城市化对全球陆地平均和极端气温变化趋势估计影响研究取得新进展

全球陆地平均和极端气温的长期变化趋势是气候变化研究领域的基本科学问题。由于城市化进程，全球陆地不少原本位于乡村环境的气象观测站逐渐暴露于城市环境中，而城市往往存在城市热岛效应，这样气象观测站记录到的气温序列可能存在由城市热岛效应增强引起的系统性偏差。当前，对于中国等区域地面气温资料序列中的城市化影响偏差已经有了系统认识，但针对全球范围城市化对地面气象观测站气温记录的影响还缺乏了解。

近日，中国地质大学（武汉）环境学院大气科学系任国玉教授课题组基于全球土地利用/土地覆盖遥感数据，采用机器学习中异常检测（Anomaly detection）方法，从全球陆地气象观测网中遴选出代表背景气温场的乡村参考站。图1展示的是全球陆地乡村站和城市站周围1-12 km（增量为1km）缓冲半径范围内的城市用地百分比，从中可以看出采用这种方法遴选出的乡村参考站，其周围12 km范围内每1km增量面积内的城市用地百分比全部小于3%，可以作为乡村参考站。

图1  全球乡村站(a)和城市站(b)周围1-12 km（增量为1km）缓冲半径范围内城市用地百分比

进一步利用全球陆地所有站和乡村站的平均气温距平差值序列，定量评估了城市化对1951-2018年全球陆地平均气温和极端气温长期变化趋势的影响。结果表明，在全球陆地整体和东亚的年平均气温序列中，都检测到了显著的城市化影响，北美大陆检测到轻微的城市化影响，其城市化对长期变化趋势的贡献分别达到了12.7%、15.0%和9.1%。

图2表示全球/区域所有站与乡村站暖夜指数（每年日最低气温高于参考期第90%分位数的日数与该年总日数的百分比）序列（左）及其所有站与乡村站暖夜指数差值序列。在1951-2018年全球陆地、澳大利亚、东亚、欧洲和北美区域平均暖夜指数序列上升趋势中，均检测到了显著的城市化影响，城市化的贡献分别为17.2%、35.7%、20%、7.6%和21.7%。

图2 全球陆地/区域所有站与乡村站暖夜指数(TN90p)序列 (a) 及其差值序列 (b)

在其他极端气温指数序列变化趋势中，也都检测出不同程度的城市化影响。总体来看，在平均气温序列和极端气温指数序列中的城市化影响，东亚地区最强，欧洲地区最弱。

该项工作定量评估了城市化对近70余年全球陆地平均和极端气温长期变化趋势的影响。研究结果表明，全球陆地气候变暖毫无疑问正在发生，但城市化对平均气温和大部分极端气温指数变化趋势具有不可忽视的贡献。研究结果有助于加深对全球陆地气候变暖速率和极端气温变化趋势特征的认识，并可为全球和区域气候变化监测、研究提供基础数据支持。

上述成果发表在国际大气科学领域权威期刊《Journal of Climate》，研究工作得到科技部国家重点研发计划项目（2018YFA0605603）资助。大气科学系2016级博士生张盼峰（已毕业）为第一作者，任国玉教授为通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1175/JCLI-D-20-0389.1