石家庄城气候与气候变化特征.docx

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石家庄城气候与气候变化特征

第五章石家庄城市气候与气候变化特征

城市气候最显著的特点之一就是城市热岛效应。

19世纪初期，英国化学家LakeHoward在对伦敦城区和郊区的气温进行同时间的对比观测后，首次发现了这种城区气温比其四周郊区气温高的现象[71]。

城市热岛是指在气温上，城区气温高、郊区气温低的现象，在温度空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿[72]。

城市热岛效应定义为城区气温与郊区气温之差。

随着城市规模的不断发展，城市下垫面改变、人口不断增加，温室气体排放增多，能源消耗和各种热量排放增多，人类活动造成的城市热岛效应越来越显著，不仅为城市建设规划提出了新的问题，而且也给有关全球气候变化的研究带来一些不确定性[73、74]。

石家庄市区观测站原位于城市的西郊，20世纪80年代以前，观测站周围比较荒凉，主要是一些城中村的居民和驻军部队；90年代以来，城市发展迅速，观测站周围已是高楼林立，目前已成为一个典型的城市观测站。

研究石家庄市热岛效应的特征，对科学制定城市发展规划，实现经济效益与环境效益的有机统一，以及对于了解观测环境变化如何影响石家庄市区站的地表气温和降水记录，都具有重要的现实意义。

快速城市化是任何一个国家或地区无法逾越的阶段[75]。

20世纪80年代以来，和我国许多其他大中城市一样，石家庄市经历了十分快速的城市化阶段，城市建设取得了重大进展。

但伴随着这种快速发展，城市区域特殊的下垫面和城市中的人类活动影响形成了一种有别于周边地区的城市气候，市区的气温和降水等气候要素都发生了一定的变化。

关于城市热岛效应对地面气温变化的影响研究已有多篇文章发表。

研究表明城市热岛效应对平均气温增加有明显影响。

例如，初子莹等[33]通过对北京地区20个台站1961～2000年月平均温度资料的对比分析研究发现，热岛效应对城市气象站记录的地表平均气温的绝对影响随时间显著增大，近20a尤为突出；由于热岛效应加强因素引起的国家基本、基准站平均年温度变化速率为0.16℃/10a，对整个时期全部增温的贡献达到71%；城市热岛效应加强因素对国家基本、基准站季节平均温度上升的贡献在夏、秋季高，冬季最小；刘学锋等[34]通过对河北省区域内55个气象站1961～2003年月、季、年平均气温变化分析发现，城市热岛效应增强因素对大中城市站、城市站、国家基本／基准站年平均温度增加的份额分别占到44.7%、38.7％、39.7％；张爱英等[35]对山东省国家基本／基准站、代表性的城市站与代表性的乡村站1963～2002年共40年的月、季、年平均温度资料进行了对比分析，并对济南站进行了个例研究发现，从增温趋势看出，城市站和国家基本／基准站比乡村站增温趋势显著，城市热岛效应增强因素对基本／基准站年平均温度的增温贡献率为27.22％，对所选城市站年平均温度的增温贡献率为21.71％，济南站为23.4％。

而有关城市热岛对降水量的影响的研究则相对较少。

刘月丽[76]分析了郑州、石家庄等城市的城市化对降水变化的影响，发现城市化有使城市区域降水减少速率减慢、增加速率加强的现象，其中石家庄站夏季特别是8月降水受城市化影响程度比较明显；张玲等[77]通过对北京市20个气象站44年（1961—2004年）的逐月平均降水资料分析发现，总体上44年来城、郊降水量差异不大，市区和郊区分别以1．82mm／a和1．49mm／a的趋势递减；1、4、7、10月在市区和佛爷顶一带均存在着上升中心，降水量呈现上升的趋势，可能与城市热岛效应的影响有关。

本章首先分析描述石家庄城市气候基本特征，然后分析这种城市化因素对市区站地面气温和降水变化的可能影响。

5.1城市热岛强度气候特征

5.1.1年代际和季节特征

长年代气候特征分析所用资料为石家庄市区站以及藁城、元氏、平山和新乐四个距离市区站较近的郊区站1962～2009年近48年的逐日平均气温、最低气温和最高气温。

分析表明，石家庄站1962～2009年平均气温的热岛强度为0.7℃，年平均最低气温热岛强度为1.2℃，年平均最高气温热岛强度为0.2℃。

可见，石家庄市区站附近的城市热岛效应很明显，而且热岛效应在最低气温上表现更明显。

根据前人研究结果[78]，一般百万人口以上的大城市平均气温约高于郊区0.5℃～1.0℃，可见石家庄站附近记录到的平均气温热岛强度是具有代表性的，但市区中心的热岛强度可能更大。

表5.11962～2009年不同年代际年平均热岛强度（℃）

年代

年平均气温

热岛强度

年平均最低气温

热岛强度

年平均最高气温

热岛强度

1960s

0.5

0.6

0.2

1970s

0.5

1.0

0.3

1980s

0.5

0.8

0.3

1990s

0.8

1.5

0.4

2000s

1.2

1.9

0.6

从不同年代年平均热岛强度（表5.1）可以看到，年平均气温热岛强度在1960年代、1970年代和1980年代比较稳定，均为0.5℃，1990年代则大幅增加到0.8℃，近10年继续增加到1.2℃。

年平均最低气温热岛强度与年平均气温热岛强度在不同年代际的变化特征基本一致，年平均最高气温热岛强度则是在近10年有大幅增加。

从平均气温和最低气温热岛强度来看（表5.2），石家庄市热岛强度冬季最强，春季、秋季次之，夏季最弱，这与以往的研究结果也大体一致[47，79]；但从最高气温热岛强度来看，秋季热岛强度最弱。

表5.21962～2009年各季节热岛强度（℃）

季节

平均气温

热岛强度

最低气温

热岛强度

最高气温

热岛强度

春季

0.8

1.3

0.4

夏季

0.4

0.7

0.3

秋季

0.5

0.9

0.2

冬季

1.1

1.7

0.5

5.1.3月际特征

从图5.1可以看到，石家庄站附近1月的平均气温热岛强度最强，2月到7月逐渐减弱，其中3月到5月变化很微弱，7月最弱；8月到12月又开始逐渐增强。

各月平均最低气温热岛强度变化与平均气温类似。

平均最高气温热岛强度则有所不同：

12月最强，10月最弱，各月之间差异不很大，其中1月到5月之间没有变化，均为0.4℃。

图5.11962～2009年各月平均气温、平均最低气温和平均最高气温热岛强度变化曲线

5.1.4日变化特征

热岛强度日变化分析采用了2009年3月至2010年2月加密自动站的逐时气温观测资料，由于采用不同参考站资料，这里给出的热岛强度平均值与上述年代和季节热岛强度没有可比性，但对于说明石家庄站附近城市热岛强度日内变化特征仍有帮助。

本节白天段是从8：

00-19：

00，夜间段是从20：

00-次日7：

00。

从图5.2可以看到，石家庄市热岛强度具有明显的日变化：

北京时间20：

00到凌晨1：

00热岛强度在0.65～0.68℃之间，变化不明显；从2：

00到8：

00热岛强度呈明显增强趋势，热岛强度均在0.7℃之上，早晨8：

00达到峰值，为0.86℃；白天9：

00到16：

00热岛强度呈迅速减弱趋势，下午16：

00到达最低，为0.268℃；下午17：

00又开始逐渐增强。

整体上夜间的热岛强度（0.7℃）明显强于白天（0.47℃）。

图5.22009年3月-2010年2月热岛强度年平均日变化

城市热岛强度的这种日变化特点主要与城、郊热量收支状况不同有关。

一般郊区在日落后净辐射值转为负值，而城区下垫面白天积蓄的热量多，晚间的风速又比郊区小，不利于热量向外扩散，使得城区夜间的气温比郊区高，城、郊温差大；随着辐射冷却过程不断进行，城区和郊区的温差逐渐缩小；日出后，随着太阳高度角的逐渐增大，郊区因土壤热容量小而迅速增温，使得温差明显减小；到了中午前后，城区和郊区的气温基本接近，有时反比郊区略低些[80]。

图5.32009年3月-2010年2月四季热岛强度平均日变化

图5.3给出各个季节石家庄站附近城市热岛强度的日内变化情况。

可以看到，四季热岛强度夜间均大于白天；夜间热岛强度随时间变化不大，白天则变化明显；冬季和春季昼夜变化幅度最大，秋季次之，夏季最小，这与华北地区北京、廊坊等城市的研究结果基本一致[81，82]。

春季热岛强度在早晨7：

00最强，比其它三季提早一个小时；夏季热岛强度在下午14：

00最弱，比其它三季要提早两个小时。

石家庄站城市热岛强度冬半年高、夏半年较低的特征在图5.4中也可以看出。

同时，图5.3还表明，石家庄站附近夜间城市热岛强度在各个月份普遍都高于白天。

11月的日平均热岛强度最强，为0.8℃；6月的日平均热岛强度最弱，为0.4℃。

各月夜间平均热岛强度在0.5～1.0℃之间，变化较大，11月最强，6月最弱；各月白天平均热岛强度在0.4～0.6℃之间，变化不大，冬半年月份略强，下半年月份略弱。

从表5.3夜间与白天热岛强度差值可以发现，日夜差异在冬季较大，夏半年较小；12月最大，9月最小。

图5.42009年3月-2010年2月各月热岛强度平均日变化

表5.32009年3月-2010年2月各月夜间与白天热岛强度差值（℃）

月份

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

1月

2月

差值

0.33

0.28

0.26

0.12

0.12

0.20

0.04

0.28

0.40

0.41

0.27

0.19

5.2城市热岛强度变化特征

5.2.1城市化对平均气温的影响分析

5.2.1.1城市化对年平均气温的影响

图5.5石家庄地区17个站1972～2008年年平均气温分布

图5.6石家庄地区17个站1972～2008年不同年代际年平均气温分布

图5.5给出了石家庄地区17个站1972～2008年年平均气温分布情况，可以看到，石家庄市区和正定位于高值中心，其它地区基本按照纬度从东北向西南温度依次升高。

从不同年代来看（图5.6），1970年代赞皇的年平均气温最高，1980年代赞皇和市区的年平均气温最高，1990年代正定和市区的年平均气温最高，近10年则是市区位于高值中心。

以上分析不难得出，城市化对市区平均气温的影响随时间变化越来越显著。

由于1990年代开始石家庄站进入建成区范围内，致使年平均气温明显升高，并比其他台站平均气温显著高出。

近37年市区年平均气温的变化速率为0.57℃/10a，16个郊区年平均气温的变化速率为0.42℃/10a。

如果把16个郊区站年平均气温作为参考序列，则石家庄站城市热岛增温率为0.15℃/10a，热岛增温贡献率则为26.3%；但若把藁城、元氏、平山和新乐4个郊区站年平均气温作为参考序列，则石家庄站城市热岛增温率为0.26℃/10a，热岛增温贡献率则为45.6%。

从这里可以看到，城市化影响分析中，郊区站的选择十分重要，只有选择那些观测受环境影响较小，城市化影响小的郊区站作为参考站，才能更真实的反映城市化的影响。

5.2.1.2城市化对各季节平均气温的影响

图5.7石家庄地区17个站1972～2008年各季节平均气温分布

从不同季节来看（图5.7），近37年石家庄市区各季节平均气温均高于16个郊区站，各季节均位于高值中心。

春季，市区平均气温为14.9℃，16个郊区站平均为14.1℃；夏季，市区平均气温为26.1℃，16个郊区站平均为25.7℃；秋季，市区平均气温为13.8℃，16个郊区站平均为13.3℃；冬季，市区平均气温为-0.1℃，16个郊区站平均为-1.1℃。

城市化对市区冬季气温影响最为显著，其次为春季，秋季和夏季相对较弱。

近37年市区春季平均气温的变化速率为0.52℃/10a，16个郊区春季平均气温的变化速率为0.4℃/10a，石家庄春季城市热岛增温率为0.12℃/10a，热岛增温贡献率则为23.1%；市区夏季平均气温的变化速率为0.4℃/10a，16个郊区夏季平均气温的变化速率为0.26℃/10a，石家庄夏季城市热岛增温率为0.14℃/10a，热岛增温贡献率则为35%；市区秋季平均气温的变化速率为0.59℃/10a，16个郊区秋季平均气温的变化速率为0.4℃/10a，石家庄秋季城市热岛增温率为0.19℃/10a，热岛增温贡献率则为32.2%；市区冬季平均气温的变化速率为0.71℃/10a，16个郊区冬季平均气温的变化速率为0.56℃/10a，石家庄冬季城市热岛增温率为0.15℃/10a，热岛增温贡献率则为21.1%。

同样若把藁城、元氏、平山和新乐4个郊区站年平均气温作为参考序列，则石家庄站城市春季和夏季热岛增温率均为0.22℃/10a，热岛增温贡献率分别为41.3%、53.8%；秋季和冬季热岛增温率为0.31℃/10a，热岛增温贡献率则为51.7%、43.0%。

从热岛增温率来看，秋季和冬季较大，夏季和春季较小；从热岛增温贡献率来看，夏季和秋季较大、春季和冬季较小。

5.2.2年际和趋势变化

图5.8给出了1962～2009年年平均气温热岛强度、年平均最低气温热岛强度和年平均最高气温热岛强度变化曲线及其线性趋势。

从图5.5a可以看出，年平均气温热岛强度呈增强趋势，且增强趋势非常显著，线性趋势为1.9℃/10a（通过了

的显著性检验）。

1990年代之前，年平均气温热岛强度一般在0.6℃以下，变化幅度较小；1990年代之后，年平均气温热岛强度开始超过0.6℃，1997年以后年平均气温热岛强度迅速增强，超过1.0℃，2001、2002年达到最大值1.4℃，而后几年有所下降，但热岛强度仍然较大，在1.0℃以上。

年平均最低气温热岛强度（图5.5b）、年平均最高气温热岛强度（图5.5c）与年平均气温热岛强度的变化趋势一致，近48年均呈显著增强趋势，年平均最低气温热岛强度的线性趋势为3.0℃/10a（通过了

的显著性检验），年平均最高气温热岛强度的线性趋势为0.9℃/10a（通过了

的显著性检验）；年平均最低气温热岛强度比年平均最高气温热岛强度的增加趋势高出2倍多。

在1990年代之前，年平均最低气温热岛强度一般在1.0℃以下，1990年代之后则迅速升到1.0℃以上，1998年之后都在1.4℃以上，其中2000年和2002年最高，为2.4℃，而后有所下降，2009年为近10年最低值，为1.4℃。

年平均最高气温热岛强度在1990年代中期以前一般在0.4℃以下，只有1972、1978、1980、1987和1993年达到或超过0.4℃；1990年

（a）

（b）

（c）

图5.81962～2009年年平均气温热岛强度（a）、年平均最低气温热岛强度（b）和年平均最高气温热岛强度（c）变化曲线及其线性趋势

代中期以后，年平均最高气温热岛强度有明显上升，而且全部年份都在0.4℃以上，2001、2002年达到最高值，为0.7℃。

5.2.2季节变化特征

表5.41962～2009年各季节热岛强度的线性趋势（℃/10a）

季节

平均气温

热岛强度

最低气温

热岛强度

最高气温

热岛强度

春季

0.185***

0.321***

0.104***

夏季

0.174***

0.225***

0.118***

秋季

0.216***

0.302***

0.063***

冬季

0.184***

0.319***

0.072***

（加***为通过

=0.001的显著性检验，加**为通过

=0.01的显著性检验，

加*为通过

=0.05的显著性检验，下同）

近48年平均气温、最低和最高气温城市热岛强度在各季节均呈显著增强趋势（均通过

=0.001的显著性检验），其中最低气温热岛强度的线性趋势最强，最高气温热岛强度的线性趋势最弱（表5.4）。

平均气温城市热岛强度在秋季增强趋势最强，其次为春季和冬季，夏季最弱；平均最低气温城市热岛强度在春季增强趋势最强，其次为冬季和秋季，夏季最弱；平均最高气温城市热岛强度在夏季增加趋势最大，其次为春季，秋季和冬季最弱。

5.2.3月际变化特征

表5.51962～2009年各月热岛强度的线性趋势（℃/10a）

月份

平均气温

热岛强度

最低气温

热岛强度

最高气温

热岛强度

1月

0.18***

0.341***

0.065**

2月

0.199***

0.331***

0.072*

3月

0.159***

0.341***

0.063*

4月

0.189***

0.275***

0.116***

5月

0.208***

0.347***

0.123***

6月

0.197***

0.281***

0.122***

7月

0.151***

0.191***

0.107***

8月

0.173***

0.203***

0.106***

9月

0.25***

0.323***

0.087***

10月

0.217***

0.343***

0.037

11月

0.179***

0.241***

0.066*

12月

0.18***

0.288***

0.073***

从近48年各月的线性趋势（表5.5）来看，平均气温和最低气温的城市热岛强度均呈现非常显著的增强趋势（通过

=0.001的显著性检验）；最高气温城市热岛强度除10月外，其它各月也呈显著的增加趋势，但除4月到9月的夏季月份外，增强趋势不如最低气温明显。

平均气温城市热岛强度的线性趋势在9月最大，其次为10月、5月，3月最小；平均最低气温城市热岛强度的线性趋势在5月最大，其次为10月、1月和3月，7月最小；平均最高气温热岛强度的线性趋势在5月最大，其次为6月、7月，10月最小。

5.3城市化对降水量的可能影响

5.3.1城市化对年平均降水量的影响

图5.9石家庄地区17个站1972～2008年年平均降水量分布

从近37年石家庄地区年平均降水量分布来看（图5.9），石家庄地区年平均降水量基本上从西向东逐渐减少，与地势西高东低相对应，城市化对石家庄站降水的影响看似不大。

平山年平均降水量最多，达到546.5mm；其次为赞皇和石家庄市区，年平均降水量分别为518mm、508mm。

但是，位于市区正西的井陉和西南的元氏，年平均降水量分别为498.7mm和505mm，均比市区略少，结合第四章图4.1各站年降水量线性趋势的等值线分布，市区年降水量呈增加趋势，而井陉、赞皇和元氏确呈减少趋势。

从这个意义上说，城市化对石家庄年平均降水量似乎又有一定影响。

从不同年代际来看（图略），城市化对市区站年均降水量的影响随时间变化均不如气温明显。

近37年市区年降水量的变化速率为10.5mm/10a，16个郊区年平均降水量的变化速率为5.9mm/10a，这样石家庄城市化因素造成的降水变化为5.6mm/10a，每年仅为0.56mm，城郊差异不大；城市化因素的降水贡献率则为53.3%。

但若把藁城、元氏、平山和新乐4个郊区站年平均降水量作为参考序列，则石家庄城市化因素造成的降水变化仅为0.3mm/10a，城郊差异微弱，城市化因素的降水贡献率则为2.9%。

因此，我们可以得出结论：

近37年，城市化对石家庄市区站年降水量的影响非常小，城郊差异不明显。

5.3.2城市化对各季节平均降水量的影响

图5.10石家庄地区17个站1972～2008年各季节平均降水量分布

从石家庄地区各季节平均降水量分布（图5.10）可以看到，春季、夏季和秋季平均降水量分布基本上从西向东逐渐减少，与年平均降水量分布大致相同，然而在冬季，降水量是以市区为中心逐渐向四周减少。

春季，西部的井陉和市区降水量最大；夏季，北部的灵寿降水量最大，其次为东部的晋州、无极和市区；秋季，东部的晋州降水量最大，市区排在第五位；冬季，市区降雪量为16.9mm，远远多于其它16各站（平均11.4mm）。

从各季节降水量分布来看，城市化好像对春季、夏季和冬季的降水（雪）量均有一些影响，尤其对冬季的影响较为明显。

近37年，春季市区降水量的变化速率为9.6mm/10a，16个郊区平均降水量的变化速率为11.5mm/10a，城市化对春季降水量没有影响；夏季，市区降水量的变化速率为1.2mm/10a，16个郊区平均降水量的变化速率为-5.0mm/10a，城市化增加的降水率为6.2mm/10a，城市化对夏季降水量影响较大；秋季，市区降水量的变化速率与16个郊区平均降水量的变化速率相同，均为0.7mm/10a，城市化对秋季降水量无影响；冬季，市区降雪量的变化速率为-0.9mm/10a，16个郊区平均降雪量的变化速率为-1.1mm/10a，城市化使市区降雪量的下降趋势减慢0.2mm/10a。

若把藁城、元氏、平山和新乐4个郊区站年平均气温作为参考序列，则春季4个郊区平均降水量的变化速率为10.8mm/10a，城市化对春季降水量没有影响；夏季4个郊区平均降水量的变化速率为-1.6mm/10a，城市化增加的降水率为2.8mm/10a，城市化对夏季降水量有影响；春季类似，城市化对秋季降水量没有影响；夏季4个郊区平均降雪量的变化速率为-1.0mm/10a，城市化使市区降雪量的下降趋势减慢0.1mm/10a。

通过以上分析，我们可以得出，城市化对夏季和冬季降水（雪）量的影响较大，对春、秋季降水量则无明显影响。

为了进一步证实城市化对夏、冬季降水（雪）量的影响较大，这里统计了早期（1972-1990年）和近期（1991-2008年）市区夏季出现暴雨和冬季出现暴雪（20-20时降水量）的各站降水（雪）量。

市区夏季暴雨早期出现21例，近期23例，考虑1996年8月4日市区出现历史罕见降水，降水量为359mm，特意剔除此例，则近期以22例计算；冬季暴雪早期和近期各出现5例，早期主要出现在1970年代（4例），1990年1例，近期则均出现在2000年代之后。

从早期和近期石家庄暴雨日平均降水量分布来看（图5.11），早期和近期市区降水量都是大值中心。

近期暴雨日各站平均降水量（49.7mm）明显多于早期（39.6mm）；市区近期暴雨日平均降水量（72.8mm）也多于早期68.3mm。

可以说，城市化影响明显。

（a）

（b）

图5.111972-1990年（a）和1991-2008年（b）石家庄暴雨日平均降水量分布图

从图5.12可以看到，早期主要降雪日的平均降雪量（10.5mm）明显多于近期（7.8mm）；早期市区出现暴雪时，绝大多数县站也出现暴雪，而近期总是市区达到暴雪，绝大多数县站却达不到；早期市区和正定、藁城是降雪的大值中心，近期市区是绝对的大值中心。

（a）

（b）

图5.121972-1990年（a）和1991-2008年（b）石家庄主要降雪日平均降雪量分布图

5.4小结

（1）石家庄城市热岛效应明显，热岛效应在最低气温上表现更明显。

年平均气温热岛强度呈增强趋势，且增强趋势非常显著，线性趋势为1.9℃/10a。

年平均最低气温热岛强度、年平均最高气温热岛强度与年平均气温热岛强度的变化趋势一致，近48年均呈显著增强趋势，年平均最低气温热岛强度比最高气温的增强趋势更明显。

（2）石家庄热岛强度冬季最强，春季、秋季次之，夏季最弱。

近48年平均气温、最低和最高气温热岛强度在各季节均呈显著增强趋势。

（3）平均气温和平均最低气温各月的热岛强度均呈现非常显著的增强趋势。

平均最高气温热岛强度除10月外，其它各月也呈显著的增强趋势，但增强趋势不如平均气温更明显。

（4）石家庄热岛强度具有明显的日变化：

20：

00-凌晨1：

00热岛强度在0.65～0.68℃之间，变化不明显；2：

00-8：

00热岛强度呈明显增强趋势，热岛强度均在0.7℃之上，早晨8：

00达到峰值，为0.86℃；9：

00-16：

00热岛强度呈