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(duì)降水的影響也愈來(lái)愈明顯。部分研究認(rèn)為城市化進(jìn)程對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)期,夏秋兩季降水量的空間差異會(huì)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(huì)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(jiàn),城市化對(duì)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(zhǎng)三角地區(qū),城市化對(duì)降水的影響表現(xiàn)在夏半年對(duì)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(duì)降水分布的特征沒(méi)有明顯的影響[7]。

本文將以我國(guó)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(zhǎng)江中游城市群以武漢為中心,是以武漢城市圈、環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群為主體形成的特大型國(guó)家級(jí)城市群[9],又簡(jiǎn)稱長(zhǎng)江中三角為研究區(qū)域,研究城市化對(duì)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(guó)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(zhǎng)江中三角的26個(gè)測(cè)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(guó)中部地區(qū)112個(gè)測(cè)站點(diǎn)的分布圖,以及長(zhǎng)江中三角的范圍選定

對(duì)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(lái)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shì)

圖2a中可以看出長(zhǎng)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(shì)的,長(zhǎng)江中三角k為1.99 mm/a,中部地區(qū)k為0.97 mm/a,可知長(zhǎng)江中三角的降水量增長(zhǎng)速度比中部背景區(qū)域快。本文對(duì)所有的降水變量都做了顯著性檢驗(yàn),F都大于4.038,對(duì)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(shì)的,長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)江中三角的降水強(qiáng)度大于中部背景區(qū)域。由于長(zhǎng)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(huì)在一定的程度上影響區(qū)域的氣候變化。

圖2 1964—2013年我國(guó)中部背景區(qū)域與長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)江中三角的降水總量的減少速度比中部背景區(qū)域慢,對(duì)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(zhǎng)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(guó)中部背景區(qū)域與長(zhǎng)江中三角季節(jié)性降水總量的變化

夏季長(zhǎng)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(shì),長(zhǎng)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(méi)有明顯的變化,這表明一方面夏季長(zhǎng)江中三角的降水量增長(zhǎng)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(zhǎng)江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度更快。在冬季,無(wú)論是降水量還是降水天數(shù),長(zhǎng)江中三角和背景區(qū)域都是明顯增加的,長(zhǎng)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(zhǎng)江中三角和中部背景區(qū)域降水總量都是在增長(zhǎng),長(zhǎng)江中三角降水量的增長(zhǎng)的速度更快。

總之,近50 a長(zhǎng)江中三角和中部背景區(qū)域的降水變化趨勢(shì)一致,春秋兩季都是呈遞減趨勢(shì),春季長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長(zhǎng)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(shuō)明城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的對(duì)流性活動(dòng)的增加,冬季長(zhǎng)江中三角降水量的增長(zhǎng)的速度更快。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季圖4 1964—2013年我國(guó)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)三角大部分地區(qū)的日降水強(qiáng)度[3]。本文依據(jù)國(guó)家氣象局24 h降水強(qiáng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10],分析近50 a我國(guó)長(zhǎng)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(shì),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(guó)中部地區(qū)和長(zhǎng)江中三角降水不同強(qiáng)度變化趨勢(shì)

表1中無(wú)論是背景區(qū)域和長(zhǎng)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(shì),并且變化非常顯著,長(zhǎng)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(shuō)也呈上升趨勢(shì),但變化幅度均較小,說(shuō)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(zhǎng)江中三角的暴雨降水量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于中部背景區(qū)域,這也表明長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)程的增多。這些研究表明城市化進(jìn)程對(duì)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(shì)

從表2和圖5可以看出,長(zhǎng)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(shì),但暴雨強(qiáng)度的降水量下降趨勢(shì)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(shì),其中暴雨強(qiáng)度的降水量上升趨勢(shì)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(shì),但總體不明顯。但暴雨的降水量呈明顯的上升趨勢(shì),長(zhǎng)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(zhǎng)江中三角地區(qū)更容易發(fā)生對(duì)流性天氣。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季圖5 1964—2013年我國(guó)長(zhǎng)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(duì)于長(zhǎng)江中三角和中部背景區(qū)域來(lái)說(shuō),暴雨的變化是最顯著的,同時(shí)暴雨對(duì)于降水量的影響也是最明顯的,因此長(zhǎng)江中三角和中部背景區(qū)域只有暴雨對(duì)于降水變化的貢獻(xiàn)顯著。不同于林恒[13]的城市化對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)降水的研究,在長(zhǎng)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(duì)于降水量均有顯著影響,比如冬季,長(zhǎng)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(zhǎng)江中三角和中部背景區(qū)域的降水增長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)看,降水增長(zhǎng)的一致性較差。同時(shí)桑建國(guó)[14]的研究表明城市化進(jìn)程對(duì)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(guó)長(zhǎng)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(shì)

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1長(zhǎng)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(shì)的,長(zhǎng)江中三角k為1.99 mm/a,中部地區(qū)k為0.97 mm/a,長(zhǎng)江中三角的降水量增長(zhǎng)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(shì)。兩個(gè)地區(qū)中降水強(qiáng)度的增幅差異可能是由于長(zhǎng)江中三角的降水量的增長(zhǎng)速度快于背景區(qū)域,而城市群的規(guī)模和發(fā)展會(huì)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(zhǎng)江中三角和中部地區(qū)的降水量都是呈遞減趨勢(shì),但是下降的速率不一樣,春季長(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)有明顯的變化,說(shuō)明夏季兩個(gè)區(qū)域的降水強(qiáng)度都在增強(qiáng),并且長(zhǎng)江中三角區(qū)域降水強(qiáng)度增長(zhǎng)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(shuō)明城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致的對(duì)流性活動(dòng)的增加,更容易形成降水,冬季長(zhǎng)江中三角降水量的增長(zhǎng)的速度更快。

3.3在長(zhǎng)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(shì),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(shì),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(zhǎng)江中三角的暴雨降水量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于中部背景區(qū)域。

3.4春季和秋季在長(zhǎng)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(shì),但暴雨強(qiáng)度的降水量下降趨勢(shì)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(shì),其中暴雨強(qiáng)度的降水量上升趨勢(shì)快。夏季暴雨以下強(qiáng)度的降水呈下降趨勢(shì),但總體變化不明顯。但暴雨的降水呈明顯的上升趨勢(shì),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(zhǎng)江中三角地區(qū)更容易發(fā)生對(duì)流性天氣。近50 a對(duì)于長(zhǎng)江中三角和中部地區(qū)來(lái)說(shuō),暴雨的變化是最顯著的,同時(shí)暴雨對(duì)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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致增雨效應(yīng),并且會(huì)增強(qiáng)局地對(duì)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(lái)研究城市化對(duì)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(lái)揭示長(zhǎng)江中三角50 a來(lái)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(duì)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(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。