济南市城市化发展对降水的影响分析

2016-03-22孙小丽梁永礼刘爱梅

海洋气象学报 2016年4期

关键词：日数小雨大雨

孙小丽，梁永礼，刘爱梅，李瑞

（济南市气象局，济南 250102）

济南市城市化发展对降水的影响分析

孙小丽，梁永礼，刘爱梅，李瑞

（济南市气象局，济南 250102）

利用济南6个气象站1964—2013年的日降水观测资料以及城市发展指标数据，运用线性倾向估计、相关分析等统计方法分析了济南地区降水的时间变化特征，探讨城市化发展对济南降水的影响。结果表明：（1）城区的年平均降水量增加的趋势明显大于郊区；春季和夏季降水量的增加趋势均为城区大于郊区，夏季城区降水的极端性增强，秋冬季城郊之间的变化趋势不明显；（2）降水总日数和小雨日数城区和郊区都表现为减少的趋势，而大雨、暴雨及以上降水日数都表现为增加的趋势，城区比郊区增加的幅度略大，即大雨及以上的降水城区比郊区更容易出现；（3）城市效应对降雨的影响主要表现在大雨和暴雨以上强降水增多。

城市化发展；城市气候；降水

引言

城市化是人类社会发展的必然趋势。世界城市化发展的经验表明，城市化快速发展是任何一个国家或地区无法逾越的阶段[1]。随着经济的迅速增长和人类活动的影响，原有城市的规模在不断扩大，对城市气候也产生了明显的影响。关于城市化对降水的影响，是城市气候研究中争议比较多的课题之一，城市化对降水的影响呈现出较大的差异性，差异的存在可能与所在地理位置、城市化程度、研究方法等因素的不同有关，显示出城市化对降水影响的复杂性。近些年来济南城市建设发展快速，导致其气候变化不仅受区域气候背景变化的控制，局地尺度上受城市化效应的影响也愈加明显，所以在分析济南气候变化规律时，要综合考虑区域气候变化背景和城市化效应的影响，而这方面的研究目前还比较少，城市化效应定量评估方面的工作也比较缺乏。城市化的迅速发展深刻地影响城市的气候，有关城市化对区域气候的影响引起了人们越来越多的关注，关于这一问题的探讨，国内外学者从不同时空角度用不同方法进行了大量研究。1968年，Changnon建议发起和实施了METROMEX 计划（大城市气象观测试验计划），其主要目的是寻找城市化对降水影响的证据。Palumbo[2]等对意大利名城那布勒斯的90a资料分析表明，在前60a中城郊的降水差异并无显著变化，后30a中随着城市的工业化，降水量比前一时期增加了17%左右。Huff 等[3]分析了圣路易斯长时间序列的降水资料，认为在城市的上空和下风方向，降水量以及降水天气现象的发生频率，明显高于其周围地区，这种降水分布的异常在夏季最显著，并且表现出随着城市化进程增强的趋势。国内的城市气候研究起步比较晚，改革开放之后，随着工业步伐的加快，城市不断扩建和新建，由城市化引起的气候变化日益受到人们的关注，城市气候研究工作开始发展[4]。周丽英等[5]、周建康等[6]研究了上海、南京的城郊降水差异，认为城市对降水分布的影响反映出雨岛效应特征。梁萍[7]等研究认为上海市的年降水量和暴雨以上的强降水日数呈现出明显的城市雨岛分布特征。

为了探讨济南城市化发展对于降水的影响，文章将以济南6个气象站的50a降水资料为基础，对城市效应造成城郊降水的差异进行分析，研究济南城市化对降水的影响，旨在分析在城市效应影响下济南市降水的时间变化特征，探讨城市化发展对济南降水的影响。

1 数据和研究方法

使用1964—2013年济南市6个气象站历年逐月逐日降水量，资料来源于济南市气象局。其中济南站于1999年由无影山迁至龟山，其他5个站期间也曾进行过迁站，对比观测认为资料连续性较好[8-9]，这对研究城郊降水量变化差异影响较小。

气候统计方法主要采用文献[10]中的距平、线性倾向估计等统计分析方法，对济南市1964—2013年长时间序列的降水资料进行统计分析。

2 近50a城郊降水量的对比分析

以济南站代表城区，5个县市区与济南城区相比较人口密度小，经济发展相对缓慢，城市化进程相对缓慢。可看做济南市的郊区站。

2.1 济南市城郊年平均降水量的对比分析

取5个县市区气象站的年平均降水量作为郊区的年平均降水量。济南市近50a城区和郊区年平均降水量的年际变化趋势如图1所示。

近50a城区的年平均降水量增加的趋势明显高于郊区，城区和郊区的气候倾向率分别为27.94mm/10a和12.24mm/10a，年平均降水量分别增加了139.7mm和61.2mm，城区增加的趋势是郊区的2倍多。这可能是由于城区人类活动频繁，向大气排放了大量的气溶胶和其他颗粒物，这些物质在水汽充沛的条件下，在城区上空易形成凝结核，有利于形成比郊区更多的降水。在少雨期，城郊的差别不是很大，但是在多雨期，城郊之间降水量的振幅差被进一步拉大，也就是说，城区的降水量相对于郊区增多的趋势更大，即涝年愈涝。

图1 1964—2013年济南市城区、郊区年平均降水量的年际变化

2.2 济南市城郊各季平均降水量的对比分析

图2给出了济南近50a城区和郊区各季平均降水量的年际变化特征，春季（图2a）和夏季（图2b）城郊的降水量均为增加趋势，增加趋势城区大于郊区，其中春季城区和郊区的气候倾向率分别为10.58mm/10a，7.38mm/10a，夏季城区和郊区的气候倾向率分别为18.66mm/10a，7.33mm/10a，城郊之间的差距随着时间有增大的趋势；秋冬季城郊之间的变化趋势比较接近，秋季呈略微减少的趋势（图2c），冬季略微上升（图2d），变化趋势都不明显。采用6次多项式对各季降水的波动性进行研究，发现春季和夏季降水量年际变化的波动曲线随着时间城区和郊区的波动幅度差逐渐变大，尤其是在春季，从上世纪90年代到2009年，城郊同时出现一个很明显的波动，春季在十几年降水的增加很明显，城区波动的幅度明显加大。而夏季郊区波动幅度不明显，城区波动幅度明显大于郊区，说明夏季城区降水的极端性增强。在秋季和冬季城郊变化的波形相近，但是城区的波动幅度一直高于郊区。

图2 1964—2013年济南市城区、郊区春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均降水量的年际变化

2.3 济南市城郊各量级降水日数的对比分析

将日降水量≥0.1mm定义为降水日，将5个县市区的降水日数平均后得到郊区的降水日数，以此类推分别求得郊区的小雨日数、中雨日数、大雨日数、暴雨及以上降水日数。图3给出了济南近50a城区和郊区降水总日数以及各量级降水日数的年际变化特征。从降水总日数（图3a）和小雨日数（图3b）的变化可以看出，城区和郊区都表现为减少的趋势，无论是降水总日数还是小雨日数，郊区减少的幅度都明显大于城区，其中郊区的降雨总日数和小雨日数分别通过了0.01水平的显著性检验，说明降水总日数的减少主要是由于小雨日数的减少所致。中雨日数（图3c）城区和郊区呈略微下降趋势，趋势表现都不明显。从大雨（图3d）、暴雨及以上降水日数（图3e）的变化看，与降水总日数和小雨日数的变化正好相反，城区和郊区都表现为增加的趋势，且城区比郊区增加的幅度要大一些。说明伴随城市的发展，大雨及以上的降水日数在城区要比郊区更多，大雨及以上的降水在城区相比郊区更容易出现。

图3 1964—2013年济南市城区、郊区降水总日数（a）以及小雨（b）、中雨（c）、大雨（d）、暴雨及以上（e）降水日数的年际变化特征

2.4 济南市城郊各量级降水量的对比分析

图4给出了济南近50d城区和郊区各量级降水量的年际变化特征。可以看出，城区与郊区的小雨雨量均呈减少的趋势（图4a），气候倾斜率分别为-0.93mm/10a和-5.45mm/10a，郊区减少的幅度明显大于城区。而中雨雨量城区和郊区表现出不一致的变化趋势（图4b），城区中雨雨量存在增加的趋势，而郊区却呈略微减少的趋势。从大雨雨量（图4c）、暴雨及以上量级雨量（图4d）的变化上看，城区和郊区都表现为增加的趋势，且城区增加的幅度大于郊区，其中暴雨及以上量级的雨量城区和郊区的气候倾向率分别达到了20.30mm/10a和15.43mm/10a，可见城区的降水强度更大。

图4 1964—2013年济南市城区、郊区的小雨（a）、中雨（b）、大雨（c）、暴雨及以上（d）量级降水量的年际变化特征

降水总日数在减少，小雨雨量也在减少，而近50a来无论是城区还是郊区的年平均降水量却是增加的，也就是说降雨强度在增大，大雨以上的降水在增多，由此可见，城市效应对降雨的影响主要表现在大雨和暴雨以上的强降水的增多上。李书严等[11]对北京地区城市化进程对降水的影响进行分析，发现北京市30多年来降雨量的减少，主要是由于大雨以上量级雨量减少所造成的。济南城市化的进程对降水的影响与北京情形刚好相反。城市扩张引起的下垫面特征的改变使得北京、天津等主要城市地区的降水量和降水频次明显减少，而在京津冀城市群的下风向的降水量和降水强度增加和增强[12]，加之济南城区地形为浅碟状，大量的凝结核更易在城区上空积聚，对降水量的增加也起到了一定的作用，另外，这也可能与济南南侧的泰山山脉的动力和屏障作用有关，这有待于今后更加深入地研究。

3 结论

（1）近50a城区的年平均降水量增加的趋势明显大于郊区；从季节上看，春季和夏季城郊的降水量均为增加趋势，增加趋势城区大于郊区，秋冬季城郊之间的变化趋势比较接近，变化趋势不明显，需要注意的是夏季城区波动幅度明显大于郊区，说明在夏季城区降水的极端性增强。

（2）从降水日数的变化趋势上看，降水总日数和小雨日数城区和郊区都表现为减少的趋势，且郊区减少的幅度都明显大于城区。中雨日数城区和郊区均表现为略微下降趋势，而大雨、暴雨及以上降水日数城区和郊区都表现为增加的趋势，且城区比郊区增加的幅度要大一些。说明伴随城市的发展，大雨及以上的降水日数在城区要比郊区更多，大雨及以上的降水在城区比郊区更容易出现。

（3）从各量级降水量的变化来看，城区与郊区的小雨雨量均呈减少的趋势；中雨雨量城区和郊区表现出不一致的变化趋势，城区增加而郊区略微减少；大雨雨量、暴雨及以上量级雨量城区和郊区都表现为增加的趋势，且城区增加的幅度大于郊区，城市效应对降雨的影响主要表现在大雨和暴雨以上的强降水的增多上，城区的降水强度更大。

[1]陈波，郝寿义．自然资源对中国城市化发展水平的影响研究[J]．自然资源学报，2005，20（3）：394-399．

[2]Palumbo A，Mozzarella A.Rainfall statistical properties in Naples[J].Mon Wea Rev，1980，108（11）：1011-1015.

[3]HUFF F A，Changnon S A.Climatological assessment of urban effects on precipitation at St.Louis[J].J.Appl.Meteor，1972，11：823-842.

[4]顾丽华.南京市城市气候效应的研究[D].南京：南京信息工程大学，2008：4.

[5]周丽英，杨凯.上海降水百年变化趋势及其城郊的差异[J]．地理学报，2001，56（4）：467-476.

[6]周建康，黄红虎，唐运忆，等.城市化对南京市区域降水量变化的影响[J]．长江科学院院报，2003，20（4）：44-46.

[7]梁萍，丁一汇，何金海，等．上海地区城市化速度与降水空间分布变化的关系研究[J]．热带气象学报，2011，27（4）：475-483.

[8]张晓平，周春珍，郝传静，等.平阴国家气象站迁移对比观测资料差异分析[J]．山东气象，2009，29（3）：29-31.

[9]耿大伟，张旭东，田家波，等.长清国家一般气象站迁移对比观测资料差异分析[J]．山东气象，2010，30（4）：37-41.

[10]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：37-63.

[11]李书严，马京津.城市化进程对北京地区降水的影响分析[J]．气象科学，2011，31（4）：414-421.

[12]张珊，黄刚，王君，等．城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究[J]．大气科学，2015，39（5）：911-925.