山西省近 45 年地面气候变化及其城市化影响研究

1. 山西省近45年地面气候变化及其城市化影响研究山西省近45年地面气候变化及其城市化影响研究 答 辩 人：郭雪梅 指导教师：任国玉 王式功

2. 目 录 • 第一章 前 言 • 第二章 资料与分析方法 • 第三章 平均气温日较差变化特征 • 第四章 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 • 第五章 风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 • 第六章 通过案例分析地面观测记录的变化 • 第七章 结论

3. 一、 前 言 研究的目的和意义 • 区域气候变化检测和原因识别是当前气候变化研究的一个热点。 • 气象观测是气候变化检测和原因识别的基础。 • 近年来城市化趋势的不断加快给测站周围环境带来了严重影响。 • 城市化导致地面气温升高；地面风速减小,而风向则多沿着街道而吹；夏季城市暴雨比乡村变多、变强。 • 对于不同国家和地区，由于气象台站网建设实际情况不同，相应城市化对气候产生的影响也不同。 • 山西省作为我国气候变化显著区域，城市化对其区域气候观测记录产生的影响有多大？要通过相应的研究，才能对其影响幅度有一个较为客观的评估。

4. 资 料 二、资料与分析方法 • 区域概况：东经110º～115ºE，北纬34º～41ºN的山西省范围。 • 气象资料：研究区域连续缺测不超过一年的所有108个站点（包括基本、基准站和一般站）的月平均最高、最低气温，月降水量、暴雨日数，月平均风速等。资料的时段为：1960～2004年（对60年代以后建的台站，只分析1980～2004年的资料）。

5. 资料处理 二、 资料与分析方法 数据序列：由山西省各站1960—2004年同一月月平均气温(月平均最高气温、月平均最低气温)、月降水量、年暴雨日数、月平均风速构成。 • 气温资料初步质量控制 1、序列排序，求算中值 2、求算偏差绝对值的中值 3、求算双权重平均值与标准差 4、奇异值的判断 • 其他资料初步质量控制 采用矩阵估计法

6. 台站分级标准 二、 资料与分析方法 1960-2004年资料通过质量检验 的各级别台站个数 1980-2004年资料通过质量检验 的各级别台站个数 其中基本基准站右玉地点在郊外，人口为2万，未计入城市站中，临汾、阳城、侯马地点在乡村，人口超过7万，未计入乡村站中，这4个站单独参与合计。

7. 二、 资料与分析方法 ●城市站（39）○乡村站（23） 1960-2004年资料通过 质量检验城市、乡村站分布图 1980-2004年资料通过 质量检验城市、乡村站分布图 通过质量检验基本基准站分布图 基本基准站 （16） ●城市站（21）○乡村站（16）

8. 二、 资料与分析方法 方 法 气候参照值的确定：以1971—2000年的30年作为气候参考期，计算距平值。 趋势的计算 ：最小二乘法 建立区域要素时间序列的方法 ：Jones网格面积加权平均法

9. 三、 平均气温日较差变化特征 年平均气温日较差时间变化趋势 1980-2004年 1960-2004年 各类台站均呈下降趋势，但乡村站下降趋势最弱，城市站和基本基准站下降趋势明显。 城市站、基本基准站年平均日较差均呈缓慢下降趋势；乡村站呈上升趋势。与乡村站相比，基本基准站、城市站的年平均气温日较差在变小。 • 城市热岛效应在夜间表现最强

10. 三、 平均气温日较差变化特征 1960-2004年 平均气温日较差变化 趋势系数的空间分布 （℃/10年） 春 夏 秋 冬 年 下降趋势显著的台站主要分布在特大、大城市地区；在西部、中南部乡村站集中的地区，呈上升趋势。 四季下降趋势显著的区域与年下降显著区域一致

11. 三、 平均气温日较差变化特征 各类台站年、季平均气温日较差变化趋势（℃/10a） (其中带*表示在0.1水平上是显著的，加粗表示在0.05水平上是显著的) 季变化与年变化趋势相一致：乡村站呈明显上升趋势，其中冬季最大，秋季最小；城市站、基本基准站春、夏、冬季均呈下降趋势，其中冬季下降最显著，但秋季各类台站都是上升的。

12. 三、 平均气温日较差变化特征 月平均气温日较差时间变化 1960～2004年 城乡差异夏、冬季最显著。 1980～2004年 近25年来月平均气温日较差下降趋势比1960～2004年明显增大。

13. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 年降水量时间变化趋势 1960-2004年 1980-2004年

14. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 1960-2004年降水量变化趋势系数的空间分布（℃/10年） 春 夏 年 冬 秋 北部大同、朔州年降水量略增加，大部分地区年降水量减少，其中在阳泉、临汾、长治地区的负趋势最显著。

15. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 1960-2004年山西省各类台站 年、季降水量变化趋势（mm/10a） 1980-2004年山西省各类台站 年、季降水量变化趋势（mm/10a） • 近45年来，除冬、春季外，城市站年、季降水量减少均比乡村站慢。 • 近25年来，变化复杂，但夏季城市站降水量减少比乡村站慢。 • 乡村站夏季减少最快，秋季次之，冬季减少幅度最小； • 城市站秋季减少最快，夏季次之，冬季减少幅度最小； • 基本基准站秋季减少最快，夏季次之，冬季降水量略有增加。

16. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 近25年山西省各类台站年、季 降水量趋势与乡村站平均趋势的差值 近45年山西省各类台站年、季 降水量趋势与乡村站平均趋势的差值 各类台站与乡村站降水量趋势差大多为正，说明城市站、基本基准站降水相对于乡村站呈增加趋势，特别是夏季，这种增加更明显。 近25年来，城市站和基本、基准站与乡村站降水量趋势的差值更复杂，但夏季城市站和基本、基准站降水量比乡村站减少的还是要少，说明城市建设和发展对城市降水量可能仍具有一定影响。

17. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 月降水量时间变化 1960～2004年山西省 各级台站与乡村站降水量 月变化速率差值（℃/10a） 1960～2004年 夏季八月份城乡差异最明显。 • 城市对降水的影响主要表现在盛夏的对流性降水 1980～2004年

18. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 年暴雨日数时间变化趋势 1960-2004年 1980-2004年

19. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 年暴雨日数空间分布 1960-2004年 1980-2004年 各类台站总暴雨日数的值在10～54天之间，西北部暴雨日数明显少于东南部。 暴雨日数的值在5～25天之间。

20. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 近25年来的暴雨日数与近45年来日数的比值 1985～2004年和1965～2004年的暴雨日数差 高值中心台站与山西省主要产煤区 （大同、阳泉、吕梁、晋中、运城） 分布有较好的一致性 说明这些地方80年代以后暴雨日数呈现增多趋势。这些地点随着煤矿开采量的增长，煤矿粉尘排放量也在逐年增加，同时采煤业的发展也带动地方经济的快速发展，城市化进程在加快。至于暴雨日数增加的原因是否与此有关，还需要进一步调查。 近25年暴雨日数除以近45年 暴雨日数商的空间分布

21. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 年平均风速时间变化趋势 1960-2004年 1980-2004年

22. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 年平均风速空间分布 1960-2004年 1980-2004年 太原盆地、临汾盆地、长治盆地减弱趋势显著。

23. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 1960-2004年 季平均风速空间分布 夏 春 四季平均风速 变化趋势 与年变化趋势相似， 以减小趋势为主。 秋 冬

24. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 1960-2004年山西省各类台站 年、季平均风速变化趋势（m/s/10a） 1980-2004年山西省各类台站 年、季平均风速变化趋势（m/s/10a） 近45年山西省各类台站年、季 平均风速趋势与乡村站平均趋势的差值 近25年山西省各类台站年、季 平均风速趋势与乡村站平均趋势的差值

25. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 月平均风速变化趋势 近45年来城市站风速减小趋势均大于乡村站和基本基准站。 月平均风速大时，城市粗糙的下垫面使风速减弱的效应也显著，城乡差异大； 反之风速越小，城区下垫面粗糙度对风速的影响就越不突出，则城乡差异较小 （周淑贞，1994）。

26. 六、 代表城市站案例分析 特大、大、中等代表城市站案例分析

27. 七、结论 结 论 • 山西省近45年来城市站和基本基准站年平均气温日较差均呈缓慢下降趋势，乡村站则呈显著上升趋势。与乡村站相比，基本基准站和城市站的年平均气温日较差在变小。 • 季平均气温日较差变化趋势与年变化趋势基本一致。城市站与乡村站日较差夏季和冬季差异最为显著。 • 近25年来各类台站年平均气温日较差均呈下降趋势，但乡村站下降趋势最弱，城市站和基本基准站下降趋势明显。

28. 七、结论 结 论 • 4. 山西省年降水量近45年和近25年来各类台站均呈减少趋势。在 • 降水充沛的夏季，通过城乡对比发现：城市有使降水量相对增加 • 的作用，而在其他季节，城市使降水减少。在相对干旱的地区和 • 降水量相对较少的春季和冬季，城市使降水减少的趋势比较明显。 • 5. 近45年来山西省各级台站年暴雨日数随时间呈显著减少趋势。 • 近25年来山西各级台站年暴雨日数随时间呈弱的减少趋势。但特 • 大城市太原近45年和近25年来暴雨日数都呈增加趋势。20世纪80 • 年代以后城市站，特别是大城市站和主要煤田附近台站暴雨日数 • 在增多。 • 6. 通过分析年、季、月平均风速的变化情况，可以看出，近年来 • 观测站周围环境变化使平均风速减小。

29. 七、结论 本文的创新之处： • 本文在选取城市站和乡村站时，同时考虑了人口因素和台站位置的影响，使得结果更具有说服力。 • 对区域内的所有站点的资料（包括基本、基准站和一般站）进行了分析，特别是分析了城市规模发展迅速的近25年的情况，更有代表性。 • 用多种资料就城市化对区域气候观测要素的影响进行对比分析，研究更全面，特别是对除温度以外的要素进行了分析研究。 • 本文在研究中将区域与代表城市站对比分析，得出了更加清晰的结果。

30. 七、结论 下一步工作打算 • 本文只是对各气象要素做了初步的研究。今后，在城市化对山西省气温、降水、风速等气候要素的影响方面还有许多工作要做，这包括： • 1、在乡村站选取时还应当考虑周围是不是有大型煤矿、炼焦厂或火力发电厂，以及局地微环境的变化，以便获得更有代表性的背景台站； • 2、降水量的分析按量级和日数分更多、更细的级别，也可以利用旬雨量进行分析，以找到更详细的变化规律； • 3、个例分析应当增加基本建设投资额、房屋竣工面积、热岛强度等要素，以期得出更准确的结论； • 4、对太原这个污染严重的重工业城市，由于观象台位于市区南郊的殷家堡，估计该测站受城市化的影响比市中心要弱，在今后的工作中有必要采集城市中心不同方位的资料与观象台资料进行对比分析。

31. 敬请批评指正 谢谢

32. 三、 平均气温日较差变化特征 小 结 • 近45年来城市站、基本基准站年平均日较差均呈缓慢下降趋势；乡村站呈上升趋势。与乡村站相比，基本基准站、城市站的年平均气温日较差在变小。 • 下降趋势显著的台站主要分布在特大、大城市地区；在西部、中南部乡村站集中的地区，呈上升趋势。 • 季变化与年变化趋势相一致：乡村站呈明显上升趋势，其中冬季最大，秋季最小；城市站、基本基准站春、夏、冬季均呈下降趋势，其中冬季下降最显著，但秋季各类台站都是上升的。 • 春、夏、秋、冬季下降显著区与年下降显著区域一致。 • 从月变化特征分析，得出城乡差异夏、冬季最显著。 • 近25年来各类台站均呈下降趋势，但乡村站下降趋势最弱，城市站和基本基准站下降趋势明显。 • 近25年来月平均气温日较差下降趋势比1960～2004年明显增大。

33. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 小 结 山西省年降水量近45年和近25年来各类台站均呈减少趋势。近45年来: 乡村站：-19.3 mm/10a，城市站：-17.2mm/10a，基本基准站：-17.9mm/10a。 • 地域分布：北部大同、朔州年降水量略增加，大部分地区年降水量减少，其中在阳泉、临汾、长治地区的负趋势最显著。 • 季节变化：乡村站夏季减少最快，秋季次之，冬季减少幅度最小； 城市站秋季减少最快，夏季次之，冬季减少幅度最小； 基本基准站秋季减少最快，夏季次之，冬季降水量略有增加。 • 近45年来，各类台站与乡村站降水量趋势差大多为正，说明城市站、基本基准站降水相对于乡村站呈增加趋势，特别是夏季的八月份，这种增加更明显。 • 近25年来，城市站和基本、基准站与乡村站降水量趋势的差值更复杂，但夏季城市站和基本、基准站降水量比乡村站减少的还是要少，说明城市建设和发展对城市降水量可能仍具有一定影响。

34. 四、 降水变化特征及城市化对降水的可能影响 小 结 近45年来山西省各类台站年暴雨日数随时间呈显著减少趋势。 各类台站总暴雨日数的值在10～54天之间，西北部暴雨日数明显少于东南部， 近25年来山西省各类台站年暴雨日数随时间呈弱的减少趋势。 暴雨日数的值在5～25天之间。 1985～2004年和1965～2004年的暴雨日数差 近25年来的暴雨日数与近45年来日数的比值 高值中心台站与山西省主要产煤区 （大同、阳泉、吕梁、晋中、运城） 分布有较好的一致性 说明这些地方80年代以后暴雨日数呈现增多趋势。这些地点随着煤矿开采量的增长，煤矿粉尘排放量也在逐年增加，同时采煤业的发展也带动地方经济的快速发展，城市化进程在加快。至于暴雨日数增加的原因是否与此有关，还需要进一步调查。

35. 五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响五、风速变化特征及测站周围环境对风速记录的影响 小 结 • 近45年来山西省乡村站、城市站和基本基准站年平均风速呈显著减小趋势。城市站减小最快，乡村站次之 。 • 从空间分布来看，太原盆地、临汾盆地、长治盆地减弱趋势显著。 • 近25年年风速减小趋势明显，但乡村站减小略快。 • 由于风速变化对微环境改变更加敏感，观测场附近的任何建筑物都会对风速有影响。 • 这一情况也说明，在评价风速变化的城乡差别时，乡村站的选择是更加困难的，需要今后给予更多注意。

36. 六、 通过案例分析地面观测记录的变化 案例分析结论 • 受城市化影响，城市站平均气温日较差比乡村站表现出更为显著的下降趋势，并且城市站与乡村站变化趋势的差别在秋、冬季节更为显著。 • 城市站年降水量减少速度比乡村站慢。季降水量变化的城乡差异更加复杂。 • 城市化可能有使特大城市暴雨日数增加的作用，但对规模较小的城市暴雨日数变化的影响尚不清楚。 • 分析年和季平均风速的变化情况，可以看出，测站周围建筑物增多，有使平均风速减小的作用。