探測(cè)環(huán)境變化對(duì)西安站氣溫的影響分析

李亞麗

(陜西省氣象信息中心，陜西西安710014)

地面氣象觀測(cè)作為氣象觀測(cè)的重要組成部分，系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測(cè)定地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過(guò)程，其記錄是天氣預(yù)報(bào)、氣象信息、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)的重要依據(jù)。而近地面層的氣象要素存在著空間分布的不均勻性和隨時(shí)間變化的脈動(dòng)性，因此要求地面氣象觀測(cè)記錄必須具有代表性、準(zhǔn)確性、比較性。為了滿(mǎn)足氣象觀測(cè)記錄的“三性”要求，觀測(cè)記錄不僅要反映測(cè)點(diǎn)的氣象狀況，且要反映測(cè)點(diǎn)周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的平均氣象狀況。作為取得地面氣象資料的主要場(chǎng)所，地面氣象觀測(cè)場(chǎng)必須符合觀測(cè)技術(shù)上的要求，地點(diǎn)應(yīng)設(shè)在能較好地反映當(dāng)?shù)剌^大范圍的氣象要素特點(diǎn)的地方，避免局部地形的影響。良好的開(kāi)闊狀態(tài)和代表性的探測(cè)環(huán)境是決定氣象數(shù)據(jù)代表性的關(guān)鍵因素。探測(cè)環(huán)境對(duì)多數(shù)氣象要素的觀測(cè)，特別是溫度、風(fēng)、能見(jiàn)度等的觀測(cè)影響巨大［1］?！吨腥A人民共和國(guó)氣象法》及《氣象探測(cè)環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》等中針對(duì)地面氣象觀測(cè)場(chǎng)的周?chē)h(huán)境也提出相應(yīng)的技術(shù)要求。

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，一些原本處于開(kāi)闊地段的各級(jí)氣象臺(tái)站逐漸被密集的高大建筑群所包圍，一些研究將氣溫升高的原因歸結(jié)為城市的熱島效應(yīng)(或城市化)［2-4］。筆者在此結(jié)合西安站的臺(tái)站元數(shù)據(jù)，分析西安站的氣溫變化，以期對(duì)探測(cè)環(huán)境變化對(duì)氣溫的影響做出初步的分析。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 據(jù)查西安氣象臺(tái)站元數(shù)據(jù)，西安國(guó)家一般氣象站于民國(guó)1931年10月1日建站，經(jīng)過(guò)1950、1954、1956、1959年的4次站址遷移，于1959年1月1日遷移至現(xiàn)址—西安市北郊肖家村(34.30°N、108.93°E)，海拔高度397.5 m。西安站分別作為氣候所、氣象臺(tái)、國(guó)家基本氣象站、國(guó)家基準(zhǔn)氣候站、國(guó)家一般氣象站在不同歷史時(shí)期承擔(dān)著不同的觀測(cè)任務(wù)和作用，為氣象觀測(cè)工作做出了不可埋沒(méi)的貢獻(xiàn)。

2006年西安國(guó)家基準(zhǔn)氣候站的觀測(cè)任務(wù)與涇河國(guó)家一般氣象站交換，2005年建站的涇河國(guó)家一般氣象站位于西安市涇河工業(yè)園涇渭一路(34.43°N、108.97°E)，海拔高度410.0 m。西安站2006年起承擔(dān)國(guó)家一般氣象站的觀測(cè)任務(wù)，自動(dòng)站單軌運(yùn)行，作為國(guó)家一般氣象站的西安站周?chē)h(huán)境又發(fā)生了較大的變化，觀測(cè)場(chǎng)幾乎被高樓所包圍，其所觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)的代表性值得考證。

1.2 資料選取 選取西安、戶(hù)縣、臨潼、蒲城、高陵、涇河6個(gè)站1959～2010年的氣溫資料，分析西安52年的氣溫變化特征、隨臺(tái)站周?chē)h(huán)境變化的演變趨勢(shì)，并進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。在均一性檢驗(yàn)過(guò)程中，選取西安站為代表站，戶(hù)縣、蒲城、臨潼作為其參考站，參考站的主要指標(biāo)為:距離西安站100 km以?xún)?nèi)，海拔高度差100 m附近，年平均氣溫相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9以上，資料長(zhǎng)度相同，氣候環(huán)境類(lèi)似，建站以來(lái)周邊環(huán)境未發(fā)生劇烈變化或其站址變動(dòng)時(shí)間與分析時(shí)段沒(méi)有重合。資料均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保資料的可靠性。

1.3 分析方法 對(duì)1959～2010年西安站的年平均氣溫序列采用懲罰最大T檢驗(yàn)(PMT)［5］的均一性檢驗(yàn)。PMT方法是基于懲罰最大T檢驗(yàn)，并將之嵌入回歸算法來(lái)檢測(cè)、訂正包含一階自回歸誤差的數(shù)據(jù)序列中的單個(gè)或多個(gè)突變點(diǎn)或不均一點(diǎn)。為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)和訂正突變點(diǎn)，選擇一個(gè)與被檢測(cè)的序列有較好相關(guān)性的均一性的時(shí)間序列作為參考序列，具體的用法及操作見(jiàn)參考文獻(xiàn)［5］。

2 結(jié)果與分析

2.1 西安站與鄰近站氣溫的對(duì)比分析 在全省96個(gè)資料年代較長(zhǎng)的臺(tái)站中，選取與西安站年平均氣溫相關(guān)程度最高的戶(hù)縣站，對(duì)比分析西安站的年平均氣溫變化趨勢(shì)(圖1a)發(fā)現(xiàn)，其中1959～1993年平均氣溫13.4℃，西安站的年平均氣溫在1994年有逐漸升高的趨勢(shì)，1994～2010年平均氣溫升高為14.9℃。從圖1b可以看出，從戶(hù)縣建站的1959年至1995年的37年中，除了1972、1980、1985、1986年外，西安站的年平均氣溫均小于或等于戶(hù)縣站，1996～2010年西安站的年平均氣溫均等于或高于戶(hù)縣站，且正距平有逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)。

分析可知西安站1959～2010年平均氣溫為13.9℃。依據(jù)選取參考站的原則，對(duì)不同時(shí)間尺度的各站的氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行比較，結(jié)果(表1)發(fā)現(xiàn)，5個(gè)站1981～2010年的氣候標(biāo)準(zhǔn)值均較1971～2000年平均值明顯升高，但各站的升高幅度不同，而近6年的氣溫更是有了1.0℃以上的升幅。

圖1 1959～2010年西安、戶(hù)縣年平均氣溫(a)和年平均氣溫差值(b)變化

表1 6站臺(tái)站信息及不同時(shí)間尺度的年平均氣溫

2.2 西安站氣溫的均一性檢驗(yàn)結(jié)果分析 采用PMT方法對(duì)1959～2010年西安站的年平均氣溫序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)，結(jié)果表明(圖2)，在α=0.05的顯著性水平下，西安站在1994、2000年出現(xiàn)明顯的斷點(diǎn)。查臺(tái)站元數(shù)據(jù)知，在1959～2010年期間西安氣象站的站址、觀測(cè)方法等均未發(fā)生改變，且1994、2000年前后儀器沒(méi)有變化，唯一可能的改變就是臺(tái)站的周?chē)h(huán)境(其中也包括氣候變暖大環(huán)境的因素)，在此僅著重分析觀測(cè)場(chǎng)周?chē)男…h(huán)境發(fā)生的改變，比較臺(tái)站1978、1984、2004、2010年的西安氣象觀測(cè)站臺(tái)站環(huán)境的全景圖和16方位合成圖(圖略)知，1978、1984年西安觀測(cè)場(chǎng)四周沒(méi)有出現(xiàn)仰角＞5°的障礙物;2004年觀測(cè)場(chǎng)四周的仰角(圖3)，除ESE、SSW、WSW、NW、NNW等5個(gè)方位外，其他角度均出現(xiàn)了仰角＞5°的障礙物，其中E、W 2個(gè)日出、日落方向障礙物仰角達(dá)36.1°和19.2°;到2010年，在西安市氣象站的觀測(cè)場(chǎng)四周的8個(gè)方位中有NE、E、SE、S等4個(gè)方位觀測(cè)場(chǎng)與障礙物(建筑物)的距離均達(dá)不到要求［6］，西安氣象站幾乎完全被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑群包圍。結(jié)合以上元數(shù)據(jù)的分析，故認(rèn)為由于臺(tái)站周?chē)綔y(cè)環(huán)境的變化，1994、2000年西安站的年平均氣溫出現(xiàn)不均一，該記錄在用于區(qū)域氣候變化分析需要進(jìn)行偏差訂正。

圖2 1959～2010年西安年平均氣溫序列均一性檢驗(yàn)

3 結(jié)論與討論

圖3 2004年西安氣象站觀測(cè)場(chǎng)中心四周障礙物仰角

(1)西安站氣溫記錄明顯受到周?chē)h(huán)境變化的影響，在長(zhǎng)序列中出現(xiàn)了不均一，其已不適合用于區(qū)域氣候變化監(jiān)測(cè)和影響評(píng)價(jià)研究，但可以作為城市站進(jìn)行城市氣候變化研究，如果用于區(qū)域氣候變化分析，需要進(jìn)行偏差訂正。

(2)在該研究之初，選參考站時(shí)發(fā)現(xiàn)周?chē)R近站在近年來(lái)均先后發(fā)生了站址變化，因此，為了保證氣象資料的代表性和連續(xù)性，對(duì)于臺(tái)站來(lái)說(shuō)，保護(hù)探測(cè)環(huán)境不受破壞非常重要。此文只是試探性的研究，有關(guān)探測(cè)環(huán)境對(duì)觀測(cè)記錄的影響有待更進(jìn)一步的深入研究。

［1］國(guó)家氣象局監(jiān)測(cè)司.氣象儀器和觀測(cè)方法指南［M］.6版.北京:氣象出版社，2005:3-150.

［2］董妍，李星敏，楊艷超，等.西安城市熱島的時(shí)空分布特征［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25(8):107-112.

［3］劉轉(zhuǎn)年，陰秀菊.西安城市熱島效應(yīng)及氣象因素分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22(2):87-90.

［4］田武文，黃祖英，胡春娟.西安市氣候變暖與城市熱島效應(yīng)問(wèn)題研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17(4):438-443.

［5］WANG X L，WEN Q H，WU Y.Penalized maximal t test for detecting undocumented mean change in climate data series［J］.J Appl Meteor Climatol，2007，46(6):916-931.

［6］氣象觀測(cè)環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法［Z］.2004.