1916—2020年北京城...迁及其与区域气候演化的关系_杨仕琪.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第3期2023年3月Vol.78,No.3March,202319162020年北京城市变迁及其与区域气候演化的关系杨仕琪1,2，王 冀3，窦银银1，栾庆祖3，匡文慧1（1.中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；3.北京市气候中心，北京 100089）摘要：剖析百年尺度的城市变迁与气候要素变化对提升区域气候演变机理的认知具有重要意义。本文基于卫星遥感图像、社会经济数据和气象站点实测等数据，采用人机交互解译方法，刻画了19162020年北京城市扩展过程。利用滑动平均法和Mann-Kendall趋势检验方法，分析了关键气象要素的变化特征，从而揭示了百年尺度城市土地利用变化和社会经济发展与区域气候变化之间的关系。研究表明：19162020年北京城市土地面积增长了64.48倍，围绕中心地域呈圈层式蔓延扩展，呈现“缓慢加速减速”的扩展模式，城市扩展速度在20002010年达到峰值，为 70.12 km2/a。19162020 年北京的 5 a 滑动平均气温和年降水量分别为12.25 和588.6 mm。随着城市发展，19162020年北京市5 a滑动平均气温以0.22/10a波动上升，1978年以来升温显著。年降水量则呈现波动下降趋势，速率为9.37 mm/10a。城市不透水面的加速扩张可能造成地表能量收支的改变，从而引发城市变暖。城市化率与气温升高具有协同关系，不同时段差异显著，19162020年北京城市化对区域升温的贡献为20.83%。另一方面，地表能量收支改变与空气污染物排放增加可能导致北京城市地区降水减少。本文结果可为提升北京城市变迁对区域气候演变影响过程和机制的认知提供科学参考。关键词：城市扩展；气候变化；百年尺度；时空特征；土地利用DOI:10.11821/dlxb2023030081 引言城市化作为多尺度环境变化的热点区域，是人类活动改造自然环境的重要方式1。城市空间扩展是城市化过程以及城市土地利用变化最直接的表现形式2。城市扩展通过改变地表反照率、比辐射率、粗糙度、蒸散量等导致全球气候系统变暖3，对区域热量收支和大气流场产生影响，由此引起区域气候环境发生变化4-6。因此，厘清人类活动影响下的城市化进程对区域气候的影响，揭示城市化与气象要素之间的作用机制对于认识区域气候变化规律具有重要的现实意义。19492019年中国城市土地面积增长12倍，70 a年均增长988.69 km2 7。21世纪以收稿日期：2022-07-20;修订日期：2023-03-04基金项目：国家自然科学基金项目(41871343);北京市气象灾害风险普查地理空间信息产品研制与技术服务项目（0701-214130210301）Foundation:National Natural Science Foundation of China,NO.41871343;Projectof Beijing Meteorological Disaster Risk Census in Geospatial Information Product Development andTechnical Services,NO.0701-214130210301作者简介：杨仕琪(1999-),女,河南洛阳人,硕士研究生,主要从事城市生态遥感方向研究。E-mail:通讯作者：王冀(1973-),男,河北武强人,正高级工程师,主要从事全球气候分析和变化研究。E-mail:wangji_620-639页3期杨仕琪 等：19162020年北京城市变迁及其与区域气候演化的关系来，中国城市扩展速度达到了1788 km2/a，且城市不透水面的年均扩展速率为20世纪90年代的2.16倍8-10。预计到2030年，全球城市土地覆盖将增加近两倍11，大多数人口将面临城市地区人为气候变化的影响12。中国气候变化蓝皮书（2021）指出中国的升温速率显著高于同期全球的平均水平，19512020年的升温速率为0.26/10a，是20世纪初以来的最暖时期13。伴随城市扩展的区域气候变化研究广受关注。当前国内外已围绕城市化背景下气候要素变化开展了大量研究6,14-17,19-24。严中伟等16基于均一化气温观测序列集，发现自1900年来，中国气温升高趋势为1.31.7/100a，远高于早期评估结果。崔耀平等6通过对20世纪70年代和2008年京津唐城市增温效应模拟发现，由城市主导的土地利用变化导致的研究区增温幅度大于0.05，城市扩展区增温0.29，其导致的增温贡献率达到32.75%。Cao等17根据北京市实测数据发现，20世纪8090年代观测温度增加0.69，20世纪90年代到21世纪初温度上升0.12。城市变暖的强度也因地区和国家而异，主要取决于城市发展速度与结构18。19112012年美国的昼夜温差呈现稳步下降的趋势，斜率为-0.0047/a，自1991年以来下降趋势更为显著19。加拿大的变暖速度约是全球平均气温的两倍20，地表气温在19482012年间上升了1.7 21。有研究表明城市扩展除了对气温带来影响外，还会影响区域降水的变化，城市化的快速推进会带来一定程度的增雨效应22。欧美国家因城市化进程推进较早，具有长期降水观测序列，基于城乡降水观测资料对比，发现了城市化的降雨效应23-24。19612020年，中国平均年降水量呈增加趋势，而华北东南部、黄淮大部、西南地区东部和南部、西北地区东南部年降水量呈减少趋势13。然而，对于城市化对降水的影响仍存在争议，城市化是否导致降水增加尚未得到证实25。城市化导致气候系统变化等方面的研究成果为本文提供了重要的参考。观测减去再分析方法（Observation Minus Reanalysis,OMR）被广泛应用26-27，Kalnay等26使用实地气温变化趋势减去再分析气温变化趋势的方法，将19501999年美国大陆的昼夜温度范围下降一半归因于城市土地利用变化；Zhou等27利用最小二乘法估计观测数据和再分析数据的线性趋势，揭示1978年以来中国城市化导致的地表升温。此外，区分城市站点和乡村站点（Urban Minus Rural,UMR）来解释城市化对气温的影响也被广泛应用18,28，Fujibe18基于19792006年日本561个站点数据，根据人口和土地利用栅格数据对气象站点进行分类，发现在低人口密度（j。sig()xi-xj=1,xixj0,xi=xj（7）F()t=Qt+B（8）式中：F(t)为趋势变化方程，其中Q为斜率。625地 理 学 报78卷Q=xj-xij-i，ji（9）当有n个数值时，可以得到N=n(n-1)/2个斜率估算值53。2.3.4 城市化对气象要素变化的影响（1）量化城市化对气温变化的贡献再分析数据对陆地表面的变化不敏感，因此观测数据与再分析数据之间的气温趋势差异可用于量化城市化对气温的影响27，贡献率的计算公式为：UC=Tob-TreTob100%（10）式中：Tob为北京观象台站所观测气温年际变化率；Tre为再分析气温年际变化率。（2）地表能量平衡城市化进程改变了地表特性，对地表辐射能量平衡造成扰动，从而引起区域温度变化，在这里采用北京市2012年城市建筑屋顶和城市绿地的辐射通量的变化情况，来揭示城市化对区域温度变化的影响41：Rn+QF=G+H+LE+QA（11）式中：QF代表人为热（W/m2）；G为土壤热通量（W/m2）；H为显热通量（W/m2）；LE为潜热通量（W/m2）；QA代表平流热（W/m2），在相对均匀的城市表面，水平平流热可以忽略不记。净辐射量Rn（W/m2）由下行短波辐射、上行短波辐射、下行长波辐射和上行长波辐射计算而来，不受外部湍流影响。3 结果与分析3.1 城市扩展过程19162020年北京城市经历了“缓慢加速减速”的扩展模式（表2），不同时段内城市扩展速度和强度差异显著。城市面积由 1916 年的 35.31 km2增长至 2020 年的2312.14 km2，增长了64.48倍。19161949年北京市城市扩展速率缓慢，仅为2.34 km2/a。19492000年北京由消费城市变成生产城市，一系列城市建设围绕工业化开展，但城市扩展仍保持较低速率。进入21世纪以来，北京城市发展进入新阶段，2008年北京奥运会的举办对城市空间扩展产生巨大影响，北京城市扩展速度达到峰值70.12 km2/a。2010年后，中国共产党“十八大”首次提出生态文明建设的概念，出台了一系列政策聚焦土地综合整治、生态保护修复等，北京城市扩展速度明显放缓（57.29 km2/a）。城市扩展强度与城市扩展速率的变化趋势相对应，百年间北京城市扩展强度为0.13%，20002010年间的扩展强度最高为4.26%，其次为20102020年，再次为19782000年，1949年以前的扩展强度近乎为0。表219162020年北京市城市扩展Tab.2 Statistics on urban expansion in Beijing from 1916 to 2020时段城市土地面积(km2)城市扩展面积(km2)城市扩展速率(km2/a)城市扩展强度(%)19161949年35.3177.232.340.0119491978年112.54353.5212.190.0719782000年466.06572.0126.003.4920002010年1038.07701.1770.124.2620102020年1739.24572.8957.293.4919162020年2312.142276.8321.890.136263期杨仕琪 等：19162020年北京城市变迁及其与区域气候演化的关系19162020年北京城市土地面积增长变化剧烈，围绕中心地域呈圈层式蔓延扩展，且不同阶段城市扩展差异显著（图3）。元代至明清时期的北京城市建设形成了京城平面的“凸”字型，奠定了现代城市空间格局与空间扩展基本过程的基础。19161949年北京城市扩展围绕老城区呈圈层式展开，扩展区域主要位于现在的东城区和西城区。19491978年北京市城市扩展出现新的模式，即沿东西、南北轴线蔓延扩展，东西轴线的城市扩展蔓延长度大于南北轴线，在中心城市外的区域开始出现零星的城市建设。1978年以后北京城市面积迅速扩大，一方面主城区范围向四环外扩展，另一方面，顺义、昌平、房山等地区的卫星城扩展，逐渐与中心城市融合。20102020年受限于地形影响，北京城市扩展主要以原来的城市为基础，向南北方向和东部扩展。3.2 城市化轨迹与阶段19162020年北京城镇人口呈指数型增长，城市化率呈现波动上升态势（图4a），城镇人口数量增加1869万。1916年北京市内城区人口仅有47.95万人，但此时近代技术与社会资本向城市集中，人口城市迁移导向明显，城市化率较高（59.85%）。1930年北京市城市化率下降的原因是统计时包括了四郊区的户口40，人口基数增大。19301950年北京城市化率和人口数量增长缓慢，与战乱、自然灾害等因素有关。19501960年为满足新中国成立后经济发展的需要，保障城市工业的供给，政府鼓励农村劳动力向城市流动，城镇人口剧增，在1960年时出现的较高城市化率62%，城镇人口增至460.30万人。19601970年社会动荡严重冲击国民经济秩序，城镇人口数量首次出现下降的变化态势。1978年以后，经济状况开始扭转，改革开放改变了经济发展方式和区域资源配置，北京城市发展需要更多的劳动力，对第二、三产业劳动力的需求激增。20102020年城市化率增速仅为1.08%，这一阶段北京市人口调控政策强度加大，开始落实住房限购政策，与此同时京津冀协同发展通过城市功能疏解带动了人口疏解，使得城市化率增速放缓。图319162020年北京市城市扩展及观象台位置变化Fig.3 Urban expansion and