城市化对武汉城市圈气候变化的影响研究

　　【摘要】：我国城镇化正快速推进,城市规模大幅扩大,区域城市圈(群)逐渐形成,城市化改变了城市下垫面类型和结构,特别是不透水硬化路面大量增加,植被、森林、水体、沼泽湿地等自然生态遭到严重破坏,局地热力、水循环发生重大改变;钢筋混凝土建筑物密度大幅增加,平均冠层高度增加,粗糙度增加,改变了气流正常走向,静风发生频率增加;人类活动、工业生产排放改变了局地热力条件,增加了城市上空的大气颗粒物、气溶胶等。城市化效应、特别是大范围城市群效应导致了局地气候的异常改变,出现城市“热岛、雨岛、干岛、静风岛、浑浊岛”效应,使高温热浪、内涝、雾霾等发生频率增加,对城市正常运行和市民生活带来不利影响。城市圈(群)气候变化是不争的事实,由于人类活动的影响,城市圈(群)的气候变化更加复杂多变,一方面受到全球气候变化的影响,即气候系统变化影响,另一方面更受到人类活动和过度开发导致的局地气候变化影响,即城市化带来的气候变化影响。如何分离城市化带来的城市圈(群)气候变化是国内外比较关心的技术,城市圈边缘的郊区或乡村由于远离城市区,受城市化带来的局地气候变化影响小,因而可以作为城市化气候效应的对比站。本文以武汉城市圈为例,利用城市人口数据、土地覆盖数据和夜间灯光数据,选取典型城市站和比对的乡村站,采用“UMR法”(Urban Minus Rural),使1960-2016年经均一化处理的逐日气温、降水、相对湿度和风速资料,定量计算各要素的城市化影响和城市化贡献率,分析城、乡各要素变化趋势的差异,并对各要素变化趋势的空间分布进行分析;进一步以武汉为例,利用主成分分析,求出城市化综合指数,并与各气象要素进行回归建模,以揭示城市化与区域气候变化的关系。得到如下主要结论:(1)城市化对气温变化影响城市化对气温变化影响最大,呈现显著的增温效应,是形成城市热岛效应的主要原因。城市化对城市站年平均气温、最高和最低气温均为增温作用,利用“UMR法”得到的相应的城市化增温率分别为0.22℃/10a、0.05℃/10a、0.35℃/10a,城市化增温贡献率分别为62.87%、23.77%、70.68%。城市化对城市站四季的三种温度也均为增温作用,夏季增温最大、春秋季次之、冬季最小;与年变化一样,季节内最低气温增温率最大,最高气温最小;城市热岛强度呈现非对称性变化。在空间分布上,气温变化趋势的空间布局特征大体一致,北部和南部典型乡村站为增温趋势的低值区,中西部城市密集区为增温趋势的高值区,可以看出明显的城市化增温作用。(2)城市化对降水变化影响(a)总降水量变化。城、乡站年降水量均在波动变化中呈不显著的弱上升趋势,年降水量UMR序列呈现微弱的增加趋势,城市化对年降水量影响不明显。春季和夏季降水量UMR序列为增加趋势,秋、冬季为减小趋势,说明城市化有使城市春、夏季降水量增加的趋势。在空间分布上,年和四季降水量变化趋势的差异较大,夏、秋季变化趋势的高值区主要位于中西部,冬季位于东部。(b)降雨日数变化。与降水量相比,城市化对降水天数的影响更显著。年和四季降水天数UMR序列均为减少的趋势,城市化使降水天数减小,而总雨量变化不大,则雨强增加。在空间分布上,年和冬、春、秋三季降水天数变化趋势的高值主要位于中西部,夏季主要位于东部。(c)分等级降水变化。随雨强由小雨到暴雨,降水天数(量)UMR序列由减少的趋势逐渐变为增加的趋势,城市化使强降水事件(量)增多,弱降水事件(量)减少,导致降水两极分化,极端性趋强。在空间分布上,随雨强增加,降水量(天数)呈增加趋势的站点从东部开始增加,小雨至中雨,降水量变化趋势的高值区由东部变为中西部,二者降水天数的高值区均位于中西部;大雨至暴雨,降水量(天数)变化趋势的高值区由东部变为城市密集的中西部。总体来说,降水受城市化影响不如温度显著。(3)城市化对相对湿度变化影响城市化使城市站相对湿度呈下降趋势,城市化作用显著。年和四季相对湿度UMR序列均呈下降趋势,夏季和秋季下降更明显,城市呈现逐步“干岛化”。在空间分布上,中西部城市密集区相对湿度下降趋势更明显,变的更“干”,为相对湿度变化趋势的高值区;南部和北部乡村站相对湿度呈较弱的下降趋势,为相对湿度下降趋势的低值区。(4)城市化对风速变化影响城市化使城市站平均风速呈下降趋势,城市化作用显著。年和四季平均风速UMR序列均为减少的趋势,城市化有使城市站风速减小的作用。在空间分布上,中西部城市密集地区平均风速的减少趋势更明显,为平均风速变化趋势的高值区,南部和北部乡村站平均风速的减少趋势较小,为变化趋势的低值区。(5)城市发展综合指数反映的城市化对气象要素的影响城市化发展综合指数与气温的拟合效果最好,相对湿度和风速次之,降水效果最差。说明城市化对气温影响最明显,对相对湿度和风速影响次之,对降水影响较小。城市化对气候的影响在一定程度上符合环境库兹涅茨曲线。这与利用“UMR法”得到的城市化对气象要素影响的结论基本一致。