楊栩 陳斌 孟倩 申屠行鐘

(桐廬縣氣象局,浙江 桐廬 311500)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,城市的熱島效應(yīng)對降水的影響也愈來愈明顯。部分研究認(rèn)為城市化進(jìn)程對降水起減弱作用,劉熙明等分析1994至2003年夏季北京城市化效應(yīng)對氣候的影響,結(jié)果表明城市化進(jìn)程使得北京地區(qū)的夏季降水量明顯減少,相對濕度比郊區(qū)要小[1]。趙娜等的研究也顯示了,1961至2008年北京以及附近區(qū)域城市化對降水有減弱的影響,并且在夏季減弱最明顯[2]。敖翔宇等的研究表明,城市土地利用的變化雖然會導(dǎo)致長三角地區(qū)夏季降水日數(shù)減少,這種降水日數(shù)的減少主要是由于城市化使得小雨日數(shù)減少引起的;但卻增大了長三角大部分地區(qū)的日降水強(qiáng)度[3]。然而另一部分研究表明城市化進(jìn)程對區(qū)域降水存在“增雨效應(yīng)”。早在1921年,Horton就發(fā)現(xiàn)城市中心區(qū)比郊區(qū)更容易產(chǎn)生雷暴天氣[4]。梁萍等的研究表明,上海地區(qū)以及附近地區(qū)的城市化速度與降水的關(guān)系,在城市化進(jìn)程的快速增長期,夏秋兩季降水量的空間差異會呈現(xiàn)出明顯的城市雨島特征[5]。黎偉標(biāo)等的研究顯示在珠江三角洲地區(qū)以及周圍地區(qū)降水的分布特征,發(fā)現(xiàn)城市化進(jìn)程會使降水增加,并且這種降水的增加存在著明顯的季節(jié)變化[6]。由此可見,城市化對氣候態(tài)降水的影響具有明顯的地域差異和局地性特征。除此以外,江志紅等認(rèn)為在長三角地區(qū),城市化對降水的影響表現(xiàn)在夏半年對降水強(qiáng)度的影響,而在冬半年主要城市附近的降水時(shí)間、降水量和降水強(qiáng)度的空間都變化不大,城市化效應(yīng)對降水分布的特征沒有明顯的影響[7]。

本文將以我國中部地區(qū)作為背景區(qū)域,中部地區(qū)按自北向南、自西向東排序包括山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南6個(gè)相鄰省份[8],長江中游城市群以武漢為中心,是以武漢城市圈、環(huán)長株潭城市群、環(huán)鄱陽湖城市群為主體形成的特大型國家級城市群[9],又簡稱長江中三角為研究區(qū)域,研究城市化對該地區(qū)降水變化的可能影響,為防災(zāi)減災(zāi)和政府決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和分析方法

本文篩選了1964—2013年50 a的我國中部地區(qū)(25°～35° N,108°～120° E)的112個(gè)站的逐日降水資料,作為背景區(qū)域,并選定長江中三角的26個(gè)測站(圖1中黑色實(shí)線框框定,26°～32° N,112°～117° E)作為研究區(qū)域,背景區(qū)域包括研究區(qū)域。

圖1 我國中部地區(qū)112個(gè)測站點(diǎn)的分布圖,以及長江中三角的范圍選定

對降水量和降水天數(shù)進(jìn)行一元線性回歸分析,采用最小二乘法來計(jì)算一元線性回歸系數(shù)k(也稱氣候傾向率)。

(1)

n為樣本個(gè)數(shù),xi為降水天數(shù)或降水量,ti為相對應(yīng)的時(shí)間。

為了檢驗(yàn)一元線性回歸方程的顯著性,采用(2)作為顯著性檢驗(yàn)方程:

(2)

(3)

n為樣本個(gè)數(shù),r為相關(guān)系數(shù)。

對不同季節(jié),不同降水強(qiáng)度進(jìn)行劃分,計(jì)算背景區(qū)域和長江中三角的降水量和降水天數(shù)的線性回歸系數(shù)(氣候傾向率),在此基礎(chǔ)上加以比較分析。

2 結(jié)果分析

2.1 降水的年變化趨勢

圖2a中可以看出長江中三角和中部背景區(qū)域近50 a的降水量是呈上升趨勢的,長江中三角k為1.99 mm/a,中部地區(qū)k為0.97 mm/a,可知長江中三角的降水量增長速度比中部背景區(qū)域快。本文對所有的降水變量都做了顯著性檢驗(yàn),F都大于4.038,對照F分布表,因此計(jì)算結(jié)果都是顯著的。從圖2b可以看出近50 a的降水天數(shù)是呈下降趨勢的,長江中三角下降幅度為0.07 d/a,而中部背景區(qū)域的下降幅度為0.11 d/a。結(jié)果表明長江中三角和中部背景區(qū)域的降水強(qiáng)度都是增加的,而且長江中三角的降水強(qiáng)度大于中部背景區(qū)域。由于長江中三角的城市化要遠(yuǎn)高于中部背景區(qū)域的城市化,城市的規(guī)模和發(fā)展會在一定的程度上影響區(qū)域的氣候變化。

圖2 1964—2013年我國中部背景區(qū)域與長江中三角降水總量的變化(a)降水天數(shù)的變化(b)

2.1.1 降水的季節(jié)變化特征

從圖3和圖4可以看出,春秋季長江中三角和中部背景區(qū)域降水總量和降水天數(shù)都是減少的,且長江中三角春季降水總量和降水天數(shù)減少的速度均比中部背景地區(qū)的快。秋季長江中三角的降水總量的減少速度比中部背景區(qū)域慢,對比其兩者的降水日數(shù)的變化是一致的都是0.15 d/a,因此秋季中部背景區(qū)域降水強(qiáng)度減少的速度要比長江中三角更快一些。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季圖3 1964—2013年我國中部背景區(qū)域與長江中三角季節(jié)性降水總量的變化

夏季長江中三角和中部背景區(qū)域的降水量都呈明顯的上升趨勢,長江中三角降水量的k系數(shù)是1.66 mm/a,中部背景區(qū)域的k系數(shù)是1.33 mm/a,而兩者的降水天數(shù)卻沒有明顯的變化,這表明一方面夏季長江中三角的降水量增長的速度明顯比中部背景區(qū)域快,另一方面兩個(gè)區(qū)域的降水強(qiáng)度都在增強(qiáng),并且長江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長的速度更快。在冬季,無論是降水量還是降水天數(shù),長江中三角和背景區(qū)域都是明顯增加的,長江中三角地區(qū)降水的k系數(shù)1.79 mm/a,降水天數(shù)的k系數(shù)0.22 d/a,中部背景區(qū)域降水的k系數(shù)1.31 mm/a,降水天數(shù)的k系數(shù)0.019 d/a。因此在冬季,長江中三角和中部背景區(qū)域降水總量都是在增長,長江中三角降水量的增長的速度更快。

總之,近50 a長江中三角和中部背景區(qū)域的降水變化趨勢一致,春秋兩季都是呈遞減趨勢,春季長江中三角降水量減少的速度要更快,而秋季則是中部背景區(qū)域降水量減少的要快,并且秋季中部背景區(qū)域降水強(qiáng)度減少的速度要比長江中三角更快一些。夏冬兩季的降水量都是增加的,夏季兩個(gè)區(qū)域的降水強(qiáng)度都在增強(qiáng),并且長江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長的速度更快,表明在城市集中的地區(qū)降水強(qiáng)度更強(qiáng),說明城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的對流性活動(dòng)的增加,冬季長江中三角降水量的增長的速度更快。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季圖4 1964—2013年我國長江中三角區(qū)域與中部背景地區(qū)季節(jié)性降水天數(shù)的變化

2.2 不同降水強(qiáng)度的變化特征

有研究表明,城市的土地利用變化雖然導(dǎo)致長三角地區(qū)夏季降水日數(shù)減少,這種降水日數(shù)的減少主要是由于城市化使得小雨日數(shù)減少引起的;但卻增大了長三角大部分地區(qū)的日降水強(qiáng)度[3]。本文依據(jù)國家氣象局24 h降水強(qiáng)度的分級標(biāo)準(zhǔn)[10],分析近50 a我國長江中三角和中部背景區(qū)域不同降水強(qiáng)度的變化。

表1給出不同降水強(qiáng)度年降水量和降水天數(shù)的變化趨勢,兩個(gè)地區(qū)的小、中、大雨的降水量和降水天數(shù)均是逐年遞減,只有暴雨是逐年遞增,再結(jié)合圖2a,可以得出降水量的逐年增加的主要原因是暴雨的增加。

表1 1964—2013年我國中部地區(qū)和長江中三角降水不同強(qiáng)度變化趨勢

表1中無論是背景區(qū)域和長江中三角地區(qū)暴雨的年降水量,還有降水天數(shù)都是呈上升趨勢,并且變化非常顯著,長江中三角的暴雨的氣候傾向率為2.05 mm/a,中部背景區(qū)域只有1.02 mm/a,而降水日雖說也呈上升趨勢,但變化幅度均較小,說明兩個(gè)地區(qū)的暴雨降水量的猛增并不是完全因?yàn)楸┯耆盏脑黾?最主要的原因是暴雨強(qiáng)度的增加,并且長江中三角的暴雨降水量的增長速度遠(yuǎn)大于中部背景區(qū)域,這也表明長江中三角的降水強(qiáng)度增加的速度要比中部背景區(qū)域更快。吳息等[11]研究指出由于城市的熱力作用和動(dòng)力作用,城市土地利用對下風(fēng)區(qū)的短歷時(shí)降水量的增加影響最明顯,而在市中心,短歷時(shí)降水暴雨的發(fā)生概率和強(qiáng)度增加最為明顯。蒙偉光等[12]研究也城市效應(yīng)對強(qiáng)雷暴天氣有著重要的影響,由于城市的“熱島效應(yīng)”及城區(qū)粗糙度增大引起的低層輻合增強(qiáng)可能引起雷暴天氣過程的增多。這些研究表明城市化進(jìn)程對區(qū)域降水存在“增雨效應(yīng)”,這和本文得出的結(jié)果相吻合。

2.2.1 不同強(qiáng)度降水的季節(jié)變化趨勢

從表2和圖5可以看出,長江中三角和中部背景區(qū)域春季和秋季各個(gè)強(qiáng)度的降水量都呈下降趨勢,但暴雨強(qiáng)度的降水量下降趨勢快,特別是春季k值分別達(dá)到了-0.7 mm/a和-0.63 mm/a。相反,冬季二個(gè)區(qū)域各個(gè)強(qiáng)度的降水量都呈上升趨勢,其中暴雨強(qiáng)度的降水量上升趨勢快,k值分別達(dá)到了1.58 mm/a和1.09 mm/a。夏季暴雨以下強(qiáng)度的降水量呈下降趨勢,但總體不明顯。但暴雨的降水量呈明顯的上升趨勢,長江中三角和中部背景區(qū)域k值分別達(dá)到了1.65 mm/a和1.34 mm/a,其k值也是春夏秋冬四個(gè)季節(jié)中的最大值。這反應(yīng)了城市集中地區(qū)的降水強(qiáng)度比較大,在長江中三角地區(qū)更容易發(fā)生對流性天氣。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季圖5 1964—2013年我國長江中三角區(qū)域與中部背景地區(qū)暴雨四季降水量的變化

從表2也可以看出,從1964—2013年近50 a對于長江中三角和中部背景區(qū)域來說,暴雨的變化是最顯著的,同時(shí)暴雨對于降水量的影響也是最明顯的,因此長江中三角和中部背景區(qū)域只有暴雨對于降水變化的貢獻(xiàn)顯著。不同于林恒[13]的城市化對長三角地區(qū)降水的研究,在長江三角洲和中東部地區(qū),各個(gè)季節(jié)各種強(qiáng)度的降水對于降水量均有顯著影響,比如冬季,長江三角洲和中東部地區(qū)暴雨很少出現(xiàn),小雨,大雨,中雨的增加比較明顯。在長江中三角和中部背景區(qū)域的降水增長的一致性要差些,雖然總體上除了小雨,不同強(qiáng)度的全年的降水量增加的速度都是表現(xiàn)為長江中三角的變化速度要比中部背景區(qū)域快,但是從不同季節(jié)來看,降水增長的一致性較差。同時(shí)桑建國[14]的研究表明城市化進(jìn)程對冬季降水的變化更加的明顯,這個(gè)結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 1964—2013年我國長江中三角和中部背景區(qū)域不同降水強(qiáng)度的季節(jié)性變化趨勢

3 結(jié) 語

3.1長江中三角和中部背景區(qū)域近50 a的降水量是呈上升趨勢的,長江中三角k為1.99 mm/a,中部地區(qū)k為0.97 mm/a,長江中三角的降水量增長速度比中部背景區(qū)域快。二個(gè)區(qū)域的降水天數(shù)都呈下降趨勢。兩個(gè)地區(qū)中降水強(qiáng)度的增幅差異可能是由于長江中三角的降水量的增長速度快于背景區(qū)域,而城市群的規(guī)模和發(fā)展會在一定的程度上影響區(qū)域的氣候性變化。

3.2在春秋兩季,長江中三角和中部地區(qū)的降水量都是呈遞減趨勢,但是下降的速率不一樣,春季長江中三角降水量減少的速度比背景區(qū)域要快,而在秋季則是背景區(qū)域降水量減少的要快。夏冬兩季的降水量都是顯著增加的,長江中三角地區(qū)降水量增加越快,降水天數(shù)兩個(gè)區(qū)域沒有明顯的變化,說明夏季兩個(gè)區(qū)域的降水強(qiáng)度都在增強(qiáng),并且長江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長的速度更快,表明在城市集中的地區(qū)降水強(qiáng)度更強(qiáng),說明城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的對流性活動(dòng)的增加,更容易形成降水,冬季長江中三角降水量的增長的速度更快。

3.3在長江中三角和中部地區(qū)的小雨、中雨、大雨的年降水量和降水天數(shù)都是減少的,但暴雨的年降水量和降水天數(shù)都是呈上升趨勢,并且暴雨的年降水量變化非常顯著。雖然暴雨的降水天數(shù)也呈上升趨勢,但變化不是很明顯。因此兩個(gè)地區(qū)的暴雨降水量的猛增并不是完全因?yàn)楸┯耆盏脑黾?最主要的原因是暴雨強(qiáng)度的增加,并且長江中三角的暴雨降水量的增長速度遠(yuǎn)大于中部背景區(qū)域。

3.4春季和秋季在長江中三角和中部背景區(qū)域各個(gè)強(qiáng)度的降水量都呈下降趨勢,但暴雨強(qiáng)度的降水量下降趨勢快。相反,冬季二個(gè)區(qū)域各個(gè)強(qiáng)度的降水量都呈上升趨勢,其中暴雨強(qiáng)度的降水量上升趨勢快。夏季暴雨以下強(qiáng)度的降水呈下降趨勢,但總體變化不明顯。但暴雨的降水呈明顯的上升趨勢,其k值也是春夏秋冬四個(gè)季節(jié)中的最大值。這反應(yīng)了夏季城市集中地區(qū)的降水強(qiáng)度比較大,在長江中三角地區(qū)更容易發(fā)生對流性天氣。近50 a對于長江中三角和中部地區(qū)來說,暴雨的變化是最顯著的,同時(shí)暴雨對于降水量的影響也是最明顯的。

3.5在中部背景區(qū)域降水量增加的情況下,長江中三角降水強(qiáng)度和降水量均變化顯著,這同之前的相關(guān)研究的結(jié)論較為一致,城市化進(jìn)程會導(dǎo)致增雨效應(yīng),并且會增強(qiáng)局地對流更有利于形成降水。但本文只是從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來研究城市化對降水的影響,得到的結(jié)論有很好的規(guī)律性,但要從根本的機(jī)制來揭示長江中三角50 a來的降水變化特征,還需要從數(shù)值方法入手,做進(jìn)一步的探討。本文著重討論了城市化進(jìn)程對局地降水的影響,但在研究不同降水強(qiáng)度不同季節(jié)降水特征時(shí),降水增加的一致性不太好,這個(gè)問題還需要進(jìn)一步研究。