山西省气温变化特征及其城市化效应＊

时间：2024-05-18

周雅清，胡桃花，王弢，郭彩萍

山西省气温变化特征及其城市化效应＊

周雅清1，胡桃花2，王弢1，郭彩萍1

（1.山西省晋中市气象局，山西晋中 030600；2.山西省朔州市气象局，山西朔州 036000）

利用山西省近6年408个高密度自动气象站逐时气温资料，对比分析了城市和乡村台站气温日变化特征和极端气温出现时间概率分布。结果表明，山西省城市站年平均气温在全天所有时段均高于乡村站，午后到夜间两者差异更明显；四季气温日变化与年平均气温相似，但夏季和春季气温日内变化相对平缓，城乡差异更显著。气温城市化影响显著时段主要在午后到夜间，20：00—21：00达到峰值，近中午时降到谷值；从日最高（低）气温出现概率看，山西省城市站和乡村站日最高气温最大出现率的时次均为15：00，日最低气温最大出现率的时次均为06：00，城市站最高（低）气温出现时间比乡村站有延后倾向。

气温；日变化；城市化效应；自动站

全球变暖因其影响深远受到人们的广泛关注。任国玉等[1]研究发现，1951—2004年中国地面温度升高趋势接近0.25 ℃/10年，比同期全球或北半球平均高得多，尤其以北方和青藏高原增温最明显，城镇化造成的升温问题应该得到重视。尽管IPCC第四次评估报告[2]指出在全球或者半球尺度上城市热岛效应可以忽略不计，但在区域尺度上，大量研究表明城市热岛对地表气温的增暖趋势有重要影响[3-4]。张爱英等[5]的研究表明，中国大陆1961—2004年国家站平均气温增温率为0.278 ℃/10年，其中城市化增温率占全部增温率的27.33%。周雅清等[6]研究发现，1961—2000年华北地区城市热岛效应加强因素引起国家基本、基准站年平均气温增暖达到0.11 ℃/10年，占全部增温的37.9%。长三角[7]、珠三角[8]等地的研究也表明区域地面气温序列中存在明显的城市化偏差。在以往的研究中，多采用国家级台站资料对城市热岛进行评估，由于密度有限，对城市内部气象要素的日变化特征缺乏详细分析。近年来，随着高密度区域自动站的布设，积累了大量高时空分辨率的观测资料，为揭示气温的精细化结构特征以及城乡差异提供了数据支撑。

山西省位于华北地区，地形复杂，是典型的资源型经济地区，特殊的工业化道路导致了特殊的城镇化过程。本文利用2011—2016年山西省加密自动气象站逐时气温资料，对比分析了城乡台站气温日变化、日极端气温概率分布的差异，为更好地理解山西省气温变化规律，评估城市热岛增强效应提供科学依据。

1 资料和方法

山西省有109个国家气象站，2010年以前启用的两要素（气温、降水）及以上的区域自动气象站618个。去掉整年无数据的以及气温资料缺测超过1/3的台站，选用2011—2016年408个国家和区域自动气象站逐小时气温观测资料进行分析，如图1所示。对所用观测数据进行了界限值检查、时间一致性检查和空间一致性检查[9]。检测出的错误数据按照缺测处理。

根据台站位置和周边环境将上述408个台站分为城市站和乡村站：位置描述为“乡村”或“山顶”，且在Google earth高清地图上，以台站为中心的半径2 km范围内，建成区面积在1/3以内的台站定义为乡村站（325个)，代表气候背景变化；其余台站则定义为城市站（83个），如图1所示。

注：黑色点为城市站，灰色点为乡村站。

为了定量评价城市化扩张对气温变化的影响，参照周雅清等的研究[10]定义如下术语：城市化影响是指由于城市热岛

效应等因素引起的城市站与乡村站气象要素值的差异，用 △ur表示。△ur值越大，表明城市化影响越显著。设△u为城市站气象要素的值，△r为乡村站气象要素的值，那么城市化影响（△ur）的表达式为：

△ur=u－r（1）

2 结果分析

近6年山西省年平均气温日变化的城乡对比如图2所示，由图2可见，城市站所有时次的气温均高于乡村站，午后到夜间差异尤其明显。从日变化来看，两者都是15：00达到最高，06：00降到最低，城市站气温上升速度与乡村站差别不大，但下降速度比乡村站缓慢。四季变化与年变化相似，但春季和夏季气温变化相对平缓，城乡差异更明显；秋季和冬季升温快，降温也快，正午前后气温城乡差异非常小，具体如图3所示。

图2 山西省2011—2016年年平均气温日变化

图3 山西省2011—2016年四季平均气温日变化

利用城市站和乡村站的逐时气温，根据公式（1）计算得到气温城市化影响的日变化，如图4所示。可以看出，山西省年平均气温城市化影响日内变化在0.2～1.9 ℃之间，午后到夜间在1 ℃以上，20：00—21：00达到峰值，日出后迅速减小，近中午时降到谷值。从季节变化看，夏季气温城市化影响最明显，日内变化在0.6～2.2 ℃之间，夜间 20：00—24：00均达到2 ℃以上；其次为春季，城市化增温在0.4～2.2 ℃之间，峰值也是在夜间；秋季城市化增温相对较低，在0.1～1.6 ℃之间；冬季气温城市化影响最低，日内变化在﹣0.2～1.4 ℃之间，正午前后为负值，午后缓慢升高，峰值在20：00前后。

与北京[11]冬季城市热岛强度最强不同，山西省冬季气温城市化影响是最小的。造成这种差异的原因主要是城市发展水平有差距，且城市影响主导因子不尽相同。山西省城市发展水平相对较低，城市人为热排放较少，地面增温以太阳辐射加热为主。当城区污染远较乡村严重时，大气透明度低导致白昼大部分时间接受太阳辐射比乡村少，所以城区升温比乡村慢，白昼城区温度反而低于乡村。这一点在冬季气温的城市化影响上有明显反映。山西省一般11月至次年3月为供暖季，北部稍长，南部稍短，秋、冬季是空气质量最差的时候。城区污染严重，空气透明度差，太阳直接辐射受到削弱大，得到太阳辐射较乡村区域少。从图4可以看到，冬季日出后，城市化影响迅速下降，到中午前后城区气温已经比乡村还低，午后由于城区反射率小，存留下更多的热能用于加热地表和表层大气，而乡村空旷，有效辐射强，大气失热快，降温率大于城区，城乡温差逆转，并在夜间达到稳定。总体来看，由于获得的热能少，因此城乡差异也就不显著了。夏季相对而言空气质量是最好的，城乡得到的太阳辐射总量大且差别较小，城区迅速储存了大量的热能，而其立体下垫面的特征使得其得到的热能经过多次的反射和吸收，返回太空的辐射远小于乡村区域，同时由于乡村植被覆盖率明显大于城区，绿色植被的反射率比裸地高得多，导致乡村对太阳辐射的反射更大于城区，这就使得白天城区积蓄的热能大于乡村，而这部分热能就用于加热地面和大气，所以城市增温在夏季是最明显的。春季的情况比较复杂，3月和4月城市增温效应不明显，5月类似于夏季，太阳辐射明显增强，植被生长茂盛，且多云和降水日数较少，更容易产生城市热岛效应。

图4 山西省年、季平均气温城市化影响日变化

最高（最低）气温出现时间的概率可以表征气温日变化形态的概率分布特征。因此，对最高（最低）气温的概率分布的认识，可以深化对气温日变化特征的了解。

山西省最高气温、最低气温各时次年平均出现频率如图5所示。从图5可以看出，城市站和乡村站日最高气温最大出现率的时次均为15：00，出现频率在30%以上；日最低气温最大出现率的时次均为06：00，出现频率在30%左右。城市站最高气温和最低气温出现时间均有延后倾向。城市站最高气温在16：00—18：00出现频率都高于乡村站，而 11：00—14：00都低于乡村站。这说明城市区域热容量大于乡村，午后乡村已经开始降温，而城市因其蓄积的热量较多，地面的长波辐射仍在对其上的空气进行加热，使得气温下降缓慢，甚至还会略升，最高气温就出现在更晚的时次。城市站最低气温07：00—08：00出现频率均高于乡村站， 21：00至次日05：00反之。说明城区蓄热多，释放加热大气会持续更长时间，气温降到最低值也相应的晚于乡村站。

图5 山西省最高气温、最低气温各时次年平均出现频率

3 结论

本文根据高时空分辨率的自动站气温观测资料，分析了山西省2011—2016年气温的日变化特征，并对其城市化影响进行了评估，得到以下主要结论：①从山西省气温日变化城乡对比看，城市站气温在全天所有时段均高于乡村站，午后到夜间差异明显；城市站气温下降的速度比乡村站缓慢。四季变化与年变化相似，但夏季和春季气温变化相对平缓，城乡差异更明显。②从城市化影响的日变化看，山西省年平均气温城市热岛显著时段主要在午后到夜间，20：00— 21：00达到峰值，近中午时降到谷值。城市增温在夏季最明显，秋、冬季城市化影响相对较低。③从日最高（低）气温出现概率看，山西省城市站和乡村站日最高气温最大出现率的时次均为15：00，出现频率在30%以上；日最低气温最大出现率的时次均为06：00，出现频率在30%左右。城市站最高气温和最低气温出现时间均有延后倾向。

［1］任国玉，徐铭志，初子莹，等.近54年中国地面气温变化［J］.气候与环境研究，2005，10（4）：717-727.

［2］IPCC.Guidance notes for lead authors of the IPCC fourth assessment report on addressing uncertainties［M］. Geneva Switzerland：IPCC，2005.

［3］任玉玉，任国玉，张爱英，等.城市化对地面气温变化趋势影响研究综述［J］.地理科学进展，2010，29（11）：1301-1310.

［4］褚红瑞，王咏梅，范艳琴，等.1961—2010年山西省寒潮的气候特征与可能成因［J］.科技与创新，2014（8）：136-139.

［5］张爱英，任国玉，周江兴，等.中国地面气温变化趋势中的城市化影响偏差［J］.气象学报，2010，68（6）：957-966.

［6］周雅清，任国玉.华北地区地表气温观测中城镇化影响的检测和订正［J］.气候与环境研究，2005，10（4）：743-753.

［7］贾艳青，张勃，张耀宗，等.城市化对长三角地区极端气温影响的时空分异研究［J］.自然资源学报，2017，32（5）：814-828.

［8］黄宏涛，吴荣军，王晓云，等.城市化对珠三角地区气温及日较差的可能影响［J］.气象，2016（7）：847-856.

［9］任芝花，赵平，张强，等.适用于全国自动站小时降水资料的质量控制方法［J］.气象，2010，36（7）：123-132.

［10］周雅清，任国玉.城市化对华北地区极端气温事件频率的影响［J］.高原气象，2014，33（6）：1589-1598.

［11］张佳华，孟倩文，李欣，等.北京城区城市热岛的多时空尺度变化［J］.地理科学，2011，31（6）：1349-1354.

2095－6835（2020）24－0068－03