基于EOF分解的辽宁省城市化气候效应检测
发布时间：2022-01-11 07:47
论文利用1961—2017年逐日气象数据以及社会经济数据,构建新的城市化指标,分析了城市化对辽宁气候变化的影响。研究表明:辽宁省气温呈显著增加趋势,国家站增温速率明显快于乡村站;城市化对平均最低气温影响最显著,平均气温次之,平均最高气温相对较弱;就四季而言,秋季城市化影响贡献率最大,冬季和夏季次之,春季相对较小。空间分布上,城市化影响高值区位于辽宁中部和西部地区,与辽宁省城市化发展水平基本吻合,城市化对气温的影响不是单一的,对于多数地区尤其是沈阳、大连等经济发展水平较高的地区,起到增温作用,但也对少数台站的升温起到了抑制作用。气温指标中,城市化对年和四季平均气温的影响最显著,对应模态均是第一模态,方差贡献率均在89%以上,空间相关性均通过显著性检验,其次是平均最低气温和日较差;季节变化特征上,冬季和春季的增温相对于秋季和夏季明显。降水指标基本对应第二模态,方差贡献率在9%～18%之间,城市化对气温的影响强于降水;结合时间系数,城市化效应表现为春季和冬季降水、大雨和暴雨日数略有增加,年、夏季、秋季降水、小雨、中雨日数减少。城市化对降水的影响表现出两面性,一方面使年降水和小量级降水减少,另...
【文章来源】：地理科学进展. 2020,39(09)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
辽宁省乡村站和人口密度空间分布
图2为1961—2017年辽宁省国家站和乡村站气温变化趋势差异的空间分布，即辽宁省城市化影响空间分布。可以发现，城市化进程导致平均气温和最低气温升高，且增加幅度高于最高气温，平均气温和最低气温的城市化影响介于-0.05℃/10 a～0.25℃/10 a和-0.09℃/10 a～0.50℃/10 a之间，温康民等[31]在对全国685个国家站1961—2015年平均气温序列中的城市化影响研究中指出，城市化影响明显存在于国家站地面气温资料中，华北地区、东北地区城市化影响较大，其值介于0.1℃/10 a～0.3℃/10 a之间，与本文研究结果比较接近。平均气温和平均最低气温的空间分布基本一致，城市化影响高值区位于辽宁中部和西部地区，南部和东部地区受城市化影响相对较小。其中铁岭的西丰、大连的庄河等地方为负值，即城市化使这些站点的平均气温和最低气温呈下降趋势，但强度很弱；个别站点城市化影响出现负值，可能是由于本文选取的参考站仍不一定是真正乡村站，并且乡村站本身不能完全排除人类活动的影响，乡村站所受的影响越大，检测的城市化影响也就越小，所以导致部分站点出现负值，不一定是城市化的负向影响。从图2b可看出城市化对最高气温的影响相对较小，高值区集中在南部和东部地区，和平均气温以及最低气温空间分布刚好相反，城市化影响介于-0.06℃/10 a～0.09℃/10 a之间，其中朝阳的建平、凌源、锦州的义县、黑山等地区均是负值。上述分析表明，辽宁省城市化影响空间分布与辽宁省城市化发展水平基本吻合，其中大连一直都是辽宁省GDP最高、城市化发展迅速的地区；沈阳、辽阳等地是辽宁中部城市群，是辽宁经济发展带，所以以沈阳和辽阳为辐射中心，会出现溢出效应。朝阳的城市化程度与增温不吻合可能是因为该区是干旱和半干旱地区，湿度低、水体少、绿化少，所以增温迅速，气候变率的影响大于城市化的影响。城市化对气温的影响不是单一的，对于多数地区起到增温作用，尤其是沈阳、大连等经济发展水平较高的地区；也对少数台站的升温起到了抑制作用，而这些台站地区多是乡村站和夜间灯光灰度低值区，这与郑有飞等[32]和高静等[33]的研究结果相一致。2.2 EOF空间模态对比分析
图3a为1985—2017年辽宁省标准化城市化因子第一模态特征向量空间分布，第一模态的方差贡献率为88.1%，整个辽宁省除了丹东和铁岭外呈一致正值，均表现出正向城市化趋势，结合对应的时间系数变化曲线来看(图4a),1985—2017年时间系数呈显著上升趋势，1995年之前为负值，之后为正值，说明从1995年以来，辽宁省城市化水平是不断增加的；从空间上看，2个高值中心分别位于沈阳和大连地区，辽宁省中部和南部城市化效应比较明显。结合辽宁省实际城市发展情况，可以发现标准化城市化因子第一模态的高值中心与辽宁省城市密集地带较一致，高值中心与辽宁省经济发展最快、城市化水平最高的城市基本吻合，因此辽宁省标准化城市化因子第一模态能较好的表征城市化发展的空间变化形势。本文选用的气候指标共25项，包括气温指标16项，降水指标9项，将气候指标距平场逐一进行EOF分解，前10个模态的累积方差贡献率均在95%以上，当气候指标的某个模态的高(低)值区空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布较一致，且空间相关性高，则认为该气候指标受城市化影响。图3给出了标准化城市化因子第一模态与几个气候指标典型模态的对比情况，可以发现，年平均气温第一模态特征向量空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布基本一致，高值中心位于沈阳和大连，高值区位于中部和南部，呈带状分布，从沈阳康平一直延伸到渤海海峡，低值中心位于朝阳、铁岭、丹东，整个辽宁省呈一致正值。结合时间系数(图4b)来看，1985—2017年时间系数呈显著上升趋势，平均气温明显升高。年平均气温第一模态对应的方差贡献率为89.6%，与标准化城市化因子特征模态空间相关性高达0.79，通过0.001的显著性检验，一致性较好，表明城市化发展导致辽宁省年平均气温增加。夏季平均最低气温第一模态的方差贡献率为81.2%，与标准化城市因子特征模态空间相关性为0.54，其空间分布呈现沈阳、大连地区为高值中心，铁岭和葫芦岛为低值中心，区域内为一致正值，结合时间系数(图4c)可以发现，受城市化影响夏季平均最低气温呈显著增加趋势。夏季降水量与标准化城市化因子相关性较好的为第二模态，方差贡献率为9.08%，空间相关性为0.59，空间分布上呈现多个高值中心，分别是沈阳、大连和辽宁西部地区，结合时间系数(图4d)来看，1985—2017年时间系数上下波动，无明显变化趋势。平均气温和夏季平均最低气温第一模态和夏季降水量的第二模态特征向量空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布较一致，且空间相关性高，该指标受城市化影响，是城市化的对应模态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]“源-汇”景观格局的热岛效应研究——以武汉市为例[J]. 高静,龚健,李靖业. 地理科学进展. 2019(11)
[2]城市化对南京气候影响的数值模拟研究[J]. 赵酉龙,周顺武,郑丹,罗俊伟,廖镜彪,刘璞. 气象与环境科学. 2019(02)
[3]国家基本/基准站地面气温资料城市化偏差订正[J]. 温康民,任国玉,李娇,任玉玉,孙秀宝,周雅清,张爱英. 地理科学进展. 2019(04)
[4]URBAN HEAT ISLAND EFFECT AND ITS CONTRIBUTION TO OBSERVED TEMPERATURE INCREASE AT WUHAN STATION, CENTRAL CHINA[J]. 贾文茜,任国玉,索南看卓,张盼峰,温康民,任永健. Journal of Tropical Meteorology. 2019(01)
[5]华北地区均一化地面气温序列中的城市化影响检测[J]. 金凯,王飞,夏磊,穆兴民. 地球环境学报. 2015(03)
[6]城市化进程对重庆北碚城郊气温变化的影响[J]. 吉莉,李强,张爽,马君,汪志辉,陈湘,司云燕,冉静. 气象科技. 2015(02)
[7]单次极端高温过程中城市热岛效应的识别[J]. 张雷,任国玉,任玉玉. 气候与环境研究. 2015(02)
[8]城市化对石家庄站日气温变化的影响[J]. 任国玉,张雷,卞韬,任玉玉,李娇. 地球物理学报. 2015(02)
[9]资料均一化对沈阳站气温趋势和城市化偏差分析的影响[J]. 李娇,任国玉,任玉玉,张雷. 大气科学学报. 2014(03)
[10]大气环流背景下城市化对长江中下游夏季温度的影响研究[J]. 郑有飞,傅颖,尹继福. 热带气象学报. 2014(02)
本文编号：3582402
【文章来源】：地理科学进展. 2020,39(09)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
辽宁省乡村站和人口密度空间分布
图2为1961—2017年辽宁省国家站和乡村站气温变化趋势差异的空间分布，即辽宁省城市化影响空间分布。可以发现，城市化进程导致平均气温和最低气温升高，且增加幅度高于最高气温，平均气温和最低气温的城市化影响介于-0.05℃/10 a～0.25℃/10 a和-0.09℃/10 a～0.50℃/10 a之间，温康民等[31]在对全国685个国家站1961—2015年平均气温序列中的城市化影响研究中指出，城市化影响明显存在于国家站地面气温资料中，华北地区、东北地区城市化影响较大，其值介于0.1℃/10 a～0.3℃/10 a之间，与本文研究结果比较接近。平均气温和平均最低气温的空间分布基本一致，城市化影响高值区位于辽宁中部和西部地区，南部和东部地区受城市化影响相对较小。其中铁岭的西丰、大连的庄河等地方为负值，即城市化使这些站点的平均气温和最低气温呈下降趋势，但强度很弱；个别站点城市化影响出现负值，可能是由于本文选取的参考站仍不一定是真正乡村站，并且乡村站本身不能完全排除人类活动的影响，乡村站所受的影响越大，检测的城市化影响也就越小，所以导致部分站点出现负值，不一定是城市化的负向影响。从图2b可看出城市化对最高气温的影响相对较小，高值区集中在南部和东部地区，和平均气温以及最低气温空间分布刚好相反，城市化影响介于-0.06℃/10 a～0.09℃/10 a之间，其中朝阳的建平、凌源、锦州的义县、黑山等地区均是负值。上述分析表明，辽宁省城市化影响空间分布与辽宁省城市化发展水平基本吻合，其中大连一直都是辽宁省GDP最高、城市化发展迅速的地区；沈阳、辽阳等地是辽宁中部城市群，是辽宁经济发展带，所以以沈阳和辽阳为辐射中心，会出现溢出效应。朝阳的城市化程度与增温不吻合可能是因为该区是干旱和半干旱地区，湿度低、水体少、绿化少，所以增温迅速，气候变率的影响大于城市化的影响。城市化对气温的影响不是单一的，对于多数地区起到增温作用，尤其是沈阳、大连等经济发展水平较高的地区；也对少数台站的升温起到了抑制作用，而这些台站地区多是乡村站和夜间灯光灰度低值区，这与郑有飞等[32]和高静等[33]的研究结果相一致。2.2 EOF空间模态对比分析
图3a为1985—2017年辽宁省标准化城市化因子第一模态特征向量空间分布，第一模态的方差贡献率为88.1%，整个辽宁省除了丹东和铁岭外呈一致正值，均表现出正向城市化趋势，结合对应的时间系数变化曲线来看(图4a),1985—2017年时间系数呈显著上升趋势，1995年之前为负值，之后为正值，说明从1995年以来，辽宁省城市化水平是不断增加的；从空间上看，2个高值中心分别位于沈阳和大连地区，辽宁省中部和南部城市化效应比较明显。结合辽宁省实际城市发展情况，可以发现标准化城市化因子第一模态的高值中心与辽宁省城市密集地带较一致，高值中心与辽宁省经济发展最快、城市化水平最高的城市基本吻合，因此辽宁省标准化城市化因子第一模态能较好的表征城市化发展的空间变化形势。本文选用的气候指标共25项，包括气温指标16项，降水指标9项，将气候指标距平场逐一进行EOF分解，前10个模态的累积方差贡献率均在95%以上，当气候指标的某个模态的高(低)值区空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布较一致，且空间相关性高，则认为该气候指标受城市化影响。图3给出了标准化城市化因子第一模态与几个气候指标典型模态的对比情况，可以发现，年平均气温第一模态特征向量空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布基本一致，高值中心位于沈阳和大连，高值区位于中部和南部，呈带状分布，从沈阳康平一直延伸到渤海海峡，低值中心位于朝阳、铁岭、丹东，整个辽宁省呈一致正值。结合时间系数(图4b)来看，1985—2017年时间系数呈显著上升趋势，平均气温明显升高。年平均气温第一模态对应的方差贡献率为89.6%，与标准化城市化因子特征模态空间相关性高达0.79，通过0.001的显著性检验，一致性较好，表明城市化发展导致辽宁省年平均气温增加。夏季平均最低气温第一模态的方差贡献率为81.2%，与标准化城市因子特征模态空间相关性为0.54，其空间分布呈现沈阳、大连地区为高值中心，铁岭和葫芦岛为低值中心，区域内为一致正值，结合时间系数(图4c)可以发现，受城市化影响夏季平均最低气温呈显著增加趋势。夏季降水量与标准化城市化因子相关性较好的为第二模态，方差贡献率为9.08%，空间相关性为0.59，空间分布上呈现多个高值中心，分别是沈阳、大连和辽宁西部地区，结合时间系数(图4d)来看，1985—2017年时间系数上下波动，无明显变化趋势。平均气温和夏季平均最低气温第一模态和夏季降水量的第二模态特征向量空间分布与标准化城市化因子的特征模态空间分布较一致，且空间相关性高，该指标受城市化影响，是城市化的对应模态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]“源-汇”景观格局的热岛效应研究——以武汉市为例[J]. 高静,龚健,李靖业. 地理科学进展. 2019(11)
[2]城市化对南京气候影响的数值模拟研究[J]. 赵酉龙,周顺武,郑丹,罗俊伟,廖镜彪,刘璞. 气象与环境科学. 2019(02)
[3]国家基本/基准站地面气温资料城市化偏差订正[J]. 温康民,任国玉,李娇,任玉玉,孙秀宝,周雅清,张爱英. 地理科学进展. 2019(04)
[4]URBAN HEAT ISLAND EFFECT AND ITS CONTRIBUTION TO OBSERVED TEMPERATURE INCREASE AT WUHAN STATION, CENTRAL CHINA[J]. 贾文茜,任国玉,索南看卓,张盼峰,温康民,任永健. Journal of Tropical Meteorology. 2019(01)
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[6]城市化进程对重庆北碚城郊气温变化的影响[J]. 吉莉,李强,张爽,马君,汪志辉,陈湘,司云燕,冉静. 气象科技. 2015(02)
[7]单次极端高温过程中城市热岛效应的识别[J]. 张雷,任国玉,任玉玉. 气候与环境研究. 2015(02)
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[9]资料均一化对沈阳站气温趋势和城市化偏差分析的影响[J]. 李娇,任国玉,任玉玉,张雷. 大气科学学报. 2014(03)
[10]大气环流背景下城市化对长江中下游夏季温度的影响研究[J]. 郑有飞,傅颖,尹继福. 热带气象学报. 2014(02)
本文编号：3582402
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