城市化背景下长三角核心城市群汛期降水时空演变特征分析.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()作者简介:朱凯莉()女硕士研究生主要从事城市化水文效应研究:.通信作者:曾照洋()男助理研究员博士主要从事城市洪涝模拟研究:.:/城市化背景下长三角核心城市群汛期降水时空演变特征分析朱凯莉赖成光王兆礼曾照洋(.华南理工大学土木与交通学院广东 广州 .人工智能与数字经济广东省实验室(广州)广东 广州 .华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东 广州)摘要:为揭示城市化背景下长三角核心城市群汛期降水的时空演变规律基于 年长三角核心城市群 个雨量站的小时降水数据探究了汛期降水时空变化特征以及城市化对汛期降水的影响规律 结果表明:在空间分布上汛期极端降水阈值呈现从北向南逐渐减小的趋势在时间尺度上研究区汛期降水总体呈显著增加趋势后汛期降水变化在整个汛期降水变化中占主导地位城区降水的增速基本高于郊区苏浙沪城区和郊区汛期总降水量的增长率均呈现递减趋势城市化对上海城郊降水差异的影响更为显著对不同降水指标的城郊差异影响程度表现为后汛期极端降水量最大、汛期极端降水量次之、汛期总降水量最小关键词:汛期降水时空演变特征城市化长三角核心城市群中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.().):.:气候变化对水文过程的影响一直是水文气象等领域的前沿热点研究课题以全球变暖为主要特征的气候变化可能会加剧全球水文过程的时空变化其中十分重要的体现是降水频率和强度的变化 降水空间分布的不均匀会导致洪涝、干旱等极端水文气象事件的频发对人民的生命财产安全造成巨大的威胁 此外城市化引起的降水变化越来越受到研究者的关注人口、建筑物的愈加密集以及各种废气的排放会影响城市下垫面和大气的热力学特性大气致雨的凝结核状况也会因此改变从而对大气降水产生直接的影响 基于以上背景探究长三角等超级城市群汛期降水变化规律和驱动机制对理解由暴雨导致的城市内涝成因机理及制定相应的防洪措施具有重要意义从全球范围来看降水对气候变化的响应具有明显的地域特征例如:美国东北部地区的强降水事件更多发生在暖季且在 年极端降水量突然增大 年日本西部因热带气旋频率增大和锋面雨带增强导致异常强降水事件持续增多 年以来澳大利亚西南部的平均降水量持续减少 年印度绝大多数地区的年、季降水呈显著下降的趋势 年降水数据表明青藏高原地区在这段时间的降水极值变化并不显著 现有关降水与城市化关系的研究主要是基于雨量站观测资料或者数值模型模拟结果进行城区和郊区对比分析前者的优势在于可以去除大气系统变异性的影响而后者的优势在于有较高的机理解释性但劣势在于个例分析结果的代表性十分有限 等发现美国和沙特阿拉伯部分地区城市发展后期比城市发展前期的平均降水量高了 北京地区降水极值的空间分布受地形特征和城市化发展等因素的影响呈现出从东向西递减的趋势且形成了局部区域高值中心其夏季降水的减少与城市化进程显著相关 长江三角洲地区在 年降水呈现增加趋势 世纪 年代以后城市化发展迅速上海地区呈现出明显的雨岛特征极端降水在市中心的增加幅度相比郊区更加明显 等通过 年的月降水数据发现珠三角地区的降水有所减少随后 等进一步指出这种减少主要发生在冬季此外也有研究发现珠三角高度城镇化地区极端降水量上升趋势显著但是相邻地区则无明显变化以往城市化对降水影响的相关研究集中于年尺度但是越来越多研究表明城市化对汛期降水以及城郊降水差异的影响更加显著尤其是以长三角为典型的中国经济快速发展的区域 另外由于条件限制很多研究存在降水数据时间分辨率不高以及对比城郊差异时特征雨量站数目过少等问题 本文基于长三角核心城市群区域内 个雨量站 年汛期的实测小时降水数据探讨城市化背景下该区域的汛期降水时空分布特征以期为汛期城市雨洪治理和水资源管理等工作提供参考 研究区概况与研究数据本文选取的研究区域如图 所示包括上海市和江苏省的南京市、苏州市、无锡市、常州市、镇江市以及浙江省的湖州市、嘉兴市和杭州市属于长江三角洲地区位于.、.之间面积约为 研究区属于亚热带季风气候气候温和湿润四季分明年平均气温.左右年平均降水量 左右月属于梅雨季节图 研究区范围和雨量站分布.综合考虑资料序列的长度以及数据的缺失情况选择研究区内 个雨量站 年汛期(月)的小时降水数据探究长三角核心城市群汛期降水的时空演变特征雨量站分布如图 所示所选数据的缺失值均在 之内缺失值采用前面 个数据进行插值补充 土地利用数据采用武汉大学杨杰等制作的 数据集(:/././.)分辨率为 时间跨度为 年 数据和人口数据分别来自中国科学院地理科学与资源研究所(:/./)中国 空间分布公里网格数据集()和中国人口空间分布公里网格数据集()现存 年、年、年、年、年和 年 期数据 此外本文根据研究区各省市统计年鉴中的数据对区域的经济发展状况进行评估从而对城市化发展的不同时期进行划分 研究方法.极端降水定义在统计学中目前对极端降水的定义可以分为参数化方法和非参数化方法两大类 为更好地体现各区域的变化差异本文对极端降水的定义采用非参数化方法中的百分位阈值法 将各个雨量站 年 月大于.的小时降水量按升序排列取其第 的降水量作为该雨量站的极端降水阈值 百分位阈值法能更好地消除地域差异造成的影响增强少雨地区和多雨地区降水指标的空间可比性具有较弱的极端性和较强的显著性等特点但是由于每个雨量站的极端降水阈值不同从整体来评估区域的极端降水变化就会存在一定的难度.城市化进程的划分结合、人口等数据将研究区城市化进程划分为 年、年、年和 年 个时间段 选择 年、年、年和 年的数据代表不同城市化发展阶段研究区下垫面的情况(图)通过计算可知研究区城市用地占比呈持续增长的趋势后一个时间段相对前一个时间段的增长率分别为.、.、相对应耕地面积的下降率分别为.、.、.()年()年()年()年图 研究区不同时期土地利用情况.分析方法对研究区的城市化进程进行划分后采用统计学方法结合 分析研究区汛期降水空间上的变化特征利用()趋势和突变检验分析时间上的变化规律最后通过比较城郊差异以及不同时期降水指标的变化来探究城市化对汛期降水的影响 结果与分析.汛期降水时空特征分析.汛期降水空间变化特征利用 的插值功能得到研究区极端降水阈值分布结果如图 所示可以看出极端降水阈值的分布呈现从北向南逐渐减小的趋势阈值范围为.均值为.图 极端降水阈值分布.在确定各雨量站阈值的基础上计算汛期极端降水量的年平均值根据划分的 个时间段分析得到汛期极端降水量的空间分布以及随时间的变化情况结果如图 所示 从图 可以看出 个时间段的降水空间分布基本上呈现由南向北逐渐减少的趋势 年以前降水的低值区域主要分布在研究区的北部之后研究区的东部地区成为降水低值区域 个时间段的降水低值区域几乎都在太湖附近一定程度上体现出大型水体下垫面对其上空降水的减弱作用 另外从全域的视角可以看出长三角核心城市群的汛期极端降水从 年呈现增加的趋势 为进一步探究降水随时间变化的趋势下文通过 趋势和突变检验进一步分析.汛期降水时间变化趋势研究区 个雨量站汛期总降水量、汛期极端降水量、前汛期极端降水量(月)和后汛期极端降水量(月)的 趋势检验结果如图 所示共分为下降趋势(通过 显著性检验)、下降趋势 ()年()年()年()年图 各时间段汛期极端降水量的空间分布.()汛期总降水量()汛期极端降水量()前汛期极端降水量()后汛期极端降水量图 各雨量站不同降水指标变化趋势的空间分布.(未通过 显著性检验)、上升趋势(未通过 显著性检验)和上升趋势(通过 显著性检验)类 通过计算所有雨量站所有指标的 值可以发现除了前汛期极端降水量指标中的扬中站以及后汛期极端降水量指标中的淳安站其他所有雨量站 值均大于 说明研究区的降水总体呈现增加的趋势通过统计这几类雨量站的数量占比可知:所有雨量站汛期总降水量和汛期极端降水量指标都呈上升趋势其中在汛期总降水量指标中约 的雨量站通过了显著性检验在汛期极端降水量指标中约 的雨量站通过了显著性检验 结合这两个指标变化趋势的空间分布图(图()()可知长三角核心城市群汛期降水总体呈显著增加的趋势且极端降水的增加趋势更加突出和明显说明汛期极端降水是汛期降水的重要组成部分对汛期总降水会产生重要的影响 在前汛期极端降水量指标中约 的雨量站上升趋势未通过显著性检验在后汛期极端降水量指标中约 的雨量站上升趋势未通过显著性检验 后汛期极端降水量增加 显著的雨量站较为集中地分布在中部和北部地区南部地区除去一个呈下降趋势的雨量站外其他所有雨量站的上升趋势均不显著与之相反的是南部地区前汛期极端降水量增加趋势显著且中部和北部地区增加趋势的显著性弱于后汛期极端降水量 结合 高程图可以发现研究区南部地区多山地而中部和北部地区多平原地形可能是导致前后汛期极端降水量变化趋势空间分布差异的重要原因对全域所有雨量站的汛期和后汛期极端降水量做平均计算利用 突变检验方法分析研究区的降水变化情况结果如图 所示 汛期极端降水量序列的突变时间在 年之间后汛期极端降水量序列的突变时间在 年之间汛期和后汛期极端降水量从 年开始均呈现增加趋势均在 年之后呈现显著增加趋势 总体来看汛期和后汛期极端降水量的变化趋势有较强的一致性说明长三角核心城市群汛期 降 水 的 变 化 主 要 来 自 后 汛 期 降 水 的变化()汛期极端降水量()后汛期极端降水量图 研究区不同降水指标 突变检验结果.城市化对汛期降水的影响将研究区按照省级行政区进行划分并根据人口、以及相关统计年鉴等参考数据选择了南京、浦口、常州、无锡这 个雨量站作为江苏省的城区雨量站宝山、闵行、徐家汇这 个雨量站作为上海市的城区雨量站杭州和萧山这 个雨量站作为浙江省的城区雨量站剩下的 个雨量站作为各个划分区域的郊区雨量站城区和郊区雨量站的分布如图 所示 本文通过对城区和郊区降水的横向对比及不同城市化阶段降水指标的纵向对比来研究城市化对汛期降水特征的影响城区的降水变化不仅受城市化因素的影响也会受气候变化因素的影响 结合图 不同降水指标的变化趋势可知 个雨量站的降水变化趋势基本一致即 年的降水呈现增加趋势 这种一致的变化过程表明在大尺度环流系统的背景下气象因子对降水的影响基本相同整个大气环流对研究区城区和郊区降水的影响总体上是一致的 因此可以认为长三角核心城市群城区和郊区的降水差异主要是由城市化因素造成的.城市化对降水变化趋势的影响图 为苏浙沪城区和郊区降水时间序列的线性回归结果可以看出上海、江苏和浙江的城区和郊区的汛期总降水量和后汛期极端降水量均呈现增加的趋势这与前文分析的结果一致说明 年以后长三角核心城市群降水总体呈增加趋势 苏浙沪城区和郊区汛期总降水量增加速率分别为每 年.和.、.和.、.和.后汛期极端降水量的增加速率分别为每 年.和.、.和.、.和.城区降水指标的增加速率几乎都高于郊区说明城区降水的增速在一定程度上高于郊区另外为了探究地形因素对汛期降水的影响将浙江省的临安、富阳、桐庐、建德、淳安这 个分布在多山地地区的雨量站作为山区雨量站单独进行讨论分析结果如图 所示 浙江山区汛期总降水量和后汛期极端降水量的增加速率分别为每 年.和.对比前面的分析可知苏浙沪城区和郊区后汛期极端降水量的增加速率约占汛期总降水量增加速率的一半而浙江山区后汛期降水量的增加速率大约只占汛期总降水量增加速率的 说明浙江山区汛期降水的变化主要来源于前汛期另外地形可能在降水方面起着重要的影响作用.城市化对降水增长率的影响对研究区城区和郊区汛期总降水量的增长率进行统计并对其时间序列进行线性回归分析结果如图 所示 年苏浙沪城区和郊区汛期总降水量的增长率均呈现递减的趋势上海和江苏城区汛期总降水量增长率的递减速度比郊区更快出现这种结果的原因可能是自 年以来一些地区的城市用地比例已接近饱和而一些尚未发展充分的城市开始进入快速发展阶段从而对长三角核心城市群城区和郊区的降水差异产生影响 另外浙江城区汛期总降水量增长率的递减速度小于郊区结合对浙江山区汛期总降水量增长率时间序列的线性回归分析(图)可以发现浙江山区的汛期总降水量增长率的变化趋势和变化速度和浙江郊区相近地形的因素可能会影响降水增长率的变化对不同行政区城区和郊区的汛期和后汛期极端降水量的增长率进行线性回归分析得到各个地区不同指标的线性表达式如表 所示 上海和江苏城区和郊区的两个降水指标的增长率均呈现下降的趋势说明汛期和后汛期极端降水量虽然在增加但是增加的速度都在减小 浙江城区这两个降水指标的增长率均呈现上升趋势而郊区呈现下降的趋势说明浙江城区和郊区的降水差异在进一步扩大()上海城区()上海郊区()江苏城区()江苏郊区()浙江城区()浙江郊区图 上海、江苏和浙江城区和郊区汛期降水的时间变化趋势.图 浙江山区汛期降水的时间变化趋势.表 不同地区极端降水指标增长率的线性表达式 地区汛期极端降水量后汛期极端降水量上海城区 .上海郊区 .江苏城区 .江苏郊区 .浙江城区.浙江郊区浙江山区 .城市化对增雨系数的影响城市化是个连续的过程结合苏浙沪的统计年鉴以及相关的社会经济数据在研究序列划分为 个时间段的基础上整合成 年和 ()上海城区()上海郊区()江苏城区()江苏郊区()浙江城区()浙江郊区图 不同地区汛期总降水量增长率的时间变化趋势.图 浙江山区汛期总降水量增长率的时间变化趋势.年两个大时间段用增雨系数(即城区降水量与郊区降水量的比值)表示城区和郊区的降水差异且在计算每年增雨系数的基础上以每个大时间段的多年平均值代表此时间段的城区和郊区降水差异由表 和表 可知从第一个时间段到第二个时间段上海城区汛期总降水量、汛期极端降水量和后汛期极 端 降 水 量 的 增 加 率 分 别 为.、.和.郊区的增加率分别为.、.和.个降水指标增雨系数的增加率分别为.、.和.江苏城区汛期总降水量、汛期极端降水量和后汛期极端降水量的增加率分别为.、.和.郊区的增加率分别为.、.和.个降水指标增雨系数的增加率分别为.、.和.上海和江苏后期的增雨系数均大于前期且上海的所有增雨系数均大于 城市化对上海城区和郊区的降水差异产生更显著的影响 另外上海和江苏汛期极端降水量的增雨系数变化率大于汛期总降水量后汛期极端降水量的增雨系数变化率又大于汛期极端降水量也说明了城市化对降水影响效应的显著程度:后汛期极端降水量最大、汛期极端降水量次之、汛期总降水量最小 浙江地区汛期极端降水量以及后汛期极端降水量的增雨系数表现为后期小于前期造成这种结果的原因可能是南部山地的地形特点以及植被分布表 城市化对不同降水指标的影响 地区汛期总降水量/汛期极端降水量/后汛期极端降水量/年 年 年 年 年 年上海城区.上海郊区.江苏城区.江苏郊区.浙江城区.浙江郊区.表 城市化对增雨系数的影响 地区增雨系数汛期总降水量汛期极端降水量后汛期极端降水量 年 年 年 年 年 年上海.江苏.浙江.城市热岛形成的热岛环流在凝结核丰富、水汽充足等其他有利的天气形势下对流性降水和对流云更容易形成同时对暴雨也会产生诱导和强化作用 城市化导致建筑物越来越密集使城区的糙度大于郊区降水云系飘移到城区上空的速度会减慢滞留时间会增加这样的城市阻碍效应也会导致城区降水量增加 另外人类活动的加剧会影响城区的空气质量大气中的气溶胶粒子因凝结核效应会形成更多且尺度更大的水滴这些水滴在气流作用下转化成的冰晶会增加云层的厚度致使对流性强降水的产生 结 论.在空间尺度上极端降水阈值呈现从北向南逐渐减小的趋势 年以前降水的低值区域主要分布在研究区的北部 年之后研究区的东部地区成为降水低值区域降水低值区域几乎都在太湖附近.在时间尺度上长三角核心城市群的汛期总降水及极端降水均呈显著增加的趋势但极端降水的增幅更大表明汛期的极端降水对汛期总降水具有重要影响 此外后汛期降水变化对整个汛期总降水变化起主导作用.基于线性回归分析方法发现城区降水的增速基本高于郊区浙江山区汛期降水的变化主要来自前汛期苏浙沪城区和郊区汛期总降水量的增长率均呈现递减趋势上海和江苏城区降水增长率的递减速度大于郊区 基于增雨系数发现城市化对上海城郊降水差异的影响更为显著对不同降水指标的城郊差异影响程度表现为后汛期极端降水量最大、汛期极端降水量次之、汛期总降水量最小参考文献:张力赵自阳王红瑞等.气候变化下水文模拟不确定性若干问题讨论.水资源保护():.(.():.()荣艳淑魏佳陈虎等.长江流域径流对气候变化响应的定量分析.水资源保护():.(.():.()魏潇娜龙爱华尹振良等.和田河流域冰川径流对气候变化响应的模拟分析.水资源保护():.(.():.()张建云宋晓猛王国庆等.变化环境下城市水文学的发展与挑战:.城市水文效应.水科学进展():.(.:.():.().:():.:.:.():.何玉芬杨汉波唐莉华等.北大沙河流域径流变化归因分析.水资源保护():.(.():.().():.于志慧刘鹏飞何玉秀等.太湖平原高度城镇化下降雨特征时空变化研究.湖泊科学():.(.():.().:():.():.():.():.:.杨龙田富强孙挺等.城市化对北京地区降水的影响研究进展.水力发电学报():.(.():.().:.():.丁凯熙张利平宋晓猛等.北京地区汛期降雨时空演变特征及城市化影响研究.地理科学进展():.(.():.().:.:():.():.():.:.():.():.黄国如陈易偲.高度城镇化背景下珠三角地区降雨结构时空演变特征分析.水资源保护():.(.():.()杨海姜月华周权平等.太湖流域平原水文试验区降雨产流过程特征研究.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.().():.姜彤苏布达.长江流域降水极值的变化趋势.水科学进展():.(.():.()(下转第 页).():.()潘杰李书建胡尊乐等.流速分布规律在横向声学多普勒流量测验系统中的应用.水利信息化():.(.():.()程嫄嫄金晨曦.测流在巢湖流域水资源监测中的应用.水利信息化():.(.():.()刘墨阳蒋四维林云发等.复杂水情下 流量在线监测推流方法.水利水电科技进展():.(.():.()唐洪武黄淑君袁赛瑜等.长江 鄱阳湖交汇处三维水流结构研究.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()吴志勇徐梁唐运忆等.水文站流量在线监测方法研究进 展 .水 资 源 保 护():.(.():.()张泉荣谢运山王萍等.定点式横向声学多普勒流速剖面 仪 应 用 研 究 .水 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