杨栩 陈斌 孟倩 申屠行钟

(桐庐县气象局,浙江 桐庐 311500)

0 引 言

随着城市化进程的快速发展,城市的热岛效应对降水的影响也愈来愈明显。部分研究认为城市化进程对降水起减弱作用,刘熙明等分析1994至2003年夏季北京城市化效应对气候的影响,结果表明城市化进程使得北京地区的夏季降水量明显减少,相对湿度比郊区要小[1]。赵娜等的研究也显示了,1961至2008年北京以及附近区域城市化对降水有减弱的影响,并且在夏季减弱最明显[2]。敖翔宇等的研究表明,城市土地利用的变化虽然会导致长三角地区夏季降水日数减少,这种降水日数的减少主要是由于城市化使得小雨日数减少引起的;但却增大了长三角大部分地区的日降水强度[3]。然而另一部分研究表明城市化进程对区域降水存在“增雨效应”。早在1921年,Horton就发现城市中心区比郊区更容易产生雷暴天气[4]。梁萍等的研究表明,上海地区以及附近地区的城市化速度与降水的关系,在城市化进程的快速增长期,夏秋两季降水量的空间差异会呈现出明显的城市雨岛特征[5]。黎伟标等的研究显示在珠江三角洲地区以及周围地区降水的分布特征,发现城市化进程会使降水增加,并且这种降水的增加存在着明显的季节变化[6]。由此可见,城市化对气候态降水的影响具有明显的地域差异和局地性特征。除此以外,江志红等认为在长三角地区,城市化对降水的影响表现在夏半年对降水强度的影响,而在冬半年主要城市附近的降水时间、降水量和降水强度的空间都变化不大,城市化效应对降水分布的特征没有明显的影响[7]。

本文将以我国中部地区作为背景区域,中部地区按自北向南、自西向东排序包括山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南6个相邻省份[8],长江中游城市群以武汉为中心,是以武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群为主体形成的特大型国家级城市群[9],又简称长江中三角为研究区域,研究城市化对该地区降水变化的可能影响,为防灾减灾和政府决策提供科学依据。

1 资料和分析方法

本文筛选了1964—2013年50 a的我国中部地区(25°～35° N,108°～120° E)的112个站的逐日降水资料,作为背景区域,并选定长江中三角的26个测站(图1中黑色实线框框定,26°～32° N,112°～117° E)作为研究区域,背景区域包括研究区域。

图1 我国中部地区112个测站点的分布图,以及长江中三角的范围选定

对降水量和降水天数进行一元线性回归分析,采用最小二乘法来计算一元线性回归系数k(也称气候倾向率)。

(1)

n为样本个数,xi为降水天数或降水量,ti为相对应的时间。

为了检验一元线性回归方程的显著性,采用(2)作为显著性检验方程:

(2)

(3)

n为样本个数,r为相关系数。

对不同季节,不同降水强度进行划分,计算背景区域和长江中三角的降水量和降水天数的线性回归系数(气候倾向率),在此基础上加以比较分析。

2 结果分析

2.1 降水的年变化趋势

图2a中可以看出长江中三角和中部背景区域近50 a的降水量是呈上升趋势的,长江中三角k为1.99 mm/a,中部地区k为0.97 mm/a,可知长江中三角的降水量增长速度比中部背景区域快。本文对所有的降水变量都做了显著性检验,F都大于4.038,对照F分布表,因此计算结果都是显著的。从图2b可以看出近50 a的降水天数是呈下降趋势的,长江中三角下降幅度为0.07 d/a,而中部背景区域的下降幅度为0.11 d/a。结果表明长江中三角和中部背景区域的降水强度都是增加的,而且长江中三角的降水强度大于中部背景区域。由于长江中三角的城市化要远高于中部背景区域的城市化,城市的规模和发展会在一定的程度上影响区域的气候变化。

图2 1964—2013年我国中部背景区域与长江中三角降水总量的变化(a)降水天数的变化(b)

2.1.1 降水的季节变化特征

从图3和图4可以看出,春秋季长江中三角和中部背景区域降水总量和降水天数都是减少的,且长江中三角春季降水总量和降水天数减少的速度均比中部背景地区的快。秋季长江中三角的降水总量的减少速度比中部背景区域慢,对比其两者的降水日数的变化是一致的都是0.15 d/a,因此秋季中部背景区域降水强度减少的速度要比长江中三角更快一些。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季图3 1964—2013年我国中部背景区域与长江中三角季节性降水总量的变化

夏季长江中三角和中部背景区域的降水量都呈明显的上升趋势,长江中三角降水量的k系数是1.66 mm/a,中部背景区域的k系数是1.33 mm/a,而两者的降水天数却没有明显的变化,这表明一方面夏季长江中三角的降水量增长的速度明显比中部背景区域快,另一方面两个区域的降水强度都在增强,并且长江中三角区域降水强度增长的速度更快。在冬季,无论是降水量还是降水天数,长江中三角和背景区域都是明显增加的,长江中三角地区降水的k系数1.79 mm/a,降水天数的k系数0.22 d/a,中部背景区域降水的k系数1.31 mm/a,降水天数的k系数0.019 d/a。因此在冬季,长江中三角和中部背景区域降水总量都是在增长,长江中三角降水量的增长的速度更快。

总之,近50 a长江中三角和中部背景区域的降水变化趋势一致,春秋两季都是呈递减趋势,春季长江中三角降水量减少的速度要更快,而秋季则是中部背景区域降水量减少的要快,并且秋季中部背景区域降水强度减少的速度要比长江中三角更快一些。夏冬两季的降水量都是增加的,夏季两个区域的降水强度都在增强,并且长江中三角区域降水强度增长的速度更快,表明在城市集中的地区降水强度更强,说明城市热岛效应导致的对流性活动的增加,冬季长江中三角降水量的增长的速度更快。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季图4 1964—2013年我国长江中三角区域与中部背景地区季节性降水天数的变化

2.2 不同降水强度的变化特征

有研究表明,城市的土地利用变化虽然导致长三角地区夏季降水日数减少,这种降水日数的减少主要是由于城市化使得小雨日数减少引起的;但却增大了长三角大部分地区的日降水强度[3]。本文依据国家气象局24 h降水强度的分级标准[10],分析近50 a我国长江中三角和中部背景区域不同降水强度的变化。

表1给出不同降水强度年降水量和降水天数的变化趋势,两个地区的小、中、大雨的降水量和降水天数均是逐年递减,只有暴雨是逐年递增,再结合图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年我国中部地区和长江中三角降水不同强度变化趋势

表1中无论是背景区域和长江中三角地区暴雨的年降水量,还有降水天数都是呈上升趋势,并且变化非常显著,长江中三角的暴雨的气候倾向率为2.05 mm/a,中部背景区域只有1.02 mm/a,而降水日虽说也呈上升趋势,但变化幅度均较小,说明两个地区的暴雨降水量的猛增并不是完全因为暴雨日的增加,最主要的原因是暴雨强度的增加,并且长江中三角的暴雨降水量的增长速度远大于中部背景区域,这也表明长江中三角的降水强度增加的速度要比中部背景区域更快。吴息等[11]研究指出由于城市的热力作用和动力作用,城市土地利用对下风区的短历时降水量的增加影响最明显,而在市中心,短历时降水暴雨的发生概率和强度增加最为明显。蒙伟光等[12]研究也城市效应对强雷暴天气有着重要的影响,由于城市的“热岛效应”及城区粗糙度增大引起的低层辐合增强可能引起雷暴天气过程的增多。这些研究表明城市化进程对区域降水存在“增雨效应”,这和本文得出的结果相吻合。

2.2.1 不同强度降水的季节变化趋势

从表2和图5可以看出,长江中三角和中部背景区域春季和秋季各个强度的降水量都呈下降趋势,但暴雨强度的降水量下降趋势快,特别是春季k值分别达到了-0.7 mm/a和-0.63 mm/a。相反,冬季二个区域各个强度的降水量都呈上升趋势,其中暴雨强度的降水量上升趋势快,k值分别达到了1.58 mm/a和1.09 mm/a。夏季暴雨以下强度的降水量呈下降趋势,但总体不明显。但暴雨的降水量呈明显的上升趋势,长江中三角和中部背景区域k值分别达到了1.65 mm/a和1.34 mm/a,其k值也是春夏秋冬四个季节中的最大值。这反应了城市集中地区的降水强度比较大,在长江中三角地区更容易发生对流性天气。

(a)春季 (b)夏季 (c)秋季 (d)冬季图5 1964—2013年我国长江中三角区域与中部背景地区暴雨四季降水量的变化

从表2也可以看出,从1964—2013年近50 a对于长江中三角和中部背景区域来说,暴雨的变化是最显著的,同时暴雨对于降水量的影响也是最明显的,因此长江中三角和中部背景区域只有暴雨对于降水变化的贡献显著。不同于林恒[13]的城市化对长三角地区降水的研究,在长江三角洲和中东部地区,各个季节各种强度的降水对于降水量均有显著影响,比如冬季,长江三角洲和中东部地区暴雨很少出现,小雨,大雨,中雨的增加比较明显。在长江中三角和中部背景区域的降水增长的一致性要差些,虽然总体上除了小雨,不同强度的全年的降水量增加的速度都是表现为长江中三角的变化速度要比中部背景区域快,但是从不同季节来看,降水增长的一致性较差。同时桑建国[14]的研究表明城市化进程对冬季降水的变化更加的明显,这个结论还有待进一步验证。

表2 1964—2013年我国长江中三角和中部背景区域不同降水强度的季节性变化趋势

3 结 语

3.1长江中三角和中部背景区域近50 a的降水量是呈上升趋势的,长江中三角k为1.99 mm/a,中部地区k为0.97 mm/a,长江中三角的降水量增长速度比中部背景区域快。二个区域的降水天数都呈下降趋势。两个地区中降水强度的增幅差异可能是由于长江中三角的降水量的增长速度快于背景区域,而城市群的规模和发展会在一定的程度上影响区域的气候性变化。

3.2在春秋两季,长江中三角和中部地区的降水量都是呈递减趋势,但是下降的速率不一样,春季长江中三角降水量减少的速度比背景区域要快,而在秋季则是背景区域降水量减少的要快。夏冬两季的降水量都是显著增加的,长江中三角地区降水量增加越快,降水天数两个区域没有明显的变化,说明夏季两个区域的降水强度都在增强,并且长江中三角区域降水强度增长的速度更快,表明在城市集中的地区降水强度更强,说明城市热岛效应导致的对流性活动的增加,更容易形成降水,冬季长江中三角降水量的增长的速度更快。

3.3在长江中三角和中部地区的小雨、中雨、大雨的年降水量和降水天数都是减少的,但暴雨的年降水量和降水天数都是呈上升趋势,并且暴雨的年降水量变化非常显著。虽然暴雨的降水天数也呈上升趋势,但变化不是很明显。因此两个地区的暴雨降水量的猛增并不是完全因为暴雨日的增加,最主要的原因是暴雨强度的增加,并且长江中三角的暴雨降水量的增长速度远大于中部背景区域。

3.4春季和秋季在长江中三角和中部背景区域各个强度的降水量都呈下降趋势,但暴雨强度的降水量下降趋势快。相反,冬季二个区域各个强度的降水量都呈上升趋势,其中暴雨强度的降水量上升趋势快。夏季暴雨以下强度的降水呈下降趋势,但总体变化不明显。但暴雨的降水呈明显的上升趋势,其k值也是春夏秋冬四个季节中的最大值。这反应了夏季城市集中地区的降水强度比较大,在长江中三角地区更容易发生对流性天气。近50 a对于长江中三角和中部地区来说,暴雨的变化是最显著的,同时暴雨对于降水量的影响也是最明显的。

3.5在中部背景区域降水量增加的情况下,长江中三角降水强度和降水量均变化显著,这同之前的相关研究的结论较为一致,城市化进程会导致增雨效应,并且会增强局地对流更有利于形成降水。但本文只是从统计学的角度来研究城市化对降水的影响,得到的结论有很好的规律性,但要从根本的机制来揭示长江中三角50 a来的降水变化特征,还需要从数值方法入手,做进一步的探讨。本文着重讨论了城市化进程对局地降水的影响,但在研究不同降水强度不同季节降水特征时,降水增加的一致性不太好,这个问题还需要进一步研究。