kriging插值完成。城市化对气候变化的影响程度，则根据台站所在地人口、环境、地理位置，将其分为城市站、郊区站两大类，采用城郊对比法进行分析。

2 气温变化特征分析

2.1 气温序列变化趋势分析

1961—2010年云南中部地区年均气温总体呈上升趋势(图1)。从20世纪80年代以后气温逐渐升高，90年代变暖趋势更加明显，并于最后10年达到50年来的最高值。从线性趋势来看，年平均气温倾向率为0.17℃/10a(p＜0.01)，与北半球变化(0.166℃/10a)基本一致，略低于全国平均增暖幅度0.23℃/10a。四季平均气温均呈现增高的趋势(图2)。其中冬季的增温速率最大，达0.31℃/10a;其次为秋季0.16℃/10a;夏季为0.13℃/10a;春季增温速率较小，为0.10℃/10a。

图1 1961—2010年云南中部地区平均气温变化趋势Fig.1 Trends of regional averaged annual temperatures in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

从年代际气温距平(表1)来看，气温的变化趋势也十分明显。尽管20世纪90年代之前的气温距平存在负值，但从70年代开始呈现逐渐上升趋势，到90年代气温距平转为正值。夏季均温和秋季均温在80年代开始变暖，冬季均温和春季均温在90年代开始变暖，四季的平均气温从80年代起均呈现上升的趋势，并于最后10年达到了增温的最大值。

图2 1961—2010年云南中部地区各季节平均气温变化趋势Fig.2 Trends of seasonal mean temperatures in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

表1 云南中部地区平均气温年代际距平℃/10aTab.1 Inter-decadal departure of annual mean air temperature over the Central Yunnan Plateau

2.2 年均气温突变和周期分析

为了进一步揭示和验证气温序列的变化规律，对年均气温进行Mann-Kendall突变检验和Morlet小波分析。突变检验结果(图3)显示，UF曲线在20世纪80年代以前围绕0值波动，说明年均气温在这一阶段没有太大变化，而在80年代后期UF由负值转为正值并逐渐增大，表明年均气温序列呈上升趋势，90年代后开始升高，并于2002年超过了0.05的临界线，表现出显著的上升趋势。UF，UB曲线相交于1997，2001年，且交点在±1.96临界线之间，说明年均气温可能在1997，2001年发生了突变。为进一步确认突变点是否可信，对突变点前后作5年时间段的滑动t检验［16］，结果显示1997年的突变点通过了a=0.05的信度检验，表明1997年的突变点是可信的，在1997年之后进入了1个显著增暖时期。

图3 1961—2010年云南中部地区年均气温突变检验Fig.3 Mann-Kendall test curves of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

小波系数的变化趋势与气候信号的起伏基本一致，因而可以用来体现气候要素在不同时间尺度上的周期结构和异常变化规律［17-18］。云南中部地区年均气温的Morlet小波时频分布(图4)显示，能量中心的频域尺度主要集中在15～25 a，代表了一个较为明显的主周期。而从小波方差图(图5)来看，其随时间尺度变化的过程中有1个明显的峰值，对应横坐标的24 a，表明在相应尺度下信号震荡强烈。因此，24 a是年均气温的主周期。

2.3 气温变化趋势的空间分布

图4 1961—2010年云南中部地区年均气温小波系数Fig.4 Morlet wavelet coefficients of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

图5 1961—2010年云南中部地区年均气温小波方差Fig.5 Morlet wavelet variance of annual mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

50年来云南中部地区年均气温呈上升趋势，有29个气象站(占78.4%)增温趋势显著。为了分析气温变化趋势的区域差异，对各站点平均气温的趋势系数和倾向率进行Kriging插值(图6)。年均气温上升趋势明显的地区位于中部、东南以及西部地区，升温中心位于昆明(0.45℃/10a)和楚雄(0.33℃/10a)，北部地区增温幅度较小，而在西北部金沙江沿岸的干热河谷地区，年均气温却存在下降的趋势，其中元谋县的年均气温下降趋势明显(-0.16℃/10a)。云南中部地区春季气温在整体上呈缓慢上升趋势(0.1℃/10a)，增温趋势明显的地区主要位于中部以及南部，最大值出现在昆明0.43℃/10a，元谋干热河谷地区气温下降趋势明显(-0.27℃/10a)。夏季增温率为0.13℃/10a，有31个气象站(83.8%)增温趋势显著(p＜0.01)。增温趋势明显的地区主要位于研究区西部、南部以及东南部分地区，升温中心主要位于昆明和楚雄，而元谋干热河谷地区气温存在下降的趋势。秋季增温率为0.16℃/10a，有26个气象站(70.3%)增温趋势显著(p＜0.01)，增温趋势明显的地区和夏季基本一致。云南中部地区冬季增温率最大，达到了0.31℃/10a，除西北部的干热河谷地区有轻微的降温趋势外，其余地区增温趋势明显，升温中心位于昆明(0.61℃/10a)、玉溪(0.49℃/10a)和楚雄(0.51℃/10a)。

3 城市化对气温变化的影响

3.1 参考站的确定

为了识别城市气温序列中城市化的影响程度，关键在于确定未(少)受城市化影响的郊区参考站，用来作为气温变化的背景场，通过比较城市站和郊区站的气温变化趋势，可以获得城市化对气温变化的平均影响程度。根据任国玉等［19］提出的参考站遴选原则和标准，按照如下方法选取郊区参考站:(1)采用2010年全国人口普查的统计数据，规定参考站所在居民点的常住人口数小于7万;(2)台站不能位于居民区中心或太靠近建成区;(3)以观测场为中心、半径2 km的区域内，人工建筑面积所占比例不超过33%。

图6 1961—2010年云南中部地区平均气温变化趋势空间分布Fig.6 Spatial patterns of trends of mean air temperature in Central Yunnan Plateau from 1961 to 2010

剔除存在迁站记录以及观测资料长度低于50年的站点后，根据参考站选取标准，从云南中部地区剩余的37个国家基准、基本站和一般站中选取出郊区站和城市站。为了分析城市化效应对气温序列的影响程度，建立云南中部地区城市代表站及其郊区代表站、昆明站及其郊区代表站、楚雄站及其郊区代表站、玉溪站及其郊区代表站共4类情景的气温序列，由于曲靖站建站时间短并于2000年迁站，故不在分析之列。为确定城市化对气温序列变化的影响程度和贡献，将城市站与郊区站的气温倾向率之差作为城市化增温率，城市化增温贡献率则定义为城市化增温率与城市站气温倾向率之比，热岛强度定义为修正到同一海拔高度后城郊气象站的温差。

3.2 气温变化的对比分析

选取昆明、玉溪、楚雄、宣威、会泽5个总人口大于50万的城市气象站为云南中部地区城市代表站，太华山、马龙、新平、江川、南华、双柏等9个气象站为郊区参考站。1961—2010年云南中部地区城市站、郊区站各月的气温倾向率(图7)显示，城市站和郊区站的气温倾向率差异明显，其年均气温倾向率分别为0.29，0.14℃/10a，城市化增温率为0.15℃/10a，城市化增温贡献为51.4%，说明城市化对城市气温序列变化趋势的影响相当显著。气温倾向率和城市化增温率的季节差异明显，冬季的气温倾向率最大，城市站为0.47℃/10a，郊区站为0.25℃/10a，城市化增温率为0.22℃/10a，增温贡献为46.8%。城市化影响和增温贡献最低的为夏季，城市站和郊区站气温倾向率分别为0.19，0.13℃/10a，城市化增温率为0.06℃/10a，增温贡献为32.3%。虽然城市站的春季平均气温倾向率并不高(0.23℃/10a)，但由于同期的郊区站气温倾向率较小(0.08℃/10a)，使得春季的城市化增温贡献达到了62.9%。

图7 云南中部地区郊区站气温倾向率和城市化增温率(城市站与郊区站气温倾向率之差)Fig.7 Statistics of linear regression trends for monthly and seasonal mean air temperatures in rural stations and urban stations over the Central Yunnan Plateau

3.3 热岛强度分析

采用城郊对比法，选取昆明郊区的太华山站、玉溪郊区的江川站、楚雄郊区的双柏站，将郊区站的年均气温订正到与城市站同一海拔高度后，计算城市站与郊区站的年平均气温差值并进行对比。昆明、楚雄、玉溪3个城市年均热岛强度的变化趋势(图8)显示，3个城市的热岛强度变化规律基本一致。在20世纪80年代前的变化趋势比较平缓，而1985年以后明显上升，热岛强度逐年增强，并于2000年以后达到最高值，此后热岛强度趋于平缓并保持在较高水平，这一现象很可能和郊区站所在地自身的热岛效应在2000年后增强有关。此外，城市边界层的热岛穹隆随着城市的发展也有可能延伸至郊区［20］，使得郊区站受到城市热岛效应及其随时间变化的影响。1985—2010年间，昆明城市建成区面积由75 km2增加到275 km2，市区非农业人口由99.1万升至250.2万;玉溪市建成区面积由6 km2增加到23 km2，市区非农业人口由4.3万升至49.6万;楚雄市建成区面积由6 km2增加到36 km2，市区非农业人口由6.2万升至33.2万。在此期间昆明、玉溪、楚雄三市的城市化影响程度分别为0.48，0.31，0.27℃/10a，远高于1961—2010年的平均水平(0.32，0.10，0.20℃/10a)，可以认为城市的发展导致人类活动的急剧增加，使得城郊温差持续加大，热岛强度逐年提高。

图8 1961—2010年昆明、楚雄、玉溪年均热岛强度变化趋势Fig.8 Changes of the urban heat island intensities in Kunming，Chuxiong and Yuxi from 1961 to 2010

从昆明、玉溪、楚雄这3个城市及其郊区站的气温倾向率(表2)来看，城市站的升温速率明显大于郊区站(玉溪及其郊区站在夏秋季节的气温倾向率基本一致)，无论是城市站还是郊区站冬季的增温速率要明显高于其他季节。其中，昆明的升温趋势最为明显，增温速率最大的季节为冬季，其次是春季和秋季，最小为夏季。城市化对季节增温的贡献率则为春季最高;楚雄各季节平均气温的变化特点和昆明相似，春季的城市化增温贡献最高，其次是秋季和冬季，夏季最低;玉溪站增温速率最大的季节为冬季，其次是春季，夏秋季节相差不大。从城市化增温贡献率来看，春季最高，其次是冬季，夏秋季节由城市化引起的增温贡献率较小。从这3个城市的气温变化规律可以看出，虽然冬季的增温速率最大，但城市化增温贡献率最大的季节却为春季。这说明在春季城市化造成的增暖要比大尺度的背景升温更为显著。从年均气温的城市化影响程度来看，昆明(0.32℃/10a)＞楚雄(0.20℃/10a)＞玉溪(0.10℃/10a)，昆明的城市化影响程度要明显高于其他两市，一方面是因为昆明作为云南省省会，城市化水平明显高于其他两市;另一方面，昆明郊区的太华山气象站地处自然保护区，周边基本无人类活动，城市化影响程度较低，将其作为对比站具有较好的代表性。

表2 云南中部地区城市站及其参考站气温倾向率℃/10aTab.2 The air temperature change trends in urban stations and their corresponding rural stations

4 结论

(1)1961—2010年云南中部地区年均气温上升趋势明显，气温倾向率为0.17℃/10a，年平均气温存在着24 a的主周期，并于1997年发生了突变，之后进入了一个显著增暖时期。四季平均气温均呈现上升的趋势，其中冬季气温增幅最大，气温倾向率为0.31℃/10a。

(2)从气温变化的空间分布来看，年均气温上升趋势明显的地区位于中部、东南以及西部地区，升温中心位于昆明(0.45℃/10a)和楚雄(0.33℃/10a)，而金沙江沿岸的元谋干热河谷地区则呈现下降的趋势;在季节变化上，除元谋干热河谷地区存在降温趋势外，其余地区均呈现出增温趋势，升温中心位于城市，其中以昆明的升温趋势最为显著。

(3)50年来，云南中部地区城市化对城市年均气温序列变化趋势的影响相当显著，城市化增温率为0.15℃/10a，增温贡献为51.4%。城市化影响的季节差异明显，冬季的城市增温速率最大(0.22℃/10a);城市化对春季增暖的贡献率最高达到62.9%;夏季的城市化影响最低，城市化增温率为0.06℃/10a，增温贡献为32.3%。

(4)从昆明、玉溪、楚雄年均气温的城市化增温率来看，昆明(0.32℃/10a)最大，楚雄次之(0.20℃/10a)，玉溪最小(0.10℃/10a)，热岛强度从1985年开始逐年增强，2000年以后达到最高值，之后趋于平缓并保持在较高水平。在季节变化上，城市站的气温上升速率要明显大于郊区站，冬春季节由城市化引起的增温速率要明显高于夏秋季节，城市化增温贡献最大的季节为春季。

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