城市化對上海市區(qū)域降水的影響水文

-.z.城市化對市區(qū)域降水的影響殷健1梁珊珊2(1.市水文總站,,2002322.市排水管理處,,200001)[摘要]隨著城市化進(jìn)程加快，城市局地氣候特征發(fā)生改變，降水的變化尤為顯著。采用同時期不同站橫向比照，不同時期同站縱向比照的方法對市城區(qū)及郊區(qū)代表雨量站1979－2007年降水時間序列進(jìn)展研究，分析說明城區(qū)的年降雨量、汛期降雨量、主汛期降雨量、月降雨量、工作日降雨量等均存在較明顯的增雨效應(yīng)，且降雨在年的分配有向主汛期集中的趨勢，城區(qū)的梅雨及臺風(fēng)雨增雨明顯，城市化對不同類型降雨的影響隨降水量級的升高而逐漸顯著。城市化使城區(qū)的強(qiáng)對流及災(zāi)害性天氣增多，防洪排澇壓力增大，在進(jìn)展城市規(guī)劃時應(yīng)充分予以考慮。[關(guān)鍵詞]城市化降水時間序列分析增雨系數(shù)市InfluenceofurbanizationonregionalprecipitationofShanghaiCityJianYin1ShanshanLiang2(1ThehydrologicalmasterstationinShanghai,200232,China2ShanghaiMunicipalDrainageAdministration,200001,China)[Abstract]Withtheacceleratedprocessofurbanization,somecharacteristicsofclimateinshanghaihaschanged,thePrecipitationchangeisparticularlysignificant.Byparingruralprecipitationwithurbanprecipitationatrepresentativestationindifferentperiods,basedontheanalysisofannualrainfalltimeseriesanalysis,wecanknowthatCity'sannualrainfall,therainfallseason,themainfloodseasonrainfall,therainfallonthatdayrainfall,andsothereismorepronouncedeffectofrainfall,Thedistributionofrainfallthisyearhasfocusedonthemainfloodseasontrend,therainyweatherandrainfalltoTaiwanobviously,distributionofannualrainfallandhefrequencyofallpatternsofrainfallprecipitationhasincreased.Urbanizationofthecitysothatthestrongconvectiveweatherandtheincreasedpressureoffloodcontroldrainage,townplanningshouldbefullytakenintoaccount.[Keywords]urbanizationprecipitationtimeseriesanalysisprecipitation-enhancementcoefficientShanghaicity1引言城市化是指人口向城市地區(qū)集中，致使城市區(qū)域不斷擴(kuò)大的過程[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口不斷增加，城市土地利用格局迅速變化。城市下墊面構(gòu)造改變及人類經(jīng)濟(jì)活動加劇共同作用從而直接或間接影響著城市氣候的動態(tài)變化，對城市局地氣候特征產(chǎn)生明顯作用，尤其是對降水的變化影響顯著[2]。是我國最大的城市和經(jīng)濟(jì)中心，地處長江三角洲東緣，位于我國南岸的中心，北界長江，東瀕東海，南臨灣，西接、兩省。全市面積6340.5km2。位于太湖流域，區(qū)域天然河港密布，水域面積697km2，相當(dāng)于全市總面積的11%。全境除西南部有少數(shù)殘丘外，全為坦蕩低平的長江三角洲沖擊平原的一局部，平均海拔高度4m左右。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季清楚，溫和濕潤，雨量充分，其氣候特征在長江和錢塘江之間平原地區(qū)具一定代表性。降水的年際波動顯著，其降水的多年變化特征對110°E以東、27－35°N圍的大陸地區(qū)有相當(dāng)廣泛的代表性[3]。研究城市化對市區(qū)域降水的影響，目的是進(jìn)一步了解人類活動導(dǎo)致的環(huán)境條件改變所引發(fā)的降水變化，為城市規(guī)劃、防洪排澇、環(huán)境保護(hù)等提供支持，并為研究太湖流域平原水網(wǎng)地區(qū)城市化對降水特征的影響提供參考。2城市化開展的城市化進(jìn)程初始于19世紀(jì)中葉，1978年后，城市化進(jìn)程顯著加快，城市化特征表現(xiàn)明顯。1978年市國民生產(chǎn)總值為272.81億元，2007增加至12188.85億元，年平均增長率為14%，其中第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重由1978的4.0%下降至2007的0.8%。1978年人口為1098.28萬人，2007年增加至1858.08萬人，年均增加26.2萬人，非農(nóng)業(yè)人口比重由58.7%上升至86.8%，人口密度由1732人/km2增長至2930人/km2，其中中心城區(qū)人口密度約為郊縣的1.9倍。3降水時間序列分析為探索城市化對市城郊降水特征的影響程度，選擇江灣站及夏字圩站分別作為城區(qū)及郊區(qū)的代表雨量站。江灣站位于東經(jīng)121°29′、北緯31°20′，處于城市副中心，城市化開展較快，夏字圩站位于東經(jīng)121°09′、北緯30°58′，處于農(nóng)村地區(qū)，城市化進(jìn)程緩慢。選取的降水時間序列為1979－2007年，采用同時期不同站橫向比照，不同時期同站縱向比照的分析方法。城市區(qū)域降水變化不僅受城市化因素影響，同時也受地形及區(qū)域氣候因素影響。在進(jìn)展城郊不同地區(qū)降水橫向比照時須消除地形因素的影響，屬于平原河網(wǎng)地區(qū)，全境地勢平坦，地形起伏對降水的影響根本可以忽略。在進(jìn)展同一地區(qū)降水歷史資料縱向比擬時須考慮區(qū)域氣候因素影響，通過繪制年降雨量及年汛期降雨量滑動平均曲線對江灣站及夏字圩站降雨時間序列進(jìn)展穩(wěn)定性分析。如圖1、2、3、4所示。圖1江灣站年降雨量過程線及滑動平均曲線(1979-2007)AnnualPrecipitationHydrograpgyandSildingAverageCurvesofJiangwanStation圖2夏字圩站年降雨量過程線及滑動平均曲線(1979-2007)AnnualPrecipitationHydrograpgyandSildingAverageCurvesof*iaziweiStation圖3江灣站年汛期(5-9月)降雨量過程線及滑動平均曲線(1979-2007)AnnualFloodSeasonPrecipitationHydrograpgyandSildingAverageCurvesofJiangwanStation圖4夏字圩站年汛期(5-9月)降雨量過程線及滑動平均曲線(1979-2007)AnnualFloodSeasonPrecipitationHydrograpgyandSildingAverageCurvesof*iaziweiStation江灣站和夏字圩站3年及5年降雨量滑動平均曲線說明兩站年降雨及汛期降雨的時間序列比擬穩(wěn)定，因此在進(jìn)展不同時期降雨比照時可根本忽略區(qū)域氣候變化造成的影響。以1979－1982年江灣站和夏字圩站年平均降雨量及年汛期平均降雨量為標(biāo)準(zhǔn)，計算1983－2007年兩站各時期年平均降雨量相對偏差及年汛期平均降雨量相對偏差，見表1、2。表1江灣站年平均降雨量及年汛期(5-9月)平均降雨量累計相對偏差統(tǒng)計表TheAccumulativeRelativeDeviationsofAverageAnnualandAverageFloodSeasonPrecipitationofJiangwanStation年份年平均年汛期平均降雨量(mm)相對偏差(%)累計偏差(%)降雨量(mm)相對偏差(%)累計偏差(%)1979-19821084.500646.3001983-19861241.014.4314.43806.724.8224.821987-19901013.9-6.517.92618.4-4.3220.501991-19941146.05.6713.59731.313.1533.651995-19981199.110.5724.16760.117.6151.261999-20031369.426.2750.42865.033.8485.102004-20071184.39.2059.62725.312.2197.31表2夏字圩站年平均降雨量及年汛期(5-9月)平均降雨量累計相對偏差統(tǒng)計表TheAccumulativeRelativeDeviationsofAverageAnnualandAverageFloodSeasonPrecipitationof*iaziweiStation年份年平均年汛期平均降雨量(mm)相對偏差(%)累計偏差(%)降雨量(mm)相對偏差(%)累計偏差(%)1979-1982945.300549.5001983-19861127.919.3219.32724.131.7631.761987-19901162.622.9942.31728.032.4864.241991-19941186.325.4967.80706.528.5692.801995-19981098.516.2184.02627.214.13106.931999-20031100.816.46100.47647.317.78124.722004-2007896.4-5.1795.30508.0-7.56117.16隨著城市化開展，年降雨及年汛期降雨均有增大的趨勢，根據(jù)對城市化進(jìn)程的分析，將1979－2007年降水時間序列劃分為1979－1990年、1991－1998年、1999－2007年3個階段。4城市化對降雨量的影響繪制江灣站和夏字圩站1979－2007年年降雨量、年汛期〔5－9月〕降雨量、年主汛期〔7－8月〕降雨量雙累計曲線分析城市化進(jìn)程對降雨量的影響。如圖5、6、7所示。圖5江灣站及夏字圩站年降雨量雙累計曲線(1979-2007)DoubleAccumulatedCurveofAnnualPrecipitationofJiangwanand*iaziweiStations圖6江灣站及夏字圩站年汛期(5-9月)降雨量雙累計曲線(1979-2007)DoubleAccumulatedCurveofAnnualFloodSeasonPrecipitationofJiangwanand*iaziweiStations圖7江灣站及夏字圩站年主汛期(7-8月)降雨量雙累計曲線(1979-2007)DoubleAccumulatedCurveofAnnualMainFloodSeasonPrecipitationofJiangwanand*iaziweiStations隨著城市化開展，雙累計曲線有偏離對角線的趨勢且斜率不斷增大，汛期特別是主汛期尤其明顯，顯示城區(qū)的年降雨量、年汛期降雨量、年主汛期降雨量均隨城市化進(jìn)程增加。降水序列的波動主要來自于周期性、趨勢性、噪聲，城區(qū)及郊區(qū)降水可認(rèn)為是兩個條件類同的實驗單元，其周期性及趨勢性根本一致，而噪聲則包含了城市化影響的信息。因此可通過對江灣站和夏字圩站1979－2007年降水序列進(jìn)展平均值成對二樣本分析來檢驗城市化對降水的影響程度。＝－設(shè)來自正態(tài)總體，，，，顯著性水平為，檢驗假設(shè)：檢驗統(tǒng)計量服從分布：檢驗拒絕域：對于給定的，當(dāng)時拒絕假設(shè)。設(shè)＝0.05，對江灣站和夏字圩站年降水序列進(jìn)展假設(shè)檢驗：拒絕原假設(shè)，因此可認(rèn)為兩者的年降雨量存在顯著性差異。設(shè)＝0.05，對江灣站和夏字圩站年汛期降水序列進(jìn)展假設(shè)檢驗：拒絕原假設(shè)，因此可認(rèn)為兩者的年汛期降雨量存在顯著性差異。設(shè)＝0.05，對江灣站和夏字圩站年主汛期降水序列進(jìn)展假設(shè)檢驗：拒絕原假設(shè)，因此可認(rèn)為兩者的年主汛期降雨量存在顯著性差異。定義增雨系數(shù)K增＝P市/P郊，分別計算不同時期江灣站和夏字圩站年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量及月平均降雨量的增雨系數(shù)。詳見表3。表3江灣站及夏字圩站不同時期年平均降雨量年汛期(5-9月)平均降雨量年主汛期(7-8月)平均降雨量增雨系數(shù)AverageAnnualandAverageFloodSeasonandAverageMainFloodSeasonPrecipitationandIncrementofJiangwanand*iaziweiStationsinDifferentPeriods時期年平均降雨量(mm)增雨系數(shù)K年增江灣夏字圩1979-19901113.21078.61.0321991-19981172.61142.41.0261999-20071287.11010.01.2741979-20071183.51074.91.101時期年汛期平均降雨量(mm)增雨系數(shù)K年汛期增江灣夏字圩1979-1990690.5667.21.0351991-1998745.7666.91.1181999-2007802.9585.41.3721979-2007740.6641.71.154時期年主汛期平均降雨量(mm)增雨系數(shù)K年主汛期增江灣夏字圩1979-1990318.8299.81.0641991-1998344.9285.81.2071999-2007324.9212.51.5291979-2007352.7268.81.312各時期江灣站年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量均大于夏字圩站，增雨系數(shù)有增大的趨勢，主汛期尤為明顯，1979－2007年年平均降雨量、年汛期平均降雨量、年主汛期平均降雨量增雨系數(shù)分別為1.101、1.154、1.312最大增雨系數(shù)分別到達(dá)1.274、1.372、1.529，所處時期均為城市化進(jìn)程迅速開展的1999－2007年。詳見表4。表4江灣站及夏字圩站不同時期月平均降雨量增雨系數(shù)AverageMonthlyPrecipitationandIncrementofJiangwanand*iaziweiStationsinDifferentPeriods增雨系數(shù)K月增1979-19901991-19981999-20071979-20071月1.0730.9911.1591.0762月1.0510.8781.0240.9993月0.9160.8881.1110.9524月0.9500.7111.0440.9135月1.0030.8731.0420.9826月1.0410.9681.1171.0457月1.1241.1411.9391.2568月0.9941.8611.7671.4699月0.9870.6621.1970.95510月1.1371.0841.3341.17011月1.2120.8771.1961.12012月1.1010.9481.2911.116月平均增雨最明顯的時期為1999－2007年，江灣站12個月的月平均降雨量均大于夏字圩站。在年分配上，月平均增雨系數(shù)7、8月份最大，1979－2007年7、8月份的月平均增雨系數(shù)分別為1.256及1.469，最大增雨系數(shù)分別到達(dá)1.939及1.767且均處于1999－2007年時期。最小增雨系數(shù)出現(xiàn)在1991－1998年9月份，是因1991及1993年郊區(qū)兩場局地暴雨所致。城市化對降雨量的影響汛期(5-9月)大于全年，其中尤以主汛期(7－8月)最為明顯，主要原因是此時正處于臺風(fēng)活動頻繁和氣溫最高時期，城市的熱島效應(yīng)及阻礙效應(yīng)比擬顯著所致。工作日的城市生產(chǎn)活動及污染排放相比非工作日明顯增加，城市的熱島效應(yīng)及凝結(jié)核效應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)，人類活動對降水的影響工作日比非工作日更顯著。將1979－2007年降水時間序列分為1979年1月－1995年4月〔工作日為星期一至星期六〕及1995年5月－2007年12月〔工作日為星期一至星期五〕兩個時期進(jìn)展統(tǒng)計分析。詳見表5。表5江灣站及夏字圩站工作日平均降雨量統(tǒng)計表TheStatisticsofAverageWorkingDayPrecipitationofJiangwanand*iaziweiStations時期雨量站工作日平均降雨量(mm)增雨系數(shù)K工作日增1979年1月-1995年4月(工作日星期一至星期六)江灣3.091.013夏字圩3.051995年5月-2007年12月(工作日星期一至星期五)江灣3.331.184夏字圩2.81統(tǒng)計說明，1979年1月－1995年4月期間江灣站與夏字圩站工作日平均降雨量相差不大，1995年5月-2007年12月期間隨著城市化加快，兩站工作日平均降雨量差異顯著，增雨系數(shù)到達(dá)1.184。5城市化對降雨年分配的影響地區(qū)降水主要集中在汛期〔5－9月〕，降雨量約為全年降雨量的6成，其中主汛期〔7－8月〕降雨量約占汛期降雨量的一半。見表6，圖8、9。表6江灣站和夏字圩站不同時期汛期(5-9月)及主汛期(7-8月)降雨占全年比重PercentageofAverageFloodSeasonandAverageMainFloodSeasonPrecipitationtoAverageAnnualPrecipitationofJiangwanand*iaziweiStationsinDifferentPeriods時期雨量站汛期降雨占全年比重(%)主汛期降雨占全年比重(%)1979-1990江灣62.0328.641991-199863.6035.581999-200762.3830.051979-200762.5831.011979-1990夏字圩61.8627.791991-199858.3725.021999-200757.9621.041979-200759.7025.01圖8江灣站及夏字圩站汛期(5-9月)降雨量占全年降雨量百分比變化曲線(1979-2007)CurveofPercentageofFloodSeasonPrecipitationtoAnnualPrecipitationofJiangwanand*iaziweistations圖9江灣站及夏字圩站主汛期(7-8月)降雨量占全年降雨量百分比變化曲線(1979-2007)CurveofPercentageofMainFloodSeasonPrecipitationtoAnnualPrecipitationofJiangwanand*iaziweistations同時期江灣站汛期降雨量占全年比重略高于夏字圩站，主汛期降雨量占全年比重顯著高于夏字圩站。不同時期江灣站汛期降雨量占全年比重根本穩(wěn)定，主汛期降雨量占全年比重呈明顯上升趨勢，降雨年分配具備向主汛期集中的趨勢，夏字圩站汛期及主汛期降雨量占全年比重均呈明顯下降趨勢。6城市化對不同類型降雨的影響按江灣站及夏字圩站1979年－2007年的日降雨量按降雨強(qiáng)度分為小雨〔P<10mm〕、中雨〔10mm≤P<25mm〕、大雨〔25mm≤P<50mm〕、暴雨〔50mm≤P<100mm〕、大暴雨〔100mm≤P<250mm〕、特大暴雨〔P≥250mm〕等6個等級，統(tǒng)計不同時期各類型降雨的雨日數(shù)。詳見表7。表7江灣站及夏字圩站不同時期各類型降雨雨日頻數(shù)比值DayNumbersofDifferentTypeofPrecipitationandFrequencyRatioofJiangwanand*iaziweiStations時期雨量站雨日數(shù)(天)小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨1979-1990江灣10742891003210夏字圩10342581052540頻數(shù)比值1.0391.1200.9521.2800.2501.0001991-1998江灣659184762040夏字圩722210621650頻數(shù)比值0.9130.8761.2261.2500.8001.0001999-2007江灣672248763260夏字圩721202721720頻數(shù)比值0.9321.2281.0561.8823.0001.0001979-2007江灣240572125284110夏字圩247767023958110頻數(shù)比值0.9711.0761.0541.4481.0001.000從降雨類型上分析，小雨雨日數(shù)江灣站與夏字圩站的頻數(shù)比值根本小于1，這是由于地區(qū)雨量小于10mm的降水一般發(fā)生在非汛期的10月－4月，期間城市熱島效應(yīng)較弱，城市阻礙效應(yīng)因無大的降水而減弱，城市凝結(jié)核效應(yīng)因缺乏必要的水汽輸送條件，云系易于隨風(fēng)擴(kuò)散消失，不易形成單獨降水從而難以發(fā)揮效應(yīng)，因此城市化對小雨的影響不明顯。中雨及大雨雨日數(shù)江灣站與夏字圩站的頻數(shù)比值根本大于1，城市化影響開場顯現(xiàn)。暴雨雨日數(shù)江灣站與夏字圩站的頻數(shù)比值明顯大于1，城市化對暴雨影響顯著。當(dāng)降雨量到達(dá)大暴雨時，江灣站與夏字圩站的雨日數(shù)總體持平，這是由于大暴雨的雨量大，持續(xù)時間長，影響圍廣，城市化影響相對減弱。此外1979－2007年期間江灣站及夏字圩站均無特大暴雨雨日?？傮w而言城市化對不同類型降雨的影響隨雨量增大而逐漸顯著。從不同時期上分析，1999-2007年為城市化進(jìn)程迅速開展的時期，期間除小雨外的各類型降雨的雨日數(shù)城區(qū)大于郊區(qū)的特征顯著。地處長江中下游地區(qū)，當(dāng)東亞大氣環(huán)流處在春夏之交季節(jié)轉(zhuǎn)變期間時，大體上呈東西向的主要雨帶南北位移，6月中旬后，雨帶維持在江淮流域，形成一個雨期較長、雨量較集中的雨季。地區(qū)梅雨季節(jié)一般為6月中、下旬至7月上、中旬，期間降水連綿不斷，雨量時大時小，溫度高濕度大，梅雨期降雨量約占全年降雨量的20%，占汛期降雨量的30%。詳見表8。表8江灣站及夏字圩站梅雨期降雨量增雨系數(shù)(1999-2007)PlumRainsPrecipitationIncrementCoefficientofJiangwanand*iaziweiStations(1999-2007)年份梅雨時期雨日數(shù)(天)梅雨期降雨量(mm)增雨系數(shù)K梅雨增入梅出梅江灣夏字圩江灣夏字圩19996月8日7月20日2927717.6702.71.02120006月19日7月2日8777.483.50.92720016月17日6月27日99220.5217.01.01620026月19日7月10日1615206.5210.00.98320036月21日7月12日108157.560.52.60320046月15日7月16日1514260.5120.02.17120056月27日6月29日3367.514.54.65520066月13日7月12日1315186.5112.51.65820076月21日7月18日1210301.5139.02.1691999－2007年期間，78%的梅雨期存在增雨，平均增雨系數(shù)為1.912，最大增雨系數(shù)達(dá)4.655，城區(qū)增雨效應(yīng)顯著。近年來西北太平洋區(qū)域每年形成約20－25個臺風(fēng)，其中局部對影響較大，臺風(fēng)經(jīng)過時常伴隨著大風(fēng)和暴雨天氣，對城市海塘防潮、提防防汛、澇排水等造成很大的壓力。詳見表9。表9主要臺風(fēng)期間江灣站和夏字圩站增雨系數(shù)(1999-2007)MainTyphoonPrecipitationIncrementCoefficientofJiangwanand*iaziweiStations(1999-2007)編號名稱增雨系數(shù)K臺風(fēng)增200004啟德0.929200008杰拉華2.067200012派比安2.755200014桑美3.793200102飛燕1.585200205威馬遜1.187200216森拉克1.000200407蒲公英1.670200414云娜(已除名)0.889200421海馬0.778200505海棠0.967200509麥莎(已除名)1.458200515卡努0.897200604碧利斯(已除名)1.100200709圣帕0.080200713韋帕1.306200716羅莎1.1331999－2007年期間，影響的主要臺風(fēng)有17個，59%的臺風(fēng)雨存在增雨，平均增雨系數(shù)為1.388，最大增雨系數(shù)達(dá)3.793，城區(qū)阻礙效應(yīng)對臺風(fēng)雨造成了較明顯影響。7城市化影響降水的機(jī)制分析城市降水的形成機(jī)理十分復(fù)雜，城市化對降水的影響機(jī)制主要有城市熱島效應(yīng)、城市阻礙效應(yīng)、城市凝結(jié)核效應(yīng)等[4]。城市化開展造成城區(qū)下墊面不透水面積增加，含水量減少，而城區(qū)建筑材料熱容量大，易于儲熱，不利散熱，同時人類生活生產(chǎn)活動向空中釋放了大量熱量，形成巨大的人為熱源，多種因素綜合作用造成城區(qū)氣溫高于郊區(qū)，進(jìn)而形成城市熱島。城市熱島效應(yīng)促使城區(qū)上空的大氣層構(gòu)造變得不穩(wěn)定，易于產(chǎn)生熱力對流，當(dāng)有云團(tuán)遷移至城區(qū)上空時，熱力對流作用使云團(tuán)加速開展，假設(shè)此時空氣中水汽