城市化对中国东部浙江省夏季极端高温事件的影响外文翻译资料

城市化对中国东部浙江省夏季极端高温事件的影响

杨续超^1,2，陈冯²，祝炜平^3,4，滕卫平²

1. 浙江大学海洋学院，浙江 杭州310058；2.浙江气象科学研究院，浙江 杭州310008；3.杭州师范大学遥感与地球科学学院，浙江 杭州311121；4.浙江省城市湿地和区域变换重点实验室，浙江 杭州 311121）

摘要：虽然城市热岛(UHI)是证据确凿的现象,但文献中有相对较少的信息关于其对夏季极端高温事件(EHE)的影响。城市热岛的特点是温度增加，它可能增加城市极端高温事件发生的强度和持续时间。根据1971-2011年浙江省62个站点和1992-2010年国防气象卫星计划(DMSP)操作行扫描系统(OLS)的夜间卫星测量光图，我们分析了夏季极端高温事件的发生变化以及与快速城市化进程的联系。结果如下：（1）在过去20年，浙江经历了快速的城市化发展，特别是在2000年以后。（2）大多数站点的夏季平均最高温和每日最高温的第95百分位都增长了，显著发生在高度城市化地区，包括杭州湾、台州-温州地区和京华-义乌城市带。（3）高温日和高温日的成都，以35度的阈值或者每日最高温的第95百分位都可以定义，这表明与农村相比热岛效应对城市产生了额外的高温天气和热压力。这项研究的结果表明,热岛效应纳入为城市高温预测的一部分。

关键词：城市化；城市热岛；极端高温事件；夜间光线；浙江省

图书分类号：P423.3.6 文件标识码：A

doi: 10.16555/j.1006-8775.2015.03.009

1 简介

全球变暖增加了极端高温事件（EHEs）发生的频率、强度持续时间和空间范围（Meehl，2004），这已成为目前世界上最恶劣的天气或气候灾害之一。在市区，当地气候变化的最显著表现是城市热岛（UHI）的效应（Fan，2006）这可以强化局部的热负荷。极端高事件和城市热岛的协同作用可能对市区居民的健康风险产生显著影响（Tan，2010）。在20世纪70年代，美国的研究发现由于酷暑引发的死亡大多发生于城市地区，并且城市中死亡率较高可能是由于当地城市化进程使气候改变。夜间城市热岛增加了城市内热量的持续时间和强度。由于缺乏晚上热应力的充分缓解，城市居民会经历不分昼夜的酷暑（Clarke，1972）。我们从极端高温事件中得到的一个重要教训是：城市热岛效应应该纳入城市高温预报范畴（Changnon，1996）。2003年8月期间，利用卫星测得的地表温度，证实了夜间城市热岛热应力强度和对巴黎市区相关死亡率的影响。在上海类似的结果表明，与周边农村地区相比，城市热岛增加了城市地区酷暑日的发生率，强度和持续时间。上述所有的研究都表明，在城市地区的极端高温事件中，城市热岛和死亡率之间有密切关系。因此，准备高温预测、进行城市高温风险评估、进行城市规划时应该考虑城市热岛效应（Zhang，2011）。

随着过去10年极端高温事件发生频率的增加，城市化对极端高温事件的的影响引起了广泛的关注。根据观测，一些研究发现在极端高温天气期间城市热岛效应会更强（Zhou，2010），并且在极端高温天气期间城市热岛对健康的影响会被放大（Patz，2005）。除此之外，酷暑期间城市热岛会加强热应力，而在长期的范围内“城市干岛”效应可以抵消部分城市热岛的影响，城市化也显著地增加了夏季高温天的数量。城市极端高温时间的增加也和城市独特的空间结构和城市化进程有关。例如，极端高温事件更频繁的发生于庞大的城市而不是紧凑的城市，并且极端高温在经历了快速城市化的地区显著上升。除了上述的观察研究，利用WRF/UCM模型模拟了极端高温事件并成功的代表了夜间城市热岛的分布和发展。Yang等人把WRF/UCM模型应用于2000-2009的南京夏季，发现极端高温事件更频繁的发生于城市。Wang等人模拟三个中国广大城市群城市化对区域气候的的影响，发现酷暑期间城市热岛效应显著加剧了热应激。最近的一次模拟结果还表明，市区与周围农村地区相比，在未来气候变化中会更容易受到热应激，并且城乡之间的热应激对比在夜间和在中纬度和亚热带地区最为明显（Fischer，2012）。

尽管许多研究已经对城市热岛效应的时空特征和城市化对长期气温变化的影响进行了研究，但几乎没有研究关于单一城市规模对极端高温事件的影响，并且对在何种程度上城市群的发展会影响极端高温事件知之甚少。浙江地处中国东部沿海，并该区域的极端高温事件与西太平洋副热带高压密切相关。与此同时，浙江在过去的二十年经历了快速的城市化，并在这一地区的城市热岛效应也可能有助于极端高温事件的变化。在现阶段的研究中，卫星测量的夜间光数据用于反映城市扩张的过程和城乡类型的分类气象台站。通过分析1971-2011夏季每日最高温数据，研究了极端高温事件的变化和城市化进程的关系。这个研究的结果能够为城市极端高温的预报和制作区域适应气候变化战略提供科学依据。

2 材料和方法

2.1 数据来源

DMSP/OSP夜间光数据，是美国国防部的国防气象卫星计划（DMSP）业务线扫描系统（OLS）具有晚上检测低水平的、接近可见的红外辐射的独特功能，使得它可以检测城市灯光、气体燃烧和火灾。该DMSP/OSP夜间灯光（NTL）图像含有与人口和城市分布密切相关的综合信息，如道路和居住区的位置，因此可以成为一个用于评估城市化进程的工具。美国国家地球物理数据中心的国家海洋和大气管理局提供了1992-2010之间1公里分辨率的稳定复合光。由于这些稳定夜间灯光通过不同年代不同卫星的不同的传感器收集，原始数据缺乏可比性，并且由于缺乏校准不能直接用于时间分析。在目前的研究中，相对辐射校正用Elvidge的方法来消除这些因素引起的差异（Elvidge，2009），从而对时间序列分析实施比较。

观测的温度数据，是在1971至2011年间5月至9月，使用了来自浙江省70个气象观测站日的最高气温资料。具有连续的、长期的缺少记录的八个站点从数据集中移除。其结果是，对来自62个站的每日最高温度数据进行了研究。使用了线性插值方法对62站点中的短期缺失值进行估计。

2.2 高温天气的定义

高温天通常被定义为最高气温ge;35℃的日子。然而，在不同的气候带，人们适应高温的能力有很大的不同。因此，高温天气的阈值应考虑地区差异。以往的研究表明，由于人体的热适应能力（Wolfe，2001），酷暑期在初夏发生的危害显著高于夏末。对高温日（35℃以上）的简单的定义可能会破坏在初夏的热效应。因此，我们使用了由德拉-玛塔提出天高温日的定义（Della-marta，2007）。使用了1971至2000年之间，在6-8月期间92天中的每一天的日最高气温数据，从15天的样本计算（这一天的两侧都有7天）一个第95个百分位。这给出了从计算出的第95百分位的450天样品。因此高温天被定义为，某日最高气温超过了6月至8月期间长期每日最高气温的第95百分位。高温的度由每日最高气温与第95百分位之差估算。

例如，图1显示了浙江省的省会杭州，在2003年每天最高温第95个百分位，它在不同的季节变化大概是4℃。每天的第95百分位在夏季的开始和结束时稍低，并且在7月27日达到37.8℃的最高值。大多数的浙江站点显示，每日第95百分位出现了类似于如图1的变化。为了比较高温日的不同定义，35℃的阈值也应用于了这个研究。

图1 2003年测量到的杭州市每日最高温的时间序列。短虚线表示每日最高温的第95百分位，粗的黑色虚线表示夏季每日最高温的平均值，黑色的菱形点表示高温日。

2.3 城市和乡村地区的分类

这个分类方法是由Yang等人提出来的，以DMSP/OSL夜间灯光30的阈值来区分城乡站点。一个站的类型由与周围站7公里半径圆形区域夜间光值的平均值来确定。如果它超过30，该站被分类为一个城市站；否则，它被列为农村站。最后，全省被划分为31个城市站和31个乡村站。

3 结果

3.1 浙江省的城市化进程

在20世纪70年代末，中国开始了经济改革和对外开放政策，浙江省经历了一个快速的城市化过程。它的城市用地在1992至2010年间扩张。基于DMSP/OSL夜间数据显示，在20世纪90年代初城市呈现点状分布。杭州、宁波、温州、绍兴和嘉兴都是城市扩张后独立的中心（图二a）。经历了二十年的发展后，城市中心的数量急剧增加，并且有着连续城市区域的三个城市带出现了，分别是环杭州湾区域、温州-台州沿岸和金华-义乌区域（图二b）。在1992-2010期间，来自多个DMSP/ OLS卫星（图3）的国际校准总和夜间灯光显示，城市化进程在2000年以后显著加快。从1992至2000年夜间灯光的累计值从270000增加到了670000，而在2010年急剧扩张后提高到了1320000。随着城市的扩张和人口的集中，城市热岛效应更加严重，可能提高夏季极端高温事件发生的频率和强度。

3.2 夏季气温的变化

可以看出，在1971至2011年期间，62个站点在夏季的每日最高温度的平均值和第95百分位大都增加。只有两个站点，开化和淳安，呈现下降趋势。在杭州湾地区的高城市化水平的城市温州、台州，最高温的平均值和第95百分位上升更显著。 然而，低城市化水平的城市和东海岸的岛屿上升的比较缓慢。每日最高温度的均值和第95百分位分别在城市分别增加0.44℃/（10a）和0.55℃/（10a），在农村分别增加了和0.27℃/（10a）和0.36℃/（10a）。这些结果表明，城市热岛不仅对夏季平均温度造成较大的增长，还对最高气温极端值有较大增长，这意味着极端高温事件更频繁地以较大的强度发生在市区。

图2 浙江省从1992（a）年至2010（b）年的城市区域扩张情况

图3 浙江省1992-2010期间，来自于DMSP/OSL的夜间灯光值的国际校准累计数字号码，每个卫星指定一个号码，如F10为DMSP卫星10号

3.3 城市化对以第95百分位定义高温日的影响

大多数浙江省的台站在1971至2011年之间，极端高温事件的频率和强度有所增加，尤其是在杭州湾和温州-台州这些具有较高城市化水平的地区（图5）。平均高温天数和高温度在农村站增加2.0d/（10a）和2.3℃d /（10a），而城市站点的值上升5.3d /（10a）和4.2℃d /（10a）。结果表明，气候变暖导致极端高温事件的发生频率普遍提高。随着城市的扩张和加剧的城市热岛效应，以及城市热岛效应和酷暑的综合影响，城市中更频繁的出现极端高温事件。

高温日的数量在1971-2011年之间，在城市和农村都显示出了增加趋势（图6）。2000年以后，极端高温事件出现的更加频繁。2001-2011的高温天的年均值为13.5d/a，比2000年以前30年的平均值大得多，这可能主要归因于全球变暖。在20世纪70年代，城市和农村之间的高温天数几乎没有差别。80年代中期以后，在城市的极端高温事件比农村发生的更加频繁。

2005年以后，城市比农村的高温天数大得多，这可能与同一时期浙江省快速城市化进程有关。

图4 （a）DMSP/PLS显示的2010年夏季平均夜间光的空间格局，（b）和浙江省在1971-2011年期间每日第95百分位分布情况。圆圈表示95%的显著性水平。

图5（a） DMSP/PLS显示的2010年高温日的空间格局和（b）高温天气度的空间格局，基于了浙江省在1971-2011年期间每日第95百分位分布情况。圆圈表示95%的显著性水平。

图6 1971-2011年浙江省城乡站点年平均高温日的的变化

3.4 城市化对以35°C定义高温日的影响

为了便于比较，对以35℃的阈值定义高温日进行了分析。它显示了以第95百分位为标准（图7）相类似的结果。高温日的平均数量在农村站和城市站分别上升2.7 d/（10a）和4.2d /（10a），并且热度分别增加了6.0℃d/（10a）和9.4℃d /（10a）。研究结果还表明，极端高温事件更频繁地以更大的强度发生在市区。

图8显示了2001年至2011年和1971至2000年期间，年平均高温天在35℃以上的的差异。在临东海岸岛屿上高温天数的变化很小，是由于海水有更高的热容量。由于气候变暖，几乎所有内陆站点的高温天数（35℃以上）都增加了。这三个城市带表现出高温日数量的最显著上升。相较于1971 - 2000年的阶段，在过去11年来高温日在城市增加了8.49天，在农村增加了12.01天。所有这些结果表明，热岛效应和气候变暖的综合效应增加了极端高温事件发生的频率和强度，并且对夏季期间城市居民产生了极大的负面影响。

图7 和图5表示内容一样，但高温日的定义是大于35℃

图8 DMSP/OLS在2010年的夜间光数据，以及2001-2011和1971-2000之间在35℃以上平均高温日的差距

4 结论和讨论

基于1992-2010年期间浙江省62个站点的记录，以及1992-2010期间来自于DMSP/OLS的卫星测量夜间光图像，可以得出如下结论。

1. 在过去的20年，浙江经历了快速的城市化过程，特别是2000年以后。目前已经形成了三个城市带，分别是：杭州湾地区、温州-台州沿岸、京华-义乌地区。
2. 大部分站点的夏季平均最高温和夏季每日最高温的第95百分位，在1971-2011年期间都有上升，特别是高度城市化的地区有显著上升，例如杭州湾和温州-台州沿岸。城市化的影响使每日最高温的平均值上升了0.17℃/（10a），使每日最高温的第95百分位改变了0.19℃/（10a）。
3. 气候变化导致了极端高温事件的增加，特别是在快速城市化的地区。同时，城市热岛效应对城市站产生了热力影响，使

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