崔 嵩，賈朝陽，宋梓菡，付 強(qiáng)，劉 東，崔寧波

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)松花江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究中心，哈爾濱 150030）

氣候變化主要是太陽活動(dòng)[1]和大氣環(huán)流[2]等自然因素與人為因素共同作用結(jié)果[3]，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，人類活動(dòng)對全球氣候變化影響明顯，城市化進(jìn)程對氣候變化影響受到關(guān)注。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental panel on climate change，IPCC）在第五次評(píng)估報(bào)告中指出，人類對氣候系統(tǒng)影響明確并增強(qiáng)[4]；氣候變化使人類生存環(huán)境發(fā)生改變，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生物多樣性、海洋環(huán)境和水土資源變化等方面存在重要影響[5-6]。而全球變暖作為氣候變化標(biāo)志[7]，影響農(nóng)業(yè)及人類居住環(huán)境等。Asseng等研究表明，全球溫度每升高1 ℃，全球小麥產(chǎn)量將下降6%[8]。2018 年10 月8 日，IPCC在韓國仁川發(fā)布《IPCC全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告》表示，將全球變暖限制在1.5 ℃有益，控制全球氣溫變化對人類生產(chǎn)生活具有重要意義[9]。

研究發(fā)現(xiàn)，城市化進(jìn)程對城市氣溫變化影響明顯[10]。任學(xué)慧等研究表明，城市化水平、城市人口數(shù)量、城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化水平和下墊面性質(zhì)改變等城市化進(jìn)程指標(biāo)已成為影響大連市氣溫變化主導(dǎo)因子[11]；殷紅等研究表明，城市人口、GDP、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額和竣工房屋建筑面積是影響沈陽市年均氣溫變化主要因素[12]；彭嘉棟等通過分析發(fā)現(xiàn)城市化發(fā)展對長沙市市區(qū)氣溫影響顯著[13]。研究表明，在城市化發(fā)展過程中，伴隨人類劇烈活動(dòng)，大氣邊界層特性發(fā)生變化[14]。20世紀(jì)80年代以來，哈爾濱市城市化進(jìn)程加快，增加全市人口數(shù)量、人均道路面積和人均居住面積等，影響城市氣溫變化。郭家林等分析哈爾濱地區(qū)各縣市氣溫變化規(guī)律及差異，表明城郊縣市增溫幅度明顯小于近城區(qū)縣市[15]。哈爾濱市氣溫變化規(guī)律方面已有研究，但大多關(guān)注城市化進(jìn)程中氣象指標(biāo)變化，而城市化進(jìn)程中各種人為因素特征指標(biāo)對城市氣溫變化影響相關(guān)研究不足。

在不考慮受全球氣候變暖大背景影響前提下，本文重于研究推進(jìn)城市化進(jìn)程相關(guān)指標(biāo)及因素對氣溫變化影響；城市化進(jìn)程伴隨人類活動(dòng)產(chǎn)生影響也是地區(qū)或區(qū)域氣候（氣溫）變化主要貢獻(xiàn)因子。因此，本文以哈爾濱市1951～2017年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)及1986～2017年相關(guān)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，通過線性趨勢分析和M-K 檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法，探尋氣溫變化趨勢及突變時(shí)間，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法揭示可引起氣溫變化人為因素主導(dǎo)因子，評(píng)估哈爾濱市城市化進(jìn)程對氣溫變化影響。本研究可為城市化進(jìn)程影響下，城市生態(tài)調(diào)節(jié)能力提升提供有效方法及途徑，為城市可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對氣候變化相關(guān)政策制定以及區(qū)域范圍經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理布局提供參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市作為我國高寒地區(qū)典型城市，位于東經(jīng)125°42′～130°10′，北緯44°04′～46°40′，是我國氣溫最低、緯度最高且工業(yè)基礎(chǔ)較完備省會(huì)城市。哈爾濱市共有9 個(gè)轄區(qū)，市區(qū)面積為1.02×104km2，全市總?cè)丝?51.50萬人，轄區(qū)人口550.90萬人。哈爾濱市屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.60 ℃，最高月平均氣溫23.60 ℃，最低月平均氣溫-15.80 ℃，其全年平均降水量約為423 mm，6～9 月為主要降水期，11 月～1 月（次年）為主要降雪期，供暖期為10 月下旬至次年4 月中旬[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[17]多年連續(xù)觀測資料，本文選用1951～2017年哈爾濱市逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)；本研究相關(guān)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自《哈爾濱市統(tǒng)計(jì)年鑒（1987～2018）》[18]，選用其中人均居住面積、建成區(qū)面積、居民消費(fèi)水平、機(jī)動(dòng)車保有量、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、城市用電量、每萬人擁有公交車輛、人均道路面積、人均公共綠地面積和廢氣排放量數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

本研究對哈爾濱市氣溫?cái)?shù)據(jù)作年平均氣溫和季節(jié)平均氣溫計(jì)算，并建立氣溫?cái)?shù)據(jù)距平序列；應(yīng)用線性傾向率估計(jì)法和距平分析法[19]分析哈爾濱市氣溫變化趨勢。采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法（即M-K 檢驗(yàn)）對1951～2017 年哈爾濱市年平均氣溫和各季節(jié)平均氣溫作突變檢驗(yàn)。M-K 檢驗(yàn)計(jì)算步驟如下[20]：

構(gòu)造一秩序列：

定義統(tǒng)計(jì)量：

式中，UF1=0，E(sk)，Var(sk)是累計(jì)數(shù)sk均值和方差，x1,x2,…,xn相互獨(dú)立具有相同連續(xù)分布。UF是按時(shí)間序列x順序x1,x2,…,xn計(jì)算統(tǒng)計(jì)量序列，UB 是按時(shí)間序列x逆序xn,xn-1,…,x1,再重復(fù)上述過程構(gòu)造逆序列。通過計(jì)算UF和UB，確定顯著性水平α=0.01，可明確序列突變時(shí)間并找出突變區(qū)域。若UF 值大于0，則表明序列呈上升趨勢；若UF 值小于0，表明序列呈下降趨勢，當(dāng)UF 值超過上、下信度線（U0.01=2.56）時(shí)，表明序列升降趨勢顯著，如果上、下信度線內(nèi)出現(xiàn)UF 與UB 交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻發(fā)生突變。

本文應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對影響哈爾濱市氣溫變化城市化因子作關(guān)聯(lián)度分析?；疑P(guān)聯(lián)分析法是一種定性分析和定量分析相結(jié)合綜合評(píng)價(jià)方法，其基本思路是依據(jù)比較序列與參考序列變化趨勢相似程度判斷二者之間聯(lián)系緊密性，并表征關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度計(jì)算步驟如下[21]：

①運(yùn)用“初值化法”作數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，某一因子序列中k時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值為：

②第k年因子i與因子j灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為：

③因子i與因子j灰色關(guān)聯(lián)度為：

式中，F(xiàn)i(k)是某一因子序列中k時(shí)刻原始值；miniminj稱為兩級(jí)最小差，mini為第一級(jí)最小差，miniminj表示在找出最小差基礎(chǔ)上，再按i= 1,2,3,…,n找出所有最小差最小值；maximaxj為兩極最大差，意義與兩極最小差相似；xi（k）、xj（k）分別為k時(shí)刻因子i、因子j標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值；ξij（k）為因子xj對因子xi在k時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)；Rij為因子i與因子j之間灰色關(guān)聯(lián)度；ρ為分辨系數(shù)，為提高分辨度，本文取分辨系數(shù)ρ＝0.01。本文通過關(guān)聯(lián)度大小和排序識(shí)別引起氣溫變化人為因素中主導(dǎo)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈爾濱市氣溫變化特征

2.1.1 年平均氣溫變化特征

哈爾濱市年平均溫度距平隨時(shí)間演變趨勢如圖1所示，1989年為時(shí)間分割點(diǎn)，之前哈爾濱市年平均氣溫整體以低于67年（1951～2017）哈爾濱市年平均氣溫為主；哈爾濱市年平均氣溫整體高于67年哈爾濱市年平均氣溫且具有上升趨勢。由圖1可知，67 年間哈爾濱市年平均氣溫呈上升趨勢，增溫幅度為 0.37 ℃·10 年-1。據(jù) IPCC 第五次報(bào)告顯示，1951～2012 年全球平均氣溫增溫幅度為0.12 ℃·10 年-1[4]，而全國平均氣溫增溫幅度約為0.25 ℃·10年-1[22]。哈爾濱市年平均氣溫具有更明顯上升趨勢，年平均氣溫增溫幅度是全球氣溫增溫幅度3.08 倍，是全國氣溫增溫幅度1.48 倍。因此，哈爾濱市年平均氣溫升高，除受全球變暖大背景影響外，受哈爾濱市城市化發(fā)展影響。67 年間哈爾濱市建成區(qū)面積增長2.78 倍，人口數(shù)量增加2.06 倍，人均居住面積增加5.89 倍，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由以第二產(chǎn)業(yè)為主逐步向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。研究表明，受城市化影響，沈陽市年平均氣溫增溫幅度為0.28 ℃·10 年-1[13]。哈爾濱市作為高寒地區(qū)典型城市，城市化進(jìn)程對氣溫增高影響更顯著。

2.1.2 季平均氣溫變化特征

67 年間哈爾濱市各季節(jié)平均溫度距平隨時(shí)間演變趨勢如圖2所示，各季節(jié)平均氣溫均呈大幅度上升趨勢，其中春季增溫幅度最大，增溫幅度達(dá)到0.48 ℃·10 年-1；冬秋兩季節(jié)增溫幅度次之，增溫幅度分別為 0.44 和 0.29 ℃·10 年-1；夏季增溫幅度相對較緩，增溫幅度為0.27 ℃·10 年-1。結(jié)果表明[22]，全國冬季平均氣溫增暖最為明顯，增溫幅度為0.39 ℃·10 年-1，春秋兩季次之，增溫幅度分別為 0.28 和 0.20 ℃·10 年-1，夏季升溫幅度緩慢，增溫幅度為0.15 ℃·10 年-1。因此，哈爾濱市季平均溫度變化與全國相比，哈爾濱市各季節(jié)增溫幅度均高于全國平均水平，春季增溫幅度高于冬季增溫幅度。氣候變化國家評(píng)估報(bào)告指出，全國升溫主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期后，主要原因與人類活動(dòng)有關(guān)[23]。根據(jù)《哈爾濱市統(tǒng)計(jì)年鑒（1987～2018）》，32年間（1986～2017）哈爾濱市由于城市化進(jìn)程加快和人口不斷增長，由于哈爾濱市供暖期由秋季末期開始至春季中旬結(jié)束，供暖期長達(dá)6個(gè)月，且主要以燃煤為主，哈爾濱市集中供熱面積由1988 年6.90×106m2增至 2017 年 2.86×108m2，增長近 41倍，這是春冬兩季哈爾濱市增溫較快原因。此外，哈爾濱市機(jī)動(dòng)車保有量由1986 年9.60 萬輛增至2017年337.62萬輛，增長35.17倍，機(jī)動(dòng)車尾氣排放量增加是哈爾濱市年平均氣溫增長較快原因。

2.2 哈爾濱市氣溫突變分析

氣溫突變主要表現(xiàn)為氣溫統(tǒng)計(jì)特性改變[24]。本文采用M-K 檢驗(yàn)對哈爾濱市年平均和季節(jié)平均氣溫作突變檢驗(yàn)。結(jié)果表明，哈爾濱市氣溫存在明顯突變特征，但不同季節(jié)突變時(shí)間差異明顯。67年間哈爾濱市年平均氣溫突變檢驗(yàn)曲線如圖3 所示，根據(jù)年平均氣溫突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，哈爾濱市年平均氣溫在1974 年開始呈上升趨勢，1993 年起氣溫顯著升高。在M-K 統(tǒng)計(jì)量上表現(xiàn)為在1974年以前存在少數(shù)UF值小于0，1975年后UF值均大于0，且UF 曲線明顯呈上升趨勢，1993 年起超過α=0.01 顯著水平。UF 與 UB 交點(diǎn)出現(xiàn)在 1988 年，表明哈爾濱市年平均氣溫突變時(shí)間開始于1989年。

67 年間哈爾濱市各季節(jié)平均氣溫突變檢驗(yàn)曲線如圖4 所示，近67 年哈爾濱市各季平均氣溫均有上升趨勢，氣溫突變趨勢顯著（α=0.01）。但不同季節(jié)氣溫突變開始時(shí)間不同，春季最先發(fā)生氣溫突變（1981 年），冬季發(fā)生氣溫突變（1986 年），秋季（1993 年）和夏季（1996 年）氣溫突變發(fā)生時(shí)間相對滯后。

目前關(guān)于氣溫突變原因尚不明晰，已有相關(guān)研究表明氣溫突變原因來自于自然因素和人為因素。自然因素包括太陽活動(dòng)[25]、北大西洋年代際振蕩增強(qiáng)[26]等，人為因素表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是人類活動(dòng)時(shí)排放溫室氣體和氣溶膠，另一方面則是人類對地表狀態(tài)改變，前者通過大氣化學(xué)和物理過程影響氣溫變化，后者則通過路面物理和生物過程對氣溫產(chǎn)生影響[27]。根據(jù)王紹武等[28]以及IPCC 工作報(bào)告[4]可知，在20 世紀(jì)70 年代后期全球發(fā)生一次氣溫突變，可見哈爾濱市氣溫突變與全球氣溫突變具有相對一致性。但哈爾濱市氣溫升高幅度明顯高于全球及全國氣溫升高幅度，因此在排除全球變暖大環(huán)境影響下，人類活動(dòng)成為哈爾濱市氣溫升高及突變主要原因。相關(guān)研究表明，氣溫突變影響氣溫上升、氣溫序列發(fā)生改變[29]、旱澇災(zāi)害發(fā)生[30]。因此，探究城市化進(jìn)程對哈爾濱市氣溫變化影響具有重要意義。

2.3 哈爾濱市氣溫變化與城市化關(guān)系

城市化是指人類生產(chǎn)與生活方式由農(nóng)村型向城市型轉(zhuǎn)化歷史過程，主要表現(xiàn)為農(nóng)村人口轉(zhuǎn)化為城市人口以及城市不斷發(fā)展完善[31]。從20 世紀(jì)80 年代開始，哈爾濱市城市化進(jìn)程加快，作為全國重要工業(yè)基地之一，人口密度、建筑物密度和建成區(qū)面積增加，能源消耗增大，導(dǎo)致大量人為熱和污染物釋放，快速城市化進(jìn)程改變城市下墊面性質(zhì)[32]，影響哈爾濱市氣溫變化。因此，本文選取1986—2017 年影響哈爾濱市氣溫變化城市化指標(biāo)，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法作定量分析。

2.3.1 城市化指標(biāo)選擇

本文根據(jù)哈爾濱市社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r和自然環(huán)境特點(diǎn)，從人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)三方面構(gòu)建衡量城市化指標(biāo)體系，見表1。

本研究選取人均居住面積（X1）、建成區(qū)面積（X2）、居民消費(fèi)水平（X3）、機(jī)動(dòng)車保有量（X4）、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值（X5）、城市用電量（X6）、每萬人擁有公交車輛（X7）、人均道路面積（X8）、人均公共綠地面積（X9）和廢氣排放量（X10）[12]共10 項(xiàng)作為氣溫變化影響因子作研究。以上因子具有層次性多、可操作性強(qiáng)、易量化、分布面廣和代表性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠直接或間接影響到城區(qū)氣溫變化。選擇上述指標(biāo)通過函數(shù)關(guān)系構(gòu)成城市化進(jìn)程參數(shù)F[33]，用以反映城市化程度。

設(shè)：F=lg(X1·X2·X3·X4·X5·X6·X7·X8·X9·X10)

根據(jù)上述10 項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算1986—2017 年哈爾濱市城市化進(jìn)程參數(shù)F統(tǒng)計(jì)值見表2。

由表1 可知，隨時(shí)間推移，F(xiàn)值逐年增大。1986～2017年哈爾濱市年平均氣溫和城市化進(jìn)程參數(shù)F關(guān)系如圖5所示，即隨哈爾濱市城市化程度提高，哈爾濱市年平均溫度呈上升趨勢。

2.3.2 城市化進(jìn)程對哈爾濱市年及各季節(jié)平均氣溫影響

將1986～2017年哈爾濱市年及各季節(jié)平均氣溫作初值化無量綱化處理，通過對10 項(xiàng)城市化因子作灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算，各城市化因子關(guān)聯(lián)度如圖6所示。由圖6可知，人均道路面積（X8）、廢氣排放量（X10）和建成區(qū)面積（X2）是哈爾濱市年平均氣溫變化主要影響因子，其次是人均公共綠地面積（X9）、每萬人擁有公交車輛（X7）、人均居住面積（X1）、城市用電量（X6），而機(jī)動(dòng)車保有量（X4）、居民消費(fèi)水平（X3）和第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值（X5）對哈爾濱市年平均氣溫影響相對較小。

在城市化進(jìn)程對各季節(jié)平均氣溫影響中，人均道路面積（X8）、廢氣排放量（X10）和建成區(qū)面積（X2）仍是哈爾濱市各季節(jié)平均氣溫變化主要影響因子，其次是人均公共綠地面積（X9）、每萬人擁有公交車輛（X7）、人均居住面積（X1）、城市用電量（X6），而機(jī)動(dòng)車保有量（X4）、居民消費(fèi)水平（X3）和第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值（X5）則對各季節(jié)平均氣溫影響較小，這與年平均氣溫灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致。但同一城市化因子對不同季節(jié)平均氣溫影響程度不同，廢氣排放量在春秋兩季關(guān)聯(lián)度較低，而在夏季和冬季關(guān)聯(lián)度最大，這與夏季游客頻繁出行帶來大量交通熱量和汽車尾氣及冬季供暖排放大量溫室氣體有關(guān)[34]。

可見，在影響哈爾濱市氣溫變化人為因素中，人均道路面積（X8）、廢氣排放量（X10）和建成區(qū)面積（X2）對氣溫變化具有重要影響，各項(xiàng)指標(biāo)所反應(yīng)城市下墊面性質(zhì)改變、城市能源消耗狀況和人口聚集程度是造成哈爾濱市氣溫變化核心因子。

表1 1986～2017年哈爾濱市城市化進(jìn)程指標(biāo)體系Table 1 System of urbanization process in Harbin City in 1986-2017

表2 1986～2017年哈爾濱市城市化進(jìn)程參數(shù)F統(tǒng)計(jì)值Table 2 Statistical value of parameters F of urbanization process in Harbin City in 1986-2017

2.3.3 影響因素分析

城市下墊面性質(zhì)改變也是影響哈爾濱市氣溫變化因素之一。城市高低建筑物相互交錯(cuò)構(gòu)成極其復(fù)雜城市下墊面，由道路、屋頂和墻壁等構(gòu)成反射面經(jīng)過多次反射，導(dǎo)致放射面吸收能量多于被反射能量[32]。哈爾濱市實(shí)有道路鋪裝面積增加，1986～2017 年共增加4.88×107m2，城市道路鋪裝面積增加導(dǎo)致地面吸收熱量能力增強(qiáng)。由于城市高層建筑增加、增高使地表風(fēng)力減小，降低風(fēng)力對熱量擴(kuò)散[35]，因此造成城市氣溫升高。

城市能源消耗狀況是影響哈爾濱市氣溫變化因素之一，其增加導(dǎo)致人為熱釋放增加，氣溫增加[13]。隨城市人口數(shù)量增加、工業(yè)發(fā)展加快等因素影響，哈爾濱市能源消耗量不斷增加，居民用電量從 1986 年 2.36×109kW·h 迅速增加至 2017 年1.82×1010kW·h，增加7.7倍，限于城市燃煤消耗量不易獲取，故以居民用電量為替代數(shù)據(jù)，表征燃煤能源消耗導(dǎo)致城市氣溫變化影響指標(biāo)；哈爾濱市廢氣排放量由1986 年1.01×103億標(biāo)立方米增長至2017年2.99×103億標(biāo)立方米，增加近3倍[25]。城市能源消耗量及居民用電量增加，導(dǎo)致城市熱排放量增加，廢氣中排放溫室氣體加大城市溫室效應(yīng)，引起城市增溫。

3 結(jié) 論

研究1951～2017年哈爾濱市年及各季節(jié)增溫幅度、突變時(shí)間和影響氣溫變化城市化因子，結(jié)果表明哈爾濱市年及各季節(jié)增溫幅度呈增長趨勢，年平均氣溫增暖幅度為0.37 ℃·10 年-1，突變年份為1988年，與全球氣溫變暖時(shí)間一致。哈爾濱市除受全球變暖大背景影響外，還受城市化發(fā)展影響，其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化水平、城市下墊面性質(zhì)改變、城市能源消耗狀況和人口聚集程度是影響城市氣溫升高主導(dǎo)因子。通過識(shí)別城市化進(jìn)程中影響氣溫變化主導(dǎo)因子，可準(zhǔn)確判斷由人為因素引起的城市氣溫升高原因，并為城市區(qū)域發(fā)展應(yīng)對氣候變化政策制定和管理決策，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置提供參考。但緩解城市氣溫升高問題仍需通過控制人口密度、積極調(diào)整城市下墊面結(jié)構(gòu)、控制溫室氣體排放等措施調(diào)控，根據(jù)不同城市實(shí)際情況尋找控制氣溫與經(jīng)濟(jì)發(fā)展平衡點(diǎn)。