全 文 ：　 　 倡 科技部社会公益类重点项目 （２００３DIA６N０１７）资助
收稿日期 ：２００５唱１０唱２８ 　 改回日期 ：２００６唱０１唱１２
近 30 年来城市化进程对北京区域气温的影响 倡
郑祚芳１ 　郑 　艳２ 　李青春１
（１ ．中国气象局北京城市气象研究所 　 北京 　 １０００８９ ； ２ ．中国社会科学院 　 北京 　 １００７３２）
摘 　 要 　 分析了 ２０世纪 ７０年代以来北京市气温指数的变化规律 ，发现其与城市化进程有良好对应关系 。 并应用
主成分分析方法 ，将影响北京城区及郊县各站气温变化的因子分为区域因子及局地因子 。 计算表明 ，城市化带来
的热岛效应是导致局地增暖的主要因子 ，占总增暖比重的 ４７畅５ ％ ～ ６１畅２ ％ 。 在众多表征城市发展的指标中 ，气温
与人口总量的相关性最好 。 以上结果有助于深入探讨城市化对区域气候的影响机制 。
关键词 　 城市化影响 　 气温 　 主成分分析 　 热岛效应 　 北京区域
Effect of urbanization on the temperature of Beijing metropolis in recent 30 years ．ZHENG Zuo唱Fang１ ，ZHENG Yan２ ，
LI Qing唱Chun１ （１ ．Beijing Institute of Urban Meteorology ，Chinese Meteorology Administ ration ，Beijing １０００８９ ，China ；
２ ． Chinese Academy of Social Sciences ， Beijing １００７３２ ，China） ，CJEA ，２００７ ，１５（４） ：２６ ～ ２９
Abstract 　 In this paper ， principal component analysis was used to probe in to urbanization effect on the temperature of
Beijing in recent ３０ years ．Results show that urban heat effect in simultaneity with urbanization is t he main cause of urban
temperature rise ．Estimated propor tion of urban heat effect to urban temperature is from ４７畅５ ％ to ６１畅２ ％ ． Further唱
more ，correlativity between metropolitan temperature rise and urban population is very strong ． Thus this work provides a
fundamental reference for the study of urbanization effect on urban climate ．
Key words 　 Urbanization effect ， Temperature ， Principal component analysis ，Urban heat effect ， Beijing metropolis
（Received Oct ．２８ ，２００５ ； revised Jan ．１２ ，２００６）
IPCC第一工作组报告指出 ，全球有仪器观测以来的近百年增温约 ０畅３ ～ ０畅６ ℃ 。 ２０ 世纪的全球变暖趋
势被认为在 ２１ 世纪还将持续 ，由此而引发的气候和环境变化关系到人类未来的生存环境 ，对经济发展和社
会进步各方面都具有潜在的重大影响 ，已成为社会和经济可持续发展中最为关键的问题［１］ 。 改革开放以
来 ，随着经济全球化的发展 ，中国城市化进程明显加快 ，预计到 ２０５０ 年我国的城市化率将由目前的 ４０ ％ 扩
大到 ７０ ％ 以上 。 伴随城市化进程的是土地利用变化和人类经济活动加剧 ，城市是能量消耗中心 ，却又缺少
植被的光合作用 ，导致市区大气中的烟尘与 CO２ 等温室气体的含量增加 ，引起大气辐射与热力性质改变 ，加
上人为热能的作用 ，形成热岛效应 ，使城市温度明显高于郊区 。 考虑到城市热岛在空间上的延伸 ，城市化的
影响可能远超出城市范围 。
城市气候和城市发展互为关联 ，一方面城市发展对区域气候产生影响 ，另一方面区域气候又反作用于
城市 。 城市可持续发展的目标是人与自然环境的协调发展 ，作为城市自然环境的一个方面 ，城市气候亦需
要城市发展与之协调 。 因此正确认识城市气候特征 ，是城市可持续发展的先决条件 。 近几年来 ，城市气候
变化开始引起人们的关注［２ ～ ４］ ，但有关城市化过程对区域气候影响的研究还不多见 。 本研究应用主成分分
析方法 ，探讨了 ２０ 世纪 ７０ 年代以来城市化进程对北京区域气温的影响 。
1 　 研究方法
研究所用资料包括北京市统计局公布的 １９７８ ～ ２００２ 年城市发展资料以及北京市气候中心整理发布的
北京地区 ３０ 年（１９７１ ～ ２０００）整编月平均气温资料 。 取距市中心由近到远的北京观象台 、顺义 、平谷观测站
分别代表城区 、近郊区和远郊区 ，所选这 ３ 个站点均处于平原地区 ，海拔在 ３０m左右 ，受地形影响较小 。
用一般的数学方法对城市气温进行分析 ，可以定量计算出在某一时段内城市区域气温的变化幅度 ，但
第 １５卷第 ４ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．４
２ ０ ０ ７ 年 ７ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture July ，　 ２００７
难以解释城市气温变化的主因 ，更无法计算出各因子的贡献率 。 主成分分析又称为经验正交函数分解 ，是
气象上多变量分析中常用统计方法之一 ，它能够在不损失或很少损失原有信息的前提下 ，将原来多个彼此
相关的指标转换为新的少数几个彼此独立的综合指标［５］ 。
假定有 n 个地理样本 ，每个样本由 p 个变量来描述 ，这样便构成如下数据矩阵 ：
X ＝
x１１ 　 x１２ 　 … 　 x１ p
x２１ 　 x２２ 　 … 　 x２ p
… 　 … 　 … 　 …
xn１ 　 xn２ 　 … 　 x np
（１）
在主成分分析中 ，较少的几个主成分 Zi （ i ＝ １ ，２ ，… ，M）是彼此独立的 ，可将其表示为原变量 Xi（ i ＝ １ ，
２ ，… ，P）的线性组合 ：
Z１ ＝ L１１ X１ ＋ L１２ X２ ＋ … ＋ L１ P XP
Z２ ＝ L２１ X１ ＋ L２２ X２ ＋ … ＋ L２ P XP
　… … … … … … … … … … … … … …
ZM ＝ LM１ X１ ＋ L M２ X２ ＋ … ＋ L MP XP
（２）
式中 ，Li j为各主成分的特征向量 ， Z１ ，Z２ ，… ，ZM 解释的方差贡献率依次递减 ，在实际分析中 ，为使问题简
化 ，通常选取前几个最大主成分进行讨论 。
2 　 结果与分析
2畅1 　 北京市城市化进程
２０ 世纪 ７０ 年代开始 ，在改革开放政策的驱动下 ，北京市经历了一个快速城市化过程［６］ 。 国家统计局根
据人口与劳动力 、社会经济发展 、基础设施 、环境等指标进行的中国百强城市评估中 ，北京市的综合实力仅
次于上海位居第二 。 据统计 ，北京现行规划区内的总人口已由 １９４９ 年的 ４２０ 万增加到 ２００４ 年的 １５００ 万 ，
目前每天滞留在北京的人口达 １７００ 万 ，且还在以每年 ２畅５ ％ 的速度增长 ；２０ 世纪 ８０ 年代北京城区面积平均
扩张速度为 １２km２ ／a ，９０ 年代以来年均扩展超过 ２０km２ ，人均 GDP也从 １９７８ 年的 １２９０ 元增长到 ２００３ 年的
３２０６１ 元 ，整体城市化率已从 ５４畅９ ％ 增长到 ７２畅３ ％ 。
研究表明 ，社会经济发展和城市人口增加是中国城市土地扩张的主要驱动因子［７］ ，城市化最为直接的
测度是人口的城市化率 ，即非农人口占总人口的比例 。 由图 １ 可知 ，北京地区总人口自 １９７８ 年以来一直保
持强烈增长趋势 ，平均每年净增人口 ２２畅９６ 万人 。 相应的城市人口所占比例也从 １９７８ 年的 ５４畅９ ％ 上升到
２００２ 年的 ７１畅０１ ％ ，平均每年增加 ０畅６７ ％ 。 统计分析表明 ，经济增长与城市基础建设和能源需求有着密不
可分的联系 。 ２０ 世纪 ８０ 年代以来 ，经济发展对能源的大量需求以及生活能源的稳步增长 ，是北京成为高耗
能城市的主要原因 。 在 ２０ 世纪 ９０ 年代以前 ，北京新建住宅面积增长相对缓慢 ，年均增加率为 ２３畅３ 万 m２ ，相
应的电力能源消耗量年均增加 ６畅１７ 亿 kW·h 。 １９９０ 年以后新建住宅面积增速明显加大 ，年增长达 １３４畅９ 万 m２ ，
图 1 　 北京城市发展资料
Fig ．１ 　 The changes of population ， housing and power consumption during urbanization process in Beijing
相应的电力
能源消耗年
均增加量也
达 到 １９畅４７
亿 kW·h ，这
种增长速度
与北京 ２０ 世
纪 ９０ 年代后
明显加快的
城市化进程
有着良好的对应关系 。
2畅2 　 近 30 年北京气温变化趋势
图 ２ 为北京观象台 、顺义和平谷气象站 １９７１ ～ ２０００ 年平均气温的变化 。 ３ 地气温都存在明显上升趋
势 ，其中观象台（城区）的升温幅度最大 ，顺义（近郊区）次之 ，平谷（远郊区）最弱 。 ３ 地气温上升最快的时段
第 ４期 郑祚芳等 ：近 ３０ 年来城市化进程对北京区域气温的影响 ２７　
图 2 　 北京观象台 、顺义和平谷气象站 1971 ～ 2000 年
平均气温变化趋势
Fig ．２ 　 Temperature variation curves of Beijing Guanxiangtai ， Shunyi
weather statio n and Pinggu w eather st ation from １９７１ to ２０００
均在 ２０ 世纪 ８０ 年代以后 ，与北京城市化进程基本一致 。
2畅3 　 主成分计算结果分析
为分析某一特定地区气温变化的具体原因 ，有必要辨
别其主要影响因子 。影响北京城区及郊县各站气温变化的
因子可分为区域因子及局地因子 ，前者代表了气候系统的
一种内在自然变化规律 ，使气温变化出现共同特征 ，后者反
映由于局地因素导致的各地气温变化差异 。本文在计算过
程中先将北京观象台 、顺义 、朝阳 ３ 个站点的月平均气温资
料转化成季度平均值 ，然后分别进行主成分分析 。
计算表明 ，对于各站 （观象台 、顺义 、朝阳）而言 ，第
一 、第二主成分所解释的方差贡献率分别为 ６１畅２ ％ 、
５１畅１ ％ 、４７畅５ ％ 和 １９畅２ ％ 、２３畅６ ％ 、２４畅２ ％ ，两者合计达
７１畅７ ％ ～ ８０畅４ ％ ，解释了绝大部分的方差贡献 ，代表了导
致各地气温变化的两种主要形态 。 表 １ 为各站点气温第一 、第二特征向量（ L１ 、L２ ）的分布 。
表 1 　各站气温第一 、第二特征向量分布
Tab ．１ 　 The value of the first and the second principal components of temperature of three weather stations
季 　 节
Season
城区 （观象台）
Ci ty （Guanxiangt ai）
郊区（顺义 ）
Suburb （Shunyi）
远郊（平谷 ）
Country （Pinggu）
L １ L ２ L １ L ２ L １ L ２
春季 ０畅５９１ － ０畅３３７ ０畅５５７ － ０畅４０４ ０畅５２１ － ０畅９０１
夏季 ０畅３４０ － ０畅６４４ ０畅２７９ － ０畅６５９ ０畅２６６ － ０畅６７３
秋季 ０畅３６９ － ０畅３７９ ０畅３４４ － ０畅９２７ ０畅２８７ － ０畅１２５
冬季 ０畅６３１ ０畅６８５ ０畅６０３ ０畅６２７ ０畅５６１ ０畅６３３
　 　 从第一特征向量来看 ，观象台 、顺义 、平谷 ３ 站各季均为正值 ，且最大值都出现在冬季 ，其次是春季 ，再次
是秋季和夏季 。 表明冬 、春季温度的变化对第一主成分有较大权重 。 通过比较还可发现 ，各站第一特征向
量值存在随离市区距离增大而减小的趋势 ，说明其与局地因素有关 ，是局地因子控制的结果 。 ３ 站在地理上
最明显的区别表现在城市化程度的差异上 ，由市区向郊区逐渐减小的局地增暖因子 ，很可能与城市化过程
导致的城市热岛效应有关 。 已有的研究表明 ，城市热岛与城市规模基本呈线性正相关［８］ 。 城市热岛效应一
年四季都存在 ，在北方城市冬季最为明显［２］ （冬季为取暖而增加的人为热量比其他季节更多） ，计算得到的
各站点第一特征向量很好地反映了这种特征 。 观象台 、顺义 、平谷 ３ 个站点离北京城市中心距离由近到远 ，
所代表的相应地区城市化程度由高到低 ，反映出的城市热岛强度也由强到弱 ，对局地气温的影响程度相应
的由大到小 。 由此可见 ，城市化带来的热岛效应是导致局地气候变暖的主要因子 。
从第二特征向量看 ，各站在春 、夏 、秋季均为负值 ，冬季为正值 。 反映的是一种冬季增暖 ，春 、夏 、秋季渐
凉的变化态势 ，但其变化幅度与站点距离城区远近基本无关 。 各站点气温的变化具有明显的共性 ，说明它
代表的是一种气候系统内在的自然变化规律 ，即区域性的冬季气温变暖而其他季节变冷 ，该结果与谢庄
等［３］分析得到的北京地区气温百年变化规律一致 。
2畅4 　 城市化因子对气温的影响
以上分析表明 ，伴随城市化过程而带来的热岛效应是导致北京各地（从城区到远郊区）气候变暖的主要因
子 ，占总增暖比重的 ４７畅５ ％ ～ ６１畅２ ％ 。城市化过程带来的最显著变化是使城市区域下垫面状况发生改变 ，不同
下垫面的热力差异显著 。不断增加的高楼大厦及沥青 、水泥等不透水铺装代替了原来的农业用地 ，特殊的城市
下垫面和密集人群的活动显著改变了局地大气的能量平衡 。 图 ３ 为紫竹院自动气象站实测 ２００２ 年 ７ 月 ５ 日不
同地表温度的变化 。 在相同天气背景下 ，柏油路表面温度上升（下降）速率最快 ，其次是水泥地表面 ，再次是土
地表面 ，草地表面温度变化最慢 ，一天内不同地表的温差达 １８畅２ ℃ （１５ ：００ 时柏油路表面温度 ５２ ℃ ，草地表面温
度 ３３畅８ ℃ ） ，达到日最高温度的时间也各有差异 ，柏油路面和土地表面 １５ ：００时达到日最高值 ，水泥地表和草地
表面 １６ ：００ 时达到日最高值 ，这种受（散）热不同步导致城市不同区域出现明显的热力差异 。
为进一步分析气温与城市化指标间的关系 ，计算其与几个主要城市化指标如全市道路长度 、道路面积 、
用电量 、污水排放量 、用水总量 、工业生产总值 、GDP 、户籍人口之间的相关性 ，得到的相关系数介于 ０畅４４１ ～
２８　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
图 3 　紫竹院自动气象站实测 2002年 7月 5日不同地表温度变化
Fig ．３ 　 Change of temperature on multi唱landuse from
automatic weather station in Zizhuyuan on July ５ ，２００２
０畅６５３ 之间 ，其中与户籍人口之间的相关性最强 ，表明城
市人口的变动对气温的影响最明显 。计算还发现 ，愈是
靠近中心城区的地方 ，气温与城市化指数间的相关性愈
高 ，如海淀区户籍人口与气温的相关系数达到 ０畅８６７ 。表
明城市化程度愈高的区域 ，气温对城市化过程愈敏感 。
度日是国际上广泛用来表示为应对加热和降温所
需能量的一个时间温度指数 ，年加热度日是指每年冷
季（９ 月 ～ 次年 ４ 月）日平均温度低于某一特定阈值（本
文参考国外相关研究将标准取 １８ ℃ ）的温度与这一阈
值的差值之和 。 相应地 ，年降温度日是指每年暖季
（５ ～ ９ 月）温度高于 ２５ ℃ 的温度与 ２５ ℃ 的差值之和 。
图 ４ 为北京观象台 １９７１ ～ ２０００ 年加热度日和年降温度日分布 ，可见近 ３０ 年来北京市年加热度日指数存在
图 4 　 北京观象台 1971 ～ 2000 年加热度日（a）和降温度日（b）及其线性倾向
Fig ．４ 　 The heating degree days （a） and cooling degree days （b） form １９７１ to ２０００ of Guanxiangtai in Beijing
倡 横实线为 ５ 年平均值 。
明显下降趋
势 ，其线性拟
合曲线斜率
达 － １７畅６８８ 。
年降温度日
则正好相反 ，
呈上升趋势 ，
但其升幅比
年加热度日
小 ，线性拟合
曲线斜率为
９畅５５９ 。 由于年加热度日和年降温度日所反映的实际上是一种能源需求状态 ，它与当地的城市化程度有较好相
关性［８］ 。 从其变化趋势所揭示的意义看 ，未来北京冬季为供暖所需耗费的能源将减少 ，而夏季为降温所需耗
费的能源将增加 。 这意味着未来北京冬季的大气污染将有减轻趋势 ，而夏季则相反 。
3 　 小结与讨论
分析了 ２０ 世纪 ７０ 年代以来北京市气温指数的变化规律 ，发现其与北京城市化进程有良好的对应关系 。
应用主成分分析方法 ，将影响北京及其郊县各站气温变化的因子分为区域因子及局地因子 ，分析表明 ，城市
化带来的热岛效应是导致局地增暖的主要因子 ，占总增暖比重的 ４７畅５ ％ ～ ６１畅２ ％ ；其次是气候系统自然变
化因子 ，占总增暖比重的 １９畅２ ％ ～ ２４畅２ ％ 。 相关系数计算表明 ，气温与城市化因子间具备良好的相关性 ，其
中与城市常住人口的相关性最高 ，达 ０畅６５３ 。 城市化程度愈高的区域 ，气温对城市化过程愈敏感 。
最近北京城市总体规划纲要（２００４ ～ ２０２０ 年）首次提出了“宜居城市”的概念 。 根据规划 ，北京将促进经
济从资源消耗型向生态友好型转变 ，即从传统产品经济向服务经济 、循环经济和知识经济转型 ，这将极大地
改善北京城市人居环境 ，增强城市可持续发展的后劲 。
参 　 考 　 文 　 献
１ 　 黄荣辉 ．大气科学发展的回顾与展望 ．地球科学进展 ，２００１ ，１６（５） ：６４３ ～ ６５７
２ 　 徐祥德 ．城市化环境气象学引论 ．北京 ：气象出版社 ，２００２ ．６２ ～ ７７
３ 　 谢 　 庄 ，王桂田 ．北京地区气温和降水百年变化规律的探讨 ．大气科学 ，１９９４ ，１８（６） ：６８３ ～ ６９０
４ 　 张一平 ，张德山 ，李佑荣 ，等 ．城市化对北京室内外气温影响的研究 ．气候与环境研究 ，２００２ ，７（３） ：３４５ ～ ３５０
５ 　 魏风英 ．现代气候统计诊断与预测技术 ．北京 ：气象出版社 ，１９９９ ．１１５ ～ １４７
６ 　 何春阳 ，史培军 ，陈 　 晋 ，等 ．北京地区城市化过程与机制研究 ．地理学报 ，２００２ ，５７（３） ：３６３ ～ ３７１
７ 　 谈明洪 ，李秀彬 ，吕昌河 ．我国城市用地扩张的驱动力分析 ．经济地理 ，２００３ ，２３（５） ：６３５ ～ ６３９
８ 　 Fukuoka Y ． Physical clima tological discussion on causal facto rs of urban temperature ． Memoir s o f the Facult y of Integ rated Arts and Science ，
Hiroshima Universit y ，１９８３ ，８ ：１５７ ～ １７８
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