近60 a西安城市化对气候环境的影响

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0403

近60 a西安城市化对气候环境的影响

沈姣姣^,¹^,², 郝苏娟^,¹, 金丽娜³, 张雅斌⁴, 樊丹丹²^,⁵, 郭琦¹

1.陕西省气象服务中心，陕西西安 710014

2.中国气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点开放实验室，陕西西安 710016

3.陕西省西安市气象局，陕西西安 710016

4.陕西省气象科学研究所，陕西西安 710016

5.陕西省气象信息中心，陕西西安 710014

Impact of urbanization on the climate environment in Xi’an over the past 60 years

SHEN Jiaojiao^,¹^,², HAO Sujuan^,¹, JIN Lina³, ZHANG Yabin⁴, FAN Dandan²^,⁵, GUO Qi¹

1. Shaanxi Meteorological Service Center， Xi’an 710014， China

2. China Meteorological Administration Eco-Environment and Meteorology for the Qinling Mountains and Loess Plateau Key Laboratory， Xi’an 710016， China

3. Xi’an Meteorological Bureau of Shaanxi Province， Xi’an 710016， China

4. Meteorological Institute of Shaanxi Province， Xi’an 710016， China

5. Shaanxi Meteorological Information Center， Xi’an 710014， China

通讯作者: 郝苏娟（1972—），女，主要从事气候变化相关研究。E-mail：haosujuan6666@163.com。

责任编辑: 黄小燕；校对：邓祖琴

收稿日期: 2024-08-29 修回日期: 2025-04-15

基金资助:

中国气象局秦岭和黄土高原生态环境重点开放实验室面上课题(2024G-7)
陕西省科技厅重点研发计划项目(2024SF-YBXM-675)

Received: 2024-08-29 Revised: 2025-04-15

作者简介 About authors

沈姣姣（1986—），女，博士，高级工程师，主要从事城市化气候效应研究。E-mail：jiaojiaoshen19@163.com。

摘要

研究城市化发展对气候环境的影响，可为城市应对气候变化提供依据。利用1961－2022年西安城区和郊区气象站数据，采用城郊对比、线性倾向估计、M-K检验等，分析城市化发展不同阶段对西安气候环境的影响。结果表明：西安城市热岛效应（Urban Heat Island，UHI）在20世纪90年代后显著增强，且在冬季和春季较强。UHI有明显的日变化和季节变化特征，当日21：00至次日06：00和11：00－16：00为相对稳定的高值和低值时段，冬季最大值出现时间比夏季提前2~3 h，结束时间比夏季滞后2~3 h。城市化发展对最低气温（T_min）的影响贡献率大于最高气温（T_max），对T_max、T_min和气温日较差（Diurnal Temperature Range，DTR）的影响贡献率均在春季最大，对平均气温（T_ave）的影响贡献率在夏季最大。雨岛效应（Urban Rain Island，URI）主要出现在冬季和春季，城市化快速期（1991—2022年）URI增强，城区中雨及以上等级降水增加，强度更强，小雨减少。浑浊岛效应（Urban Turbidity Island，UTI）和干岛效应（Urban Dry Island，UDI）均在冬季和春季较强，就全年而言，城市化快速期城区和郊区日照时数（Sunshine Duration，SD）差值的绝对值为0.73 h，相对湿度（Relative Humidity，RH）差值的绝对值为4.38%。城市化发展对SD和RH的贡献率分别在春季和夏季最大。

关键词： 城市化气候效应; 城市化影响贡献率; 城郊对比; 气象要素; 西安

Abstract

Study of the influence of urbanization on the climate environment can provide a basis for urban adaptation to climate change. Based on the data of meteorological stations in urban and suburban areas of Xi’an from 1961 to 2022, the impacts of urbanization in different stages on local climate were analyzed by comparison between urban and suburban areas, linear tendency estimation and Mann-Kendall (M-K) test. The results show that the urban heat island (UHI) effect in Xi’an has been significantly enhanced since the 1990s, and it was stronger in winter and spring. The UHI exhibits distinct diurnal and seasonal variations. The relatively stable high-value and low-value periods occur from 21:00 on the same day to 06:00 the next day, and from 11:00 to 16:00, respectively. The maximum value in winter appears 2-3 hours earlier than that in summer, while it ends 2-3 hours later than in summer. The contribution rate of urbanization development to the minimum temperature (T_min) was greater than that to the maximum temperature (T_max). The contribution rate of urbanization development to T_max, T_min and diurnal temperature range (DTR) was the largest in spring, while that to average temperature (T_ave) was the largest in summer. The urban rain island (URI) effect primarily occurs during winter and spring. During the rapid urbanization period (1991-2022), the URI effect intensified, characterized by increased frequency and intensity of moderate-to-heavy precipitation in urban areas, alongside a reduction in light precipitation. The urban turbidity island (UTI) and urban dry island (UDI) effects were more pronounced in both winter and spring. For the entire year, the absolute difference in sunshine duration (SD) between urban and suburban areas during the rapid urbanization period was 0.73 h, and the absolute difference in relative humidity (RH) was 4.38%. The contribution rate of urbanization development to SD and RH was the largest in spring and summer, respectively.

Keywords： climate effects of urbanization; contribution rate of urbanization; comparison between urban and suburban areas; meteorological elements; Xi’an

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本文引用格式

沈姣姣, 郝苏娟, 金丽娜, 张雅斌, 樊丹丹, 郭琦. 近60 a西安城市化对气候环境的影响[J]. 干旱气象, 2025, 43(3): 403-412 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0403

SHEN Jiaojiao, HAO Sujuan, JIN Lina, ZHANG Yabin, FAN Dandan, GUO Qi. Impact of urbanization on the climate environment in Xi’an over the past 60 years[J]. Arid Meteorology, 2025, 43(3): 403-412 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0403

0 引言

IPCC第六次评估报告明确了工业化以来人类活动影响气候变暖程度与1951—2010年观测的升温基本相等（IPCC，2021）。城市化是人类活动集中体现之一，随着城市化发展，大量以农田和植被为主的下垫面被不透水地面代替，加之城市生产、交通等排放形成大量人为热源，导致城区比郊区受到更多热源影响，形成城市热岛效应（Urban Heat Island，UHI）（周淑贞，1988；张树钦等，2022；张君枝等，2024），并表现出由城市中心向外围递减的趋势（尚建设等，2018；杨智威等，2019）。

针对城市发展对局地气候的影响，不少学者采用气象观测资料分析（郁珍艳等，2020；张小玲等，2022）、数值模拟（He et al.，2020；赵旋等，2021）、遥感反演（金丽娜等，2019；Buo et al.，2021；唐晓萍等，2023）等方法开展了一系列研究。相对于其他方法，基于长时间序列气象观测资料的分析能够在时间尺度上更直接、精准地反映城市发展对气象要素（尤其是近地表气象要素）的影响（李宇等，2021）。研究发现，大多数城市UHI持续增强（张文静等，2019；张渝晨和田宏伟，2023），个别城市存在UHI减弱或冷岛效应（姚玉龙，2014；何泽能等，2022）。UHI引起气流辐合上升，加上城区粗糙下垫面引起天气系统滞留，城市及其下风向可能出现降水增多的雨岛效应（Urban Rain Island，URI）（何萍等，2017；彭嘉栋等，2017），还存在URI不明显（李鹏等，2020）或降水减少的地区（杨仕琪等，2023）。城市发展引起空气湿度变化，也可能形成城市干岛效应（Urban Dry Island，UDI）（彭嘉栋等，2017）；还会引起大气中污染物和凝结核增多，日照减少，能见度变差，形成浑浊岛效应（Urban Turbidity Island，UTI）（赵志敏等，2007）。

随着西安向国际化大都市快速迈进，1990年以来，西安城市建设用地及不透水地面扩张明显（刘小明等，2020；周鹏等，2020），与UHI显著增强的时段一致（王建鹏等，2009；王建鹏等，2011；张文静等，2019；金丽娜和李雄飞，2021）。西安UHI春季最大，夏季最小（张文静等，2019；金丽娜和李雄飞，2021），以城区为中心呈环状递减，强热岛主要集中在城区，夏季强热岛面积占比达50%以上（金丽娜等，2019），城区平均气温比郊县高1.8 ℃（冯瑞等，2022）。目前，有关城市化发展对西安气候影响的研究多集中在平均气温（Average Temperature，T_ave），而最高气温（Maximum Temperature，T_max）、最低气温（Minimum Temperature，T_min）、气温日较差（Diurnal Temperature Range，DTR）、降水量（Precipitation，P）、降水日数（Precipitation Days，PD）、降雨强度（Rainfall Intensity，RI）、日照时数（Sunshine Duration，SD）和相对湿度（Relative Humidity，RH）等直接关系城市宜居性，城市化发展对其有何影响，相关研究相对较少。另外，以往城市化发展对气象要素的研究仅根据少量气象站点或有限的卫星遥感数据反演得到，样本少、时间短，难以全面客观反映城市化进程对西安气候环境的影响。因此，本文基于1961—2022年西安城区和郊区气象站数据，研究城市化发展不同阶段对西安气候的影响，以期为城市应对气候变化和城市规划提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

西安位于关中平原中部，北面为黄土高原，南面为秦岭北坡，地势南北高中间低，属暖温带半湿润季风气候。年平均气温为13.5~14.9 ℃，年平均降水量为506.1~690.3 mm，年日照时数为1 679.9~2 062.6 h，年平均相对湿度为65%~75%。1990年，西安市区常住人口608.9万人，城镇人口227.0万人，城镇化率37.3%，全市机动车保有量2.5万辆；2022年末，西安市区常住人口1 299.6万人，城镇人口1 034.3万人，城镇化率79.6%，全市机动车保有量485.9万辆（来源于西安市统计局）。

1.2 数据来源

1.2.1 站点数据

参考站点位置、资料时间序列长度、数据连续性、站间距离等因素，选择西安城区周边的周至、鄠邑、蓝田、泾阳、高陵、临潼6个气象站代表郊区站，西安站（2014年迁到泾河站）代表城区站（图1），所选站点均位于关中平原及浅塬区，属同一气候区，基本可以代表西安城区和郊区气候状况。1961—2022年城区和郊区气象站逐日T_ave、T_max、T_min、P、SD、RH等资料来源于陕西省气象信息中心，数据经过严格质量控制。其中，2010—2022年为逐时气象数据，因高陵站建站较晚，1966—1969年资料用气候平均值代替。

图1

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图1 研究区域地形及气象站点空间分布

Fig.1 The spatial distribution of terrain and meteorological stations in the study area

1.2.2 遥感数据

采用风云卫星遥感数据服务网提供的FY-3D中分辨率光谱成像仪（Medium Resolution Spectral Imager，MERSI）数据，通过对晴空日数据拼接、裁剪和几何校正，获取西安市遥感影像数据。因2021年云量缺测，最终选取2020年（17个）、2022年（34个）、2023年（31个）共82个晴空日分析西安市热岛强度的演变特征。

1.3 研究方法

1.3.1 城郊对比法

采用城郊对比法（城区站点数据减郊区站点数据），系统分析城市化发展对西安全年和各季节气象要素的影响。若城区和郊区间T_ave差值为正，则表明城市化发展引发热岛效应（单位：℃）；若P差值为正，则反映雨岛效应（单位：mm）；以上要素差值的大小直接体现城市热岛效应和雨岛效应的强度，差值越大，效应越显著。若城区和郊区间SD差值为负，代表城市化发展引发浑浊岛效应（单位：h）；若RH差值为负，对应干岛效应（单位：%）；以上要素差值绝对值的大小直接体现浑浊岛效应和干岛效应的强度，即绝对值越大，效应越显著。研究时段划分如下：每年12月至次年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。

按照垂直气温递减率（每100 m下降0.67 ℃），将城区和郊区站气温订正至385 m（高陵站最低为385 m），统计郊区站气温与城区的差异，发现UHI明显存在，故后文中不再考虑海拔对气温的影响。随着城市规模扩大，西安城区和郊区间T_ave、T_max、T_min和DTR的差值先后在1989年、1990年、1994年和1997年出现突变（图略），说明20世纪90年代后UHI显著增强，该阶段与西安城市化快速发展时期一致，因此对UHI的研究分为城市化缓慢期（1961—1990年）、城市化快速期（1991—2022年）和整个研究期（1961—2022年）。值得一提的是，本文发现UHI在20世纪90年代发生突变，与刘宇峰等（2015）认为“2000年以后发生突变”不同，可能与研究时段有关。使用郊区各站气象要素与城区站对比，发现城市化发展不同阶段各站均存在UHI、UDI和UTI，且城市化快速期城区与郊区间气象要素差异比缓慢期更显著（表略）。为方便描述统计，后文中郊区气象要素指的是将郊区6站气象要素进行平均处理后的均值。

1.3.2 城市化影响

城市化影响（ $Δ M_{U R}$ ）指由于城市化发展引起城市附近台站气象要素趋势变化，城市化影响贡献率（Contribution Rate of Urbanization，CRU）指城市化发展对城市附近台站气象要素变化趋势的贡献率，即城市化影响在城市附近台站气象要素变化趋势中所占的比率，具体公式如下（周雅清和任国玉，2009）：

（1）

Δ M_{U R} = M_{U} - M_{R}

（2）

C R U = \frac{Δ M_{U R}}{| M_{U} |} \times 100 %

式中： $Δ M_{U R}$ 为城市化影响，M_U和M_R分别为城区站和郊区站气象要素变化趋势；CRU为城市化影响贡献率，单位：%。

CRU可能有3种情况：1）M_U>M_R时，CRU>0，表明城市化影响使气象要素值增加；2）M_U<M_R时，CRU<0，表明城市化影响使气象要素值减小；3）M_U=M_R时，CRU=0，表明城市化无影响。将CRU>100.0%的情况视同CRU=100.0%，将CRU<-100.0%的情况视同CRU=-100.0%，即城区站气象要素变化完全由城市化发展引起。

1.3.3 Mann-Kendall（M-K）检验

利用M-K检验（魏凤英， 2022）对气象数据时间序列进行突变检测，以气象要素发生突变的时间为分界点，分不同时段对城区和郊区气象要素在全年和各季节的变化趋势进行分析。

1.3.4 改进型Becker“分裂窗”地表温度反演算法

应用改进型Becker“分裂窗”地表温度反演算法（金丽娜等，2019）计算地表温度，分析西安市范围内热岛强度与热岛比例指数的时空变化特征，根据土地利用类型进行城区和郊区间的对比，分析西安市热岛比例指数及不同等级热岛强度比例的变化情况。

城市热岛比例指数（Urban Heat Proportion Index，UHPI）指城市空间单元范围内热岛面积占所在区域面积的比例，可比较同一地区不同时期的热岛强度大小，具体公式如下（金丽娜等，2019）：

（3）

U H P I = \frac{1}{100 m} \sum_{i = 1}^{n} w_{i} p_{i}

式中：UHPI为城市热岛比例指数，数值越大，热岛效应越强；m为热岛强度等级数，i（i=1，2，3，…，n）为城区温度高于郊区温度的等级序号，w_i为第i级权重，p_i为第i级在全市中所占面积比例。

城市热岛强度（Urban Heat Island Intensity，UHII）指城区地表温度与郊区地表温度的差值，可分为强热岛（≥70）、较强热岛（50~<70）、弱热岛（30~<50）、无热岛（<30），具体公式如下（金丽娜等，2019）：

（4）

I_{j} = T_{j} - \frac{1}{k} \sum_{j = 1}^{k} T_{C R O P} (j)

式中：I_j为第j个像元热岛强度；T_j为第j个像元对应的地表温度，单位：℃；k为郊区像元；T_CROP（j）为郊区像元地表温度，单位：℃。

2 结果分析

2.1 城市化发展对气温的影响

2.1.1 年际变化

1961—2022年西安城区和郊区间T_ave、T_max和T_min及其差值均呈现升温趋势（通过P=0.01的显著性检验），城区高于郊区[图2（a）、（b）、（c）]，T_min升温速率高于T_max，城区和郊区T_ave的升温速率分别为0.51 ℃·（10 a）^-1和0.32 ℃·（10 a）^-1，高于全国的0.30 ℃·（10 a）^-1（中国气象局气候变化中心，2024）。城区与郊区间DTR及二者差值均表现出显著减小趋势[图2（d）]，城区减小趋势更强，二者差值变化趋势为-0.21 ℃·（10 a）^-1（均通过P=0.01的显著性检验）。

图2

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图2 1961—2022年西安城区和郊区平均气温（a）、最高气温（b）、最低气温（c）、气温日较差（d）及其差值的年际变化

Fig.2 The inter-annual variation of T_ave （a）， T_max （b）， T_min （c）， DTR （d） and their difference between urban and suburban areas in Xi’an during 1961-2022

对2020—2023年的82个晴空日地表温度进行遥感反演（表1）发现，西安热岛面积和热岛强度呈扩大增强趋势，2020年、2022年和2023年UHPI分别为0.30、0.30和0.35，与2020年相比，2023年强热岛和较强热岛面积分别增加1.7%和2.0%，弱热岛和无热岛面积分别减少2.5%和1.4%，与气象站点监测数据分析得到的城市热岛变化趋势基本一致。

表1 2020年、2022年和2023年西安市UHPI及不同等级热岛面积比例

Tab.1 UHPI and area proportion of different levels in Xi’an in 2020， 2022 and 2023

年份	UHPI	热岛面积比例/%
年份	UHPI	强热岛	较强热岛	弱热岛	无热岛
2020	0.30	25.4	11.7	10.5	13.8
2022	0.30	27.1	12.1	8.6	12.6
2023	0.35	27.1	13.7	8.0	12.4

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2.1.2 季节变化

西安城市化快速期升温速率大于缓慢期，T_min的升温速率大于T_max的升温速率，春季和冬季升温速率大于秋季和夏季（表2）。整个研究期，城区和郊区间T_min差值（0.87 ℃）大于T_max（0.26 ℃），T_ave差值为0.51 ℃（图3），与全国主要城市增温趋势基本一致（李宇等，2022）。城市化对T_min升温的贡献率（41.3%）远高于对T_max的影响（10.8%），对DTR的贡献率为-80.8%，对T_ave的贡献率为37.3%，研究结果与城市化对西北地区T_min、T_max和T_ave的贡献率基本一致（李宇等，2022），但高于城市化对北京T_ave的贡献率（20.8%）（杨仕琪等，2023）。对于T_min，城市化影响贡献率在春季、夏季和秋季差异不大（分别为52.2%、51.1%和41.7%），冬季（29.1%）最小。对于T_max，城市化影响贡献率在春季、夏季和秋季也相差不大（分别为13.5%、11.1%和12.0%），说明T_max受城市化影响比T_min小。对于T_ave，城市化影响贡献率在夏季（66.7%）最大，冬季（22.4%）最小，表明冬季T_ave受城市化影响较小，可能与盆地地形及大规模取暖有关。城市化对DTR的贡献率在四季均为负值，其中春季和冬季受城市化影响较大（分别为-100.0%和-81.8%）（表略）。西安城市化快速期UHII大于缓慢期，均在冬季和春季较高，与王建鹏等（2011）结论一致。

表2 1961—2022年城市化发展不同阶段西安地区气温变化趋势

Tab.2 Variation trends of temperature in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022 单位：℃·（10 a）^-1

气象要素	时段	城市化缓慢期			城市化快速期			整个研究期
气象要素	时段	城区	郊区	差值	城区	郊区	差值	城区	郊区	差值
T_ave	全年	0.04	-0.04	0.08**	0.68***	0.43**	0.25***	0.51***	0.32***	0.19***
	春季	0.09	-0.12	0.21***	0.66**	0.44*	0.22***	0.60***	0.34***	0.26***
	夏季	-0.47***	-0.61***	0.14***	0.37**	0.19	0.18***	0.27***	0.09	0.18***
	秋季	0.27*	0.20	0.07***	0.46***	0.32**	0.14**	0.37***	0.23***	0.14***
	冬季	0.29*	0.32*	-0.03	0.45**	0.41*	0.04	0.49***	0.38***	0.11***
T_max	全年	-0.18	-0.17	0.01	0.53**	0.45**	0.08***	0.37***	0.33***	0.04***
	春季	-0.12	-0.21	0.09**	0.70**	0.66*	0.04	0.52***	0.45***	0.07***
	夏季	-0.81***	-0.75***	-0.05	0.29	0.19	0.10**	0.09	0.09	0.01
	秋季	0.26	0.25	0.01	0.10	0.13	-0.03	0.25***	0.22***	0.03
	冬季	-0.05	-0.04	-0.01	0.36	0.61**	-0.24	0.33***	0.37***	-0.03
T_min	全年	0.13	0.09	0.04	0.84***	0.05***	0.34***	0.63***	0.37***	0.26***
	春季	0.18	-0.03	0.21***	0.69**	0.38	0.31***	0.69***	0.33***	0.36***
	夏季	-0.18	-0.26**	0.08**	0.53***	0.26**	0.27***	0.47***	0.23***	0.24***
	秋季	0.18	0.13	0.05	0.76***	0.54***	0.22***	0.48***	0.29***	0.20***
	冬季	0.36**	0.49***	-0.13***	0.51**	0.35*	0.16	0.55***	0.39***	0.16***
DTR	全年	-0.31**	-0.27*	-0.05	-0.31***	-0.08	-0.24***	-0.26***	-0.05***	-0.21***
	春季	-0.29	-0.17	-0.12**	0.01	0.25	-0.24***	-0.16***	0.11	-0.28***
	夏季	-0.63***	-0.50***	-0.13**	-0.24	-0.09	-0.15***	-0.37***	-0.15**	-0.22***
	秋季	0.07	0.11	-0.04	-0.66***	-0.42**	-0.24***	-0.24***	-0.08	-0.16***
	冬季	-0.41*	-0.52*	0.11**	-0.15	0.22	-0.37***	-0.22**	-0.03	-0.18***

注：***、**、*分别代表通过P=0.01、P=0.05和P=0.10的显著性检验，下同。

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图3

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图3 1961—2022年城市化发展不同阶段西安城区和郊区平均气温（a）、最高气温（b）、最低气温（c）和气温日较差（d）差值

Fig.3 Difference of T_ave （a）， T_max （b）， T_min （c） and DTR （d） between urban and suburban areas in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022

2.1.3 日尺度变化

选取UHI最强的2010—2022年分析日变化规律（图4），发现UHI白天弱夜间强，当日21：00至次日06：00和11：00—16：00为相对稳定的高值和低值时段，17：00—21：00和07：00—11：00为快速上升和下降时段。清晨至中午为升温时段，城区下垫面（多建筑物）比郊区（多自然植被）吸收储存更多热量，中午前后城郊气温差迅速减小；太阳落山后，由于郊区白天储存热量少，可用于对近地层空气加热的热量少，近地层气温下降较快，城区可用于对近地层空气加热的热量多，近地层气温下降较慢，导致UHI不断增大，在午夜前后达到最大值。随着城区和郊区储存热量不断消耗，UHI不断减小。冬季UHI最大值出现时间比夏季提前2~3 h，结束时间比夏季滞后2~3 h，冬季UHI最大值出现在当日21：00至次日09：00，秋季和春季出现在当日22：00至次日07：00，夏季出现在当日24：00至次日06：00。

图4

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图4 2010—2022年西安全年和各季节城市热岛效应日变化

Fig.4 Annual and seasonal variation of UHI in Xi’an during 2010-2022

2.2 城市化发展对降水的影响

1961—2022年城区和郊区PD出现减少趋势[变化率分别为-1.6 d·（10 a）^-1和-0.6 d·（10 a）^-1]，P变化趋势不显著[分别为-2.1 mm·（10 a）^-1和6.0 mm·（10 a）^-1][图5（a）、（b）]，城区和郊区P差值（56.5 mm）和PD差值（12.2 d）均大于0，即西安存在URI。整个研究期城区和郊区P和PD差值冬季分别为123.6 mm和13.3 d，春季分别为24.1 mm和2.5 d，夏季和秋季为负值，城市化快速期URI强于缓慢期[图6（a）、（b）]。

图5

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图5 1961—2022年西安城区和郊区降雨量（a）和降雨日数（b）及其在城区和郊区差值的年际变化

Fig.5 The inter-annual variation of P （a） and PD （b） and their difference between urban and suburban areas in Xi’an during 1961-2022

图6

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图6 1961—2022年城市化发展不同阶段西安城区和郊区降雨量（a）和降雨日数（b）差值变化

Fig.6 The difference of P （a） and PD （b） between urban and suburban areas in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022

表3列出城市化发展不同阶段西安城区和郊区不同等级降水的降雨量、降雨日和降雨强度。可以看出，城市化快速期城区小雨P和PD比城市化缓慢期分别减少2.4 mm和3.5 d，中雨P和PD分别增加29.7 mm和1.8 d，大雨及以上等级P和PD分别增加40.8 mm和1.0 d，总降雨量增加68.0 mm，总降雨日减少0.6 d；小雨RI未出现明显变化，中雨、大雨及以上、总降雨的强度分别增加0.2、0.6、0.7 mm·d^-1；中雨P和PD在总降雨量和总降雨日数中的占比分别增加0.7%和2.1%。

表3 1961—2022年城市化发展不同阶段西安城区和郊区不同等级降水的降雨量、降雨日和降雨强度

Tab.3 The P， PD and RI of different levels of precipitation between urban and suburban areas in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022

城市化发展阶段	降水量等级	城区			郊区
城市化发展阶段	降水量等级	P/mm	PD/d	RI/（mm·d^-1）	P/mm	PD/d	RI/（mm·d^-1）
城市化缓慢期	小雨	182.0	71.2	2.6	159.3	61.5	2.6
	中雨	202.3	13.1	15.2	191.5	12.1	15.8
	大雨及以上	120.9	3.3	36.4	137.2	3.7	37.3
	总降雨	505.3	87.5	5.7	487.0	77.2	6.3
城市化快速期	小雨	179.6	67.7	2.6	151.0	57.5	2.6
	中雨	232.0	14.9	15.4	173.6	11.2	15.4
	大雨及以上	161.7	4.3	37.0	158.4	4.1	38.1
	总降雨	573.3	86.9	6.4	481.0	72.9	6.6

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城市化快速期郊区小雨P和PD比城市化缓慢期分别减少8.3 mm和4.0 d，中雨P和PD分别减少17.9 mm和0.9 d，大雨及以上等级P和PD分别增加21.2 mm和0.4 d，总降雨量和总降雨日数分别减少6.0 mm和4.3 d；小雨RI未出现明显变化，中雨RI减少0.4 mm·d^-1，大雨及以上、总降雨的强度分别增加0.8、0.3 mm·d^-1；中雨P和PD在总降雨量和总降雨日数中的占比分别减少2.9%和0.4%。

随着城市化发展，西安降水结构呈现不对称变化，强降水（大雨及以上）增加，弱降水（小雨）减少，与王辉等（2024）和Yu et al.（2022）研究结论相似。

2.3 城市化发展对日照时数和相对湿度的影响

图7为1961—2022年西安城区和郊区日照时数和相对湿度及其在城区和郊区差值的年际变化。表4为城市化发展不同阶段西安城区和郊区日照时数和相对湿度的变化趋势。可以看出，整个研究期大部分时段城区日照时数小于郊区，浑浊岛效应明显。城市化缓慢期西安全年和各季节日照时数均出现减少趋势，且城区减少趋势更强；城市化快速期全年和各季节日照时数均出现增加趋势，且城区增加趋势更强，可能与当地采取节能减排措施以及局地大气环流改变有关。浑浊岛效应主要在春季和冬季[图8（a）]，城市化快速期城区和郊区日照时数差值的绝对值分别达到0.73 h、0.39 h，年平均为0.73 h，可能由于春季和冬季城市上空为深厚逆温层，城区气溶胶粒子易形成凝结核，云量增多，使得城区和郊区间日照时数差异增大，浑浊岛效应加强。城市化发展对日照时数的贡献率在春季最大（-100.0%），其次为夏季（-54.5%）、冬季（-46.2%），秋季最小（-7.7%），年平均为-50.0%。

图7

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图7 1961—2022年西安城区和郊区日照时数（a）和相对湿度（b）及其在城区和郊区差值的年际变化

Fig.7 The inter-annual variation of SD （a） and RH （b） and their difference between urban and suburban areas in Xi’an during 1961-2022

表4 1961—2022年城市化发展不同阶段西安城区和郊区日照时数和相对湿度的变化趋势

Tab.4 The variation trends of SD and RH between urban and suburban areas in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022

区域	时段	城市化缓慢期		城市化快速期		整个研究期
区域	时段	SD/[h·（10 a）^-1]	RH/[%·（10 a）^-1]	SD/[h·（10 a）^-1]	RH/[%·（10 a）^-1]	SD/[h·（10 a）^-1]	RH/[%·（10 a）^-1]
城区	全年	-0.69***	0.03	0.55***	-2.23***	-0.14**	-1.97***
	春季	-0.58***	-0.91	0.84***	-4.84***	0.03	-3.62***
	夏季	-1.11***	2.29***	0.23	-1.17	-0.33***	-1.08***
	秋季	-0.41*	-1.56*	0.33	-0.50	-0.13	-1.55***
	冬季	-0.67***	0.30	0.88***	-4.29***	-0.13*	-2.24***
郊区	全年	-0.36***	0.77*	0.06	-0.42	-0.07**	-0.68***
	春季	-0.19	0.43	0.39**	-3.28***	0.12**	-1.93***
	夏季	-0.51***	3.20***	0.01	-0.13	-0.16***	0.09
	秋季	-0.08	-0.89	-0.18	1.51**	-0.12**	-0.33
	冬季	-0.40***	0.43	0.17*	-1.26	-0.07*	-1.00***

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城市化缓慢期城区和郊区秋季相对湿度出现下降趋势（表4），城市化快速期城区和郊区全年和各季节相对湿度均出现减少趋势，且城区减少趋势更强。整个研究期大部分时段城区相对湿度小于郊区[图7（b）]，城市干岛效应明显。城市化快速期城市干岛效应大于缓慢期，就全年来看，城区和郊区相对湿度差值的绝对值由城市化缓慢期的0.36%增至4.38%[图8（b）]，与郑祚芳和任国玉（2018）认为城市化发展使北京出现干岛效应，城市化程度越高，干岛效应越强的观点一致。城市干岛效应全年均可发生，就全年而言，整个研究期城区和郊区相对湿度差值的绝对值为2.5%，春季（3.2%）和冬季（2.6%）强于夏季（2.1%）和秋季（1.9%）。城市化发展对相对湿度的贡献率在夏季最大（-100%），其次为秋季（-78.7%），冬季和春季较小（分别为-55.8%和-46.7%），年平均为-66.0%。

图8

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图8 1961—2022年城市化发展不同阶段西安城区和郊区日照时数（a）和相对湿度（b）差值变化

Fig.8 The difference of SD （a） and RH （b） between urban and suburban areas in different stages of urbanization development in Xi’an during 1961-2022

3 结论

本文利用1961—2022年西安城区和郊区气象站长期观测数据，系统分析了城市化发展不同阶段对西安全年和各季节平均气温（T_ave）、日最低气温（T_min）、日最高气温（T_max）、气温日较差（DTR）、降水量（P）、降雨日数（PD）、日照时数（SD）和相对湿度（RH）等气象要素的影响，并对城市化发展对各气象要素的影响贡献率（CRU）进行科学评估，全面揭示了城市化进程与区域气候要素变化之间的内在联系，得到以下主要结论。

1）西安城区和郊区T_ave显著升高，城区大于郊区，城市热岛效应显著，城市化快速期大于缓慢期，且在春季和冬季较强。城市热岛效应表现出明显的日变化和季节变化特征，白天弱夜间强，冬季最大值出现时间比夏季提前2~3 h，结束时间比夏季滞后2~3 h。城区和郊区T_max和T_min也表现出升高趋势，城市化发展对T_min的影响贡献率大于T_max。与城市热岛效应在冬季和春季较强不同，城市化发展对T_ave影响贡献率在夏季较大，冬季最小。

2）1961—2022年，西安城区P和PD大于郊区，雨岛效应存在，主要出现在春季和冬季。城市化快速期雨岛效应增强，降水结构出现不对称变化，城区和郊区的小雨P和PD减少，大雨及以上等级P和PD增加，中雨变化趋势有所差异，城区中雨P和PD占比增加，郊区中雨P和PD占比减少。

3）1961—2022年大部分时段西安城区SD小于郊区，浑浊岛效应明显，主要出现在春季和冬季，就全年来看，城市化快速期城区和郊区日照时数差值的绝对值为0.73 h。城市化发展对SD的影响贡献率在春季最大，年平均为-50.0%。

4）1961—2022年大部分时段西安城区RH小于郊区，干岛效应明显。干岛效应在四季和全年均可发生，春季和冬季较强，就全年来看，城市化快速期城区和郊区相对湿度差值的绝对值为2.5%。城市化发展对RH的影响贡献率在夏季最大，年平均为-66.0%。

本文在研究城市化气候效应时，选用了国家基本气象站观测资料，但其站点空间分辨率尚显不足，下一步可通过区域气象观测站资料，结合遥感技术等进一步分析城市化对局地气候的影响。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

冯瑞, 杨丽萍, 侯成磊, 等, 2022.

基于随机森林的陕西省西安市近地表气温估算

[J]. 地球科学与环境学报, 44(1): 102-113.