昆明城市化与局地气候的耦合关系研究

何 咪，何 萍，赵 琳

(1.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500；2.楚雄师范学院 区域气候与环境变化研究所，云南 楚雄 675000；3.百色学院 管理科学与工程学院，广西 百色 533000)

当前，不同学科、不同领域对城市化的概念有不同的理解，但普遍认为，城市化关联着人口、经济等多个要素聚集的整体演进，是一个综合性的概念[1，2]。城市化在带动城市人口集聚和城市大发展的过程中，推动人类生产生活集中化，使得城市的下垫面、水分、热力、近地面大气辐射等发生改变，形成与郊区有异的城市局地气候[3-5]。期间，频繁和过度的干扰对局地气候造成威胁与破坏，产生城市增温、城市热岛效应、干岛效应等负面影响[6]。

近百年来全球气候以变暖为主要特征，130年间气温升高0.85℃[7]，学界认为未来的地表气温还会继续上升[8]，中国从20世纪60年代起，有记录的变暖幅度几近于2倍的全球平均气温[9]，其中平均地表气温偏高与人为排放温室气体可能具有关系[10]。在此背景下，Trusilova等[11]研究发现农村转变为城市后会造成区域近地表温度和降水量发生显著变化。Huang等[12]对嘉义市的冠层建筑环境特征与城市热岛效应的关系进行研究，指出200 m缓冲区范围内，城市的建成因素与热岛效应具有很强的相关性。Lokoshchenko[13]的研究表明莫斯科1950～1990年的城市热岛效应和干岛效应的稳定与居民从城市中心大规模迁移到新的边缘城市的活动有关。王宝强等[6]从时间尺度与空间尺度上分析上海城市化对局地气候的影响，指出城市发展对气候环境具有胁迫效应。王原等[14]通过建立回归方程验证上海城市化压力综合指数对局地气候的胁迫效应符合环境库兹涅茨曲线规律。官雨洁等[15]对比了福州与漳州的气温变化特征，分析了不同城市化程度与气温的关系。吴利华等[16]通过分析昆明气象站的数据，发现1951～2016年，昆明的降水强度呈上升趋势，但年总降水量呈下降趋势。何萍等[17，18]通过对比城市与郊区的气温和降水量探讨了城市化与云南省楚雄市热岛效应、雨岛效应的关系，杨燕妮等[19]采用小波变换、线性趋势等方法分析昆明太华山气温变化发现，66年来太华山的平均气温呈上升趋势。

昆明是云南省省会，也是云南省经济发展中心所在，20世纪80年代以后，城市化进程加快，局地气候发生变化，但已有研究对于昆明城市化和局地气候关系的研究大多局限于单个气象要素或气候效应上，对整体协调发展的研究相对较少，在此基础上，本文引入物理容量耦合模型，研究30年来昆明城市化进程与局地气候的耦合关系及演变趋势，以期对缓和城市环境与发展间的矛盾以及可持续发展提供参考意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

采用1989～2018年昆明市的昆明站与太华山站2个站点的气温、相对湿度等逐日气象资料，2个站点的观测记录均符合国家气象站观测规范。其中，昆明站随着城市发展，周围的环境由农田向高楼转变，其气象要素的变化受人类活动影响较大。而太华山气象观测站位于自然保护区内，周围环境受城市化影响较小，其气象要素的变化主要受全球变暖的影响，很少受人类活动的干扰。因此，选取昆明站作为城市站，太华山站的作为郊区站进行对比研究，所用气象资料来源于中国气象科学数据中心。

城市化资料来源于《云南统计年鉴》《昆明统计年鉴》《中国城市统计年鉴》。

1.2 研究方法

1.2.1 建立综合评价指标体系

城市化是一个人口集聚、空间扩张、经济发展的过程，因此，在遵循科学性、综合性、代表性等评价指标选取原则下[20]，结合昆明城市化进程实际情况以及数据完整性，从人口、空间、经济3个方面选取12项指标表征昆明城市化发展水平。在人口方面，城市化主要表现为非农人口比重增加，城市人口规模不断扩大，从事工业与服务业的人员增加，因此，选取非农人口比重、人口密度与二、三产业从业人员构成3项指标表征人口城市化水平；在空间方面，随着城市发展，城市面积急剧扩张，具体表现为城市建成区与道路的面积增加，相应的园林绿地面积也发生变化，因此，选取道路铺装面积、市区建成区面积与园林绿地面积表征空间城市化水平；在经济方面，城市化最直接的表现为地区生产总值、工业与服务业生产总值的增加，而民用汽车拥有量、社会消费品零售总额与固定资产投资总额可以直接或间接的反映居民收入情况，以体现社会经济发展状况，因此，选取地区生产总值、工业总产值、社会消费品零售总额、民用汽车拥有量与固定资产投资总额表征经济城市化水平。

城市化对局地气候的影响主要表现为城市气象要素与气候效应的变化，气象要素主要包括与人类生产生活关系最为密切的气温、降水、相对湿度与日照时数，气候效应主要指城市五岛效应。气象学中通常用城市平均气温Tu与郊区平均气温Tr差值ΔTu-r表示热岛效应强度，用城市降水量Ru与郊区降水量Rr差值ΔRu-r表示雨岛效应强度，用城市相对湿度RHu与郊区相对湿度RHr差值ΔRHu-r表示干岛或湿岛效应强度，结果为正是湿岛效应，负即为干岛效应，由于城市大气中的污染物质比郊区多，能见度小于郊区，城市阴天日数比郊区多，城市日照时数会减少，此处用城市日照时数Su与郊区日照时数Sr差值ΔSu-r表示浑浊岛强度[5]。因此，从城市气象要素和城市气候效应2个方面选取了城市年平均气温、城市年平均相对湿度、城市年日照时数、城市年降水量、城市热岛效应、城市干岛效应、城市浑浊岛效应与城市雨岛效应8项指标表征局地气候水平，共同建立昆明城市化发展水平与局地气候水平综合评价指标体系。

1.2.2 数据预处理

为了提高计算结果的精确性，需要将原始数据中记为0的值进行识别查证，如果为缺测数据，将通过Matlab软件进行3次样条法插值得到。其中，3次样条法是基于存在一组数据点(xa，ya)(a=0，1，2，…，n)，构造一个函数q(x)作为y=f(x)的近似表达式的原理对数据进行插值。

由于昆明站与太华山站的海拔有一定的差异，依据段旭[21]等的气温订正方法，即海拔每下降100 m，气温升高0.51℃，对太华山站点的气温数据进行逐个订正。

1.2.3 数据标准化处理

为了消除原始数据由于量纲不同而带来的影响，需要将原始数据转换为无量纲标准[22]。计算公式如下：

(1)

式中：yij为第i年的第j个指标的标准化数据；xij为第i年的第j个指标的原始数据；max(xij)、 min(xij)分别为第i年j项指标的最大值与最小值。

1.2.4 指标权重的计算

目前确定指标权重的方法很多，熵值法与其它方法相比较，具有数学理论依据较强，客观性好，能消除主观因素影响的优势[23]。因此，在建立综合评价指标体系的过程中，采用熵值法确定指标权重。计算过程如下：

(1)计算第i年的第j项指标比重pij，公式如下：

(2)

式中：n为统计年数，本文取30年。

(2)计算第j项指标熵值ej，公式如下：

(3)

(3)计算第i年的第j项指标的权重wij，公式如下：

(4)

1.2.5 综合指数的计算

根据公式(1～4)对原始数据完成标准化处理并计算出各项指标权重，再通过加权求和分别计算反映昆明城市化发展水平和局地气候水平的综合指数，公式如下：

(5)

式中：C为综合指数；wij为权重；yij为标准化后数据。

1.2.6 构建耦合度协调模型

耦合度是可以反映系统之间或系统内部各要素之间相互作用、相互影响、相互制约程度的物理学容量模型，而耦合度协调模型能有效评价彼此影响的两个系统之间的协调发展程度[24]。本文借鉴该模型对昆明城市化发展水平与局地气候水平之间的协调发展程度进行判定，计算公式如下：

(6)

I=α×Cm+β×Cn

(7)

(8)

式中：D为耦合度；Cm为城市化发展水平综合指数；Cn为局地气候水平综合指数；I为反映城市化发展水平与局地气候水平的综合发展指数，其中，α和β分别为二者对区域发展的贡献份额；T为耦合协调度，T越大，说明城市化发展水平与局地气候水平之间的协调性越好。

根据耦合协调度T、城市化发展水平综合指数Cm与局地气候水平综合指数Cn的大小，借鉴物理学上耦合协调类型的等级划分方法，将城市化发展水平与局地气候水平的协调关系划分为以下4个类型[25]，同时，根据城市化发展水平与局地气候水平的测定结果，又将城市化发展水平与局地气候水平的协调发展类型划分为12个子类型(表1)。

表1 城市化与局地气候的耦合协调类型划分

2 结果分析

分别选取表征城市化发展水平与局地气候水平的指标，计算权重(表2)。结合公式(5～8)计算昆明市城市化发展水平综合指数、局地气候水平综合指数以及二者之间的耦合协调度，根据耦合协调度类型划分方法(表1)划分1989～2018年昆明城市化发展与局地气候的协调发展类型，分析30年来昆明城市化发展水平与局地气候水平的耦合关系及演变趋势。

2.1 昆明市城市化发展水平与局地气候水平分析

由表2可知，在反映城市化水平的各项指标中，权重排名前3的分别是固定资产投资总额(0.121 9)、社会消费品零售总额(0.109 6)、第三产业生产总值(0.100 3)，这3项指标都是表示经济城市化的指标，说明经济城市化对昆明城市化系统的贡献份额最大。在表征局地气候水平的各项指标权重里，最大值为2014年0.651 6，表明2014年是30年来气候环境状况最好的一年，最小值为1989年的0.252 8，说明1989年的气候环境状况最差，排名前3的分别是城市年日照时数(0.218 7)、城市热岛效应(0.169 5)、城市雨岛效应(0.142 2)。因此，城市年日照时数、热岛效应、雨岛效应是昆明局地气候环境系统中作用最强烈的指标。

表2 昆明城市化发展水平与局地气候水平综合评价指标及权重

由1989～2018 年昆明城市化发展水平综合指数的变化趋势图(图1)。可知，30年里城市化发展水平综合指数整体呈现上升的态势，由1989年的0.003 7上升至2018年的0.918 0，城市化水平不断提高，尤其是2004年以后城市发展水平增长速度提升，年均增长5.15%。从一级指标来看，人口、空间、经济都具有增长趋势，其中经济城市化发展水平综合指数增加幅度最大，反映在昆明的城市化进程中，昆明城市发展的重心侧重在经济方面，人口城市化与空间城市化的发展相比经济方面较为薄弱，二者发展水平上升幅度略有差异，但整体上还是较为一致，其中2014年以后，空间城市化发展水平略有下降，这可能是受道路铺装面积的影响。经济城市化水平在2008年以后上升幅度变大，这是工业、第三产业共同发展的结果，人口城市化在2004年以后上升幅度变大，空间城市化水平在2005年以后发展速度加快，这与官渡区的开发建设有关。因此，昆明市城市发展过程中，人口、空间、经济3个方面的发展步调有所失衡，在今后的建设活动中要注意各个方面的协调关系，不能片面追求经济发展，应推动整个城市系统的同步发展。

图1 1989～2018年昆明城市化发展水平综合指数变化趋势

由1989～2018年间局地气候水平的综合指数变化趋势图(图2)可知，30年里局地气候水平呈波动状态，城市气象要素、城市气候效应发展水平的变化趋势与局地气候水平的变化趋势基本一致，结合图3来看，1989～2008年局地气候水平高于城市化发展水平，即Cn>Cm，2010～2018年则呈现出相反的态势，即Cn

图2 1989～2018年昆明局地气候水平综合指数变化趋势

图3 1989～2018年昆明城市化发展水平与局地气候水平综合指数变化趋势

2.2 昆明城市化发展水平与局地气候水平耦合协调度分析

为了测定城市化发展水平与局地气候水平对区域发展的贡献额度不同是否对二者之间的耦合协调度产生影响，本文分别计算城市化发展水平与局地气候水平3种不同的贡献额度(α=1/3，β=2/3；α=1/2，β=1/2；α=2/3，β=1/3)下的耦合协调度(表3、图4)。

图4 1989～2018年昆明市城市化发展水平与局地气候水平耦合协调度演变趋势

表3 昆明城市化发展水平与局地气候水平耦合协调度类型

从图3可以看出，1989～2018年，昆明城市化发展水平与局地气候水平的耦合协调度在3种不同贡献额度的情况下的变化趋势基本一致，整体上呈上升趋势，因此，依据表1，将昆明市城市化发展水平与局地气候水平的协调度态势划分为以下3个阶段。

第一阶段：1989～2006年，城市化受阻与城市化滞后阶段，该阶段内城市化发展水平与局地气候水平的耦合协调度呈波动上升趋势，耦合协调类型由严重不协调—城市化受阻发展至基本不协调—城市化受阻再到后期的基本协调—城市化滞后。结合图1、图2来看，这个阶段里城市化发展水平呈上升趋势，综合指数从0.003 8增加到0.334 1，局地气候水平较为稳定明显高于城市化发展水平，二者间的关系不平衡，说明该时期内昆明城市化速度较慢，经济发展水平较低，城市建设强度较低，对气候造成干扰的因素较少，并未对气候造成太大的影响。

第二阶段：2007～2012年，基本协调阶段，该阶段内城市化发展水平与局地气候水平的耦合协调度持续上升，整个阶段的耦合协调度都在基本协调类型范围内。该时期内，城市化发展水平迅速提高，综合指数从0.383 7上升至0.651 4，城市经济大力发展，城市人口增加，面积扩张，城市化发展水平从落后于局地气候水平转变为略高于局地气候水平，二者协调发展，关系达到平衡，说明昆明城市化进程加快，城市发展与当地气候环境相适应，城市化与局地气候的关系改善，尽管2010～2012年，城市化对气候环境逐渐产生压力，但仍然在气候环境系统的承载范围内，形成健康的城市发展系统，共同促进区域的发展。

第三阶段：2013～2018年，气候环境滞后阶段，该阶段内城市化发展水平与局地气候水平的耦合协调度继续波动上升，耦合协调类型由基本协调—气候环境滞后发展至高级协调—气候环境滞后。在这个阶段里，局地气候水平依旧维持在0.2～0.7，尽管城市人口与空间的发展速度有所减缓，但经济依旧处于高速发展的状态，城市化发展水平综合指数继续提高，由0.712 7上升至0.918 0，城市化发展水平明显高于局地气候水平，二者关系失衡，说明高强度的城市建设活动已经对气候环境造成较大的影响，如果不采取任何措施，气候环境将难以为城市发展提供其基础服务。

2.3 昆明城市化与局地气候的耦合关系验证

随着昆明城市化进程推进，城市化发展水平与局地气候的耦合关系发生转变，耦合协调类型也发生变化，关系逐步失衡。因此，分别对各项气候指标与城市化发展水平综合指数做相关性检验及归回分析，进一步验证城市化发展水平系统中与局地气候水平系统中各项指标的耦合关系(表4)。

表4 城市化发展水平综合指数与局地气候环境水平的关系模型

从相关系数来看，城市化发展水平综合指数与年平均相对湿度是负相关关系，与其它的指标皆是正相关。并且，在0.01水平上城市发展与城市干岛效应呈现显著正相关，与城市年平均气温、城市年平均相对湿度、城市年日照时数、城市雨岛效应存在低度相关，而与城市年降水量、城市热岛效应、城市浑浊岛效应表现出弱相关，在建立回归模型时，将不对弱相关的指标进行研究。

对各项气候指标与城市化发展水平综合指数分别建立了2次、3次、4次、5次回归模型，通过检验各个模型的拟合效果，以4次拟合效果最佳。城市化发展水平综合指数与城市干岛效应、城市年平均气温、城市年平均相对湿度拟合曲线的决定系数R2>0.5，表明城市化进程与昆明地区发生干岛效应、城市气温变化和相对湿度变化确实存在耦合关系，与日照时数和雨岛效应的关系则还有待进一步研究，其中，城市化与城市年平均气温相关的主要指标是工业总产值(0.533 7)、道路铺装面积(0.471 3)和市区建成区面积(0.467 5)，与城市年平均相对湿度相关的主要指标也是道路铺装面积(-0.481 8)、市区建成区面积(-0.433 2)和工业总产值(-0.379 8)，与城市干岛效应相关的主要指标是道路铺装面积(-0.550 1)、二三产业人员构成(-0.506 4)和非农人口比重(-0.504 3)、人口密度(-0.504 3)、GDP(-0.504 3)、第三产业生产总值(-0.504 3)、社会消费品零售总额(-0.504 3)，说明与城市气温、相对湿度变化存在耦合关系的主要是城市化进程中的经济发展、空间建设两个方面。而雨岛效应与日照时数相比较城市化的作用程度，与其它因素的干扰作用关系更密切，因此，昆明市的城市气温变化与干岛效应是城市发展与局地气候环境耦合关系密切的结果。

3 结论与讨论

本文基于1989～2018年的气象数据与城市资料，依据耦合度协调模型对昆明市的城市化发展水平和局地气候水平二者之间的耦合协调度进行了分析，并进行相关性计算与回归模拟，验证昆明市城市发展与局地气候之间的耦合关系，结果如下：

(1)在昆明30年的城市化进程中，经济发展是最主要的内驱动力。城市年日照时数、热岛效应、雨岛效应是昆明局地气候变化最主要的因子，局地气候水平稳定保持在0.2～0.7，城市气象要素、城市气候效应发展水平的变化趋势与局地气候水平的变化趋势基本一致。

(2)昆明城市化发展水平与局地气候水平的耦合协调度在3种不同贡献额度的情况下均呈上升趋势，协调发展关系经历了城市化发展受阻(滞后)(1989～2006年)、基本协调(2007～2012年)、气候环境滞后(2013～2018年)3个阶段，城市化逐渐对气候环境产生压力。

(3)昆明城市化发展水平综合指数与局地气候水平指标的相关系数均通过p=0.01水平的显著性检验，相关性结果显示，昆明城市化进程与城市高温热浪、干岛效应具有密切的耦合关系尤其是经济发展与空间建设两个方面，而日照时数和雨岛效应的变化，与城市化以外的因素关系更强。

在昆明日后的城市发展中，应合理控制城市经济发展强度与空间建设强度，避免城市的盲目扩张，实时关注局地气候的动态变化，防止城市化与局地气候之间的关系进一步失调，积极采取措施缓解城市的高温热浪与城市干岛效应，如：合理的增加城市绿地、水体面积，加强对现有水体、绿地的管护，统筹规划建筑密度与城市建设规模等。