城市化对上海市区域降水的影响(水文)VIP

城市化对上海市区域降水的影响殷健1 梁珊珊2 (1. 上海市水文总站,上海,200232 2. 上海市排水管理处,上海,200001)摘要随着城市化进程加快，城市局地气候特征发生改变，降水的变化尤为显著。采用同时期不同站横向对比，不同时期同站纵向对比的方法对上海市城区及郊区代表雨量站19792007年降水时间序列进行研究，分析表明城区的年降雨量、汛期降雨量、主汛期降雨量、月降雨量、工作日降雨量等均存在较明显的增雨效应，且降雨在年内的分配有向主汛期集中的趋势，城区的梅雨及台风雨增雨明显，城市化对不同类型降雨的影响随降水量级的升高而逐渐显著。城市化使城区的强对流及灾害性天气增多，防洪排涝压力增大，在进行城市规划时应充分予以考虑。关键词城市化 降水 时间序列分析 增雨系数 上海市Influence of urbanization on regional precipitation of Shanghai CityJian Yin1 Shanshan Liang2(1 The hydrological master station in Shanghai, 200232,China 2 Shanghai Municipal Drainage Administration , 200001, China)Abstract With the accelerated process of urbanization, some characteristics of climate in shanghai has changed, the Precipitation change is particularly significant. By comparing rural precipitation with urban precipitation at representative station in different periods, based on the analysis of annual rainfall time series analysis, we can know that Citys annual rainfall, the rainfall season, the main flood season rainfall, the rainfall on that day rainfall, and so there is more pronounced effect of rainfall, The distribution of rainfall this year has focused on the main flood season trend, the rainy weather and rainfall to Taiwan obviously, distribution of annual rainfall and he frequency of all patterns of rainfall precipitation has increased. Urbanization of the city so that the strong convective weather and the increased pressure of flood control drainage, town planning should be fully taken into account.Key wordsurbanization precipitation time series analysis precipitation-enhancement coefficient Shanghai city 1 引言城市化是指人口向城市地区集中，致使城市区域不断扩大的过程1。随着城市化进程的加快，城市规模不断扩大，城市人口不断增加，城市土地利用格局迅速变化。城市下垫面结构改变及人类经济活动加剧共同作用从而直接或间接影响着城市气候的动态变化，对城市局地气候特征产生明显作用，尤其是对降水的变化影响显著2。上海是我国最大的城市和经济中心，地处长江三角洲东缘，位于我国南北海岸的中心，北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省。全市面积6340.5km2。上海位于太湖流域，区域天然河港密布，水域面积697 km2，相当于全市总面积的11%。全境除西南部有少数残丘外，全为坦荡低平的长江三角洲冲击平原的一部分，平均海拔高度4m左右。上海属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，雨量充沛，其气候特征在长江和钱塘江之间平原地区具一定代表性。上海降水的年际波动显著，其降水的多年变化特征对110E以东、2735N范围内的大陆地区有相当广泛的代表性3。研究城市化对上海市区域降水的影响，目的是进一步了解人类活动导致的环境条件改变所引发的降水变化，为城市规划、防洪排涝、环境保护等提供支持，并为研究太湖流域平原水网地区城市化对降水特征的影响提供参考。2 上海城市化发展上海的城市化进程初始于19世纪中叶，1978年后，城市化进程显著加快，城市化特征表现明显。1978年上海市国民生产总值为272.81亿元，2007增加至12188.85亿元，年平均增长率为14%，其中第一产业产值比重由1978的4.0%下降至2007的0.8%。1978年上海人口为1098.28万人，2007年增加至1858.08万人，年均增加26.2万人，非农业人口比重由58.7%上升至86.8%，人口密度由1732人/ km2增长至2930人/ km2，其中中心城区人口密度约为郊县的1.9倍。3 降水时间序列分析为探索城市化对上海市城郊降水特征的影响程度，选择江湾站及夏字圩站分别作为城区及郊区的代表雨量站。江湾站位于东经12129、北纬3120，处于城市副中心，城市化发展较快，夏字圩站位于东经12109、北纬3058，处于农村地区，城市化进程缓慢。选取的降水时间序列为19792007年，采用同时期不同站横向对比，不同时期同站纵向对比的分析方法。城市区域降水变化不仅受城市化因素影响，同时也受地形及区域气候因素影响。在进行城郊不同地区降水横向对比时须消除地形因素的影响，上海属于平原河网地区，全境地势平坦，地形起伏对降水的影响基本可以忽略。在进行同一地区降水历史资料纵向比较时须考虑区域气候因素影响，通过绘制年降雨量及年汛期降雨量滑动平均曲线对江湾站及夏字圩站降雨时间序列进行稳定性分析。如图1、2、3、4所示。图1 江湾站年降雨量过程线及滑动平均曲线(1979-2007)Annual Precipitation Hydrograpgy and Silding Average Curves of Jiangwan Station图2 夏字圩站年降雨量过程线及滑动平均曲线(1979-2007)Annual Precipitation Hydrograpgy and Silding Average Curves of Xiaziwei Station图3 江湾站年汛期(5-9月)降雨量过程线及滑动平均曲线(1979-2007)Annual Flood Season Precipitation Hydrograpgy and Silding Average Curves of Jiangwan Station图4 夏字圩站年汛期(5-9月)降雨量过程线及滑动平均曲线(1979-2007)Annual Flood Season Precipitation Hydrograpgy and Silding Average Curves of Xiaziwei Station江湾站和夏字圩站3年及5年降雨量滑动平均曲线表明两站年降雨及汛期降雨的时间序列比较稳定，因此在进行不同时期降雨对比时可基本忽略区域气候变化造成的影响。以19791982年江湾站和夏字圩站年平均降雨量及年汛期平均降雨量为标准，计算19832007年两站各时期年平均降雨量相对偏差及年汛期平均降雨量相对偏差，见表1、2。表1 江湾站年平均降雨量及年汛期(5-9月)平均降雨量累计相对偏差统计表The Accumulative Relative Deviations of Average Annual and Average Flood Season Precipitation of Jiangwan Station年份年平均年汛期平均降雨量(mm)相对偏差(%)累计偏差(%)降雨量(mm)相对偏差(%)累计偏差(%)1979-19821084.5 00646.3 001983-19861241.0 14.43 14.43 806.7 24.82 24.82 1987-19901013.9 -6.51 7.92 618.4 -4.32 20.50 1991-19941146.0 5.67 13.59 731.3 13.15 33.65 1995-19981199.1 10.57 24.16 760.1 17.61 51.26 1999-20031369.4 26.27 50.42 865.0 33.84 85.10 2004-20071184.3 9.20 59.62 725.3 12.21 97.31 表2 夏字圩站年平均降雨量及年汛期(5-9月)平均降雨量累计相对偏差统计表The Accumulative Relative Deviations of Average Annual and Average Flood Season Precipitation of Xiaziwei Station年份年平均年汛期平均降雨量(mm)相对偏差(%)累计偏差(%)降雨量(mm)相对偏差(%)累计偏差(%)1979-1982945.3 00549.5 001983-19861127.9 19.32 19.32 724.1 31.76 31.76 1987-19901162.6 22.99 42.31 728.0 32.48 64.24 1991-19941186.3 25.49 67.80 706.5 28.56 92.80 1995-19981098.5 16.21 84.02 627.2 14.13 106.93 1999-20031100.8 16.46 100.47 647.3 17.78 124.72 2004-2007896.4 -5.17 95.30 508.0 -7.56 117.16 随着城市化发展，年降雨及年汛期降雨均有增大的趋势，根据对城市化进程的分析，将19792007年降水时间序列划分为19791990年、19911998年、19992007年3个阶段。4 城市化对降雨量的影响绘制江湾站和夏字圩站19792007年年降雨量、年汛期（59月）降雨量、年主汛期（78月）降雨量双累计曲线分析城市化进程对降雨量的影响。如图5、6、7所示。图5 江湾站及夏字圩站年降雨量双累计曲线(1979-2007)Double Accumulated Curve of Annual Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei Stations图6 江湾站及夏字圩站年汛期(5-9月)降雨量双累计曲线(1979-2007)Double Accumulated Curve of Annual Flood Season Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei Stations图7 江湾站及夏字圩站年主汛期(7-8月)降雨量双累计曲线(1979-2007)Double Accumulated Curve of Annual Main Flood Season Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei Stations随着城市化发展，双累计曲线有偏离对角线的趋势且斜率不断增大，汛期特别是主汛期尤其明显，显示城区的年降雨量、年汛期降雨量、年主汛期降雨量均随城市化进程增加。降水序列的波动主要来自于周期性、趋势性、噪声，上海城区及郊区降水可认为是两个条件类同的实验单元，其周期性及趋势性基本一致，而噪声则包含了城市化影响的信息。因此可通过对江湾站和夏字圩站19792007年降水序列进行平均值成对二样本分析来检验城市化对降水的影响程度。设来自正态总体，显著性水平为，检验假设：检验统计量服从分布：检验拒绝域：对于给定的，当时拒绝假设。设0.05，对江湾站和夏字圩站年降水序列进行假设检验：拒绝原假设，因此可认为两者的年降雨量存在显著性差异。设0.05，对江湾站和夏字圩站年汛期降水序列进行假设检验：拒绝原假设，因此可认为两者的年汛期降雨量存在显著性差异。设0.05，对江湾站和夏字圩站年主汛期降水序列进行假设检验：拒绝原假设，因此可认为两者的年主汛期降雨量存在显著性差异。定义增雨系数K增P市/P郊，分别计算不同时期江湾站和夏字圩站年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量及月平均降雨量的增雨系数。详见表3。表3 江湾站及夏字圩站不同时期年平均降雨量年汛期(5-9月)平均降雨量年主汛期(7-8月)平均降雨量增雨系数Average Annual and Average Flood Season and Average Main Flood Season Precipitation and Increment of Jiangwan and Xiaziwei Stations in Different Periods时期年平均降雨量(mm)增雨系数K年增江湾夏字圩1979-19901113.21078.61.0321991-19981172.61142.41.0261999-20071287.11010.01.2741979-20071183.51074.91.101时期年汛期平均降雨量(mm)增雨系数K年汛期增江湾夏字圩1979-1990690.5667.21.0351991-1998745.7666.91.1181999-2007802.9585.41.3721979-2007740.6641.71.154时期年主汛期平均降雨量(mm)增雨系数K年主汛期增江湾夏字圩1979-1990318.8299.81.0641991-1998344.9285.81.2071999-2007324.9212.51.5291979-2007352.7268.81.312各时期江湾站年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量均大于夏字圩站，增雨系数有增大的趋势，主汛期尤为明显，19792007年年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量增雨系数分别为1.101、1.154、1.312最大增雨系数分别达到1.274、1.372、1.529，所处时期均为城市化进程迅速发展的19992007年。详见表4。表4 江湾站及夏字圩站不同时期月平均降雨量增雨系数Average Monthly Precipitation and Increment of Jiangwan and Xiaziwei Stations in Different Periods增雨系数K月增1979-19901991-19981999-20071979-20071月1.0730.9911.1591.0762月1.0510.8781.0240.9993月0.9160.8881.1110.9524月0.9500.7111.0440.9135月1.0030.8731.0420.9826月1.0410.9681.1171.0457月1.1241.1411.9391.2568月0.9941.8611.7671.4699月0.9870.6621.1970.95510月1.1371.0841.3341.17011月1.2120.8771.1961.12012月1.1010.9481.2911.116月平均增雨最明显的时期为19992007年，江湾站12个月的月平均降雨量均大于夏字圩站。在年内分配上，月平均增雨系数7、8月份最大，19792007年7、8月份的月平均增雨系数分别为1.256及1.469，最大增雨系数分别达到1.939及1.767且均处于19992007年时期。最小增雨系数出现在19911998年9月份，是因1991及1993年郊区两场局地暴雨所致。城市化对降雨量的影响汛期(5-9月)大于全年，其中尤以主汛期(78月)最为明显，主要原因是此时正处于台风活动频繁和气温最高时期，城市的热岛效应及阻碍效应比较显著所致。工作日的城市生产活动及污染排放相比非工作日明显增加，城市的热岛效应及凝结核效应相应增强，人类活动对降水的影响工作日比非工作日更显著。将19792007年降水时间序列分为1979年1月1995年4月（工作日为星期一至星期六）及1995年5月2007年12月（工作日为星期一至星期五）两个时期进行统计分析。详见表5。表5 江湾站及夏字圩站工作日平均降雨量统计表The Statistics of Average Working Day Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei Stations时期雨量站工作日平均降雨量(mm)增雨系数K工作日增1979年1月-1995年4月 (工作日星期一至星期六)江湾3.091.013夏字圩3.051995年5月-2007年12月 (工作日星期一至星期五)江湾3.331.184夏字圩2.81统计表明，1979年1月1995年4月期间江湾站与夏字圩站工作日平均降雨量相差不大，1995年5月-2007年12月期间随着城市化加快，两站工作日平均降雨量差异显著，增雨系数达到1.184。5 城市化对降雨年内分配的影响上海地区降水主要集中在汛期（59月），降雨量约为全年降雨量的6成，其中主汛期（78月）降雨量约占汛期降雨量的一半。见表6，图8、9。表6 江湾站和夏字圩站不同时期汛期(5-9月)及主汛期(7-8月)降雨占全年比重Percentage of Average Flood Season and Average Main Flood Season Precipitation to Average Annual Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei Stations in Different Periods时期雨量站汛期降雨占全年比重(%)主汛期降雨占全年比重(%)1979-1990江湾62.0328.641991-199863.6035.581999-200762.3830.051979-200762.5831.011979-1990夏字圩61.8627.791991-199858.3725.021999-200757.9621.041979-200759.7025.01图8 江湾站及夏字圩站汛期(5-9月)降雨量占全年降雨量百分比变化曲线(1979-2007)Curve of Percentage of Flood Season Precipitation to Annual Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei stations图9 江湾站及夏字圩站主汛期(7-8月)降雨量占全年降雨量百分比变化曲线(1979-2007)Curve of Percentage of Main Flood Season Precipitation to Annual Precipitation of Jiangwan and Xiaziwei stations同时期江湾站汛期降雨量占全年比重略高于夏字圩站，主汛期降雨量占全年比重显著高于夏字圩站。不同时期江湾站汛期降雨量占全年比重基本稳定，主汛期降雨量占全年比重呈明显上升趋势，降雨年内分配具备向主汛期集中的趋势，夏字圩站汛期及主汛期降雨量占全年比重均呈明显下降趋势。6 城市化对不同类型降雨的影响按江湾站及夏字圩站1979年2007年的日降雨量按降雨强度分为小雨（P10mm）、中雨（10mmP25mm）、大雨（25mmP50mm）、暴雨（50mmP100mm）、大暴雨（100mmP250mm）、特大暴雨（P250mm）等6个等级，统计不同时期各类型降雨的雨日数。详见表7。 表7 江湾站及夏字圩站不同时期各类型降雨雨日频数比值Day Numbers of Different Type of Precipitation and Frequency Ratio of Jiangwan and Xiaziwei Stations时期雨量站雨日数(天)小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨1979-1990江湾10742891003210夏字圩10342581052540频数比值1.0391.1200.9521.2800.2501.0001991-1998江湾659184762040夏字圩722210621650频数比值0.9130.8761.2261.2500.8001.0001999-2007江湾672248763260夏字圩721202721720频数比值0.9321.2281.0561.8823.0001.0001979-2007江湾240572125284110夏字圩247767023958110频数比值0.9711.0761.0541.4481.0001.000从降雨类型上分析，小雨雨日数江湾站与夏字圩站的频数比值基本小于1，这是由于上海地区雨量小于10mm的降水一般发生在非汛期的10月4月，期间城市热岛效应较弱，城市阻碍效应因无大的降水而减弱，城市凝结核效应因缺乏必要的水汽输送条件，云系易于随风扩散消失，不易形成单独降水从而难以发挥效应，因此城市化对小雨的影响不明显。中雨及大雨雨日数江湾站与夏字圩站的频数比值基本大于1，城市化影响开始显现。暴雨雨日数江湾站与夏字圩站的频数比值明显大于1，城市化对暴雨影响显著。当降雨量达到大暴雨时，江湾站与夏字圩站的雨日数总体持平，这是由于大暴雨的雨量大，持续时间长，影响范围广，城市化影响相对减弱。此外19792007年期间江湾站及夏字圩站均无特大暴雨雨日。总体而言城市化对不同类型降雨的影响随雨量增大而逐渐显著。从不同时期上分析，1999-2007年为城市化进程迅速发展的时期，期间除小雨外的各类型降雨的雨日数城区大于郊区的特征显著。上海地处长江中下游地区，当东亚大气环流处在春夏之交季节转变期间时，大体上呈东西向的主要雨带南北位移，6月中旬后，雨带维持在江淮流域，形成一个雨期较长、雨量较集中的雨季。上海地区梅雨季节一般为6月中、下旬至7月上、中旬，期间降水连绵不断，雨量时大时小，温度高湿度大，梅雨期降雨量约占全年降雨量的20%，占汛期降雨量的30%。详见表8。 表8 江湾站及夏字圩站梅雨期降雨量增雨系数(1999-2007)Plum Rains Precipitation Increment Coefficientof Jiangwan and Xiaziwei Stations(1999-2007)年份梅雨时期雨日数(天)梅雨期降雨量(mm)增雨系数K梅雨增入梅出梅江湾夏字圩江湾夏字圩19996月8日7月20日2927717.6702.71.02120006月19日7月2日8777.483.50.92720016月17日6月27日99220.5217.01.01620026月19日7月10日1615206.5210.00.98320036月21日7月12日108157.560.52.60320046月15日7月16日1514260.5120.02.17120056月27日6月29日3367.514.54.65520066月13日7月12日1315186.5112.51.65820076月21日7月18日1210301.5139.02.16919992007年期间，78%的梅雨期存在增雨，平均增雨系数为1.912，最大增雨系数达4.655，城区增雨效应显著。近年来西北太平洋区域每年形成约2025个台风，其中部分对上海影响较大，台风经过时常伴随着大风和暴雨天气，对城市海塘防潮、提防防汛、内涝排水等造成很大的压力。详见表9。表9 主要台风期间江湾站和夏字圩站增雨系数(1999-2007)Main Typhoon Precipitation Increment Coefficient of Jiangwan and Xiaziwei Stations(1999-2007)编号名称增雨系数K台风增200004启德0.929200008杰拉华2.067200012派比安2.755200014桑美3.793200102飞燕1.585200205威马逊1.187200216森拉克1.000200407蒲公英1.670200414云娜(已除名)0.889200421海马0.778200505海棠0.967200509麦莎(已除名)1.458200515卡努0.897200604碧利斯(已除名)1.100200709圣帕0.080200713韦帕1.306200716罗莎1期间，影响上海的主要台风有17个，59%的台风雨存在增雨，平均增雨系数为1.388，最大增雨系数达3.793，城区阻碍效应对台风雨造成了较明显影响。7 城市化影响降水的机制分析城市降水的形成机理十分复杂，城市化对降水的影响机制主要有城市热岛效应、城市阻碍效应、城市凝结核效应等4。城市化发展造成城区下垫面不透水面积增加，含水量减少，而城区建筑材料热容量大，易于储热，不利散热，同时人类生活生产活动向空中释放了大量热量，形成巨大的人为热源，多种因素综合作用造成城区气温高于郊区，进而形成城市热岛。城市热岛效应促使城区上空的大气层结构变得不稳定，易于产生热力对流，当有云团迁移至城区上空时，热力对流作用使云团加速发展，若此时空气中水汽充足，就易形成对流云及产生对流性降水，这种降水所表现出的主要特性是降水强度增加并常伴随冰雹、暴风雨等灾害性天气。城