北京城市热岛效应对气温和降水量的影响

第-.卷第/期自然资源学报!

北京城市热岛效应对气温和降水量的影响

张玲１，徐宗学１＊，阮本清２

（.E北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室，北京.0054/；

-E中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京.000II）

摘要：借助非参数J;DD9KFDG;==统计检验方法，对北京市-0个气象站II年（.21.—-00I年）的逐月平均气温和降水资料进行了较为详细的分析。结果表明：!时间上，II年来北京市气温呈持续上升趋势，跃变后增温趋势更加显著，而降水量呈下降趋势；通过分析/年-0世纪50年代为跃变点，

滑动平均演变图发现，对气温而言，市区增温趋势明显高于郊区，市区和郊区II年来分别以

降水量从总体上来说II年来城、郊差异不大，市区和郊区II0EIILM.0;和0E0.LM.0;的趋势递增，

年来分别以.E5-::M;和.EI2::M;的趋势递减。

市区内增温幅度大于郊区；对降水量而言，.、I、4、.0月在市区均存在一个闭合的暖中心，.、I、4、.0月

在市区和佛爷顶一带均存在着上升中心，降水量呈现上升的趋势，这可能与城市热岛效应的影响有关。关键词：北京；气温；降水量；热岛效应；J;DD9KFDG;==检验

文献标识码：&文章编号：.000370746-00180/304I13.0中图分类号：NI17E-

世界城市化发展的经验表明，城市化快速发展是任何一个国家或地区无法逾越的阶段O.P。

北京的城市建设取得了重大进展，城市的繁荣和经济的发展给北京带-0世纪50年代以来，

来了令人瞩目的变化。高大建筑如雨后春笋拔地而起，在市中心形成了一层层围起的高高的立体建筑物。大城市上述特殊的下垫面改变和城市中的人类活动影响形成了一种有别于周

城市的发展改变了原有的自然条件，如大部分原有的自然植边地区的大城市3郊区小气候，

被为建筑物、沥青或水泥马路所代替，人们的生产和生活增加了额外的热量，城市工业排放大量烟尘、气溶胶等，这些对城市的气温和降水等气候要素都将产生一定的影响。

近几十年来，关于北京城市气候的研究已有多篇论文发表，城、郊温差扩展趋势已被证明O-P。例如，徐兆生等研究发现，北京市.月平均气温为3-EIL，比东郊高-EILO7P；张光智等在对北京及周边地区城市尺度热岛特征的研究指出，北京城区与郊区温度是同位相升降，且郊区温度一直低于城区，并指出-0世纪末的.0年与50年代的.0年相比，北京城区与郊区热

宋艳玲等在北京城、郊气候要素的对比研究中发现，岛效应增强趋势显著OIP；I0年来北京城

区平均升温幅度为0EI7LM.0;，郊区升温幅度为0E-.LM.0;，而降雨I0年来略有减少，总体上城、郊差异不大O/P；林学椿、于淑秋研究了北京地区的大尺度气温变化及其热岛效应，指出北京地区的年际变化具有大尺度的特点，.25.年是显著的跃变点，近I0年的增温率为

且近I0年热岛强度的增温率为0E.7.LM.0;O1P。上述研究大都是通过采取城、郊0E.-/LM.0;，

收稿日期：修订日期：-00/3.-3-2；-00130-3-4。

和水利部科技创新项目经费资助。基金项目：北京市自然科学基金（501-0-.）

第一作者简介：张玲6.25738，女，山西忻州人，硕士，主要研究方向为城市雨水资源利用。

!期张玲等：北京城市热岛效应对气温和降水量的影响6,6对比的研究方法得到的结论。本文除了采取城、郊!年滑动平均值对比研究城、郊温差和降

对北京市*+个气象站,,年（-./-—水量外，主要通过非参数

的逐月平均气温、降水资料进行较为详细的分析，研究在全球增温的大背景下北京*++,年）

地区气温和降水的时空变化趋势及其受热岛效应的影响。

-研究地区概况

北京位于华北平原的西北隅，西部山地属太行山脉；北部山地属燕山山脉；东南部为冲洪积物组成的北京山前倾斜平原。地跨0.1*234,-1+!35，--!1*!34--610+37，东西宽约

南北长约-6/89，总面积约为-/2++89*。-/+89，

北京境内有大小河流/+余条，分属海河和潮白、蓟运河两大流域的五大水系。永定河和潮白河为本市两大主要水系；房山县境内的拒马河和大石河属大清河水系；平谷县境内的错

此外还有北运河水系。主要河流多为西北:东南流向。北京气候属暖河和泃河属蓟运河水系；

海拔2++9以下温带半湿润半干旱季风气候，四季分明。年平均气温，平原地区为--4-*;，

山区为64-+;，海坨山、灵山、百花山等高寒山区约为*4,;。平均年降水量地区分布不均，山前迎风坡在6++42++99之间，西北部和北部深山区少于!++99，平原及部分山区则在!++4/!+99之间。

*

!

本研究所用资料为北京地区*+个气象站（图-）-./-—*++,年观测的逐月平均气温和

都是-./-—*++,年，共,,年资料。其余!降水量数据。其中有-!个站观测资料比较齐全，

个站是从*+世纪6+年代中期开始观测，至*++,年，有*640+年不等的资料。从统计意义上图-北京地区气象站点分布

AD=$

K)L自然资源学报!

与过去研究结果有所不同，过去北京地区的热岛效应研究所用资料往往是短时期的对比观测结果，即使用较长的资料，其范围也局限于市区和近郊区，而近郊区如丰台站、石景山站等都已城市化，不能反映郊区特征。故本研究中依照行政区划，市区选取北京站、朝阳站、

郊区选择通州站、大兴站、房山站、霞云岭站、丰台站、海淀站、石景山站和门头沟站&个站；

斋堂站、昌平站、顺义站、怀柔站、密云站、延庆站、佛爷顶站、汤河口站、上甸子站和平谷站等

但对研究市区、郊区气温及降水量变

化影响差异较小。表

表#

统计值

气温市区

郊区

市区

郊区北京市区与郊区多年平均气温和降水量统计特征值均方差偏态系数峰态系数最小值最大值极差@+A1/

!

本研究采用*+,,-./,0+11趋势检验法来检验北京地区气温及降水量的长期变化趋势。基于秩的*+,,-./,0+11趋势检验法常用来检测如水质、径流、温度、降水等水文时间序列资料的明显趋势变化234，是一种非参数统计检验方法。非参数检验方法亦称无分布检验，同传统的参数方法比较，具有明显的优越性。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算也比较简便，因此在趋势分析中得到了广泛的应用。

*+,,-./,0+11统计检验如下所示：

#$

其中#值由下式得到：

（,+;,*）#&&&9:,*&

,+、,*为连续的数值变量，)为数据资料时间长度，

当;!

!期张玲等：北京城市热岛效应对气温和降水量的影响,)6间内的变化量。

!(!

即变量随时间的增加而增大，当!为负时，表其中，*

示下降趋势，即变量随时间的增加而下降+,-./。

0气温和降水量时间变化趋势及热岛效应影响分析

为了评价时间系列的统计特性，图1给出了北京地区年平均气温和降水量距平及其!年滑动平均变化曲线图。由图12&3可见，北京地区气温自14世纪54年代中期以来不断上

存在着明显的跃变，尤其进入64升。*6.4年以前以负距平为主，*6.4年以后以正距平为主，

年代以后，几乎全为正距平。从市、郊!年滑动平均曲线来看，它们的升降趋势基本上是相似的，但市区的!年滑动平均值明显高于郊区，两者的差值范围在47)18*7.09之间变动，表明

由于城市的发展，市区气温上升迅速，市北京热岛效应一直稳定存在。尤其在.4年代以后，

区与郊区的!年滑动平均值差值增幅趋势显著，热岛效应明显增强。从图12:3可以看出，与气温的演变规律相反，降水量随时间呈现出下降的趋势。北京地区多年降水量正负距平大体持平，降水偏多时期和偏少时期呈现周期性的交替，而在64年代后期以来几乎全部为负距

两者的差值平，降水量又进入一个新的减少期。对市区与郊区的!年滑动平均降水量而言，

范围在;))7*,8067*)

图1北京地区2&3年平均气温距平及其!&滑动平均序列和2:3年平均降水量距平及其!&滑动平均序列

LIM712&3J$$F&’N#&A

!>N#&A

表1为用=&$$>

言，市区))年来以47))9?*4&的趋势递增，而郊

区以474*9?*4&的趋势递增，城区增温明显大于

郊区；对降水量而言，北京地区总体上呈现减少

而郊区的规律，市区以*7.1

以*7)6

势小于城区。总体来说，))年来北京地区气温呈持续上升趋势，而降水则呈持续下降趋势，这一多年平均气温多年平均降水量市区郊区市区郊区量趋势检验@&:’#1@A#$%B#CBDEA&$$F&’

+)(自然资源学报!

’气温和降水量空间变化趋势及热岛效应影响分析

本文对北京地区!(个气象台站’’年的气温和降水序列在$)*的置信区间上进行趋势检验，同时采用径向基函数插值法将所有台站年、季（分别以

进行内插，得到其空间分布情况，季）平均气温和降水量变化幅度（即,-./011倾斜度!值）

并用北京地区边界提取出北京地区气温和降水量的年、季变化趋势空间分布图。

!

图2304为北京地区年平均气温等值线图，可以看出，年平均气温随海拔高度的增高而由平原向西部、北部山区递减，等值线走向与山脉等高线走向基本一致。市区存在一个年平均

城区海淀、石景山、丰台同处在一个闭合椭圆形的高温区域，这是北京气温大于

“热岛”的主要区域，周边郊区为相对低值区，北部、东部一线气温相对较低，这可能与在这一线有官厅水库和密云水库对气温的调节有关。图2北京地区年平均气温304等值线图354和364,-./011倾斜度等值线图359

;>??1?E-

可以看出，本文所用!(个气象图2364为北京地区年平均气温,-./011倾斜度等值线图，

站的年平均气温,-./011倾斜度均为正值，说明北京地区’’年来平均气温呈上升趋势，这与全球变暖的趋势相符。从整体来看，年平均气温,-./011倾斜度随海拔高度的增高而由平原向西部、北部山区递减，等值线走向与山脉等高线走向基本一致。市区内存在一个明显的上升中心，且等值线较为密集，海淀站,-./011倾斜度为(7++859

为!(个气象站中最值。而在东南部有一个下降带，霞云岭站,-./011倾斜度为(7(

小值。

图’为北京地区各季气温趋势等值线图，可以看出北京地区的气温空间分布有以下几个特点：这是城市热岛效应所致，而且北京

城市热岛效应表现出冬季最强，而夏季最弱的特点；（’月），分别在西北部佛爷顶一#春季

带和东南部通州一带存在着上升中心，而在北部汤河口一带和西南部斋堂一带则存在着下降中心，市区海淀站增温幅度最为明显，为!(个站中最大值；,-./011倾斜度为(78+859

月）2

!期张玲等：北京城市热岛效应对气温和降水量的影响A!’

图0北京地区各季气温趋势等值线图3%&’

567#089:7;(,@;,

个上升中心，最大值位于海淀，达

（’

别存在着上升中心，增温最大地带位于通州，而在西南部和北+,-.(//倾斜度达

（’月）部山区则存在着下降中心，北部汤河口一带降幅最大，达)

倾斜度除斋堂站为负值外，其余均为正，市区内存在一个明显的上升中心，其中海淀区和石景山区增温幅度最为强烈，+,-.(//倾斜度分别为

造成北京城市热岛强度冬强夏弱的原因主要是：冬、夏季风转换明#地处季风气候区，

显，冬季受干冷的西伯利亚来的气团控制，湿度小，云量少，利于热岛的形成与发展，此外，冬季气温低，大气层结稳定，下垫面辐射冷却剧烈，尤其是郊区，由于植被干枯，地表裸露，土壤冻结，空气流通，辐射冷却更强烈，因而郊区失热多于城区。而夏季阴雨天气多，不利于热岛

城区人为热量比夏季多，大气中烟尘等污染物浓度的形成和发展；$北京冬季正是采暖期，

增大，使得城市大气逆辐射增多，加上冬季太阳高度角小，城区下垫面吸收太阳辐射多于开阔、平坦的郊区，因而城区收入的热量多于郊区，而夏季城区人为热和大气逆辐射比冬季相对减少，城、郊的热量收入相差不大，不利于热岛的形成和发展。

!

2#!自然资源学报!

图#北京地区平均年降水量$+&等值线图$33&和$%&’()*+,,倾斜度等值线图$337+&

89:1#$++3=?+))@+,3(+)A>(B9A9C+C9=)9)D(9E9):>(:9=)+)*$%&’()*+,,+3

=?+))@+,3(+)A>(B9A9C+C9=)9)D(9E9):>(:9=)

图#$%&为北京地区年平均降水量’()*+,,倾斜度等值线图，本文所用!-个气象站的

其余均为负值。从整个北京地区来看，存年平均降水量’()*+,,倾斜度除佛爷顶为正值外，

在两个上升中心（佛爷顶、怀柔）和两个下降中心（北京、汤河口）。总的来说，北京地区自

佛爷顶表现出微弱的上升趋势以外，其余均呈现下降的趋势。

其中西南部下降幅度较大。市区形成一个明显的下降中心，其中海淀区年均减少01233，降幅最大。

图/为北京地区各季降水量趋势等值线图，可以看出北京地区的降水量空间分布有以下几个特点：（4月）整个北京地区的’()*+,,倾斜度除佛爷顶站（5-1-6337+）为负值!春季

外，几乎全为正值，这说明在春季除佛爷顶一带呈下降趋势外，其余地区的降水量均表现出不同程度的上升趋势，其中，在北部汤河口、西南部斋堂以及市区分别形成明显的上升中心，

（2月）降水量普遍呈下降趋势，上升幅度分别达-1!.、-104和-1!/337+；

度除佛爷顶站和海淀站为正值外，其余均为负，市区和西北部佛爷顶一带存在两个上升中

这充分说明了热岛效心，在市区范围内海淀站上升幅度最大，’()*+,,倾斜度为-10

应对降雨的影响在夏季汛期表现最为明显；（

程度的上升趋势，其中市区形成一个明显的上升中心，上升幅度最’()*+,,倾斜度均为正值，

此外，在佛爷顶5汤河口一带也存在一个上升带，且大的地区位于石景山，增幅达-1#6337+，

等值线分布较为密集，佛爷顶站的’()*+,,倾斜度次之，为-1#0337+；（

无增加或减少趋势，只在西北部佛爷顶一带和市区存在两个微地区的’()*+,,倾斜度为-，

弱的上升中心，上升幅度最大的是佛爷顶站，其次为石景山站和海淀站，’()*+,,倾斜度分别为-1-40、-1-06和-1-00337+。

众所周知，北京是季风气候区，年降水量主要集中于汛期/—.月；而城市化对降水的影使

!期张玲等：北京城市热岛效应对气温和降水量的影响D!$

图3北京地区各季降水量趋势等值线图4556’7

89:;3:?’5>@=+’=>(’-5+’(A?+B9A9C’C9>(降水天气系统经过城市时，移速减慢，雨时延长；!城市热岛效应促使城市空气层结不稳定，热力对流加强，城市的对流性降水增多

!小结

本文借助非参数&’(()*+(,’--检验方法分析了北京地区./个气象站00年来的气温和降水量时空分布和变化趋势，并在此基础上探讨了北京城市热岛效应对其气温和降水量的影响，根据研究结果，可以得出以下初步结论：

在时间上：

朝阳站、丰台站、海淀站、石景山站和门头沟站等3个站气温和降水量的平期；!用北京站、

均代表市区气温和降水量，用通州站、大兴站、房山站、霞云岭站、斋堂站、昌平站、顺义站、怀柔站、密云站、延庆站、佛爷顶站、汤河口站、上甸子站和平谷站等#0个站气温和降水量的平

对气温而言，市区与均代表郊区的气温和降水量。通过分析!年滑动平均演变图可以发现：

郊区的!年滑动平均值曲线同位相升降，但市区的!年滑动平均值明显高于郊区，尤其在

+%&自然资源学报!

由于城市的发展，市区气温上升迅速，市区与郊区的%年滑动平均值差值增幅#$年代以后，

而郊区以$’$

市热岛效应对气温的影响随城市的发展而逐渐增强；对降水量而言，总体上来说&&年来城、郊降水量差异不大，城区平均降雨量为%+#’,--，郊区平均降雨量为%+.’%--，城区降雨总

而郊区以

趋势小于城区。

从整体来看，年平均气温0123*44倾斜度随海拔高度的增高而在空间上：!对气温而言，

由平原向西部、北部山区递减，等值线走向与山脉等高线走向基本一致，市区内存在一个明

为!$个气象站中显的上升中心，且等值线较为密集，海淀站0123*44倾斜度为$’++,()

最大值，由于城市热岛效应的存在，使得

佛爷顶表现出微弱的上升趋势以外，其余地区均呈现下降的趋势。除东北部的高值区属于地形影响外，城近郊区的高值区逐渐向郊区递减。说明由城市的粗糙度、热岛以及散布在大气中的污染物质对城市及其周围的降水是有影响的，即城市化使降水量增多。

参考文献（!

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