无锡市气温变化特征分析.doc

无锡市气温变化特征和城市化的影响分析 摘 要 利用无锡市1959-2003年的逐日平均气温和逐日最高、最低气温资料，采用线性拟合和谐波分析等方法分析了无锡气温和气温变化的基本特征。针对气温异常的冬季和夏季，给出了典型距平场。经过分析认为，形势场异常在一定程度上决定了气温演变。在分析气温变化原因时，着重比较了城市化和观测环境恶化对气温的影响。 关键词 无锡市气温变化 城市化影响中图分类号 P423.3+4 文献标识码 A 引言 IPCC2001完成出版的第三次评估报告中指出，根据地面气象仪器观测结果，1860年以来，全球平均温度升高了0.60.2 ，这种变暖是由自然的气候波动和人类活动共同引起的。我国增暖趋势与全球增暖大体一致1-4，但是具有明显的季节变化特征和不同的地域特征5-6。有不少文献研究了江苏冬夏气温特征。文献7-8经EOF分析发现,江苏省11个地级市的冬夏气温距平场第一主分量的方差贡献达91%和95%，说明江苏省冬夏气温异常有相当的同步性，但还不是完全一致。文献9分析了南京地区50 a冬夏的气温特征，指出南京盛夏高温减少，冷冬几率降低。这些文献对于了解江苏气温变化特征具有重要意义。但是，他们仅仅讨论了冬夏的演变情况，对于气温年内的连续变化特别是春秋季节的变化没有分析。而且对于苏南地区的气温特征也没有专门研究。苏南地处南京和上海之间，经济发达。作为长三角地区的重要组成部分，苏南经济区的区域性气候特征值得关注。无锡市地处江苏南部的苏锡常经济区中部，北临长江下游，南靠太湖，无锡市的气温变化特征在一定程度上可以代表苏南区域特征。IPCC2001的第三次评估报告中还指出，最近50 a的气候变化，很可能主要是人类活动造成的。有些文章11-13对我国城市化对气温的影响作了分析，赵宗慈11指出大城市增暖明显；冬季增暖，而夏季变冷。任福民5等指出，最低气温上升明显，特别是冬季的最低气温上升幅度最大。本文分析了无锡市气温增暖的特点，讨论了城市化和环境恶化对气温的影响。1 资料和方法本文使用的资料为1959-2003年无锡市及其所辖的江阴市和宜兴市共三个站逐日平均气温、日极端最高气温、日极端最低气温。 500 hPa高度场为NCEP/NCAR提供的全球再分析2.52.5逐月平均格点值，时间长度为19592003。本文所谓的“平均”，是指将每个时间段（例如年）的逐日值（例如最高温度）累加后除以该时段的总天数得到的值。使用谐波分析检查无锡气温在整个时段上的主要周期。2 气温的时间序列及变化特点2.1 方差为了了解年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温对于气候状况的偏离程度，根据方差计算公式计算出无锡市1959 -2003年的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温的方差，结果见表1。表1 1959-2003年无锡市年平均气温和年平均最高、年最低气温及其方差Table 1 Annual mean temperature, high and low temperatures of WuXi and their square differences 温度值/ 方差年平均气温 15.7 0.37年平均最高 20.1 0.32年平均最低 12.0 0.51由表1可见：平均最高气温的方差最小，表明最高气温的变化最靠近平均值，无锡地区的最高气温在45 a中变化小；而平均最低气温的方差最大，表明最低气温的变化离开平均值较远，无锡地区的最低气温在45 a中变化大。2.2 气温变化的线性趋势2.2.1 年平均气温变化趋势图1给出了无锡市气温变化、线性拟合和谐波拟合图。其中曲线（）为无锡市1959-2003年的年平均气温变化。可见，60年代中期以前和90年代以后，温度偏高。而60年代中期以后到80年代，气温偏低。研究时间内的气温呈现前后高、中间低的分布，与文献10中苏中和苏南区同期的气温分布特征一致。直线（）为线性拟合线。拟合直线 T= -33.0+0.025 t， 其中T为气温（单位：），t为年份（1959-2003年）。即无锡市45 a的年平均气温的线性上升率为0.025 /a，远远大于文献10的1951-1990年江苏中南部百年平均上升率0.006 /a，与文献11全国大城市1951-1989年增暖趋势 0.012 /a相比，也比较明显。这是因为文献1011研究的时间段是1990年前，和本文研究的时间段不一样。同时推测，90年代以后气温上升率可能比90年代前大得多。计算无锡1990-2003年线性上升率为0.066 /a，是总时段内气温上升率的两倍多。可见，90年代以后气温增暖幅度比90年代前要大。原始气温序列 线性拟合 谐波拟合Fig.1 Temperature changing of WuXi in recent forty-five years, its linearity trend and its wave simulating2.2.2 季节平均气温变化趋势为了了解不同季节的气温变化趋势有什么不同，分析了春、夏、秋、冬四季气温变化及线性拟合趋势，发现冬季气温线性增幅最大，夏季增幅最小，冬季线性增长率为每年增加0.040 ，而夏季每年增加0.017 。春季和秋季气温增长率介于冬夏之间，分别为每年增加0.031 和0.024 。可见，气候变暖最大的贡献者是冬季变暖。夏季同样表现为增暖的趋势。值得注意的是，夏季增暖这个结论和文献10的结论不同，文献10的夏季平均气温是下降的趋势。结论不同的原因也是所取时间段不同。这实际上反映了90年代以来，不仅是平均气温和冬季气温明显上升，原先处于下降趋势的夏季气温，也呈现上升趋势。2.2.3 日较差变化趋势 和年平均气温一样，45 a来，年平均最高气温和年平均最低气温的线性趋势也是上升的。从气温日较差可以反映出极端最高和极端最低的相对变化。气温日较差是指日极端最高和日极端最低气温的差值。结果显示，45 a来，气温日较差的线性趋势呈下降趋势，平均每年下降0.015 。可见，最低气温的增温量大于最高气温。因为最低气温大多出现在夜间，最高气温大多出现在白天，也可以说，夜间的增温量大于白天。 2.3 无锡年平均气温序列谐波分析 做谐波分析是在时间域上分析整个气温序列中的最主要周期。用正弦波的叠加，拟合无锡45 a平均气温变化，其中波数为1，2，11，12，21（周期分别为45，22.5，4.1，3.8，2.1 a）五个波的方差贡献达到80.3%，见图1中谐波拟合曲线（）。但是这些周期都没有通过显著性检验。所以，无锡气温变化中非周期性趋势占主导地位，即气温变化中有很大部分是由线性增长趋势所决定。 2.4 冬夏气温异常时，相应的环流场特征气温和气温的异常变化受天气系统的直接影响。气温异常的月份，大气环流场的表现应该不同于气温正常的月份。那么，气温异常时，大气环流场到底有什么特征呢？考虑到冬季和夏季影响苏南地区的天气系统不同，并且冬季和夏季气温异常对人们生活影响大，这里分别讨论无锡冬季（12月、1月和2月）和夏季（6月、7月和8月）气温异常情况下，大气环流场的特征。45个冬季分为暖冬，冷冬和正常冬三种。其中暖冬按照高出常年冬季平均气温0.5 确定，共有16 a；冷冬按照低于常年冬季平均气温0.5 确定，共12 a；正常冬气温在常年冬季平均气温0.5 及以内，有17 a。同样方法确定炎夏，凉夏和正常夏。45 a中，炎夏11 a，凉夏15 a，正常夏19 a。对同时段的500 hPa环流形势进行合成分析，结果表明：暖冬时，在南北半球极区高度场均比正常年份偏低。表明极区冷空气堆积不向南扩散。在北半球中高纬度，同样表现为三槽三脊形势，但是东亚大槽比原来的偏东、偏浅，北美大槽偏东，欧洲槽偏浅。从暖冬的距平形势场看（图2b），出现了三高三低的偏差中心，这三高三低区域正好位于正常场的槽后槽南和槽前槽北，从而使得正常场的槽东移、减弱。距平场偏差中心最大为20-30位势米，槽后偏差大于槽南的偏差，即槽的东移比减弱更明显。东亚大槽西南部的位势偏高区域包括了我国所有地区。可见，在冬季，从全球环流形势看，低槽位置偏东、偏浅使得无锡地区气温偏暖；从东亚形势看，500 hPa高度场的位势高度值比正常年份高时，无锡地区气温偏暖。考察冷冬500 hPa高度场的特征，与暖冬时的特征相反。极区位势高度偏高，中高纬度的三槽比正常年份偏西、偏深。冷冬距平场（图2a）中，三高三低的偏差区域位于正常场的槽前槽北和槽后槽南，从而使得正常场的低槽西移、加深。值得注意的是，与暖冬不同，冷冬时，东亚大槽的加深和偏西同样明显。暖冬和冷冬形势场上的相反特征正好说明了环流形势场对于暖冬和冷冬的决定性意义。炎夏时，极区高度场普遍偏高。这与暖冬时极区高度场偏低不同。中高纬度表现为四高四低形势。太平洋中部槽比正常场偏浅。从偏差场(图2d)看，太平洋槽的槽前槽后均表现为偏高。凉夏时，距平场(图2c)在极区表现为一高一低。偏低区域位于东半球，偏高区域位于西半球。太平洋槽前槽后均表现为偏低。这与炎夏时也相反。苏南地区位于太平洋北部偏低区域范围内。从以上分析可见，暖冬和冷冬的形势场特征是，西风带大槽包括东亚大槽减弱、东移（暖冬）和加深、西移（冷冬）；炎夏和凉夏的形势场特征是，太平洋北部区域高度场偏高和偏低，也可以说，是太平洋副热带高压的北部偏强北伸和偏弱南退。形势场对于冷暖冬夏具有决定性意义，也可以说，冷暖冬夏的主要决定性因素是大范围形势场。 图2 无锡市异常冬夏500 hpa距平场 (a)冷冬 (b)暖冬 (c)凉夏 (d)炎夏 Fig. 2 The 500 hPa height-anomaly in WuXi (a)cold winter (b)warm winter (c)cold summer (d)hot summer为了了解形势场对气温的决定性意义有多大，本文进一步计算了冬季和夏季特征区域高度距平和冬夏气温距平的相关。 根据以上异常冬夏距平场的形势特征，冬季特征区域取(20 50 N，60 150 E)，夏季取(30 60 N ,120 E150 W)。计算结果表明，冬季相关系数为0.77，通过了显著性水平为0.01的t检验。而夏季相关系数0.27,关系较差。可以认为，形势场的异常至少部分决定了气温的异常演变。3 无锡气温变化的原因分析3.1 无锡和全球、上海、南京的气温变化率比较无锡地区最近45 a来的气温变率和全球同期气温变率基本相等。无锡气温45 a线性趋势为每10 a上升0.25 ，而全球平均每10 a上升0.20 。无锡气温变率居于上海（0.29 /10a）和南京（0.10 /10a）之间。从形势场和全球、周边气温的比较来看，无锡气温升高与气候大背景有关。除此以外，还可能是城市化导致增暖。3.2 许多研究表明，气候变暖和城市化、工业化有关 余晖等12通过研究兰州和上海的增暖指出，我国城市气温中，除了CO2等温室气体的行星尺度影响因子外，还含有局地城市化影响的贡献。在长三角地区，随着人口增长和城市扩大，城市化对气温的影响不容忽视。就是说，在南京、无锡、上海的增暖中，城市化的影响应该占有一定的份额。3.2.1 城市化、工业化对气温的可能影响城市化、工业化对气温的影响可以从以下几方面来考虑。一是城市人口增加，城区扩大。我们知道，风向玫瑰图表明，风向在任何方向都是有出现概率的。如果观测环境没有恶化，城区扩大的结果，使得当观测场处于下风方时，热岛效应通过风力的传送影响器测气温的可能性加大，影响时间加长。二是城市发展，空调的大范围使用，使得冬季城市多了许多小冷源，夏季多了许多小热源。应该说，夏季空调对外环境增温的影响更加明显。冬季空调设备机组运行能耗散发的作用降低了空调作为冷源的作用。 三是城市夜间光源增加，白色或黑色路面增多，楼房变多变高。夜间霓虹灯和灯箱广告牌增加，主要增加夜间的气温。相比土壤路面或草坪，白色路面主要是白天反射太阳光增多，黑色路面主要是吸收太阳辐射多，温度高，对外界热辐射也多。所以在白天，白色和黑色路面对气温的作用都是使气温升高；在傍晚到上半夜，黑色路面还有增温作用。房屋外墙的热辐射和光反射，作为热源，也是增加白天和夜间的器测气温。四是大气污染的问题。二氧化氮、二氧化硫等工业排放的温室气体对环境起到增温的作用，而颗粒物是阻挡太阳光辐射和地面对外辐射的作用，所以会降低白天气温，增加夜间气温。当然，要想把这些作用引起的气温异常从实际器测气温中分离出来，并不是一件容易的事。3.2.2 以无锡站数据为标准，分析江阴的异常情况 丁一汇指出，在近百年的气候变化幅度中(0408)，自然的气候变率有多大仍不清楚。因而，人类活动引起的气候变化量值也不可能定量地确定。本文用江阴站10 a的数据来比较城市化和观测环境恶化对气温的影响特点，试图确定城市化的影响有多大。无锡地区有三站：江阴、无锡、宜兴。地理位置分布为：江阴最北，在无锡北部40 km左右；无锡居中；宜兴最南，位于无锡西南部50 km左右。 江阴和无锡的气温相关性最好。计算江阴、无锡和宜兴的1959-1992年平均气温序列相关系数可知，江阴和无锡气温的相关性最好，相关系数达到了0.97。从逐月平均气温序列的相关来看，江阴和无锡的相关也最好，而冬季的相关总体好于夏季。以上气温相关系数均通过了显著性水平为0.001的t检验。可以说，江阴气温变化趋势与无锡一致，说明两地同属一个气候带，气温的变化基本受同样的天气气候系统影响。从观测环境来看，无锡站前后也由于各种原因进行过搬迁，但是总体上讲，观测环境基本符合中国气象局关于观测场外环境的要求。而江阴由于城市的发展，城区扩大，原先位于郊区的观测场所在位置已经完全位于城区。加上1991年起改为辅助站，观测环境保护不受地方政府重视，环境恶化很快。1993年起，江阴站观测场周围逐渐被楼房所包围，截至2002年底搬迁。根据1999年3月的测量，16个方位中，连续10个方位楼房仰角达到13，1个方位仰角10，均超过成排建筑物仰角必须低于7.13的标准要求。另有5个方位仰角在6-7，勉强达到标准要求。除此之外，观测场周围基本符合观测环境要求。在这种情况下，环境恶化的影响主要包括楼房外墙和下垫面的热辐射和光反射，空调排放，由于通风不畅和日照减少而造成的影响，和环境污染物的影响等。这些因素对气温的影响有致暖也有致冷。江阴的气温中，应该是各种因素综合作用的结果，哪个因素影响大，气温就朝哪个方向偏转。本文考虑江阴这10 a气温的异常特征。看看和前面预先估计的城市化影响以及与无锡近年来的气温变化特征是否一致。3.2.3 观测环境恶化引起增暖的主要特点如果认为无锡气温中已经包含了城市化的影响，那么，江阴1993-2002年气温对于无锡气温的偏移主要是环境恶化的影响。 在江阴环境恶化前的34 a，江阴年平均气温稳定低于无锡,年平均偏低0.19 ，没有相反的特例。而1993年起到2002年，年平均气温每年都偏高，平均偏高0.23 ，也没有相反的特例。而2002年底起搬迁后，2003年和2004年，江阴年平均气温又恢复到低于无锡。比较前34 a和后10 a，可以认为，由于环境恶化的影响，江阴年平均气温突然偏高了约0.42 。这个数字十分惊人，比任何关于城市化增暖的量值都大，比无锡90年代以来的增暖速度0.066 /a也明显大。图3是1985-2004年无锡和江阴年平均气温曲线。图中虚线为：在无锡气温的基础上，考虑前34 a的气温差，所构造出的江阴气温。 无锡气温序列 江阴气温序列 虚线:构造的1993-2002年江阴气温 Fig.3 The temperature changing of Wuxi and Jiangyin Wuxis series Jiangyins series Rebuilt Jiangyins temperature 既然在十年里，江阴气温一改常年偏低的状况，稳定高于无锡气温，那么偏高的主要特点是什么呢？ （1）晴天和雨天的差别这里晴天指无雨日，雨天指日降水量=0.1 mm的日子。我市晴天约占三分之一。表2给出了晴雨天偏高量的不同。1993-2002年期间，晴天条件下，江阴日平均气温比无锡平均高出0.34 。这里所指偏高是与无锡气温相比，如果再加上常年江阴比无锡气温偏低量，那么由于环境恶化，在晴天，江阴气温偏高了0.53 。晴天日最低气温的偏高量为0.55 ，是平均气温偏高的主要贡献者。而雨天不论是日平均气温或最高、最低气温，偏高量均较小。晴天增温大，雨天增温小，与张一平等人13关于城市化对气温的影响的研究结果一致。这可能是因为晴天光照强烈，墙体和下垫面热辐射和光反射强，而雨天大多没有光照。 （2）分季节比较冬季12-2月，春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月。日平均气温和日最低气温均以秋季增温幅度最大。这个结论和无锡市冬季增暖最明显的特点不一样，和赵宗慈关于90年代以前由于城市化引起冬季增暖最明显的结论也不一致。原因可能有三点。一是由于秋季降水相对较少，晴天多，受近距离的房屋外墙和下垫面的热辐射和光反射影响大一些；二是由于观测场在城市中，通风不畅，冷空气南下时降温的幅度相对小；三是根据江阴市环境保护局的测定，江阴空气中主要污染物为可吸入颗粒物。降水少导致城市上空污染层较严重，阻碍了夜间对外的长波辐射，从而秋季夜间辐射降温比较小。日最高气温以夏季增温最大。这可能是夏季白天空调排放、热辐射和光反射强、观测场周围通风不畅等因素起主要作用。冬季日最高气温偏低可能也是因为冬季污染严重所致。（3）夜间和白天的比较用日最低气温和日最高气温来代替夜间和白天的气温。10 a里，江阴实测日平均气温比无锡平均偏高0.23 ，而日最低气温平均偏高0.36 。可见，夜间气温偏高的贡献占主要地位。这与前面分析的无锡气温夜间增温量大于白天相一致。这也与许多文章指出的，“城市化对气温的影响，夜间比白天显著”很一致。表2 1993-2002年期间，江阴站气温比无锡站偏高值Table 2 Compared to Wuxi，the deflection of Jiangyins temperature from 1993 to 2002 单位 晴 雨 冬 春 夏 秋 最高(最低) 日平均气温 0.34 0.04 0.10 0.21 0.20 0.40 0.23 日最高气温 0.08 -0.03 -0.20 0.06 0.27 0.04 0.04 日最低气温 0.55 0.03 0.36 0.36 0.19 0.53 0.36综上所述，环境恶化和城市化对气温增暖的影响都是使得气温偏高，特别是夜间增温明显。不同的是，环境恶化导致秋季增暖更显著。值得探讨的是，应该说，观测环境恶化和传统意义上的城市化对气温的影响，并没有本质的区别。纯粹的城市化影响而观测环境仍旧不受影响不太可能。在苏南地区，小城市扩大，原先分散的城市点距离越来越小，乡镇逐渐发展成为中心小城镇，大批农田建起了厂房。这种情况下，即使观测环境符合中国气象局的标准，观测到的气温也将是城市范围内的热岛气温。只不过相对来讲，城市化是稍远距离的环境恶化，而且比起环境恶化，是一个稍慢的过程。从增暖幅度来看，1990-2003年，无锡气温总共增暖约0.9 ，从以上分析可知，这里面部分是由大范围形势场决定的，那到底有多少是由城市化引起的呢?值得进一步探讨。如果参考环境恶化导致的增暖，这个数字不会小。4 结论本文分析了无锡市近45 a来气温的变化特点，和暖冬、冷冬，炎夏、凉夏不同的环流特征。初步探讨了无锡气温的变化原因，并且利用江阴站和无锡站的对比，分析了环境恶化和城市化对气温的影响，得到的主要结论如下： （1） 无锡气温变化有周期性特点，但是非周期性的线性增长趋势占主导地位。（2）无锡45 a气温线性增暖趋势为0.025 /a；冬季增暖大于夏季，夜间增暖大于白天。（3）和冬季增暖一样，夏季同样有增暖趋势，不过在四季中比较，增暖幅度最小。（4）无锡暖冬和冷冬的主要环流特征是：东亚大槽东移减弱和西移加深。炎夏和凉夏的主要特征是：太平洋北部槽减弱和加深，或副热带高压北部偏强北伸和偏弱南退。形势场异常在一定程度上决定了气温增暖。（5）90年代以来，城市化引起的增暖幅度比90年代前更大。在苏南地区，作为全国气温基准的中小城市的气温，由于城市化的影响，正在明显增暖。（6）观测环境恶化和城市化都会造成气温增暖，特别是夜间增温明显。不同的是，环境恶化导致秋季增暖更显著。 参考文献1 翟盘茂，任福民.中国近40 a最高最低温度变化.气象学报，1997，55（4）：4184282 江志红，丁裕国.近百年上海气候变暖过程的再认识平均温度与最低、最高温度的对比.应用气象学报，1999，10（2）：1511593 胡桂芳，李芸，李德萍.山东近百年来的最高、最低温度变化.气象，2004，11：43464 娄德君，孙卫国，李治民.近百年齐齐哈尔市的气温变化.气象，2004，12：65675 任福民，翟盘茂.19511990年中国极端气温变化分析.大气科学，1998，22（2）：2172276 谬启龙，周自江，殷永元等.中国近半个世纪最高气温变化特征.气象科学，1998，18（2）：1031127 朱筱英，吴志伟.江苏省夏季气温异常的海气背景.气象，2002，28（5）：32368 吴志伟，曹乃和,朱筱英.近40 a江苏省气温年较差异常的演变及其海气背景场特征.气象科学，2003，23(3)：3323389 周曾奎.南京地区50 a冬夏气温特征分析和演变趋势.气象科学，2000，20（3）：30931610 丁裕国，金莲姬，江志红.近百年江苏中部和南部地区气温趋势及其变