西北地区城市化对城市气候环境的影

来源：客趣旅游网

第25卷　第2期2006年3月

地　　理　　研　　究GEOGRAPHICAL　RESEARCH

Vol125,No12

Mar1,2006

西北地区城市化对城市气候环境的影响

任春艳1,吴殿廷1,董锁成2

(11北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京100875;21中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

摘要:以西北地区五个省会城市所在的地区为研究区域,分析了近50年西北地区城市气候的变化趋势,考察了城市发展对气候的影响,发现西北地区大城市存在显著的热岛效应、雨岛效应、干岛效应和暗岛效应。在此基础上建立了城市发展与城市气候变化之间的回归模型,证明西北地区城市发展对气候的影响不完全符合库次涅茨曲线特征。

关　键　词:城市气候;热岛效应;雨岛效应;干岛效应;暗岛效应;库次涅茨曲线文章编号:100020585(2006)0220233209　　人类活动对环境的影响越来越明显,尤其是在人类活动最活跃的城市地区。我国正处于城市化发展的高峰期,城市环境问题越来越引起人们的关注。前人研究证明,经济发展与环境质量存在倒“U”型关系———环境库兹涅茨曲线规律[1,2],即经济发展达到一定水平后,经济增长有助于改善环境质量。从资源使用效率和生产技术改进看,经济的发展确实有助于环境的改善。我国很多学者对此进行了实证研究,并得出一些有意义的结论[3～6]。还有学者用此规律对城市化与环境之间的互动机制进行了探讨[7,8]。那么城市化与城市气候环境之间是否也有这样的规律存在?城市化是如何影响城市气候的?这直接关系到西部大开发的城市化战略的选择问题。　　本文在分析城市化对城市气候环境的影响机制及西北地区城市气候变化趋势的基础上,考察了西北地区城市化对城市气候的影响,并通过建立城市化与城市气候之间的关联模型,发现虽然也有库兹涅茨现象,但用库兹涅茨理论不能完全解释二者的具体关系。

1　城市化对气候影响效果的初步考证

　　对于城市气候(人类活动影响的气候)的变化,此前的研究有的对某一城市与郊区进行了对比[9～11];针对某一地区,包括西北地区的气候变化研究比较多[12～16],但缺乏城市化过程对区域性气候变化的影响研究。本文通过对各省会城市本身的气候指标和受城市化影响的气候(城市气候)指标分别做五年滑动平均曲线图,观察它们的变化趋势,分析西北地区城市化对气候的影响结果。　　其中,以西北大城市(选取省会城市)气象站为中心,在每个大城市周边选择3～4个气象站,取各周边气象站点气候指标数据的加权平均值为参照系,代表没有城市化或少受城市化影响的气候背景值。其中权重是依据各参照站点与城市站点间距离确定的———根据距离衰减原理,取距离的倒数(1/di)的标准值作为权重(Wi=(1/di)/(∑1/di))。这

　　收稿日期:2005203218;修订日期:2005207229　　基金项目:西部重大科学计划资助项目(90102013);国家自然科学基金资助项目(49971001)　　作者简介:任春艳(19792),女,山东潍坊人,硕士。主要从事区域分析与规划、城市生态环境建设等方面的研

究。E2mail:rchunchun@1631com

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种方法比泰森三角形法简单实用。城市本身的气候值与背景值之间的差值为受城市化影响的气候变化值。参照站点的选择遵循高度和经纬度相近、自然条件相似的原则。　　陈隆勋等[17]用类似的方法研究了一些大、中城市的热岛效应。通过分析发现,西北地区气候变化与城市发展密切相关,也存在类似现象。　　所用资料是西北五省区的省会城市———西安、兰州、乌鲁木齐、银川和西宁———气象站以及各城市周边3～4个参照站点1960～2001年的气象资料(包括年平均相对湿度U、年降水量R、年平均气温T、年日照时数S)。气候指标数据资料均来自中国气象局。111　城市化对年平均气温的影响———热岛效应　　城市热岛效应是指城市温度高于周边地区的现象。城市热岛效应的程度与城市规模密切相关,其影响因子主要有两个方面:(1)下垫面性质,包括城市中的建筑群、柏油路面等,它们的反射率小而吸收较多的太阳辐射,奠定了城市热岛的能量基础;(2)城市中的大量人为热,包括冬季取暖、夏季空调开放、工业耗能散热等,加剧了城市的热岛

[18]

效应。　　根据2001年IPCC第三次科学评估报告,全球平均地表温度自1861年以来一直在升高。20世纪增加了014～018℃,增幅最大的两个时期分别是1910～1945年和1976～

[19]

2000年。新的证据表明,过去50年观测到的全球性气候变暖主要由人类活动引起。　　从图1和图2中可以清楚地看到西北地区城市的热岛效应。

　　首先,就各城市地区气温变化趋势看(图1),除了西宁以外,各城市的气温均有上升趋势。西安、兰州、银川在波动上升,1960～2001年期间上升2℃左右;乌鲁木齐的温度从80年代末开始显著上升;西宁城市在1994年之前是上升趋势,但之后显著下降,是由于气象站1994年搬迁引起的,属于特例。

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　　其次,通过与图2的对比可以看出,热岛效应的年际变化呈现出波动性。西安、银川和乌鲁木齐的城市热岛在60～70年代出现过极大值。西安从1980年开始出现了加大趋势,而后又趋于稳定;银川从1972～1980年热岛效应越来越明显,而后趋于稳定;乌鲁木齐的热岛效应在1975～1978年降到最低,后来又缓慢回升,近几年也出现减缓趋势;兰州城市热岛效应开始一直很大,直到近几年出现减缓趋势;西宁在1970～1994年之间的气温差值也呈加大趋势。近几年城市热岛效应在某些城市出现减缓趋势,主要原因是有关城市的环保措施逐渐加强,一定程度上减缓了人类活动对环境的干扰,似乎验证了库兹涅茨现象的存在,但也不排除所选择的参考站也受到了城市化的影响,使测算精度降低。112　对年降水量的影响———雨岛效应

[18]

　　前人认为,城市有使城区及下风方向降水增多的效应,即“雨岛效应”。其机制是:(1)由于城市热岛效应,空气层结不稳定,易产生热力对流,增加对流性降水;(2)高高低低的建筑物,不仅能引起机械湍流,而且对移动滞缓的降水系统有阻障效应,因而导致城区的降水增多,降水时间延长;(3)城市空气中的凝结核多,工厂、汽车排放的废气中的凝结核,能形成降水。　　从图3和图4中可以发现西北地区的城市确有“雨岛”现象。

　　图3中,降水量变化没有统一规律,西安、兰州、银川的降水量都呈波动变化,20世纪70～80年代出现峰值;西宁和乌鲁木齐缓慢增加。但是通过比较城市与背景区域(图4)可以看出,受城市影响,除了兰州,其余城市的降水量变化基本上是波动增加的;兰州除了70～80年代有峰值外,其余的年份基本稳定,但仍可以看出降水量比周边地区多。这说明城市“雨岛效应”是存在的。近几年城市“雨岛效应”有减小的趋势,说明城市空气质量已有一定改进。

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113　对年平均相对湿度的影响———干岛效应

[20]　　“干岛效应”最先是指城市白天相对湿度偏低,空气比较干燥。由于城市“雨岛效应”的存在,就全年平均来说,城市并不一定比周边地区干。这里“干岛效应”指的是就全年平均相对湿度来说,城市相对湿度逐年降低,也就是说,随着城市规模的扩大,城市人类活动强度的增大,城市在逐渐变干。干岛效应的成因是:城区下垫面大多是不透水层,降雨后雨水很快流失,因此地面比较干燥;城区植被覆盖度低,蒸散量比较小;另外热岛效应也加剧了城市“干岛效应”。

　　从图5可以看出,西安、兰州的相对湿度一直呈下降趋势;银川和乌鲁木齐的年平均相对湿度有先下降又上升又下降的变化;而西宁在未迁移站之前也是一直下降的。对比图6可以看出,城市的年平均相对湿度比周边地区高,这可能是城市“雨岛效应”的结果,但随着城市的发展,西安、兰州的年平均相对湿度降低的趋势非常明显;银川和乌鲁木齐的年平均相对湿度变化是先波动增加又开始降低,说明这两个城市大规模的城市化开始的时间不同;西宁在1994年以前的相对湿度也是逐渐下降的。总体说来,年平均相对湿度随着城市的发展有下降的趋势。“干岛效应”最明显的是西安和兰州,说明这两个城市的城市化规模最大,强度很高。银川、乌鲁木齐在1992年之后出现“干岛效应”,西宁在1994年(迁站)之前的“干岛效应”也很明显。114　对年日照时数的影响———暗岛效应　　城市日照时间除纬度、高度和太阳赤纬等因素外,还受大气透明度的影响。城市中由于空气污染,大气透明度减小,云雾多,市区的日照小于郊区[18]。另外城市中的日照还受建筑物的影响,在狭窄的街道上,两旁矗立着高耸的建筑物,其底层的日照被削弱得更厉害。我们现在所讨论的“暗岛效应”主要指由于城市空气污染使大气透明度减少和城市

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雨岛效应造成日照时间减少的现象。

　　通过图7可以看出,西北各省会城市日照时数,除了兰州城市先减少、20世纪90年代略有回升外,其余城市的日照时数都是减少的。这可能是城市“暗岛效应”的结果,但也可能是西部地区气候变化的长期趋势使然。　　从图8可以看出,五个城市确实存在“暗岛效应”。西安20世纪70年代以前,城市日照时数并不比背景区域少,但以后却减少得越来越多;兰州日照时数先是减少得越来越多,从1990年起回升;而银川先是稳定,从1992年开始减少得越来越明显,说明银川的城市“暗岛效应”是从20世纪90年代以后才逐渐显现的;乌鲁木齐的日照时数在1975～1980年减少得很快,说明这一时期乌鲁木齐的空气污染很厉害,在短暂的稳定后,1985年以后开始减少,2000年开始又有回升的趋势;西宁在1985年之前的日照时数有回升,1985年开始逐年减少。值得一提的是,兰州城市的日照时数从1990年开始有回升,说明兰州城市的大气质量有了很大改善,也是与兰州周边地势改造相对应的。调查发现,“暗岛效应”的改善是环境保护,特别是燃煤供暖技术、措施改进的结果。

2　气候变化与城市化之间关联模型的建立

211　基本假设及指标的选取

　　我们已经发现西北地区城市化对气候影响的大体规律,即城市热岛效应、雨岛效应、干岛效应和暗岛效应相当程度存在。下面通过建立数学模型进一步揭了其规律。　　基本假设:各个城市对气候的影响机理相同;西北的省会城市与其背景区域的各项气候指标的差异及其变化完全是由城市化强度不同引起的;时间样本和空间样本具有同样的价值。由于西宁气象站的迁移,因此,研究样本仅包括西安、兰州、银川和乌鲁木齐四个城市。

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　　城市化强度不仅取决于城镇内的人口,也包括社会经济活动。考虑到数据的可获得性,我们选择市区人口、GDP、工业总产值、非农产业增加值和全年用电量等指标作为城市化强度指标。城市建成区面积也是很好的指标,但因该指标统计口径不一,只好作罢。城市发展指标的数据来自《城市统计年鉴》(1992～2002),共4个城市11年的数据。因平等地看待时间样本和空间样本,故总样本量为11×4=44。为方便数学模型的应用,个别缺失数据通过趋势内插的办法补齐。　　选取的气候指标包括由年平均相对湿度U、年降水量R、年平均气温T、年日照时数S,得出的城市化对气候的影响值,包括相对湿度ΔU、降水量ΔR、平均温度ΔT、日照时数ΔS。212　模型建立的具体过程　　首先,用统计软件SPSS对西安、兰州、乌鲁木齐、银川的城市发展指标数据和城市气候数据进行标准化处理,采用的是标准差标准化,即:Zij=(Xij-Xj)/σj。其中,Xj为

σ指标的平均值,j为Xj的标准差。　　其次,对各个城市的城市发展指标进行相关分析,得表1。从表1可以看出,五个城市指标之间具有很大的相关性,因此可以用一个主成分进行代替。

表1　西北地区城市发展指标之间的相关系数

Tab11　Thecorrelationsamongthedifferenturbandevelopmentindicators

变量市区非农业人口

GDP

市区非农业人口

10182533018493301822330146733

GDP工业总产值非农产业附加值全年用电量

1019093311000330140233

101905330154733

10140233

工业总产值非农产业附加值全年用电量

　　　注:33代表变量在0101的置信区间内相关。

　　第三,计算城市化数据的主成分得分,作为综合城市发展指标。5个特征根分别是

31938、01747、01223、01092和010001。只有第一主成分特征根大于1,所以选取第一主成分。第一主成分特征根的贡献率接近80%。　　以第一主成分对应的因子载荷计算主成分得分作为城市发展指数:　　x10=01231x1+01244x2+01245x3+01243x4+01149x5。　　第四,通过建立综合城市发展指标与气候指标之间的一次、二次、三次回归模型。对各模型的拟合效果进行考察,发现都是以三次回归模型的解释方差量最高、图形更接近。因此可以认为,西北地区城市化对气候影响大体符合三次回归模型规律,如表2。

表2　西北地区城市气候变化与城市发展关系模型表

Tab12　TherelationmodelsbetweenurbanclimateandurbandevelopmentinNorthwestChina

气候指标Y年平均温度年平均相对湿度年降雨量年日照时数

最佳回归模型

y=015820+011998x-017217x2+1834x3y=012317-018280x-012406x2+011504x3y=016715+011096x-018745x2+012723x3y=-016967+012588x+110702x2-015192x3

F检验值9155101901516232196

R2值

01417014500153901712

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　　由于所建立的模型是三次回归模型,说明西北地区城市发展对气候的影响不完全符合库次涅茨曲线特征。从图9～12上可以看出,热岛效应、雨岛效应有随着城市化先升高后降低的大体规律,都出现了转折点,一定程度(特定阶段)上验证了环境库兹涅茨现象的存在;城市年平均相对湿度有随着城市发展先减小后减缓的趋势,也是城市环境改善的体现;城市日照时数有先减少、后增加、又减少的反复趋势,说明城市“暗岛效应”在西北地区仍然没有好转,治理大气污染仍是西北地区一项艰巨的任务。

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3　结论和讨论

　　(1)城市化对气候环境的影响是多方面的,也是复杂的。城市“热岛效应”“、雨岛效应”、“干岛效应”“暗岛效应”、等,在西北地区都一定程度存在。

　　(2)从长期变化过程看,随着市区产业结构的调整和环保措施的加强,这些效应都在减弱,库兹涅茨环境规律一定程度上适合于西北地区。但是这种环境的改善是不是可靠的、永久的,还很难说,存在反复的可能。

　　(3)定量计算的结果与前人研究成果不完全相同———城市化指数对各气候因子的影响程度不是简单的先增加后减少,而是以三次曲线模型精度最高。这说明,西北地区城市发展对气候的影响不完全符合库次涅茨曲线特征,西北地区城市化对环境的影响是复杂的,局部改善是暂时的,也是不稳定的。

　　(4)实例考察表明,环境的改善事实上是通过政策响应来实现的[21],故而不能认为经济发展到一定阶段环境问题会自然得到解决。政策引导、社会干预有时是必要的。　　此外,笔者认为,环境库兹涅茨规律是较长时期内的规律,用来解释西北地区11年来的变化没有把握。另外本文是在将西北地区看作相似区域的前提下建立的模型,由于建立模型所用的样本数据是面板数据(四个省会城市11年的统计数据),可能用EVIEWS建立面板模型更合适,该软件模型多应用在经济学领域,近两年应用面板模型建立经济增长与环境变化的关联模型的研究开始出现[22,23],值得学习和借鉴。　　由于城市统计数据的缺乏,气候观测站点的变化,还有环境影响因素的复杂性,本文的研究结论只能是初步的,大致符合于内陆干旱地区;但研究思路可能对其他地区也适用。参考文献:

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TheinfluenceofurbanizationontheurbanclimateenvironmentinNorthwestChinaRENChun2yan1,WUDian2ting1,DONGSuo2cheng2

(11SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;

21InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China)

Abstract:Humanactivitieshavebeenplayingamoreandmoreimportantroleintheenvi2ronmentalchanges,especiallyinthecityareawherethehumanactivitiesaremostfre2quent1Chinaisrightathightideofurbanization;andpeopleareputtingmoreandmoreattentiontotheenvironmentalproblems1Theoreticalresearchindicatedthat,thereisaninverted’U2shaped’modelbetweentheeconomicdevelopmentandenvironmentalquality,i1e1EnvironmentalKuznetsCurve(EKC)1Itmeansthateconomicgrowthhelpstoim2provetheenvironmentalqualityastheeconomicdevelopmentreachesacertainlevel(theturningpoint)1Ithasitsrationality1Fromtheefficiencyofresourcesutilizationandtheimprovementofthetechnique,economicdevelopmentindeedhelpstoimprovetheenviron2mentalquality1Soistheresucharulebetweenurbanizationandurbanclimate?Howdoesurbanizationinfluenceurbanclimate?Thesedirectlyconnecttheproblemofstrategicchoiceofurbanizationinthewesterndevelopment1

　　Throughanalyzingtheinfluencemechanismofurbanizationontheurbanclimateandthetrendoftheurbanclimatechangesinabout50yearsinNorthwestChina,thispaperstudiestheinfluenceoftheurbanizationontheurbanclimateinNorthwestChina1Andthenthroughsettinguptherelationshipmodels,itfurthervalidatesthatthereexiststheKuznetsphenomenonbetweentheurbanizationandtheurbanclimatetoacertainextent1　　Thestudyshowsthattheurbanizationhashadgreatinfluenceontheurbanclimate1Theresultsleadtothreemainconclusions:1)Thisregioninurbanheatislandeffect,ur2bandryislandeffect,urbanrainislandeffectandurbandarkislandeffectexistintheur2banclimate;2)EnvironmentalKuznetsCurve(EKC)existstoacertainextent,butcan’tcompletelyexplaintherelationshipbetweentheurbanizationandtheurbanclimate;and3)theenvironmentimprovementinNorthwestChinaistemporaryandunstable1

Keywords:urbanclimate;urbanheatislandeffect;urbandryislandeffect;urbanrainis2

landeffect;urbandarkislandeffect;EnvironmentalKuznetsCurve

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