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[硕士论文] 王存钱
自然地理学 华中师范大学 2018(学位年度)
摘要:我国城镇化正快速推进,城市规模大幅扩大,区域城市圈(群)逐渐形成,城市化改变了城市下垫面类型和结构,特别是不透水硬化路面大量增加,植被、森林、水体、沼泽湿地等自然生态遭到严重破坏,局地热力、水循环发生重大改变;钢筋混凝土建筑物密度大幅增加,平均冠层高度增加,粗糙度增加,改变了气流正常走向,静风发生频率增加;人类活动、工业生产排放改变了局地热力条件,增加了城市上空的大气颗粒物、气溶胶等。城市化效应、特别是大范围城市群效应导致了局地气候的异常改变,出现城市“热岛、雨岛、干岛、静风岛、浑浊岛”效应,使高温热浪、内涝、雾霾等发生频率增加,对城市正常运行和市民生活带来不利影响。城市圈(群)气候变化是不争的事实,由于人类活动的影响,城市圈(群)的气候变化更加复杂多变,一方面受到全球气候变化的影响,即气候系统变化影响,另一方面更受到人类活动和过度开发导致的局地气候变化影响,即城市化带来的气候变化影响。如何分离城市化带来的城市圈(群)气候变化是国内外比较关心的技术,城市圈边缘的郊区或乡村由于远离城市区,受城市化带来的局地气候变化影响小,因而可以作为城市化气候效应的对比站。
  本文以武汉城市圈为例,利用城市人口数据、土地覆盖数据和夜间灯光数据,选取典型城市站和比对的乡村站,采用“UMR法”(Urban Minus Rural),使1960-2016年经均一化处理的逐日气温、降水、相对湿度和风速资料,定量计算各要素的城市化影响和城市化贡献率,分析城、乡各要素变化趋势的差异,并对各要素变化趋势的空间分布进行分析;进一步以武汉为例,利用主成分分析,求出城市化综合指数,并与各气象要素进行回归建模,以揭示城市化与区域气候变化的关系。得到如下主要结论:
  (1)城市化对气温变化影响
  城市化对气温变化影响最大,呈现显著的增温效应,是形成城市热岛效应的主要原因。城市化对城市站年平均气温、最高和最低气温均为增温作用,利用“UMR法”得到的相应的城市化增温率分别为0.22℃/10a、0.05℃/10a、0.35℃/10a,城市化增温贡献率分别为62.87%、23.77%、70.68%。城市化对城市站四季的三种温度也均为增温作用,夏季增温最大、春秋季次之、冬季最小;与年变化一样,季节内最低气温增温率最大,最高气温最小;城市热岛强度呈现非对称性变化。
  在空间分布上,气温变化趋势的空间布局特征大体一致,北部和南部典型乡村站为增温趋势的低值区,中西部城市密集区为增温趋势的高值区,可以看出明显的城市化增温作用。
  (2)城市化对降水变化影响
  (a)总降水量变化。城、乡站年降水量均在波动变化中呈不显著的弱上升趋势,年降水量UMR序列呈现微弱的增加趋势,城市化对年降水量影响不明显。春季和夏季降水量UMR序列为增加趋势,秋、冬季为减小趋势,说明城市化有使城市春、夏季降水量增加的趋势。在空间分布上,年和四季降水量变化趋势的差异较大,夏、秋季变化趋势的高值区主要位于中西部,冬季位于东部。
  (b)降雨日数变化。与降水量相比,城市化对降水天数的影响更显著。年和四季降水天数UMR序列均为减少的趋势,城市化使降水天数减小,而总雨量变化不大,则雨强增加。在空间分布上,年和冬、春、秋三季降水天数变化趋势的高值主要位于中西部,夏季主要位于东部。
  (c)分等级降水变化。随雨强由小雨到暴雨,降水天数(量)UMR序列由减少的趋势逐渐变为增加的趋势,城市化使强降水事件(量)增多,弱降水事件(量)减少,导致降水两极分化,极端性趋强。
  在空间分布上,随雨强增加,降水量(天数)呈增加趋势的站点从东部开始增加,小雨至中雨,降水量变化趋势的高值区由东部变为中西部,二者降水天数的高值区均位于中西部;大雨至暴雨,降水量(天数)变化趋势的高值区由东部变为城市密集的中西部。
  总体来说,降水受城市化影响不如温度显著。
  (3)城市化对相对湿度变化影响
  城市化使城市站相对湿度呈下降趋势,城市化作用显著。年和四季相对湿度UMR序列均呈下降趋势,夏季和秋季下降更明显,城市呈现逐步“干岛化”。
  在空间分布上,中西部城市密集区相对湿度下降趋势更明显,变的更“干”,为相对湿度变化趋势的高值区;南部和北部乡村站相对湿度呈较弱的下降趋势,为相对湿度下降趋势的低值区。
  (4)城市化对风速变化影响
  城市化使城市站平均风速呈下降趋势,城市化作用显著。年和四季平均风速UMR序列均为减少的趋势,城市化有使城市站风速减小的作用。
  在空间分布上,中西部城市密集地区平均风速的减少趋势更明显,为平均风速变化趋势的高值区,南部和北部乡村站平均风速的减少趋势较小,为变化趋势的低值区。
  (5)城市发展综合指数反映的城市化对气象要素的影响
  城市化发展综合指数与气温的拟合效果最好,相对湿度和风速次之,降水效果最差。说明城市化对气温影响最明显,对相对湿度和风速影响次之,对降水影响较小。城市化对气候的影响在一定程度上符合环境库兹涅茨曲线。这与利用“UMR法”得到的城市化对气象要素影响的结论基本一致。
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