城市热岛对漳州气温和降水影响的分析

陈艺敏, 戴玺君, 陈建发, 陈登辉

(1. 漳州职业技术学院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龙文区气象局，福建 漳州 363000)



城市热岛对漳州气温和降水影响的分析

陈艺敏1, 戴玺君2, 陈建发1, 陈登辉2

(1. 漳州职业技术学院, 福建 漳州 363000; 2. 漳州市龙文区气象局，福建 漳州 363000)

摘 要：利用Mann-Kendall检验法，分析了漳州市区（1957—2014年）的逐月平均气温和降水量，结果表明，90年代中期为气温的突变点，之后增温趋势明显，而降水量的突变不明显。漳州城市热岛效应在2005－2014年表现明显，热岛效应主要增强了市区、东部(长泰、龙海)与西部(南靖、平和)的正温度梯度和负降水梯度，并且季节变化明显。热岛效应导致当地垂直运动的变化是影响当地降水变化的可能机因。

关键词：城市化; 气温; 降水; Mann-Kendall检验

1　引言

随着社会经济的发展，城市人口的规模不断扩大，气象学家们已经注意到城市化进程增加了人为热排放并改变了城市下垫面性质，形成城市温度比郊区高的热岛效应[1]。学者们经研究发现，城市热岛效应在升高气温的同时会影响城市流场与降水[2-4]。对北京城市热岛研究发现，热岛效应的强度的减弱与大气稳定度减弱，大气逆温消失和地面风速增大相关[5]。杨峰等发现近四十年来上海城区比郊区增温明显，且冬季增温比夏季显著。陈隆勋等[7]发现随着长江三角洲城市群的发展，长江三角洲地区的气温迅速增加，形成区域性热岛，同时该地区的降水增加。

近十几年来，漳州城市建设飞速发展，汽车数量剧增，人为热排放显著增加，形成城市热岛效应。对于北京、上海等大城市热岛效应对当地气候影响已有多篇论文发表，而面对中小城市热岛效应的研究很少。本文主要探讨在城市热岛影响下，漳州地区城镇间气温和降水变化特征，以期为当地的防灾减灾工作提供科学依据。

2　资料与方法

本文所用资料为漳州地区10个站点（区域范围为116.85°～118.15°E，23.5°～25.2°N）1957－2014年的月平均气温和降水量资料，以及近 20年的日平均降水资料。为减少各地因海拔高度的差异给温度带来的影响，本文将10站的平均气温按照0.65℃/100m的垂直递减率订正到海平面。

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验法，常用于时间序列的突变检验，具体计算过程详见文献[8]。计算得到的UF和UB曲线在置信区间内的交点即为突变点，UF>0为上升趋势，反之为下降趋势。UF曲线通过信度检验可得出是否有明显的变化趋势。

3　结果分析

3.1漳州市区气温与降水的突变

漳州市区1957－2014年的年平均气温和降水量的M-K检验结果如图1所示。结果表明，从1989年以来，漳州市区气温呈持续上升趋势，90年代中期为气温的突变点，之后增温趋势更加显著，表现为UF曲线在90年代后期超过临界值1.96（通过α=0.05的显著性检验）。当地气温持续上升的趋势与全球变暖的气候大背景吻合，但是陈葆德等[9]研究了大规模城市化和土地利用变化对气温的影响，发现大规模下垫面改变导致的局地气温增加远高于全球变暖的作用。由于近十几年漳州城市化进程快速发展，城市下垫面的剧烈改变以及人为热排放的显著增加，是当地气温迅速上升的原因。

市区降水量的M-K检验曲线在20世纪60、80年代及21世纪初出现了4个突变点。降水量的UF曲线在20世纪70年代前和2006年后呈减少的趋势，而在此之间则是呈现增加的趋势，但变化不显著（除1970年外均没有通过α=0.05的显著性检验）。

图1　漳州市区气温和降水量的M-K图（虚线为α=0.05的显著性检验线）

3.2城市热岛效应

为了观察城市热岛效应，分别计算1995－2004年和2005－2014年漳州地区10个站点平均气温和同期各站平均气温之间的差值，所得结果由Grads插值，如图2所示。从图2a中可以看到，在1995－2004年市区还没有成为明显的暖中心，且与相邻的南靖、平和、长泰和龙海的温度梯度均不大，而南部的东山和诏安由于受到海洋的影响显著，温度比其他地区低而成为冷中心。2005－2014年（图 2b）市区与东部的龙海和长泰成为明显的暖中心，且市区中心增温明显。从结果可以明显看出，2005－2014年漳州城市热岛效应明显，这与当地在近十几年来城市化快速发展是一致的。由于南部距离市区较远，热岛效应的影响很弱，本文主要关注的是市区以及相邻的东部（龙海、长泰）和西部（南靖、平和）地区。从1995－2004年到 2005－2014年，市区增温明显，且由于东部地形较为平坦，暖区的范围从市区向东部扩散，连为一体；但往西部的扩散明显受到西部多山地形的阻挡，使得南靖与平和成为相对的冷中心，导致东西部的温度梯度明显增大。

图3 是漳州地区2005－2014年和1995－2004年四季气温的空间距平差，反映的是热岛效应影响下市区与各地温度梯度的季节变化。结果发现，热岛效应造成的东西部间的温度梯度在春季最为明显,其次为夏季，由温度梯度产生的垂直对流在春季和夏季最显著。

图2　漳州地区气温的空间距平，温度线间隔0.1℃ (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

图3　漳州地区2005－2014年和1995－2004年气温的空间距平差，温度线间隔0.1℃

3.3热岛效应对城镇间降水的影响

城市热岛效应造成城镇间温度梯度的变化，导致了垂直对流的变化，必定会影响当地的降水量。按照前面的方法，同样计算了1995－2004年和2005－2014年平均降水和同期各站平均降水之间的差值，如图4所示。结果发现，降水呈现北多南少、西多东少的趋势，受海洋影响明显的南部的东山和诏安的降水明显少于其他地区。1995－2004年漳州市区和东部的降水量比西部少，东西部之间的降水梯度为负。受热岛效应影响，2005－2014年市区、东部与西部的降水负梯度增加了。

四个季节降水量空间距平的变化(图 5)反映了城市化进程对于局地降水梯度的季节影响。受到热岛效应影响，四个季节市区与东部的降水均为负值。市区、东部与西部的负降水距平在秋季最大，夏季次之；春季由于西部降水减少更显著，在东西部间出现正降水距平。南部地区离市区较远，受到的城市热岛影响较弱，其夏季降水明显的年代际变化，可能应是由台风降水量的年代际变化引起的。

利用漳州市区日降水资料对1995－2014年的小雨（24小时降水量0～19.9mm），大雨（24小时降水量20.0～49.9mm）、暴雨（24小时降水量50.0～99.9mm）的天数和雨量进行统计，结果见表1。受热岛效应影响，漳州市区降水天数和降水量的减少主要表现为小雨和暴雨的天数和雨量的减少。漳州暴雨主要出现在夏季，多由大尺度的环流系统诱发--高空西风槽和南支槽及其前侧的副热带气流和低空强西南气流[10]，或由台风降水引起。由于城市热岛效应主要影响的是局地对流型降水，而对大尺度的降水影响很小[11]。因而，本文认为城市化进程主要影响到小雨，此结论与敖翔宇等[12]模拟长江三角洲地区城市化对降水影响一致。

图4　漳州地区降水量的空间距平，雨量线间隔5mm (a. 1995－2004年；b. 2005－2014年)

图5　漳州地区2005－2014年和1995－2004年降水量的空间距平差，雨量线间隔3mm

表1　市区2005－2014年和1995－2004年降水天数和雨量

3.4可能机理分析

孙继松等[13]研究发现由于城市热岛效应所造成的温度梯度的增大，边界层内垂直上升运动增强了，有利于在盛行风的下游发生降水过程，而在上游方向则相反。根据 1995－2014年漳州市区月最多风向资料得知，当地主要盛行风向为ESE，西部为下游地区，东部为上游地区，所以漳州西部的降水比东部多。

4　结 论

本文利用M-K检验法确定了90年代中期为气温的突变点，而降水的突变不明显。利用漳州地区10个站点1995－2014 年的气温和降水资料研究城市热岛效应及对漳州降水的影响。结果发现：

（1）2005－2014年为当地热岛效应最显著的时期，热岛效应使得漳州市区、东部与西部的正的温度梯度明显加大，并且春季增温的幅度最明显。

（2）热岛效应增强了市区、东部与西部负的降水梯度，并且秋季的负梯度值最大。热岛效应主要通过影响小雨来影响市区的降水。

（3）热岛效应造成的漳州地区东西部温度梯度的增加导致垂直上升运动的增强可能是造成了当地降水变化的机理之一。

参考文献：

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[3] 孙继松, 王华, 王令,等. 城市边界层过程在北京 2004年 7月 10日局地暴雨过程中的作用[J]. 大气科学, 2006, 30(2): 221-234.

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[9] 陈葆德, 侯依玲, 田展, 贺千山. 下垫面改变对华东区域气温的影响[C]. 第五届副热带气象业务研讨会, 2009.

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（责任编辑：季 平）

Analysis of the influence of the city heat island on the temperature and precipitation in Zhangzhou

CHEN Yi-min1, DAI Xi-jun2, CHEN Jian-fa1, CHEN Deng-hui2
（1. Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000，China; 2. Zhangzhou Longwen District Meteorology Bureau, Zhangzhou 363000, China）

Abstract:The Mann-Kendall test is used to analyze monthly average temperature and precipitation from 1957 to 2014 in Zhangzhou. The results showed that the mid 1990s was the abrupt change point of temperature, followed by an obvious increasing trend, while no obvious changes of precipitation were found. The heat island caused by urbanization was obvious from 2005 to 2014. The heat island enhanced the positive temperature gradient and negative precipitation gradient between the urban area, the Eastern area (Changtai, Longhai) and the Western area (Nanjing, Pinghe), and the gradient is various with seasons. The heat island effect leading to the changes of vertical motion is likely the mechanism.

Key words:urbanization; temperature; precipitation; Mann-Kendall test

中图分类号：P423; P426.6

文献标识码：A

文章编号:1673-1417（2016）02-0015-06

doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.02.0004

收稿日期：2016－04－10

作者简介：陈艺敏（1979—），女，福建漳州人，讲师，硕士，研究方向：环境科学与污染治理。