西安城市化对气温变化趋势的影响，本文主要内容关键词为：西安论文,气温论文,变化趋势论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2009-03-30
1 引言
关于区域尺度的热岛效应已经进行了大量的研究[1-8]。由于不同地区城市建设的规划和风格的巨大差异导致了各个地区所产生的热岛效应强度也存在差别。在某些地区，城市热岛效应不明显，而有些地区的城市热岛效应却很强[6，9-10]。尽管城市化热岛效应的存在已是不争的事实，但它是否对当前增暖趋势产生影响却存在两种截然相反的结论[9，11]：Kalnay等[11]发现，气温日较差减小率的一半起因于城市化和其它土地利用的变化，强调了城市化的热岛效应和其它土地利用变化对全球增暖的重要贡献；但Peterson的研究[9]却认为城市热岛对气温的变化没有显著的作用。IPCC第四次评估报告的结论是[12]：在大陆尺度和半球尺度上，城市化的热岛效应可以忽略不计[10，13]，但也许因为部分城市站点设置在城市的公园里，公园里观测站点的数据并不能代表城市的真实情况[9]。因此，尽管城市的热岛效应客观存在，但它对当前增暖趋势的贡献大小仍然是一个争论不休的话题。
分析近几年有关城市热岛效应的研究可以发现，尽管在全球或者半球尺度上城市化的热岛效应对增暖的趋势也许可以忽略不计，但在区域或者局域尺度上，大量的研究证明了热岛效应对表面气温的增暖趋势有重要的影响，尤其是在小区域或者单个城市，热岛效应对城市生活环境(包括出行和人类的健康)有着不可忽视的影响[14-17]。因此，对区域、局域尺度和单个城市热岛效应对气温变化影响的分析更显重要。
西安作为我国四大火炉之一，其城市化的气候效应已被揭示[18-21]。这些研究从不同角度指出了西安的热岛效应作用及其它气候效应。如田武文等[19]通过与周围站点比较发现西安站因城市热岛效应平均气温上升了1.07℃，并指出平均气温有两个明显的上升期；方峰等[21]的研究指出，西北地区城市热岛效应与城市的大小密切相关。
尽管过去的研究对西安的城市热岛效应做了大量的分析，但缺乏对热岛效应时间变化上的阶段性、季节差异和对最低、最高气温影响的分析，同时也缺乏对热岛效应和区域增暖(增温趋势)相互联系的研究。本文将针对这些问题展开研究，以期对西安城市发展影响气温变化，尤其是对热岛效应增暖趋势有一个深刻认识，为客观定量的估算城市热岛效应对区域和全球尺度增暖趋势的贡献提供证据。
2 资料和方法
本文利用西安(1951-2006年)、长安(1959-2006年)、泾阳(1955-2006年)和蓝田(1959-2006年)4个站的月平均气温、月最高和月最低气温数据。周围3站距离西安都在50 km范围内，属于同一气候区[19]，且4站气温年际变化的相关系数均能达到999‰的显著水平，具有可比性。周围3站除长安站2004年以后开始有城市化影响(测站周围有建筑物建成)外，其它两站均无城市化效应的影响。尽管在2004年后长安站受城市化影响，但由于本研究的分析时段主要在2004年以前，所以对本文的研究结果不会有本质的影响，4个站在2006年以前均无迁站纪录，在时间序列上数据是均一的，能够用于城市化热岛效应的比较研究。年平均气温由12个月的月平均气温平均得到，4个季节分别为：冬季为上一年的12月-当年2月，春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，季节平均气温为3个月月平均气温的平均值；季节最高、最低气温分别为季节最高或最低值。
依据文献[19]的研究发现，20世纪80年代初到90年代初和90年代初到21世纪初是西安城市化热岛效应加强的两个时段，为了充分认识和了解热岛效应的变化，我们共分为4个时段进行对比：起始年-2006、起始年-1980、1980-2006、1993-2006年。通过对比分析不同时段西安站气温的线性变化趋势并与其周围3站进行比较分析来揭示城市站与周围站点气温变化的特征差异，客观估算城市热岛效应对平均气温(包括年平均气温和季节平均气温)、最高和最低气温(包括年和季节)的贡献，定量估算热岛效应的影响。
3 结果分析
3.1 西安城市化的进程
西安的城市化可分为3个阶段[22]，(1)1956年以前有一个快速发展的阶段，城市化水平(非农业人口在城市总人口中所占的比例)由1952年的22.8％增长到1957年的33.9％，增长了10个百分点，(2)1957-1979年，城市化水平是一个稳定阶段，基本稳定33％左右。(3)1980年以后是第二个快速发展的阶段，西安的城市化水平迅速提高，从1980年的33.8％增加到2001年的42.1％。城区人口的变化也是城市化的一个指标.从西安近半个世纪城区人口与气温变化的变化(图1)可以看出，西安城区人口的发展也基本代表了城市化的3个阶段，比较城市人口与气温的变化曲线发现，1980年以后两者的变化趋势一致，其中1985-2006年两者的相关系数达到了0.85，说明气温变化与城市化的发展具有密切的关系，这也是本文将分析的关键问题。
3.2 西安城市化对平均气温的影响
我国城市化发展主要始于1980年，体现在城市人口的增长和城市用地面积的扩张。为了深入了解城市化对气温变化的影响。首先分析西安及其周围站长安、泾阳和蓝田3站的年平均气温变化及差异。
从西安、泾阳、长安和蓝田的年平均气温变化(图2)可看出，西安站与其周围3站的年平均气温变化在1980年以前差别不大，但在1980年以后却有较大的差别，说明1980以后存在着明显的热岛效应。在1981-1992年间，西安站的气温明显高于其余3站，且随着时间的变化，它与其周围站的温差在这个时段变化不大，基本保持一个常数，但在1993年以后，西安站与周围3站之间的温差越来越大。在1993年以前，无论西安站还是其周围站，其气温没有显著的变化趋势；但在1993年以后，4个站的气温都存在着增暖趋势，但西安站的增温趋势更为显著。为了考察城市化对年平均气温趋势的影响，对起始年-2006年、起始年-1980年、1980-2006年和1993-2006年4个阶段的气温变化进行统计分析，4个站的不同时段的线性趋势系数和趋势的统计结果列于表1。可以看出，与周围3站的线性趋势相比，无论哪个时段，西安站的线性趋势均大于周围3站，也就是说西安城市站存在明显的城市热岛效应，且这种效应使得城市增温趋势加强。从起始年-2006年，西安站的气温变率是0.31℃/10a,是长安和泾阳两站的增温率0.15 ℃/10a的2倍，这与Brian等[14]研究的美国超大城市的结果一致。在起始年-1980年时段，西安站和泾阳站为微弱的增温趋势，且西安站的增暖系数略大于泾阳，但这种增暖趋势均不显著(没有达到90％的信度检验)；其余两站为负的线性趋势系数，说明这个时段这两个站为降温趋势，且蓝田站的降温趋势达到了90％的信度水平。在1981-2006年时段，4个站的线性趋势系数均为正值，且西安站的增温率远大于其周围3站，达到0.93 ℃/10a，其他站的增温率的变化范围为0.44～0.57 ℃/10a；除蓝田站的线性增温趋势的信度水平为90％外，其余3站的线性增温趋势均达到999‰的信度水平。在1993-2006年时段，除蓝田站外，西安、长安和泾阳的线性增温系数和增温率均大于其它时段，且西安站的增温系数显著大于其它各站，说明这个时段城市热岛对增温趋势的影响显著增强，除蓝田外，其他3站的线性趋势均达到95％的显著水平，而西安站的显著水平超过了99％。比较后3个时段A2、A3和A4发现，城市热岛效应在不断增强，且对增温趋势的影响加大。长安、泾阳和蓝田均在距离西安50 km的范围之内，分别位于西安的南、北和东南方向，因此受地理位置和地型变化影响相对较小。另外，西安城市规模在1980年以后有一个显著的扩展[22]。因此，可以认为随着城市的不断扩展，城市热岛效应对增暖趋势的贡献也在不断增强。
其中A1：起始年-2006；A2：起始年-1980；A3：1980-2006；A4：1993-2006。上角标数字：“1”指超过0.001的信度检验；“2”指超过0.01的信度检验；“3”指超过0.05的信度检验，“4”指超过0.10的信度检验。
4个站增温趋势的大小既存在城市站与周围站明显差异，还存在季节的显著变化(表2)。从1993-2006年的变化趋势来看，在春季，无论是西安还是其周围3站，其增温的线性趋势都是4个季节最大的，且都达到99％以上的信度检验；冬、秋季节次之，而夏季为最小，除西安站秋季的线性趋势能达到90％的信度水平外，这3个季节所有站点的线性趋势均不能达到显著的检验水平。其中西安春季的线性增温趋势达到2.20℃/10a，是其它季节的2～4倍。和周围3站相比，西安站的线性增暖系数在各个季节均大于周围3个站，热岛效应对增暖趋势的贡献明显，其线性增温趋势是周围站点的1～2倍。通过不同月份增温线性系数的变化曲线(图3)可以看出，西安站所有月份的线性增温系数均高于周围3个站，其中以3月份的增温系数最大，6、7月次之，8月为最小，1-7月是增温系数相对较高，8月以后相对较小；春季最高，夏季次之，秋季最小。分析还发现，尽管城市站与周围站的线性增温系数量值上有差异，但它们的年内变化特征基本一致，这些年内变化特征主要与不同月份的云量有关。云量的变化能够影响地表所接收的太阳辐射的大小，最终改变影响地表大气温度的能量通量(包括感热和潜热)，从而引起地表气温的变化。
图3 不同月份各站点线性增温系数的变化
Fig.3 Variations of linear increase rate of T[，m]in different months
进一步计算了西安站的4个季节和年平均气温与周围站点气温之差的变化(图4)。可以看出，在1980年以前，西安与其周围站点的气温差基本稳定，没有明显的变化趋势，在1980年以后这种温差存在一个增大的趋势，其中1980-1992年温差增大的趋势较小，而1993年以后，这种温差趋势却急剧增大，说明城市气温在这个时段的增幅明显高于周围站点，这较大的增温幅度应与城市的热岛效应密切相关。我国城市化的发展主要发生在20世纪70年代末和80年代初。西安城市热岛效应的加剧开始于1980年以后，这与我国这个时期的城市化迅速发展一致。
图4 西安站与其周围3站的气温差变化
Fig.4 The difference of annual T[，m] between Xi'an and the three surrounding sites，respectively
西安的热岛效应具有明显的时间阶段性。对于年平均气温来讲，在1980年以前，西安与其周围站的气温差较小，但1980年后，这种气温差值在逐年增大，尤其是在1993年以后，它们的气温差显著增大，说明城市热岛的强度在逐渐增大，如果把西安站的气温与周围3站的平均值之差作为西安热岛的强度，那么，1959-1980年、1981-1992年和1993-2006年3个阶段的热岛强度分别为0.206、0.489和1.078，说明西安的热岛强度在成倍增加。分析1993-2006年两者差值的线性趋势发现，差值的线性趋势均为正值，说明西安站与其周围站的温差逐渐增大，同时也说明西安站的城市热岛效应在不断增强，除长安站夏季的线性趋势没有达到显著水平外，其它季节和年的线性趋势均能达到95％的显著水平，这说明城市化的热岛效应随着城市的扩展在增大，对局地增暖的趋势产生了重要的影响。这种现象还具有明显的季节特征，在春季表现得最为强烈，其中3月份最大，8月份最小。因此，可以断定，对于单站来说，城市的热岛效应改变了增暖趋势的强度。
3.3 西安城市热岛效应对最低、最低气温的影响
以上分析发现，1980年以后，西安的城市热岛效应对平均气温的变化趋势有重要的影响，体现在它能加强目前城市气温的增暖趋势，且热岛效应对增暖趋势的改变具有明显的季节差异，尤以春季最为显著。那么，既然城市的热岛效应对年和季节的平均气温有如此显著的作用，那么它对极端温度变化趋势的影响又怎样？目前还缺乏对这些问题的研究。这里进一步分析了西安及周围3站年和4个季节最高温和最低气温的变化，并把西安站与周围站点进行了对比分析，试图揭示城市热岛效应对最高和最低气温变化的影响。
1982年以前，西安站的年最高气温与其周围3站的气温没有显著的差异(图5a)，年际变化特征也基本一致。但在1982年以后，它们的年最高气温温差的大小随着时间变得越来越大，有个明显增大的趋势，同时，显示出城市站的年最高气温增加的幅度较之周围站点更大。也就是说，西安城市年最高气温的增加趋势强于其周围站点。但城市化对年最低气温的变化的影响却明显不同。
在整个分析时段(起始年-2006年)，城市年最低气温均高于其它周围站点(图5b)，且所有站点的年最低气温都存在一个持续增大的趋势，这是年最低气温与年最高气温受城市化影响的不同特征。在1980年以后，城市站与其周围站的温差差别不大，但1990年以后这种差别逐渐增大，尤其是在1993年以后，它们之间的差异越来越大，城市年最低气温的增暖幅度明显强于其周围站点。为了更清楚分析城市热岛的变化，在这里同样计算了西安站与周围3站的年最高气温和年最低气温之差(图6)。可以看出，在1980年以前，西安站与周围站的年最高气温的温差有正有负，城市化热岛效应对年最高气温的贡献不明显；但在1980年以后，它们的温差显著增大，尤其是在1990以后，这种温差明显增大，在2002年西安站与蓝田站年最高气温之差达到最大为2.7℃。年最低气温温差的变化特征略有不同：西安站与其周围站的年最低气温差值明显大于年最高气温的差值，在1980年以前，西安与各其它站年最低气温的差值呈现一个微弱的下降趋势，1980-1990年时段，温差最小，且没有明显的变化趋势，但在1990年以后，年最低气温的温差明显增大，说明在这个时段，城市年最低气温的增温幅度明显高于其周围站点。对比图6a和6b不难看出，西安站的年最高和年最低气温的增温幅度明显强于其周围站点。同样，对1993-2006年时段，西安站年最高气温和年最低气温与周围3站差值的线性趋势进行显著性检验，发现除与蓝田站的最低气温差值的线性趋势的信度水平较低，为90％，其余均超过99％的信度水平。因此断定，城市化的扩展显著影响了城市的年最高和最低气温。
西安的城市化影响具有明显的阶段性特征，尤以1993-2006年时段的强度最大。从不同阶段年最高气温和年最低气温的线性趋势系数及趋势(表3、4)可以看出，在起始年-2006年时段，西安年最高气温的线性趋势系数为正的0.025，达到了999‰的信度水平，其趋势大小为0.249 ℃/10a，而其余3站的趋势系数却为负值，没有通过90％以上的信度检验，但至少说明年最高气温在这个时段不存在增大趋势，假如我们认为周围站点的年最高气温是不受城市化影响的自然变化趋势，那么正是由于城市化的热岛效应改变了原有的年最高气温的变化趋势，即由负的趋势(年最高气温减小)转为正的趋势(年最高气温增大)，这些事实说明城市热岛改变了城市的年最高气温的变化趋势。在起始年-1980年时段，所有站点的趋势均为负值，说明在这个时段年最高气温是减小趋势，比较这个时段的线性趋势系数发现，西安站的趋势系数的绝对值远小于周围其它3站。西安站年最高气温的降温幅度远小于其它3站。显著性检验表明，除西安站外，其余3站的降温趋势均能达到99％的信度水平。
在1981-2006年和1993-2006年两个时段，无论西安还是其周围站，年最高气温的线性趋势系数均为正值，说明年最高气温有一个增大的趋势，然而西安站的线性趋势系数明显大于其周围站，也可看出城市化对年最高气温增暖强度的影响。尤其在1981-2006年时段，4个站的趋势系数均为正值，且通过了99％的信度水平检验，这个时段的增暖趋势有其大尺度的背景，比较各站之间的趋势系数发现，西安站的趋势系数是其它3站的2倍多，说明热岛效应加强了年最高气温的增大趋势。在1993-2006年，这种特征更为显著。关于年最低气温(表4)，所有站点在4个时段均为正的线性趋势，且西安站的趋势系数明显大于其周围站点，与年最高气温的变化趋势相同，年最低气温的变化趋势在1992-2006年的线性趋势系数和趋势相对于其他时段均是最大的。
对1993-2006年时段的西安和其周围站点不同季节最高和最低气温的线性变率进行对比分析(图7)发现，在4个季节里，无论是最低气温还是最高气温，线性变率均为正值，且春季4个站的线性变率都是最大的。与其周围站点比较，对于最高气温，西安站的春季线性变率与其周围站点线性增率的差值最大，秋季次之，夏季最小，冬、春、夏、秋的差值分别为0.903℃/10a、1.48℃/10a、0.65℃/10a和1.43℃/10a；但最小气温的差值却有不同的季节特征，西安站与其周围站变率的最大差值在冬季，其次是春季，按冬春夏秋排列，其差值依次为1.16℃/10a、0.89℃/10a、0.77℃/10a和0.46℃/10a，秋季最小。由此看来，城市热岛对最高气温和最低气温的作用有着明显的季节特征及差异。如果把这种差值看作城市热岛的指标，那么城市热岛效应对最低气温的最大贡献发生在冬季，对最高气温的最大贡献发生在春季，这种差异的原因有待于进一步研究。
从4个站点1993-2006年不同季节最高、最低气温的线性趋势比较(表5)可以看出，所有站点4个季节最高和最低气温的趋势均为正值，其中西安站的最高气温和最低气温的线性趋势系数在所有季节都是4个站点中最大的，说明在所有季节，城市热岛效应都改变了城市极端气温(最高和最低)的变化趋势，使得增暖的趋势加强。冬季最高最低气温的线性增加趋势只有西安站通过了99％的信度检验，其余3站尽管均为正的趋势，但都未通过显著性检验。春季，除蓝田站的最低气温变化趋势不能通过显著性检验外，其余都能通过95％的信度水平检验；夏季，西安和长安最高最低气温的线性增加趋势均通过95％以上的信度水平，但在泾阳和蓝田，只有最低气温能通过90％以上的信度水平。在秋季，西安站的最高和最低气温都通过了95％的信度检验，但其余站点只有泾阳的最高气温通过了90％的信度检验。比较趋势系数大小可以发现，冬季西安站的最高气温线性趋势系数大于最低气温的线性趋势系数，其他季节均为最低气温的线性趋势系数大于最高气温的线性趋势系数，其周围站点最高气温和最低气温的线性趋势的比较没有确定的规律，长安站冬、春、夏的最低气温线性趋势系数大于最高气温的线性趋势系数，但秋季的最低气温线性趋势系数却小于最高气温的线性趋势系数；泾阳站冬、春和秋季的最高气温的线性趋势系数均大于最低气温的线性趋势系数，而夏季的却小于最低气温；在蓝田，冬夏季节最低气温的线性增暖系数大于最高气温的线性增暖系数，但春秋季节却小于最高气温的增暖系数，最高气温和最低气温的线性趋势系数缺乏一致的规律。进一步比较发现，无论西安站还是其周围站，春季的线性增暖系数都是所有季节最大的，大尺度的增暖在春季是最强的。
4 结论
通过对西安、长安、泾阳和蓝田4站从建站起到2006年的年平均气温、最高气温和最低气温的分析及比较研究，揭示了西安城市化效应对年平均气温、最高气温和最低气温变化趋势的影响，定量估算了城市化效应对这3种气温变化影响的季节差异。
(1)西安城市的热岛效应存在着明显的阶段性：在1951-2006年时段，西安的线性增暖趋势是周围其它站点的几乎2倍，1980年以前，西安与其周围站的年平均气温差值较小且变化不大，但从1980开始，城市的年平均气温明显大于其周围站点，说明存在明显的城市热岛效应。在1980-1992年这12年间，尽管存在热岛效应，但气温的变化趋势基本没有差别，说明这个时段城市站与周围站的增暖幅度一致。值得注意的是在1993年以后，西安站与其周围站的增暖趋势明显不同，城市站的增暖幅度明显大于其周围站，且增暖的线性趋势系数大于周围站点，说明在1993年以后，城市化的加强已明显影响到增暖趋势的变化。
(2)城市热岛效应存在着明显的季节性：西安及其周围站的增暖幅度在春季最大，其中西安达到2.20℃/10a，是其它季节的2～4倍；秋季的线性增暖幅度次之，夏季最小。增暖的最大值出现在3月份，最小值出现在8月。
(3)对于最高气温，城市化热岛效应的影响也主要发生在1980年以后，这与城市化的急剧扩展有关。与年平均气温的阶段性特征相似，城市化对最高气温的影响同样存在明显的阶段性，1993年以后，城市热岛效应明显改变了最高气温变化趋势；对于最低气温，从起始年开始就存在着明显的城市热岛效应；1980年以后，城市热岛效应对最低气温贡献逐年增大。从1993年开始，城市热岛效应对最高和最低气温的贡献均显著增大。
(4)无论最高气温还是最低气温，增暖幅度最大都在春季，热岛效应对最高气温的最大贡献也在春季，对最低气温的最大贡献在冬季。最高气温和最低气温线性趋势的最大值都出现在春季。
(5)在1980年以前，西安城市站的最高气温趋势为正的线性趋势，而周围站的线性趋势却为负的，说明城市的热岛效应在这个时段改变了最高气温的变化趋势。