低緯高原城市增溫效應(yīng)研究低緯高原地區(qū)城市化對室內(nèi)外氣溫的影響

1城市增溫效應(yīng)與城市氣候在城市地區(qū)，由于大部分地表植被，道路表面和屋頂層由植被組成，這受到非透水區(qū)域的獨特加熱特征的影響，形成了城市氣候獨特的地方氣候。隨著城市的發(fā)展,城市面積的擴大,城市氣候效應(yīng)(城市熱島)等不斷增強,已對生活在城市中的人們產(chǎn)生了影響。城市氣候的研究多集中于亞熱帶到溫帶的中高緯地區(qū)的發(fā)達國家,低緯熱帶及發(fā)展中國家的研究很少。為此1989年在日本京都舉行的“城市氣候·計劃·建筑”國際會議上,指出了在低緯熱帶地區(qū)開展城市氣候的緊迫性,制定了“制帶地區(qū)城市氣候研究計劃”(TRUCE)(TropicalUrbanClimateExperiment)。我國的城市氣候研究中,利用長期觀測資料對城市化導(dǎo)致的城市氣候的研究也多限于上海、北京及沿海大中城市,而西部高原地區(qū)的研究較少,僅在蘭州和呼和浩特有研究,昆明地區(qū)僅用短期觀測對城市內(nèi)外的氣候差異進行了探討。另一方面,城市中人們建造建筑物的目的之一就是為了更好地生活,其中,室內(nèi)的氣溫狀況乃是衡量居住環(huán)境好壞的指標(biāo)之一。在建筑領(lǐng)域已有較多的研究探討了環(huán)境條件對居住環(huán)境的影響,但是探討伴隨城市發(fā)展,房屋內(nèi)氣溫長期變化的研究尚不多見。本文以低緯高原城市昆明市為例,利用受城市化影響較大的昆明氣象站的室內(nèi)、外氣溫和處于森林公園中的太華山氣象站的氣溫資料以及昆明市城市建成區(qū)面積和城市人口資料,分析了伴隨城市化進程,城市氣候和房屋內(nèi)氣溫的變化特征,及其與太華山氣象站的差異(城市增溫效應(yīng));并分析了城市增溫效應(yīng)與城市建成面積和城市人口的關(guān)系。其研究不僅為深入探討城市發(fā)展對城市氣候及室內(nèi)氣溫的影響提供了一種新的嘗試;還可為城市建筑的規(guī)劃、設(shè)計等提供參考。2學(xué)習(xí)方法2.1城市人口檢測的結(jié)果:社會上了了昆明市緯度低,海拔高(1892m),屬于低緯高海拔地區(qū)。昆明市的城市建成區(qū)面積1959年為48.6km2,1980年為70km2;在十年動亂之后,1980～1988年(圖1)為昆明城市建設(shè)發(fā)展較快時期之一,城市建成面積有較大變化;1995年后昆明城市的發(fā)展更加迅速,城市建成區(qū)面積迅速增加,1998年達132km2,比1980年增另了近1倍。并且,80年代后,建筑物的結(jié)構(gòu)、高度也發(fā)生很大變化,從4～5層的樓房逐漸向10～20層甚至更高的建筑面積較大高樓轉(zhuǎn)變。昆明市區(qū)城市人口數(shù)量的增加也十分迅猛,1957年為84.54萬人,1980年增加到126.3萬人,1957～1980年間城市人口的年均增長率為1.82萬人/a;到1998年城市人口達173.06萬人,已是1957年的2.1倍;1980～1998年期間的城市人口年均增長率為2.59萬人/a;為前期(1957～1980年)的1.42倍。如果考慮到流動人口,則昆明市的城市人口已突破200萬人。2.2城市平均氣溫與平均室內(nèi)氣溫昆明氣象站(25°01′N,102°41′E,1892m)原位于昆明郊外,四周均是農(nóng)地,隨著城市面積的擴大,現(xiàn)已進入城郊結(jié)構(gòu)部,已被建筑物所包圍,周圍的下墊面也有很大改變。如此的變化為分析研究城市化對城市氣候的影響提供了較好的場所。太華山氣象站(24°57′N,102°37′E,2358m)與昆明氣象站相距約6km,由于位于郊外森林公園中,其觀測環(huán)境基本上沒有變化,加之處于昆明氣象站的上風(fēng)方,可以作為基準(zhǔn)站。本研究使用的資料為1968年～1998年昆明氣象站的氣溫、室內(nèi)氣溫(氣壓表附溫)和太華山氣象站的氣溫(基準(zhǔn)),以及昆明市城市建成區(qū)面積資料。采用比較方法來探討城市化對城市室內(nèi)、外氣溫的影響作用(城市增溫效應(yīng)),為了消除全球增暖趨勢和海拔高度不同的影響,將昆明站平均氣溫、平均室內(nèi)氣溫減去太華山站平均氣溫;然后用1968～1972年5年的平均值為前期基準(zhǔn)值,求算各年與基準(zhǔn)值的差,得出昆明城市擴大對昆明站平均氣溫、平均室內(nèi)氣溫影響。并求算了城市增溫效應(yīng)與城市建成區(qū)面積的相關(guān)關(guān)系。由于昆明地區(qū)四季不分明,而干、雨季差異顯著,所以主要對干季(11～4月)、雨季(5～10月)和年的平均氣溫變化特征進行分析。3結(jié)果分析3.1平均氣溫變率/年從圖2可見:各站干季、雨季和年的平均氣溫變化均呈現(xiàn)上升趨勢,這與全球氣溫升高的變化趨勢相同。但是太華山氣象站(圖2a)的干季、雨季和年平均氣溫的變化較小,而昆明氣象站室內(nèi)氣溫(圖2c)變化最大。通過求算平均氣溫變率(趨勢線斜率,表1),可見,昆明氣象站室內(nèi)干季、雨季、年的平均室內(nèi)氣溫變率(℃/年)分別為0.1090,0.0784和0.0937,約為太華山氣象站平均氣溫變率的6倍。昆明氣象站的平均氣溫變率分別為0.0581,0.0378,0.0459,分別為太華山氣象站平均氣溫變率的3.19倍,1.21倍,2.94倍。其中年平均氣溫的增溫變率比Cayan在美國西南部幾個城市的研究結(jié)果(0.024～0.038℃/a)略高;與荒山秀俊對日本各大城市1949年以后的年均氣溫增溫率(0.025～0.069℃/a)的研究結(jié)果相近。3.2城市加熱效果3.2.1城市增溫效應(yīng)與增溫幅度之根據(jù)表1的氣溫變率計算出1968年到1998年30年間的氣溫增溫值(表2)?？梢?30年間太華山氣象站干季、雨季和年的增溫幅度分別為0.55℃,0.39℃和0.47℃,可以認(rèn)為這是全球氣候變暖效應(yīng)的結(jié)果。30年間昆明氣象站的干季、雨季和年平均氣溫的增溫幅度分別為1.74℃,1.13℃和1.38℃;而干季、雨季和年的平均室內(nèi)氣溫的增溫幅度分別為3.27℃,2.35℃和2.81℃。增溫幅度之大,令人驚訝。進一步計算由于城市發(fā)展導(dǎo)致的增溫效應(yīng)(昆明站與太華山站的增溫值差),可見,30年間由于城市化造成的增溫幅度,平均室內(nèi)氣溫大于平均氣溫,干季大于雨季。平均室內(nèi)氣溫的增溫值在干季可達2.72℃,為平均氣溫增溫值(1.20℃)的2.3倍;雨季略小(1.96℃),為平均氣溫(0.74℃)增溫值(1.20℃)的2.6倍。年平均室內(nèi)氣溫增溫2.34℃,年平均氣溫增溫0.91℃。進上一步計算了實測溫度的增溫值,即后5年(1994～1998年)平均氣溫與前5年(1968～1972年)平均氣溫的差值,以及城市增溫值(昆明站與太華山站的實測增溫值的差)(表3)。可見實測值呈現(xiàn)同樣規(guī)律:增溫值和城市增溫效應(yīng)均是平均室內(nèi)氣溫大于平均氣溫;干季大于雨季;僅在數(shù)值上略有差異?？梢哉J(rèn)為表2所得結(jié)果是可信的。值得注意的是兩種計算的太華山站年平均氣溫的增溫值均為0.47℃/30a,即可以認(rèn)為由于全球溫暖化影響,30年間昆明地區(qū)年平均氣溫約升高0.5℃。另外,干季的溫度年變率和增溫幅度均較大,其原因可能是由于昆明地區(qū)干季晴天較多,城市的增溫效應(yīng)較大;而雨季的陰雨天較多,減緩了城市的增溫效應(yīng)。3.2.2城市增溫效應(yīng)開始顯現(xiàn)為了消除全球增暖趨勢的影響,將昆明站平均氣溫、平均室內(nèi)氣溫減去太華山站平均氣溫;然后用1968～1972年5年的平均值為前期基準(zhǔn)值,求算各年與基準(zhǔn)值的差,得出昆明城市擴大對昆明站平均氣溫、平均室內(nèi)氣溫影響(城市增溫效應(yīng))的逐年變化(圖3)情況。在60～70年代,由于城市發(fā)展較緩,城市增溫效應(yīng)對當(dāng)時處于郊外的昆明氣象站幾乎沒有影響(差值趨于零),到了80年代初期,伴隨城市化的進程加快,城區(qū)面積擴大(圖1),城市增溫效應(yīng)開始對昆明氣象站產(chǎn)生影響。在干季由于昆明地區(qū)晴好天氣較多,使得干季平均室內(nèi)氣溫的城市效應(yīng)在80年代初即開始顯現(xiàn)(圖3a),并迅速增大,到1983年后變化減緩,增溫幅度在1.2～1.9℃范圍內(nèi);到1995年,隨著城市面積又一次快速擴大(圖1),室內(nèi)氣溫的城市溫效也再次增大,1998年達2.5℃。對于干季平均氣溫的城市增溫效應(yīng),在80年代中期才開始呈現(xiàn),且增幅也較緩,到1994年后增幅加大,1998年達1.3℃。這是因為90年代中期,隨著昆明市城市規(guī)模的第2次迅速擴展,城市區(qū)域已接近昆明氣象站,使其進入城市近郊,處于城市熱島的陡崖(cliff)區(qū)域,導(dǎo)致氣溫迅速增高。雨季由于昆明陰雨天較多,城市增溫效應(yīng)減緩,直到80年代后期,雨季平均室內(nèi)氣溫的城市增溫效應(yīng)才明顯出現(xiàn)(圖3b),但與干季不同,平均室內(nèi)氣溫的城市增溫效應(yīng)出現(xiàn)后就呈現(xiàn)不斷增大的趨勢,1998年已達1.8℃。而雨季平均氣溫的城市增溫效應(yīng)到90年代初才出現(xiàn),其效應(yīng)小于室內(nèi)氣溫,1998年達0.9℃。由于干、雨季的綜合作用,年平均室內(nèi)氣溫的城市增溫效應(yīng)在80年代初期出現(xiàn),并呈現(xiàn)不斷上升趨勢,到1998年達2.1℃;年平均氣溫的城市增溫效應(yīng)在80年代末期出現(xiàn),同樣呈現(xiàn)不斷上升趨勢,1998年達1.1℃。由以上分析可知,城市化對室內(nèi)平均溫度的影響程度要大于平均氣溫,并且開始產(chǎn)生影響的時間也是平均室內(nèi)氣溫早于平均氣溫。另外,城市增溫效應(yīng)在干季不論是強度還是開始時間均大于(早于)雨季。3.3城市溫度影響與城市發(fā)展之間的關(guān)系3.3.1城市增溫效應(yīng)為了探討城市增溫效應(yīng)與城市發(fā)展的關(guān)系,選取了代表城市發(fā)展標(biāo)志的城市建成區(qū)面積和城市人口為指標(biāo),分別求算了昆明城市增溫效應(yīng)與城市建成區(qū)面積,以及與城市人口的單相關(guān)(圖4、5),考慮到城市增溫效應(yīng)在80年代初開始影響到昆明站,所以使用資料為1978～1998年。從圖4、圖5可見,不論是干季還是雨季,城市增溫效應(yīng)與城市建成區(qū)面積,以及與城市人口均有較好的相關(guān)關(guān)系,并且均呈現(xiàn)正相關(guān),顯示了隨著城市面積擴大,城市人口增加,城市增溫效應(yīng)也增強。3.3.2城市植物對平均氣溫的增溫率b為進一步探討城市建成區(qū)面積和城市人口對城市增溫效應(yīng)的綜合作用,計算了城市增溫效應(yīng)(△T)與城市建成區(qū)面積(S)和城市人口(R)的二元回歸關(guān)系式(△T=b1S+b2R+b0),其回歸系數(shù)見表4。城市建成區(qū)面積和城市人口對城市室內(nèi)外氣溫增溫效應(yīng)的影響程度是不同的。城市建成區(qū)面積增加造成的增溫率(b1),平均室內(nèi)氣溫在0.0011～0.0097℃/km2之間,平均氣溫為0.0116～0.0131℃/km2之間,大于平均室內(nèi)氣溫的增溫率1個數(shù)量級;而城市人口增加導(dǎo)致的增溫率(b2),平均室內(nèi)氣溫在0.0242～0.0277℃/萬人之間;平均氣溫在0.0013～0.0137℃/萬人之間,小于平均室內(nèi)氣溫的增溫率1個數(shù)量級。干季,城市建成區(qū)面積增加造成的平均室內(nèi)氣溫增溫率為0.0011℃/km2,造成的平均氣溫增溫率為0.0116℃/km2,為平均室內(nèi)氣溫增溫幅度的15倍;而城市人口的增溫率,平均室內(nèi)氣溫為0.0277℃/萬人,平均氣溫為0.0147℃/萬人,僅為平均室內(nèi)氣溫的49%。雨季與干季相比,城市建成區(qū)面積增加導(dǎo)致的平均室內(nèi)氣溫的增溫率為0.0097℃/km2,略小于干季,而平均氣溫的增溫率(0.0131℃/km2),則略大于干季;增溫率同樣是平均氣溫大于平均室內(nèi)氣溫(1.4倍);城市人口增加引起的增溫效應(yīng),平均室內(nèi)氣溫為0.0242℃/萬人,略小于干季,平均氣溫為0.0013℃/萬人,小于干季1個數(shù)量級;增溫率同樣是平均氣溫小于平均室內(nèi)氣溫(5.4%)。從城市化對年平均城市增溫效應(yīng)的影響來看,城市建成區(qū)面積增加造成的年平均室內(nèi)氣溫的增溫率為0.0054℃/km2,而平均氣溫的增溫率為0.0120℃/km2;城市人口增加導(dǎo)致的室內(nèi)平均氣溫增溫率為0.0259℃/萬人,平均氣溫的增溫率為0.0098℃/萬人。由以上分析可以看出,城市建成區(qū)面積增加對平均氣溫的影響較大;而城市人口增加對平均室內(nèi)氣溫的影響較大。4城市增溫效應(yīng)與平均氣溫升勢的關(guān)系(1)由于全球溫暖化的影響,昆明地區(qū)氣溫升高值為:年平均氣溫約0.5℃/30a,干季平均氣溫為0.55℃/30a,而雨季平均氣溫為0.39℃/30a;(2)昆明地區(qū)由于城市化導(dǎo)致的城市增溫效應(yīng),所引起平均室內(nèi)氣溫升高值為:干季2.72℃/30a,雨季1.96℃/30a,年2.34℃/30a;平均氣溫升值為:干季1.20℃/30a,雨季0.74℃/30a,年0.91℃/30a。(3)昆明地區(qū)由于城市化導(dǎo)致的城市增溫效應(yīng)對室內(nèi)平均溫度的影響程度要大于平均氣溫,并且開始產(chǎn)生影響的時間也是平均室內(nèi)氣溫早于平均氣溫。另外,城市增溫效應(yīng)在干季不論是強度還是開始時間均大于(早于)雨季。(4)不論是干季還是雨季,城市增溫效應(yīng)與城