北京城市热岛效应对气温和降水量的影响

北京城市热岛效应对气温和降水量的影响 北京城市热岛效应对气温和降水量的影响 第21卷第5期 2006年9月 自然资源 JOURNALOFNATURALRESOURCES Vo1.21NO.5 Sep,2006 北京城市热岛效应对气温和降水量的影响 张玲,徐宗学卜,阮本清 (1.北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室,北京100875 2.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100044) 摘要:借助非Mann-Kendall统计检验方法,对北京市2O个气象站44年(1961--2004年)的逐月 平均气温和降水资料进行了较为详细的.结果明:?时间上,44年来北京市气温呈持续上升 趋势,2O世纪8O年代为跃变点,跃变后增温趋势更加显着,而降水量呈下降趋势;通过分析5年 滑动平均演变图发现,对气温而言,市区增温趋势明显高于郊区,市区和郊区44年来分别以 O.44oC/10a和O.01~C/10a的趋势递增,降水量从总体上来说44年来城,郊差异不大,市区和郊区44 年来分别以1.82mm/a和1.49mm/a的趋势递减.?空间上,对年平均气温而言,市区内存在一个明显 的上升中心,且等值线较为密集,海淀站Kend~l倾斜度高达0.776~C/10a,由于城市热岛效应的存在, 1,4,7,10月在市区均存在一个闭合的暖中心,市区内增温幅度大于郊区;对降水量而言,1,4,7,10月 在市区和佛爷顶一带均存在着上升中心,降水量呈现上升的趋势,这可能与城市热岛效应的影响有关. 关键词:北京;气温;降水量;热岛效应;Mann.Kendall检验 中图分类号:P463.2文献标识码:AE章编号:1000—3037(2006)05-0746—10 世界城市化发展的经验表明,城市化快速发展是任何一个国家或地区无法逾越的阶段[1]. 20世纪8O年代以来,北京的城市建设取得了重大进展,城市的繁荣和经济的发展给北京带 来了令人瞩目的变化.高大建筑如雨后春笋拔地而起,:在市中心形成了一层层围起的高高的 立体建筑物.大城市上述特殊的下垫面改变和城市中的人类活动影响形成了一种有别于周 边地区的大城市一郊区小气候,城市的发展改变了原有的自然条件,如大部分原有的自然植 被为建筑物,沥青或水泥马路所代替,人们的生产和生活增加了额外的热量,城市工业排放 大量烟尘,气溶胶等,这些对城市的气温和降水等气候要素都将产生一定的影响. 近几十年来,关于北京城市气候的研究已有多篇论文发表,城,郊温差扩展趋势已被证 明【21.例如,徐兆生等研究发现,北京市1月平均气温为一2.4?,比东郊高2.4~Cp];张光智等在 对北京及周边地区城市尺度热岛特征的研究指出,北京城区与郊区温度是同位相升降,且郊 区温度一直低于城区,并指出20世纪末的10年与80年代的10年相比,北京城区与郊区热 岛效应增强趋势显着嗍;宋艳玲等在北京城,郊气候要素的对比研究中发现,40年来北京城 区平均升温幅度为0.43oC/lOa,郊区升温幅度为0.21~C/lOa,而降雨40年来略有减少,总体 上城,郊差异不大嘴;林学椿,于淑秋研究了北京地区的大尺度气温变化及其热岛效应,指出 北京地区的年际变化具有大尺度的特点,1981年是显着的跃变点,近40年的增温率为 0.125~C/lOa,且近40年热岛强度的增温率为0.131~C/10at61.上述研究大都是通过采取城,郊 收稿日期:2005—12—29;修订日期:2006—02—27. 基金项目:北京市自然科学基金(8062021)和水利部科技创新项目经费资助. 第一作者简介:张玲(1983一),女,山西忻州人,硕士,主要研究方向为城市雨水资源利用. 通讯作者简介:徐宗学,教授,博士,主要从事水文学及水资源研究.E.mail:zxxu@bnu.edu.cn 5期张玲等:北京城市热岛效应对气温和降水量的影响747 对比的研究方法得到的结论.本文除了采取城,郊5年滑动平均值对比研究城,郊温差和降 水量外,主要通过非参数Mann-Kendall统计检验方法,对北京市2O个气象站44年(1961— 2004年)的逐月平均气温,降水资料进行较为详细的分析,研究在全球增温的大背景下北京 地区气温和降水的时空变化趋势及其受热岛效应的影响. 1研究地区概况 北京位于华北平原的西北隅,西部山地属太行山脉;北部山地属燕山山脉;东南部为冲 洪积物组成的北京山前倾斜平原.地跨39.28-41.05N,115.25-117.30E,东西宽约 160km,南北长约176km,总面积约为16800km. 北京境内有大小河流6O余条,分属海河和潮白,蓟运河两大流域的五大水系.永定河和 潮白河为本市两大主要水系;房山县境内的拒马河和大石河属大清河水系;平谷县 境内的错 河和洵河属蓟运河水系;此外还有北运河水系.主要河流多为西北一东南流向.北京气候属暖 温带半湿润半干旱季风气候,四季分明.年平均气温,平原地区为11-12~C,海拔800m以下 山区为7,10T:,海坨山,灵山,百花山等高寒山区约为2-4~C.平均年降水量地区分布不均, 山前迎风坡在700,800mm之间,西北部和北部深山区少于500mm,平原及部分山区则在 500,650mm之间. 2资料处理及研究方法 2.1资料处理 本研究所用资料为北京地区2O个气象站(图1)1961--2004年观测的逐月平均气温和 降水量数据.其中有15个站观测资料比较齐全,都是1961--2004年,共44年资料.其余5 个站是从2O世纪7O年代中期开始观测,至2004年,有27-30年不等的资料.从统计意义上 图1北京地区气象站点分布 Fig.1LocationofmeteorologicalstationsinBeijingregion 748自然资源2l卷 来讲,这样长的时间序列足以获得比较可靠的分析结果.因20个站海拔高度相差很大,而且 海拔较高的站一般都位于郊区,如果不订正,就会加大热岛强度.故为了减少因海拔高度相 差很大所带来的影响,在数据处理中本文采用平均背景气温直减率,即每上升100m气温下 降0.65?,把20个站的气温都订正到海平面高度. 与过去研究结果有所不同,过去北京地区的热岛效应研究所用资料往往是短时期的对 比观测结果,即使用较长的资料,其范围也局限于市区和近郊区,而近郊区如丰台站,石景山 站等都已城市化,不能反映郊区特征.故本研究中依照行政区划,市区选取北京站,朝阳站, 丰台站,海淀站,石景山站和门头沟站6个站;郊区选择通州站,大兴站,房山站,霞云岭站, 斋堂站,昌平站,顺义站,怀柔站,密云站,延庆站,佛爷顶站,汤河口站,上甸子站和平谷站等 l4个站.这些站中有部分站在44年中曾进行了迁站,但对研究市区,郊区气温及降水量变 化影响差异较小.表1为北京市市区和郊区多年平均气温和降水量统计特征值. 表1北京市区与郊区多年平均气温和降水量统计特征值 Table1Statisticsofannualmeantemperatureandpreciphationinurbanandsuburbanareas 2.2研究方法 本研究采用Mann—Kendall趋势检验法来检验北京:地区气温及降水量的长期变化趋势. 基于秩的Mann—Kendall趋势检验法常用来检测如水质,径流,温度,降水等水文时间序列资 料的明显趋势变化I,是一种非参数统计检验方法.非参数检验方法亦称无分布检验,同传统 的参数方法比较,具有明显的优越性.其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异 常值的干扰,计算也比较简便,因此在趋势分析中得到了广泛的应用. Mann—Kendall统计检验如下所示: Z= S>0 ,/var(S) 0S=0(1) S<0 ,/var(S) 其中S值由下式得到:? ,l一1Tt s:??sgn(一)(2)i=l=l 机,为连续的数值变量,凡为数据资料时间长度, f10>0 sgn()={0=0(3) 【一l<0 当一一??zl一时,接受原假设日.,表示研究对象没有趋势;否则,拒绝原假设日., 表示研究对象存在长期趋势.其中,?是标准正态偏量,为检验的置信水平. 为了检验序列的趋势,通常有必要估计单调趋势的大小——Kendall倾斜度,即单位时 5期张玲等:北京城市热岛效应对气温和降水量的影响749 问内的变化量.Kendall倾斜度是长期变化趋势的无偏估计值,其计算如下: ~=Medianl1V<(4). \t-j/ 其中,1<?n.当值为正时表示上升趋势,即变量随时间的增加而增大,当为负时,表 示下降趋势,即变量随时问的增加而下降8]. 3气温和降水量时间变化趋势及热岛效应影响分析 为了评价时间系列的统计特性,图2给出了北京地区年平均气温和降水量距平及其5 年滑动平均变化曲线图.由图2(a)可见,北京地区气温自20世纪60年代中期以来不断上 升.1980年以前以负距平为主,1980年以后以正距平为主,存在着明显的跃变,尤其进入9O 年代以后,几乎全为正距平.从市,郊5年滑动平均曲线来看,它们的升降趋势基本 上是相似 的,但市区的5年滑动平均值明显高于郊区,两者的差值范围在0.42-1.83?之间变动,表明 北京热岛效应一直稳定存在.尤其在8O年代以后,由于城市的发展,市区气温上升迅速,市 区与郊区的5年滑动平均值差值增幅趋势显着,热岛效应明显增强.从图2(b)可以看出,与 气温的演变规律相反,降水量随时间呈现出下降的趋势.北京地区多年降水量正负距平大体 持平,降水偏多时期和偏少时期呈现周期性的交替,而在9O年代后期以来几乎全部为负距 平,降水量又进入一个新的减少期.对市区与郊区的5年滑动平均降水量而言,两者的差值 范围在一44.17—39.14mm之间波动,但总体上来说44年来城,郊降水量差异不大. 1.0 0.5 p ,,0 赠一0.5 一 1.0 一 1.5 图2 一郊区5年滑动平均 北京地区fa)年平均气温距平及其5a滑动平均序列和(b)年平均降水量距平及其5a滑动平均序列 Fig.2(a)Annualmeanand5-yearmovingmeantemperatureanomalyand(b)annualmeanan d 5-yearmovingmeanprecipitationanomaly 表2为用Mann—Kendall方法得到的北京市区与郊区多年平均气温和多年平均降水量趋 势检验结果,可以看出多年平均气温拒绝原假设,存在统计意义上的单调趋势;而多年 平均降水量的单调趋势检验接受原假设,即整个 地区在统计意义上没有单调趋势存在.对气温而 言,市区44年来以0.44~C/10a的趋势递增,而郊 区以0.01~C/lOa的趋势递增,城区增温明显大于 郊区;对降水量而言,北京地区总体上呈现减少 的规律,市区以1.82mm/a的趋势递减,而郊区 以1.49mm/a的趋势逐年减少,郊区雨量减少趋 势小于城区.总体来说,44年来北京地区气温呈 持续上升趋势,而降水则呈持续下降趋势,这一 表2市区与郊区多年平均气温和多年平均降水 量趋势检验 Table2Trendtestforannualmeantemperatureand annualmeanprecipitationinurbanandsuburbanareas 咖{曼咖咖伽詈;抛0 ???0??? 32ll23 :\删繁避 p\赠 M挖m86420 750自然资源2l卷 结论与文献[9,l2]研究所得到的华北地区气温和降水的变化趋势相一致. 4气温和降水量空间变化趋势及热岛效应影响分析 本文对北京地区20个气象台站44年的气温和降水序列在95%的置信区间上进行趋势 检验,同时采用径向基函数插值法将所有台站年,季(分别以1,4,7,10月代表冬,春,夏,秋 季)平均气温和降水量变化幅度(即Kendall倾斜度/3值)进行内插,得到其空间分布情况, 并用北京地区边界提取出北京地区气温和降水量的年,季变化趋势空间分布图. 4.1气温 图3(a1为北京地区年平均气温等值线图,可以看出,年平均气温随海拔高度的增高而由 平原向西部,北部山区递减,等值线走向与山脉等高线走向基本一致.市区存在一个年平均 气温大于l2?的暖区,城区海淀,石景山,丰台同处在一个闭合椭圆形的高温区域,这是北京 "热岛"的主要区域,周边郊区为相对低值区,北部,东部一线气温相对较低,这可能与在这一 线有官厅水库和密云水库对气温的调节有关. 图3北京地区年平均气温(a)等值线图(?)和(b)Kendall倾斜度等值线~(%/lOa) Fig.3(a)Isogramoi.annualmeantemperatureinBeijingregionand(b)KendMlslope isogramofannummeantemperatureinBeringregion 图3(b)为北京地区年平均气温Kendall倾斜度等值线图,可以看出,本文所用20个气象 站的年平均气温Kendall倾斜度均为正值,说明北京地区44年来平均气温呈上升趋势,这与 全球变暖的趋势相符.从整体来看,年平均气温Kendall倾斜度随海拔高度的增高而由平原 向西部,北部山区递减,等值线走向与山脉等高线走向基本一致.市区内存在一个明显的上 升中心,且等值线较为密集,海淀站Kendall倾斜度为0.776%/lOa,为20个气象站中最大 值.而在东南部有一个下降带,霞云岭站Kendall倾斜度为0.017~C/10a,为2O个气 象站中最 小值. 图4为北京地区各季气温趋势等值线图,可以看出北京地区的气温空间分布有以下几 个特点:?l,4,7,l0月在市区均存在一个闭合的暖中心?,这是城市热岛效应所致,而且北京 城市热岛效应表现出冬季最强,而夏季最弱的特点;?:春季(4月),分别在西北部佛爷顶一 带和东南部通州一带存在着上升中心,而在北部汤河口一带和西南部斋堂一带则存在着下 降中心,市区海淀站增温幅度最为明显,Kendall倾斜度为0.676~C/lOa,为20个站中最大值; ?夏季(7月)等值线分布较为密集,在西北部佛爷顶一带,西南部斋堂一带以及市区存在3 5期张玲等:北京城市热岛效应对气温和降水量的影响751 图4北京地区各季气温趋势等值线l~(~C/lOa) Fig.4Isogramofseasonalmeantemperature 个上升中心,最大值位于海淀,达0.566~(2/lOa,而在延庆,霞云岭,上甸子等远郊存在着下降 中心,降幅最大处位于霞云岭一带,降幅达一0.136~(2/lOa;?秋季(1O月)在南部和东南部分 别存在着上升中心,增温最大地带位于通州,Kendall倾斜度达0.421~C/lOa,而在西南部和北 部山区则存在着下降中心,北部汤河口一带降幅最大,达一0.604~(2/lOa;?冬季(1月)Kendall 倾斜度除斋堂站为负值外,其余均为正,市区内存在一个明显的上升中心,其中海淀区和石 景山区增温幅度最为强烈,Kendall倾斜度分别为0.811~C/lOa和0.838~C/lOa,而在 西部和 北部山区则呈现出下降的趋势. 造成北京城市热岛强度冬强夏弱的原因主要是:?地处季风气候区,冬,夏季风转换明 显,冬季受干冷的西伯利亚来的气团控制,湿度小,云量少,利于热岛的形成与发展,此外,冬 季气温低,大气层结稳定,下垫面辐射冷却剧烈,尤其是郊区,由于植被干枯,地表裸露,土壤 冻结,空气流通,辐射冷却更强烈,因而郊区失热多于城区.而夏季阴雨天气多,不利于热岛 的形成和发展;?北京冬季正是采暖期,城区人为热量比夏季多,大气中烟尘等污染物浓度 增大,使得城市大气逆辐射增多,加上冬季太阳高度角小,城区下垫面吸收太阳辐射多于开 阔,平坦的郊区,因而城区收入的热量多于郊区,而夏季城区人为热和大气逆辐射比冬季相 对减少,城,郊的热量收入相差不大,不利于热岛的形成和发展. 4.2降水 图5(a)为北京地区年平均降水量等值线图,可以看出,北京地区年降水量空间分布不 752自然资源21卷 均,与地形关系密切.来自北京东南的暖湿空气受燕山,太行山的抬升,在山前迎风坡形成多 雨区,而背风坡则形成少雨区.除东北部的高值区属于地形影响外,城近郊区的高值区逐渐 向郊区递减.这说明,由城市的粗糙度,热岛以及散布在大气中的污染物质对城市及其周围 的降水是有影响的,即城市化使降水量增多. 图5北京地区平均年降水量(a)等值线图(mm)和(b)Kendall倾斜度等值线[](mm/a) Fig.5(a)IsogramofannualmeanprecipitationinBeijingregionand(b)Kendallslopeisogram ofannualmeanprecipitationinBeijingregion 图5(b)为北京地区年平均降水量Kendall倾斜度等值线图,本文所用20个气象站的 年平均降水量Kendall倾斜度除佛爷顶为正值外,其余均为负值.从整个北京地区来看,存 在两个上升中心(佛爷顶,怀柔)和两个下降中心(北京,汤河口).总的来说,北京地区自 1961年以来降水量除怀柔,佛爷顶表现出微弱的上升趋势以外,其余均呈现下降的趋势. 其中西南部下降幅度较大.市区形成一个明显的下降中心,其中海淀区年均减少3.7mm,降 幅最大. 图6为北京地区各季降水量趋势等值线图,可以看出北京地区的降水量空间分布有以 下几个特点:?春季(4月)整个北京地区的Kendall倾斜度除佛爷顶站(一0.08mm/a)为负值 外,几乎全为正值,这说明在春季除佛爷顶一带呈下降趋势外,其余地区的降水量均表现出 不同程度的上升趋势,其中,在北部汤河口,西南部斋堂以及市区分别形成明显的上升中心, 上升幅度分别达0.29,0.34和0.26mm/a;?夏季(7月)降水量普遍呈下降趋势,Kendall倾斜 度除佛爷顶站和海淀站为正值外,其余均为负,市区和西北部佛爷顶一带存在两个上升中 心,在市区范围内海淀站上升幅度最大,Kendall倾斜度为0.3lmm/a,这充分说明了热岛效 应对降雨的影响在夏季汛期表现最为明显;?秋季(10月)整个北京地区降水量表 现出不同 程度的上升趋势,Kendall倾斜度均为正值,其中市区形成一个明显的上升中心,上升幅度最 大的地区位于石景山,增幅达0.58mm/a,此外,在佛爷顶一汤河口一带也存在一个上升带,且 等值线分布较为密集,佛爷顶站的Kendall倾斜度次之,为0.53mm/a;?冬季(1月)大部分 地区的Kendall倾斜度为0,无增加或减少趋势,只在西北部佛爷顶一带和市区存在两个微 弱的上升中心,上升幅度最大的是佛爷顶站,其次为石景山站和海淀站,Kendall倾斜度分别 为0.043,0.038和0.033mm/a. 众所周知,北京是季风气候区,年降水量主要集中于汛期6—9月;而城市化对降水的影 响亦以汛期最为突出.城市化使市区降水量增加的主要原因是:?城市下垫面粗糙度大,使 5期张玲等:北京城市热岛效应对气温和降水量的影响753 图6北京地区各季降水量趋势等值线[~(mm/a) Fig.6IsogTamofseaso/l~t]meadprecipitatJon 降水天气系统经过城市时,移速减慢,雨时延长;?城市热岛效应促使城市空气层结不稳定, 热力对流加强,城市的对流性降水增多?. 5小结 本文借助非参数Mann—Kendall检验方法分析了北京地区20个气象站44年来的气温和 降水量时空分布和变化趋势,并在此基础上探讨了北京城市热岛效应对其气温和降水量的 影响,根据研究结果,可以得出以下初步结论: 在时间上:?对气温而言,44年来北京地区气温呈持续上升趋势,1980年为跃变点,80 年代以后,由于城市的快速发展,增温趋势更加显着,对降水量而言,则呈持续下降趋势,从 年平均降水量距平图看,北京地区多年降水量正负距平大体持平,降水偏多时期和偏少时期 呈现周期性的交替,而在90年代后期以来几乎全部为负距平,降水量又进入一个新的减少 期;?用北京站,朝阳站,丰台站,海淀站,石景山站和门头沟站等6个站气温和降水量的平 均代表市区气温和降水量,用通州站,大兴站,房山站,霞云岭站,斋堂站,昌平站,顺义站,怀 柔站,密云站,延庆站,佛爷顶站,汤河口站,上甸子站和平谷站等14个站气温和降水量的平 均代表郊区的气温和降水量.通过分析5年滑动平均演变图可以发现:对气温而言,市区与 郊区的5年滑动平均值曲线同位相升降,但市区的5年滑动平均值明显高于郊区,尤其在 754自然资源21卷 80年代以后,由于城市的发展,市区气温上升迅速,市区与郊区的5年滑动平均值差值增幅 更为明显,市区44年来以0.44~C/10a的趋势递增,而郊区以O.O1~C/lOa的趋势递增,北京城 市热岛效应对气温的影响随城市的发展而逐渐增强;对降水量而言,总体上来说44年来城, 郊降水量差异不大,城区平均降雨量为578.6ram,郊区平均降雨量为573.5rnm,城区降雨总 量多于郊区.市区以1.82mm/a的趋势递减,而郊区以1.49mm/a的趋势递减,郊区雨 量减少 趋势小于城区. 在空间上:?对气温而言,从整体来看,年平均气温Kendall倾斜度随海拔高度的增高而 由平原向西部,北部山区递减,等值线走向与山脉等高线走向基本一致,市区内存在一个明 显的上升中心,且等值线较为密集,海淀站Kendall倾斜度为0.776~C/lOa,为20个气象站中 最大值,由于城市热岛效应的存在,使得1,4,7,10月在市区均存在一个闭合的暖中心,市区 内增温幅度大于郊区;?对降水量而言,总的来说,北京地区自1961年以来降水量除怀柔, 佛爷顶表现出微弱的上升趋势以外,其余地区均呈现下降的趋势.除东北部的高值区属于地 形影响外,城近郊区的高值区逐渐向郊区递减.说明由城市的粗糙度,热岛以及散布在大气 中的污染物质对城市及其周围的降水是有影响的,即城市化使降水量增多.1,4,7,10月内 在市区和佛爷顶一带均存在着上升中心,降水量呈现上升的趋势,尤其在夏季(7月),市区降 雨量明显多于郊区,这与城市热岛效应有关. 参考文献(References): 【1】陈波jj中,郝寿义.自然资源对中国城市化发展水平的影响研究[J].自然资源,2005,20(3):394-399.[CHENBo—thong, HAOShou-yi.Re.archontheimpactofnaturalresourcesonurbanizationlevelofChina.Jour nalofNaturdResources, 2005,20(3):394-399.】 [2]YueS,PilonP,PhinneyB,CavadiasG.PoweroftheMann-KendallandSpearman'srhotest sfordetectingmonotonictrends inhydrologiealseries[J].如?mofHydrology,2002,259:254-271. 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Keywords:Beijing;temperature;precipitation;urbanheatisland;Mann—Kendalltest