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1、对该方法进行补充和完善( N) = SN( t) S= 1, 2 1 市相比更加明显。本文拟在过去工作的基利用 R/ S 方法分析兰州城市化气候效应1赵晶杨淑华王乃昂( 兰州大学资源环境学院, 兰州730000) 提要运用R / S 方法 , 对 19511997 年兰州市城市气候的温度、水汽压、相对湿度和日 照百分率等指标的冬( 1 月) 、夏 ( 7 月) 及年平均值进行了分析计算, 各项指标的Hurst 指数H 均大于0. 5, 说明它们存在明显的H urst 现象 , 反映出兰州市过去47 年来气候变化存在趋势性成分, 即持续性的城市化增暖。至于各项指标的H urst 指数在冬、夏及年
2、平均值间有差异, 分析证明这是兰州城市化气候效应强度季节不同所造成。关键词 : R / S 分析城市化效应Hurst 现象引言近一个世纪以来, 北半球的气候明显变暖, 我国许多大城市的气温也有逐年上升的趋势 , 且增温幅度明显大于同期全国平均值 的增加幅度。许多学者通过各种手段对这种增温趋势进行了研究。很显然, 这种增暖趋势是与近几十年来我国城市的快速发展分不开的。由于城市人口增长, 建筑物密度增大, 工业飞速发展 , 排污量增加以及冬季燃煤取暖, 使作为区域性气候之一的城市气候的变化, 不仅受大尺度的自然气候因子影响, 更受到中、小尺度的城市化因子的作用, 即人类活动的影响 , 二者共存于长
3、期的城市气候序列之础上 , 采用R/ S 方 法分析兰州城市气候序 列, 以定量说明城市化效应的影响强度。1资料和方法1. 1气候资料 我们主要选取兰州市19511997 年温度、水汽压、相对湿度和日照百分率的冬季( 1 月) 、夏季 ( 7 月) 及年平均值为分析指标, 进行 R/ S 分析。这些资料来源于兰州中心气象台, 可确保其准确性和精度误差。1. 2分析方法R/ S 分析法最早是由Hurst 在总结尼罗 河的多年水文观测资料时提出的一种分析方法, 后来Mandelbrot and Wallis 又在理论上中 2。如何评价城市化过程对气候的影响, 当, 近些年该方法 前大都采用同期的城
4、乡对比或城市上风、下风区差等方法 , 但是按照Lo w ry 3的意见 , 这在分形研究中得到许多应用, 其主要原理为: 考虑一个时间序列 N( t) , t = 1, 2, 些方法都混有其它地理和自然变化的因子在内, 不能充分说明城市化的影响。兰州市区座落于黄河河谷盆地, 周围环山, 空气湿度小 , 静风频率高。随着兰州城市对于任意正整数S 1, 定义均值序列: S S t= 1 累积离差为: ( 1) 规模和经济的发展, 城市气候效应愈加显著。由于兰州市所处的地理位置及其特殊的气象X ( t, S) = t ( N( u) u = 1 - ( N) S) 条件 , 使城市化效应对气候的影响
5、与其他城 4 1甘肃省自然科学基金资助项目1 t S极差为 : ( 2) 7 1 S ( S) = ( N( t) - ( N)S) 2 S1 。( Antipersistence) 1t 1)气象第 27 卷第 2 期R ( S) = maxSX ( t, S) - mtinSX ( t, S S= 1, 2, ( 3)标准差为 : S 1 2 t= S= 1, 2, ( 4)$ 现考虑比值 R( S) / S ( S) = R/ S , 若存在 如下关系 : R / S SH( 5) 则说明所分析的时间序列存在Hurst 现象 , H 称为Hur st 指 数。 H 值可根据计算出的( S
6、, R / S ) 的 值, 在 双对 数 坐 标 系 ( ln S, Ln R/ S) 中用最小二乘法拟合式( 5) 得到。根据H 的大小 , 我们可以判断该时间序列是完全 随机的抑或是存在趋势性成分。趋势性成分是表现为持续性( Persistence) 还是反持续性 7 Hurst 等人曾证明 , 如果 N( S) 是相互独 立、方差有限的随机序列, 则有H = 0. 5 。对应于不同的Hurst 指数 H ( 0 0. 74 ( 冬) 0. 72( 夏) , 故而一方面冬、夏及年平均 相对湿度仍将继续呈波动性下降, 另一方面 , 冬季 ( 1 月) 和年平均相对湿度下降的趋势将强于夏季
7、( 7 月) 。根据上文城市化对平均气温和水汽压的影响分析, 兰州市平均气温和水汽压在冬季的增高趋势均强于夏季的降低趋势 , 且冬季 ( 1 月) 城市化对气温的影响强于对水汽压的影响, 夏季( 7 月) 则相 反( 表1) 。由以上两方面而导致相对湿度在冬季的 下降趋势显著强于夏季。具体言之, 冬季相对湿度的降低主要是热岛效应所致, 夏季相对较弱的降低趋势却是水汽压的降低所致。图 2兰州市 1 月、7 月及年平均气温的年际变化曲线( 19511997) 图 4兰州市 1 月、7 月及年平均相对湿度的年际变化曲线 ( 19511997) 2. 4日照百分率在表1 中, 1 月和年平均日照百分率
8、的Hurst 指数分别为0. 89 和 0. 91, 明显大于7 月值0. 62。根据上述结果及图5 我们可以推图 3兰州市 1 月、7 月及年平均水汽压的年际变化曲线 ( 19511997) 10 断, 未来冬季 ( 1 月) 日照百分率减小的趋势将强于夏季 ( 7 月) 减小的趋势 , 而且年平均气象第 27 卷第 2 期日照百分率也将趋于下降。究其原因, 主要是兰州冬季贴地逆温最深厚。频率最大, 热岛效应强于夏季。并且随着城市的发展、工业化及燃煤取暖使兰州冬季大气污染物浓度高, 污染物难以扩散而大量吸水, 在近地层相对湿度 较低 ( 1 月) 的情况下形成 “ 浊雾 ” , 使冬季日照时
9、数 明显低于 夏 季之 故。同时 , 这 一R/ S 分析结果也验证了兰州城市化效应冬 季强于夏季。图 5兰州市 1 月、7 月及年平均日照百分率的年际变化曲线 ( 19511997) 3结论( 1) 对兰州城市气候指标温度、水汽压、相对湿度和日照百分率等进行的R / S 分析表明 , 主要气候要素的H 值均大于0. 5, 存在明显的Hurst 现象 , 即兰州城市气候变化存在着持续性。( 2) 各气候指标的冬季、夏季和年平均的H 值存在差异 , 且一般情况下均是冬季大于 夏季 , 由此说明兰州城市化气候效应在一年中所产生的影响强度不同, 即冬季的城市化效应远远高于夏季。( 3) 传统的城市气
10、候研究多是对气候变化进行城郊对比分析, 本文一方面从统计学上对城市气候变化的持续性给予了证明, 另一方面也对这种持续性成分的强度进行了定量的比较。( 4) 上述研究说明分形方法是一种有用的数学工具 , 由此方法 , 城市气候研究可望进入更高层次的确定性解释。我们的工作只是一种初步尝试, 今后还应当进行更深入的探讨。参考文献1吴息 , 王少文 , 吕丹苗 . 城市化增温效应的分析. 气象 , 1994, 20( 3) : 7 9. 2余晖 , 罗哲贤 . 气温长期演变趋势中城市化的可能影响. 中国西北干旱气候研究, 北京 : 气象出版社 , 1997. 3Low ry W P. E mpiric
11、al es timation of u rban effects on climate: A Pr ob lem An alysls . J. Appl. Meteorol. , 1997, 16: 129135. 4王乃昂 , 赵晶 , 高顺尉 . 东亚季风边缘区气候代用指标的分形比较及其意义. 海洋地质与第四纪地质, 1999, 19( 4) : 59 65. 5 M andelbrot B B, Wallis J R. S ome long-run pr oper- ties of geographysical r ecords . Water Resour ce Re- search,
12、 1969a, 5( 2) : 321340. 6M andelbr ot B B, Wallis J R. Robus tnes s of the res c- aled ranged R/ S in the meas urem ent of n on cyclic long-run s tatistical dependen ce. Water Resource Re- s earch , 1969b , 5( 5) : 967988. 7梅丽明 , 沈正 , 陈伯海等 . 海浪波高序列的长期相关性及自仿射结构 . 海洋学报 , 1995, 17( 4) : 11 22. 8周厚云 , 余
13、素华等 . 西昆仑山甜水海钻孔氧化铁指标的 R/ S 分析及其意义 . 冰川冻土 , 1999, 21( 2) : 136140. ( 下转第15 页) 11 气象第 27 卷第 2 期减 18. 4g/ m2; 而在牧草返青至 5 月 下旬 , 8 月上旬至牧草黄枯这两个时期的大气降水对天然牧草产量影响较小。参考文献1江爱良 , 张福春 . 中国农业气候生产力的一个模式. 中国农业气象 , 1988, 9( 1) : 16 18. 2冯秀藻 , 闵庆文 . 一个用于反映天然牧草生长规律的综合农业气象指数. 中国农业气象, 1994, 15( 2) : 47 49. Impacts o f G
14、rassland Droug ht on t he Grow th and Yield of Natural Grass Wang Ying shunYang Weny iHe Junjie (Xilin guole Meteorological S tation for Animal Hus band ry, Xilinhot026000) Zhang Yinsuo ( Inner M ongolia Meteorological Ins titu te) Abstract By analyzing the relatio nships amo ng the gro wth dy namic
15、s and yield of natural grass and pr ecipitation as w ell as soil w ater content, calculation models w er e established to estim ate the gr ow th height and prim ar y pr oduction of natural g rass on ty pical g rassland of Inner M ongoli- a. Key Words: gr asslanddr oug htnatural g rassprimary pr oduc
16、tion ( 上接第11 页 ) T he Analysis of Urbanizat ion Effect on Climat e in Lanzhou by t he M ethod of R / S Zhao JingYang ShuhuaWang Nai ang ( School of Resources & Environments, Lanzhou Un iversity730000) Abstract Based on R / S analysis on mean temperature, w ater vapo ur pressure, relative humidity and sunshine percentag e in w inter ( January ) , sum mer ( July ) and annual m ean from 1951 to 1997 in Lanzho u city , the Hurst
