探測(cè)環(huán)境變化對(duì)即墨氣象要素的影響

宋丙欣，付業(yè)理，孟 楠

(1.山東省即墨市氣象局，山東即墨 266200;2.青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心，山東青島 266003)

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探測(cè)環(huán)境變化對(duì)即墨氣象要素的影響

宋丙欣1，2，付業(yè)理1，2，孟 楠1，2

(1.山東省即墨市氣象局，山東即墨 266200;2.青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心，山東青島 266003)

采用平均差值分析、相符率分析等方法，對(duì)即墨市國(guó)家一般氣象站舊站1985～2014年氣象要素進(jìn)行縱向變化分析，對(duì)2014年臺(tái)站搬遷過(guò)程中新、舊站的同期氣象資料進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，查找要素差異，系統(tǒng)分析探測(cè)環(huán)境變化對(duì)主要?dú)庀笠氐挠绊憽＝Y(jié)果表明，1985～2014年探測(cè)環(huán)境改變，引起舊站氣溫升高，風(fēng)速顯著減小，主導(dǎo)風(fēng)向存在年際突變，年降水量比新站明顯偏少。在各要素變化過(guò)程中，城鎮(zhèn)化引起的探測(cè)環(huán)境改變是造成氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速等要素改變的主要因素，站址變遷引起的探測(cè)環(huán)境改變與降水量的變化密切相關(guān)。因此加強(qiáng)氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)，保持臺(tái)站長(zhǎng)期穩(wěn)定，對(duì)保證氣象要素的連續(xù)性、代表性、準(zhǔn)確性十分重要。

城鎮(zhèn)化；探測(cè)環(huán)境；氣象要素；觀測(cè)資料；對(duì)比分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，即墨氣象觀測(cè)站周圍建筑物的逐漸增多，氣象探測(cè)環(huán)境受到不同程度的破壞，對(duì)氣象要素的影響很大。為獲取可代表真實(shí)大氣氣候背景的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，2013年即墨市國(guó)家一般氣象站啟動(dòng)搬遷工作，2014年1月1日～12月31日完成對(duì)比氣象觀測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)張掖、五華等氣象觀測(cè)站均已完成資料對(duì)比分析[1-2]，秦皇島、圍場(chǎng)、日照等氣象站探討了探測(cè)環(huán)境變化對(duì)氣象要素的影響[3-5]。為科學(xué)地評(píng)價(jià)即墨遷站前后氣象要素的變化，筆者選取1985～2014年舊站氣象觀測(cè)資料和2014年新站對(duì)比觀測(cè)資料，查找氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等主要?dú)庀笠氐牟町?，分析城?zhèn)化過(guò)程中探測(cè)環(huán)境變化對(duì)氣象要素的影響，為天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、氣象服務(wù)和城市規(guī)劃提供重要依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 即墨國(guó)家一般氣象站1959年建站，原站址位于即墨市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)南關(guān)街84號(hào)(120°28′ E、36°23′ N)。建站之初，觀測(cè)場(chǎng)周邊地勢(shì)開(kāi)闊，四周為一般農(nóng)田，有少數(shù)居民住房，地形為平原，地勢(shì)平坦，土壤質(zhì)地為壤土。隨著我國(guó)改革開(kāi)放的推進(jìn)、城鎮(zhèn)化的發(fā)展，特別是1995年以來(lái)，臺(tái)站周圍城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，民宅、樓房、公路逐漸取代了農(nóng)田。到2004年臺(tái)站四周城鎮(zhèn)化基本完成，農(nóng)田完全被公路和建筑物取代。2013年，根據(jù)即墨市政府統(tǒng)一規(guī)劃，觀測(cè)場(chǎng)四周相繼開(kāi)工建設(shè)多個(gè)高層住宅樓，氣象探測(cè)環(huán)境難以維持，臺(tái)站搬遷工作正式啟動(dòng)。新站位于即墨市馬山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(120°23′ E、36°24′ N)，馬山主體東南，地勢(shì)北高南低，地勢(shì)差7.5 m左右，四周為一般農(nóng)田、草地、林地，土壤質(zhì)地為沙壤土，規(guī)定范圍內(nèi)無(wú)污染源，周圍沒(méi)有高大建筑，凈空環(huán)境良好，為綠色保護(hù)區(qū)，符合氣象探測(cè)環(huán)境要求。對(duì)比來(lái)看，新站地形、地貌、土壤、植被與1994年前舊站相似，海拔高度相差21.6 m，距離7 600 m。

1.2 資料選取和分析方法 選取即墨舊站1985～2014年氣象資料和新站2014年1～12月對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用平均差值分析、風(fēng)向相符率分析等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)氣溫、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素進(jìn)行對(duì)比，查找氣象要素差異，分析探測(cè)環(huán)境變化對(duì)氣象要素的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 探測(cè)環(huán)境變化對(duì)氣溫的影響 從圖1可以看出，1985～2014年即墨舊站年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，特別是1995～2004年氣溫升高更顯著。氣溫的升高固然與全球變暖有關(guān)，也與城鎮(zhèn)化引起舊站周圍的探測(cè)環(huán)境的變化密切相關(guān)[4，6-7]。根據(jù)2001年IPCC第3次最新評(píng)估報(bào)告顯示，19世紀(jì)末～20世紀(jì)末全球平均氣溫上升(0.6±0.2)℃，可知?dú)夂蜃兣葹?.04～0.08 ℃/10 a。查閱《即墨市統(tǒng)計(jì)年鑒2013》獲知，1995～2005年是臺(tái)站周圍城鎮(zhèn)化迅猛發(fā)展時(shí)期，即墨市城市規(guī)模從12.4 km2迅速擴(kuò)大至42.7 km2。期間舊站周圍的農(nóng)田被興起的民宅、樓房、公路等所取代，城市和郊區(qū)產(chǎn)生了顯著的熱島效應(yīng)。根據(jù)舊站統(tǒng)計(jì)資料顯示，1995～2004年平均氣溫(13.37 ℃)比1985～1994年增高0.96 ℃，去除氣候變暖影響，約升高了0.90 ℃，可見(jiàn)探測(cè)環(huán)境改變引起的城市熱島效應(yīng)主導(dǎo)了期間的溫度升高。2005年舊站周圍城鎮(zhèn)化完成后，城市熱島效應(yīng)對(duì)氣溫的影響量基本固定不變，氣溫變化趨于緩和，根據(jù)舊站氣象資料統(tǒng)計(jì)，2005～2014年平均氣溫(13.44 ℃)與1995～2004年基本持平，略高0.07 ℃，處于氣候變暖影響范圍，可見(jiàn)期間氣溫上升主要受氣候變暖影響。

圖1 1985～2014年舊站年平均氣溫變化Fig.1 The change of average temperature in old stations during 1985-2014

從新、舊站2014年同期平均氣溫較差(表1)來(lái)看，新、舊站年平均氣溫持平，月平均氣溫各有升降，其中新站3～9月(以下稱夏半年)平均氣溫比舊站偏低，幅度為0～0.5 ℃；1～2和10～12月(以下稱冬半年)新站平均氣溫比舊站偏高，偏高的幅度為0～0.7 ℃。新站較舊站的月平均最高氣溫差值和月平均最低氣溫差值分別為0～0.5和0～1.0 ℃，年平均最高氣溫、最低氣溫較差分別為-0.1、0.2 ℃。新、舊站溫度差異的主要原因是臺(tái)站搬遷導(dǎo)致兩站的海拔高度和下墊面性質(zhì)不同造成。氣溫差異受海拔高度的影響明顯，一般來(lái)說(shuō)，海拔每升高100 m，氣溫降低約0.6 ℃，新站海拔高度47.8 m，舊站海拔高度26.2 m，海拔高度引起的氣溫差值約為0.13 ℃[8]。同時(shí)，下墊面的性質(zhì)不同對(duì)氣溫，尤其是最高、最低氣溫的影響也較為顯著，綠地、林地對(duì)夏季最高氣溫降溫和對(duì)冬季最低氣溫升溫有明顯效應(yīng)。2014年1～12月舊站四周拆遷，原先的民房、樓房逐漸拆除，臺(tái)站周圍重新為裸露土地代替，而新站周圍主要為草地、林地，下墊面性質(zhì)明顯不同。資料統(tǒng)計(jì)顯示，新站比舊站平均氣溫冬半年偏高、夏半年偏低，年平均最高氣溫偏低，年平均最低氣溫偏高，新站下墊面綠色植物對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用在新、舊站同期氣溫比較中較好體現(xiàn)。新站與觀測(cè)環(huán)境改善后舊站的年平均氣溫的一致性也表明探測(cè)環(huán)境保護(hù)對(duì)溫度探測(cè)十分重要。

2.2 探測(cè)環(huán)境變化對(duì)降水量的影響 根據(jù)舊站降水量資料統(tǒng)計(jì)，1985～1994年平均降水量為696.8 mm，1995～2004年為709.8 mm，2005～2014年為699.4 mm，與1985～2014年平均降水量(702.0 mm)差距不明顯。從圖2來(lái)看，1985～2014年舊站各年降水量圍繞平均值702.0 mm上下震蕩，其中降水量最大1 039.5 mm，出現(xiàn)在1985年，最少480.9 mm，出現(xiàn)在1988年。1985～2014年舊站觀測(cè)場(chǎng)位置未變，四周觀測(cè)環(huán)境變化對(duì)雨量器未造成遮蔽影響，以此推斷，舊站降水量的年際振蕩主要為氣候變化引起。

2014年新、舊站同期降水量對(duì)比(表2)顯示，新站4～10月累計(jì)降水量比舊站偏多15.4%，差異明顯。其中5～9月新站與舊站降水量差異較大，4和10月舊站與新站降水比較接近。造成降水差異的原因：一是5～9月降水性質(zhì)上發(fā)生了變化，對(duì)流陣性降水增多，降水的局地性比較明顯；二是新站區(qū)域受馬山地形抬升影響更容易產(chǎn)生降水。

表1 新站與舊站2014年同期平均氣溫較差

Table 1 Difference of average temperature in 2014 in new and old stations ℃

圖2 1985～2014年舊站降水量年際變化Fig.2 Annual variation of precipitation in old station during 1985-2014

2.3 探測(cè)環(huán)境變化對(duì)風(fēng)速的影響 根據(jù)舊站風(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料，2005～2014年平均風(fēng)速2.1 m/s，較1985～1994年減少0.3 m/s，較1995～2004年減少0.5 m/s。從圖3來(lái)看，舊站風(fēng)速在城鎮(zhèn)化過(guò)程中呈減小趨勢(shì)。這與城鎮(zhèn)化過(guò)程中臺(tái)站周圍建筑物越來(lái)越多，導(dǎo)致下墊面的粗糙程度增大，阻礙空氣水平流動(dòng)是密切相關(guān)的。其中1997～2003年風(fēng)速增大，與臺(tái)站盛行風(fēng)向兩側(cè)城鎮(zhèn)化速度快、高層建筑阻擋形成的狹管效應(yīng)密切相關(guān)。1997～2003年風(fēng)速也呈遞減趨勢(shì)，這主要是臺(tái)站四周城鎮(zhèn)化進(jìn)程在跟進(jìn)、狹管效應(yīng)逐年降低引起的。至2004年，臺(tái)站四周城鎮(zhèn)化基本完成，年平均風(fēng)速趨于穩(wěn)定，并隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大緩降。

圖3 1985～2014年舊站年平均風(fēng)速變化Fig.3 The change of annual average wind speed in old stations during 1985-2014

根據(jù)新、舊站同期探測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，新站2014年年平均風(fēng)速2.8 m/s，比舊站偏高0.8 m/s。由圖4可知，新站各月平均風(fēng)速比舊站明顯偏大，偏大幅度為0.2～1.5 m/s。造成兩者風(fēng)速差異的主要原因是由于新、舊站探測(cè)環(huán)境差異引起的，舊站外圍密集的建筑物對(duì)空氣水平流動(dòng)產(chǎn)生較明顯的阻礙效應(yīng)，從而減小風(fēng)速；新站四周空曠，無(wú)明顯障礙物，觀測(cè)環(huán)境保持自然狀態(tài)，空氣流動(dòng)通暢，能夠真實(shí)地反映出空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，城鎮(zhèn)化過(guò)程中臺(tái)站四周建筑物增加，增大了下墊面的粗糙程度，阻礙了空氣的水平流動(dòng)，減小了風(fēng)速。

圖4 2014年新、舊站月平均風(fēng)速對(duì)比Fig.4 Contrast of average wind speed in new，old stations in 2014

2.4 探測(cè)環(huán)境變化對(duì)風(fēng)向的影響 由表3可知，1985～2002年即墨市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W風(fēng)，2003年后為SSW替代，主導(dǎo)風(fēng)向的變化主要是氣候變化原因引起的。2008、2011、2014年年最多風(fēng)向突變，突變的主要因素與舊城改造有關(guān)，分片改造過(guò)程中，整片拆除、拆矮建高，臺(tái)站四周建筑物布局的動(dòng)態(tài)變化，擾動(dòng)了空氣流動(dòng)的方向。

只有觀測(cè)風(fēng)速>0.5 m/s時(shí)，才統(tǒng)計(jì)風(fēng)向相符率[相符率=(相符次數(shù)/有效總次數(shù))×100%]，新站與舊站風(fēng)向角度差<22.5°，即認(rèn)為兩者相符[9]。統(tǒng)計(jì)新、舊站2014年同期2 min風(fēng)向相符率和新、舊站各風(fēng)向頻率對(duì)比(圖5)發(fā)現(xiàn)，新、舊站全年的風(fēng)向符合率為53.8%，其中1～7月為55.4%～67.2%，8～12月為30.4%～49.4%，風(fēng)向一致性差。新站年最多風(fēng)向?yàn)镾SW，與2003年以來(lái)即墨主導(dǎo)風(fēng)向SSW一致，而舊站最多風(fēng)向?yàn)镋NE，與主導(dǎo)風(fēng)向背離。風(fēng)向差異受臺(tái)站周圍探測(cè)環(huán)境影響較大，新站四周空曠，無(wú)遮擋，風(fēng)向代表性較好；而舊站外四周為建筑物包圍，部分區(qū)域處于拆舊、建新動(dòng)態(tài)變化中，建筑物布局的變化對(duì)空氣水平流動(dòng)方向產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)風(fēng)向影響較大。

表3 1985～2014年舊站最多風(fēng)向統(tǒng)計(jì)

圖5 新、舊站各風(fēng)向頻率對(duì)比Fig.5 Contrast of wind direction frequency of new and old stations

3 結(jié)論

(1)城鎮(zhèn)化引起的臺(tái)站探測(cè)環(huán)境改變產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng)與氣溫變化有正相關(guān)影響，是即墨舊站1995～2004年氣溫顯著升高的直接原因。

(2)城鎮(zhèn)化引起的探測(cè)環(huán)境變化，密集的建筑物，增大了下墊面的粗糙程度，對(duì)空氣水平流動(dòng)有明顯的阻礙作用，風(fēng)速隨城市規(guī)模的擴(kuò)大呈逐年減小趨勢(shì)。城鎮(zhèn)化過(guò)程中臺(tái)站四周建筑物布局的變化，擾動(dòng)了空氣水平流動(dòng)方向，對(duì)主導(dǎo)風(fēng)向年際突變有重要影響。

(3)氣候變化是影響年降水量震蕩的主導(dǎo)因素，但因城市發(fā)展臺(tái)站搬遷引起的探測(cè)環(huán)境改變是新、舊站降水量差異的直接原因。

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Effects of Detection Environment Change on Meteorological Elements in Jimo

SONG Bing-xin1,2, FU Ye-li1,2, MENG Nan1,2

(1.Jimo Meteorological Bureau, Jimo, Shandong 266200;2.Qingdao Engineering Technology Research Center for Meteorological Disaster Prevention,Qingdao,Shandong 266003)

Using mean difference analysis, coincidence rate analysis, the changes of meteorological elements in general stations of Jimo City during 1985-2014 were analyzed, meteorological data in the same period of the new and old stations in 2014 were compared to find differences among elements, effects of detection environment on main meteorological elements were studied. The results showed that due to the change of detection environment, temperature of old stations increased, wind speed significantly decreased, predominant wind direction existed annual mutation, annual precipitation was less than new stations obviously. The change of detection environment caused by urbanization was main factor influencing temperature, wind direction, wind direction, while station site change was closely related with precipitation. So it is very important to strengthen the protection of meteorological sounding environment and maintain the long-term stability of the station, which can guarantee the continuity, representation and accuracy of the meteorological elements.

Urbanization; Detection environment; Meteorological elements; Observation data; Comparative analysis

青島市氣象局課題研究項(xiàng)目(2015qdqxd09)。作者簡(jiǎn)介 宋丙欣(1977-)，男，山東即墨人，工程師，從事氣象服務(wù)工作。

2016-08-17

S 161

A

0517-6611(2016)28-0176-03