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城市化对地区降水空间分布的影响自然地理谈晟荟Contents目录1、选题分析2、上海地区城市化速度与降水空间分布变化的关系研究3、城市化与北京地区降水分布变化初探4、城市化对广州降水的影响分析5、阅读综述1、选题分析•城市化是指人口不断向城市集中，城市规模和数量不断膨胀的现象。城市化改变了下垫面性质带来五岛效应：热岛效应、雨岛效应、干岛效应、湿岛效应和混浊岛效应。一些研究表明，城市对降水分布的影响反映出雨岛效应，城市化的发展改变了下垫面的性质，城市的生活生产和特殊地面结构共同作用于大气，使大气边界层的特性发生改变，从而影响城市地区的降水、气温、辐射、雨强等，（其中对雨强变化的影响十分显著），形成不同于城郊农村的气候状况。研究意义研究城市化进程对降水空间格局的影响•一方面可以为城市化相关的下垫面状况改变对降水变化的影响提供依据•另一方面有助于了解地区水资源的现状及变化趋势，为地区的防汛抗旱及防灾减灾提供依据2、上海地区城市化速度与降水空间分布变化的关系研究2.1题目解读•从题目中可以看出这篇文章讲的是上海市的城市化与降水空间分布之间的关系。参考文献梁萍,丁一汇,何金海,等.上海地区城市化速度与降水空间分布变化的关系研究[J].热带气象学报,2011,27(4):475-483.•2、上海地区城市化速度与降水空间分布变化的关系研究•2.2数据来源与研究方法本文所用的资料包括：(1)1960—2007年上海地区11个站的逐日降水资料；(2)1961—2007年上海地区的逐年铺装道路面积、耕地面积、人口密度、能源消费资料。其中资料(1)来源于上海市气象局，资料(2)来源于上海市统计年鉴。在讨论空间差异时，多数研究通常比较不同站点的绝对降水量大小。然而，降水量在不同的年代际背景下具有年代际变化，故绝对降水量的空间差异并不能很好地反映不同阶段下降水量空间的改变。因此，本文采用基于空间样本的标准化相对降水量，研究上海城市化进程不同阶段下的降水空间差异的变化。标准化相对降水量由下式[25]计算得到：Rni=(Pni-Pn)/σpn，(n=1960，1961，……，2007;i=1，……，11)，其中n为年号，i为测站序号，Rni和Pni分别为年号n的第i个测站的相对降水量和实测降水量，Pn为年号n的站点平均降水量，σpn为n年号降水量的标准差。图2及其相关结论从上海地区11站年降水量的标准差(图2a)可以看出，与城市化进程缓慢增长期相比，快速增长期的标准差明显增大，其标准差平均分别为81.2mm和93.0mm，增大了11.8mm.。而且，快速增长期的年降水量标准差增大趋势(1.4mm/yr)更为显著(通过了0.10的显著水平检验)，比前一时期的缓慢趋势(0.4mm/yr，不显著)大2.5倍。由此表明，随着城市化进程加快带来城郊差异的增大，降水量空间标准差所反映的空间非均一性及其变化速率也增大。该变化特征从中心城区徐家汇站与郊区闵行站的年降水量差异演变也能清楚看到(图2b)。因此，城市化速度的改变会影响降水量空间分布的变化。上述分析表明，年降水量空间差异在不同的城市化阶段表现出不同的特征。图3及其相关结论图3分别给出1960—1983年(城市化进程的缓慢增长期)和1984—2007年(城市化进程的快速增长期)上海地区多年平均的标准化相对降水量空间分布。对比前后两个时期的降水量分布可以发现，在城市化进程的缓慢增长期(图3a)，年降水量的空间分布较为均匀，除崇明外的10个站点中有7个站的相对降水量在符号和量级上较为一致；而且，以徐家汇站为代表的中心城区的降水量与周边站点(如郊区闵行站)的差异也不明显。但在城市化进程的快速增长期(图3b)，相对降水量的正负号各占一半，与前期相比，符号一致率减小，表明降水的空间分布较前期更不均匀；其中，市区徐家汇站以及浦东站的年降水量明显较其它站点多，特别是中心城区徐家汇站(相对年降水量达0.78)。表明伴随城市化进程的加快，市区的年降水量相对郊区明显偏大。图6及其相关结论对比前后两时段的年降水量线性变化趋势发现，1960s—1980s的中心城区和郊区的年降水呈现出一致的增加趋势(尽管各站的增加趋势大小并不一致)；而1980s以来，中心城区(徐家汇和浦东站)的年降水量存在增加趋势，郊区的年降水量则表现为减少趋势。由此表明，由于上海市区和郊区的城市化进程不一，上海城郊的年降水变化存在空间分布不均的特征，城区降水存在增加趋势，而郊区则相反，呈现减少趋势。2.3得出相关结论(1)上海年降水量的空间非均匀性与城市化进程密切相联。伴随城郊城市化进程差异的显著加快，上海年降水量的空间差异增大。(2)在城市化进程的快速增长期，年降水量及降水强度向市区集中；尽管年降水日数的空间分布没有城市效应，但暴雨以上的强降水日数则呈现出明显的城市雨岛分布特征；而在城市化进程的缓慢增长期，上述特征则不明显。另外，分季节而言，城市化对降水量空间分布的影响主要反映在城市化进程快速增长期的夏、秋季节(特别是夏季)；而冬、春季节降水量的空间分布没有明显的城市效应。(3)上海地区年降水总量从城市化进程的缓慢增长期的城郊空间一致性变化趋势转变为快速增长期的不一致变化趋势。城市化进程的快速增长期，中心城区(郊区)年降水量呈增多(减少)趋势。文献一机理探讨上海城市化进程快速增长期的夏季表现出明显的城市雨岛特征，可能与城区局地气流辐合上升、对降水系统的阻障效应以及凝结核较多有。与此不同的是，北京冬季降水空间分布变化则由城市化缓慢期的“城市湿岛”转变为城市化快速期的“城市干岛”。冬季北京地区的水汽有限，城区大量的云凝结核不利于云滴的增长并形成降水。因此，冬、夏水汽条件差异可能是造成上海夏季和北京冬季降水空间分布变化特征差异的原因之一。上述仅为初步的讨论，作为中国城市化进程最快的两个城市，上海和北京降水分布变化的差异之大，其原因值得进一步探讨。3、城市化与北京地区降水分布变化初探3.1题目解读•从题目中可以看出这篇文章讲的是北京城市化对降水空间分布的影响。参考文献王喜全,王自发,齐彦斌,等.城市化与北京地区降水分布变化初探[J].气候与环境研究,2007,12(4):489-495.3.2资料来源与研究方法利用统计方法研究城市对降水的影响,需先解决两个关键问题:1)如何排除地形的影响;2)如何排除天气系统频率变化的影响。为了解决这两个问题,可将长期降水资料根据城市化进程的程度划分为前后两个时期,研究其降水分布的差异。降水主要由大尺度大气环流控制,极端洪涝年和极端干旱年对多年平均值的影响很大,因而直接比较台站的绝对降水量不是一个好的特征量;另外,由于降水在空间分布上的随机性和弱相关性(相对于位势高度场和温度场而言),任何插值方法都会带来不可控制的插值误差。因此本文利用标准化相对降水量,研究城市化对北京降水分布的影响。1961～2000年北京地区14个标准气象站具有连续40年的降水资料,这给利用上述方法揭示北京地区城市化进程对降水分布的影响提供了基本的条件和可行性。图1及其相关结论比较这两个时期年平均相对降水量的分布归纳出如下特点:(1)北京地区东北部相对降水最多,西北部相对降水最少,两个时期间几乎没有变化。(2)1961～1980年,北京西南部相对降水较多,而1981～2000年,该地区的降水有相对减少的趋势,特别是门头沟和房山站减少的趋势更明显。(3)除朝阳站的相对降水量从1961～1980年的偏多变为1981～2000年的偏少外,北京城区东部与南部作为降水相对较少地区,两个时期的降水并没有太大的变化。(4)利用无参数Mann-WhitneyU方法对相对降水量变化的显著性检验表明,各台站相对降水量的年代变化不显著图2及其相关结论由图可见,夏季所有站的相对降水量在城市化缓慢期与快速期并未发生显著的变化。另外,春季和秋季相对降水量的分布也未发生系统性的显著变化(图略)。以上分析表明:城市化缓慢期与快速期,北京地区年与春、夏、秋季相对降水量分布的形势并未发生系统性变化,即西南部和东北部地区为北京地区降水的多发区域。图3及其相关结论从图中可以看出,两时期间的相对降水量分布发生了系统性的变化。城市化缓慢期(1961～1980年),北京地区南部为降水较多地区,北部为降水偏少地区;城市化快速期(1981～2000年),相对降水量的分布则正好相反,南部地区变为降水较少地区,而北部变为降水偏多地区。两时期间变化的显著性检验也证明,北部的顺义站、怀柔站和古北口站相对降水增加显著,分别通过显著性水平为α=0.10,0.02,0.02的显著性检验;南部的丰台站、大兴站和房山站相对降水减少显著。从以上数据可以看出,虽然北京冬季降水在年代间有减少的趋势,但南北部地区减少的幅度有显著差别,南部的减少幅度约为北部的2倍。3.3得出相关结论综上所述,根据北京地区城市化进程的迅速程度,可以把1980年看作一个转折点。对转折点前后20年相对降水量分布的分析以及绝对降水量变化的对比研究中,我们看到,除冬季以外,北京地区的相对降水量(年平均和季节平均)分布并未发生整体性的显著变化。这与国内外的相关研究结果大相径庭。为了解释1980年前后北京地区冬季降水分布的系统性显著变化,在目前所掌握资料有限的情况下,分析了1961～2000年北京南部地区与北部地区冬季气温差的变化趋势。文献二机理探讨这里分析的北京南部地区的3个代表站,1980年以来已基本与主城区连成一片,而北部地区的3个代表站,由于偏远和地形的原因,基本保持1980年前的格局。可以推断,造成这两个时期冬季气温差的显著差异,主要是“城市热岛”效应的结果。文献表明:在20世纪80年代初期,北京冬季城区的空气湿度高于郊区,表现为“城市湿岛”效应,其他季节城区表现为“城市干岛”。对城市进程快速期的有限资料分析表明,目前北京城区冬季的湿度也已变为低于郊区,“城市干岛”效应明显。由于城区的气温高、湿度低,势必增加云下的蒸发过程,使地面的降水量减少。这可能是造成城市化进程快速期和慢速期北京地区冬季降水量分布系统变化的主要原因。4、城市化对广州降水的影响分析4.1题目解读•从题目中可以看出这篇文章讲的是广州城市化对降水空间分布的影响。参考文献廖镜彪,王雪梅,李玉欣,等.城市化对广州降水的影响分析[J].气象科学,2011,31(4):384-390.4.2资料来源与研究方法本文以代表城市的广州和代表城郊的增城两气象站1959—2009年的降水资料为基础(数据来源于中国气象数据共享网．cma．gov．cn/)，对广州城郊的降水差异进行分析，研究51a年来，城市化对广州降水的影响。城市化对降水的贡献本文采用王丽娟等人对城市化对气候变化贡献率的计算方法，来探讨广州城市化对降水量的影响。选取广州1960年年平均降水量为基准，其他年份降水量相对于1960年降水量的变化值为△Ra，区域背景气候增城年平均降水量相对于1960年的降水量变化值为△Rb，城市化对广州市降水量影响值为△R，由于广州市降水量变化为区域背景气候和城市化共同影响，则有:△R=△Ra－△Rb。历年的△Ra序列由广州市年平均降水量序列计算得出;△Rb表示区域背景的影响，其历年的时间序列由增城年平均降水量序列计算得出。若广州年降水量变化率为△Rgz，增城年降水量变化率为△Rzc，则广州年增雨率可以表示为△R=△Rgz－△Rzc。由于降水量对于城市和区域背景都是一个增加的变量，城市化对降水量变化的贡献率我们就可以用公式P=|△R/△Rgz|×100%计算得到。图1及其相关结论表1表明，各站降水量大致是随着年代波动增加的，两个站在2000—2009年10a时间的年降雨量相对以前的年份有较明显的增加，其中广州增幅较大，相对1960s增幅达255.46mm，相对1990s也有近143mm增幅。因此，从年降水总量来分析，广州从2000年开始年降水量有小幅度增加趋势，而城郊增城年降水量增加趋势不明显，城市化并没有使城郊的年降水总量有明显的差异，广州并没有出现明显的城市“雨岛”效应。图2、图3及其相