城市化对北京平均气温的影响[＊]，本文主要内容关键词为：北京论文,平均气温论文，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。
1 引言
以CO[，2]为代表的温室效应气体增加所引起的全球变暖和影响已经引起全球科学界广泛关注，同时受到各国政府的高度重视[（1）]。在过去110年（1881年～1990年）间，根据IPCC（1990）报告，北半球和南半球气温变暖趋势为0.53℃／100a和0.52℃／100a。1980年前后20年间的气温变暖规模最大，且全球大体上是同时出现变暖[（2）]。然而区域气候的不确定性给气候学家带来巨大的挑战，中国幅员辽阔，地区气候差异大。据王绍武[（3）]研究，1950年～1970年我国内陆气温偏低，东北及沿海气温维持不变或略有上升，1980年各地气温均偏低，但东北和包括北京在内的沿海变暖，为正距平。
在全球变化和区域气候研究中，造成气温观测中最重要的系统误差很可能是城市热岛的影响[（1）]。城市热岛效应是英国化学家Lake Howard（1772年～1864年）于1820年通过发现城市中心区气温比临近地区城镇热而提出的。此后，已有数千篇有关城市气候的论文发表[（4）]。近年来，城郊温差扩展趋势已被证明[（4）]，在少于10 000人口的小城镇中亦能在长时间温度记录中探测到城市热岛的影响，Karl等对美国历史气候网（1219站）资料研究后指出，平均城市化影响约0.06℃（1901年～1984年）[（5）]，而Kukla等指出北美有0.12℃／10a城市化影响的倾向[（6）]。我国亦有很多关于城市热岛方面的研究，如周淑贞[（7）]、张景哲[（8）]、王传琛[（9）]等，还有中国城市气候丛书出版。随着城市不断发展，某些建筑包围或接近原在郊区的气象站，气象要素的观测不可避免地受到城市化的影响，特别是气温。其影响的程度又和城市的大小，建筑构成，周围地形；房屋密度，以及气象台站所在地理位置等有关系。它给区域气候和全球气候变化研究带来了复杂性，本文试图通过近30多年来北京地区平均气温分析，探讨北京城市化影响。
2 北京概况
北京是我国首都，行政区范围为16 808Km[2]，西部和北部是连绵不断的群山，东南为一片低缓的平原。北京为典型的暖温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春秋短促。
解放前北京根本没什么现代工业而言，50年代城市环境状况基本是好的，人们感觉天空晴朗、空气清新、整洁幽静、舒畅。然而随着工农业生产不断发展，北京的城市规模不断扩大，特别是80年代以来有了突飞猛进的发展。到1992年底，北京市人口约为1 100万（含郊区、县），城区人口密度27624人／km[2]，最稠密的天坛街道54 008人／km[2]；一天的工业产值远远超过1949年1年的工业总产值；能源消耗约3 000×10[4]t标准煤；建成区面积达443.92km[2][（10）]。这些无疑对北京包括城市气候在内的环境产生影响，1987年北京平均热岛强度为2℃[（11）]。
3 资料和方法
3.1 资料
北京有20个气象台站（图1），除北京观象台外通县气象站气温观测最早，始于1955年。
图1 北京市气象站分布及第1主成分（上）和第2主成分（下）倾向率
Fig.1 The distribution of meteorological stations in Beijing areaand the tendencies of the first principal component (upper) and the second principal component (lower)
根据上面50年代北京居民感觉分析，同时为了比较，选择观象台（代表北京）、延庆、密云、古北口、平谷、通县、房山气象站1960年～1993年月平均气温资料为我们的分析基础。在此其间，观象台曾几次迁址，序列显然不均一（表1）。
表1 1955年～1993年北京观象台与通县气象站年平均气温差值（℃）
Tab.1 Differences of the annual mean temperatures between BeijingObservatory and Tongxian Meteorological Station
通县气象站序列是均一的，本文用Craddock[（12）]方法逐月进行了插补，并进行了检验（图2），证明结果是好的。
图2 Craddock温度时间系列均匀度测试
Fig.2 Craddock test graphs for monthly mean temperature
3.2 方法
在以往的研究中多用城内和郊区气象站的日、月、年的气温差，即热岛强度作为指标反映城市化对气温的影响，这种方法会因气象站的位置不同而有很大差异。安成哲三[（13）]等采用主成分分析方法对日本主要城市平均气温进行分析后指出，第1主成分代表了城市化对气温影响的可能性。本文采用传统的思路和主成份分析方法相结合，对北京的城市化影响进行探讨，具体方法如下：
为了消除大气中30天～60天的“气候噪声”，首先对各台站平均气温进行3个月的滑动平均，突出北京的季节变化特征，使各站1960年～1993年月平均气温从上年5月到第2年4月组成新的时间序列矩阵T[，ij]。其中i＝1，2……32，对应于年份，j＝1，2……12，对应于5月，6月，……3月，4月。然后进行标准化处理：
其中P[，j]是第j主成分，E[，j]是第j特征向量，亦是权重系数。
4 结果分析
主成分分析结果，第1、2、3主成份累积贡献率为75%～79%，第1和第2主成分分别为36%～41%和22%～25%，两者合计为58%以上。
4.1 第1特征向量和第1主成分
分析各站第1特征向量和第1主成分，各站第1特征向量均为正；观象台和通县气象站冬季略大于其它季节，2月份最大，10月份次之，8月最小，其它站秋季10月份最大（延庆2月和10月相同）。图3仅以北京（观象台）和密云为例。
图3 第1特征向量（左）和第1主成份（右）
Fig.3 The first eigenvectors (left) and first principal components(right)
冬季北京正值取暖季节，城市热岛效应明显，观象台和通县位于城近郊区，因此对温度影响有较大权重，北京城市热岛强度，冬季最大，秋季次之，夏季最小[（11）]。
为了便于比较，对各站第1主成分进行倾向性分析，年平均倾向率列入表2。由表可以看出观象台和通县气象站有正的倾向率，其它为负。具有负倾向率的台站均远离城区，其城市化影响较弱，这种差异反映了北京和通县的城市化影响。
表2 第1主成分倾向率
Tab.2 The tendencies of the first principal components
＊ 通过F[，0.05]检验
第1主成分还与季平均温度倾向率有关，表3是各站年和季平均温度倾向性分析结果。可以看出若有2个以上季节倾向率是负的，则第1主成分的倾向率一定是负的，可见第1主成份也是季节性倾向（表3）的反映。
表3 各站年和季平均温度倾向率（℃／a）
Tab.3 The tendencies of annual and seasonal mean temperatures formeteorological stations of Beijing area
＊ 通过F[，0.05]检验
此外，第1主成分变化趋势也与年平均温度距平值变化趋势一致，图4以北京（观象台）和密云为例。
图4 北京和密云第1主成分和年平均温度距平变化
Fig.4 Comparison between The first principal components and anomalies of annual temperatures for Beijing and Miyun
4.2 第2特征向量和第2主成分
分析各站第2特征向量和第2主成分。各站都有相同的形式，呈横∽形，夏半年为负，冬半年为正，这与北京地区冬暖，夏凉的倾向相吻合，图5以北京（观象台）和密云为例。
第2主成分表现出北京年平均气温周期性变化规律（图5，左）。冯丽文[（14）]研究指出，北京有14年冷暖准周期振动，1951年～1965年和1966年～1980年。第2主成分倾向率均为正值（表4），反映了北京地区近30年来气温变化趋势，它与全国160个站80年代较50年代升高0.2℃[（15）]一致，也与华北地区普遍升温趋势相吻合。
图5 北京和密云第2特征向量（左）和第2主成分（右）
Fig.5 The second eigenvectors (left) and the second principal components (right) of Beijing and Miyun
表4 各站第2主成份倾向率
Tab.4 The tendencies of the second procipal components
＊ 通过F[，0.05]检验
4.3 城市化影响估计
若第1主成分正负倾向率之差是由于城市化影响引起的，则年平均温度所受城市化影响可由下二式估算：
其中y[，i]是年代序号，a为常数，b为倾向率，结果列于表5，以北京（观象台）和通县以外台站的第1主成分倾向率平均值－0.0024℃／a代表北京地区平均温度倾向率，则观象台和通县城市化影响为其第一主成分倾向率和北京地区平均倾向率之差值分别为0.0063和0.0058℃／a。33年累积城市化影响分别为0.21℃和0.19℃。
表5 城市化影响倾向（℃）
Tab.5 The tendencies of the urbanized effects of Beijing
＊ 通过F[，0.05]检验
4.4 城市发展与城市化对气温记录的影响
这里不可能展开对北京市城市发展的方方面面进行讨论，仅引用几个方面的数字来说明它的发展。
（1）观象台位于海淀区内，1960年人口密度为1 928人／km[2][（16）]，1992年末为3 130人／km[2][（10）]，是1960年的1.6倍。通县气象站位于通州镇附近，1988年人口密度为3989人／km[2][（17）]，而解放初通州镇仅有人口5万。
（2）城市规模，1992年末北京市建成区已达443.9km[2][（10）]，1981年为346km[2]，11年间扩建近100km[2]，城市中心区扩大到四环路内外，占地289.75km[2][（10）]。通州镇1988年为36.46km[2]，是解放初的12倍。北京的道路状况也反映了城市规模的变化（表6）。
表6 北京道路长度和面积
Tab.6 The length and area of the road in Beijing
（3）能源消耗量，1992年北京市能源消耗量约为3 000×10[4]t标准煤，终端能源消费量为2 834.66×10[4]t标准煤[（10）]，是1949年的34倍，1957年的5倍，1965年的3倍。
以上简单的数字说明，北京城市规模正在迅速扩大，人口密度增加，能耗加大，这一切都在改变着城近郊区的热力状况，必然影响到气温记录。陈松等研究了北京100多年气温变化后指出，80年代气温增暖存在着显著的区域性差异，夏季城近郊通县5年和11年滑动平均正距平幅度比乡村古北口（上甸子）大，冬季城近郊为较大正距平，而乡村为负距平[①]，这与本文分析相似。赵宗慈[（18）]研究了1951年～1989年，全国160个台站年平均气温变化后指出，大城市与次大城市增温最明显，39年大约变暖0.27℃～0.45℃。本文利用1960年～1993年月平均气温研究城市热岛累积影响，对观象台和通县气象站来说分别是0.21℃和0.19℃／33a。这与Portman[（19）]的数值相近，也与赵宗慈先生的结论相吻合。前者对中国东北和华北地区气温时间系列研究后指出，7个大城市（不包括北京）平均城市化影响为0.25℃／30a。而观象台和通县气象台均距北京中心天安门15km以上，若在二环路以内（1992年人口密度已达27 260人／km[2][（10）]，有长期的气温观测资料，将会反映出更强烈的城市热岛影响。
5 结束语
本文对北京7个气象台站月平均气温滑动平均后，进行主成分分析，再进行倾向性分析，进而讨论城市化影响，有以下几点认识：
（1）各站第1特征向量均为正，观象台和通县冬季振幅略大于其它季节，可能是冬季取暖，城市化影响明显所致。第2特征向量振幅形式相同，夏负冬正，反映了北京地区冬暖夏凉的倾向，这与我国华北地区气温变化趋势相同。
（2）第1主成分变化形式与年平均温度相似，其倾向率正负反映了城市化影响和季节平均温度倾向率。第2主成分更多地反映了北京年平均气温冷暖变化的14年准周期和区域增温倾向。
（3）估计观象台和通县气象站（近郊区）33年城市化对年平均温度的影响约为0.21和0.19℃，市中心区2环路以内将有更强烈的影响。
（4）城市热岛或城市化对气温记录的影响是显而易见的，确切地估计影响的程度是困难的，本文在这方面做了一些探讨，是否有广泛的适用价值，需要进一步研究。
（5）在研究区域气候或全球气候变化中，要充分注意到城市化影响因素，特别在我国近十几年来，城乡建设有了巨大发展，原在郊区的气象台站正在或将被各种建筑所包围，各种气象要素的观测或多或少地受到城市化的影响。
注释：
① 陈松等.北京100多年气温变化初步分析及未来6年趋势估计、北京气象（内部刊物），1991，25（1）：31～36
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