1986—2015年達(dá)日地區(qū)地面及高空500 hPa溫度變化分析

劉金青+許顯花+豆青芳+沈潔

摘要 利用達(dá)日地區(qū)近30年（1986—2015年）探空資料（7：00、19：00）和地面觀測(cè)資料，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)診斷分析方法，對(duì)地面、高空500 hPa溫度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：①近30年來(lái)，地面和500 hPa氣溫在每個(gè)時(shí)段的增溫率是不同的，地面氣溫增溫率高于500 hPa，19：00的增溫率又高于7：00，各時(shí)段的增溫率分別為7：00地面0.35 ℃/10年、19：00地面0.48 ℃/10年、7：00 500 hPa 0.16 ℃/10年、19：00 500 hPa 0.17 ℃/10年。②地面、500 hPa在2個(gè)時(shí)間段均有共變現(xiàn)象，為正相關(guān)，關(guān)系密切。在7：00，地面平均氣溫在四季均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏季增溫最顯著，春季增溫最??；500 hPa的增溫則主要集中在冬季，春季亦最小。月平均氣溫線性趨勢(shì)分析中，地面氣溫2月的增溫率最大，4月最?。?00 hPa氣溫9月的增溫率最大，且高于同月份的地面氣溫傾向率。③在19：00，地面與500 hPa的氣溫變化曲線幅度大致相同，為高度正相關(guān)。地面氣溫在春季的增溫率最大，夏季最??；500 hPa的增溫主要是夏季，秋季最小。地面和500 hPa每月的氣溫變化傾向率也不相同，2月的地面月平均氣溫增溫率最大，6月最??；500 hPa層的月平均氣溫增溫率在2月最大，6月最小。④在進(jìn)一步細(xì)致分析地面氣溫與500 hPa氣溫相關(guān)性的基礎(chǔ)上，可利用地面氣溫場(chǎng)和500 hPa氣溫場(chǎng)互相進(jìn)行插補(bǔ)。

關(guān)鍵詞 地面氣溫；500 hPa氣溫；相關(guān)性分析；青海達(dá)日；1986—2015年

中圖分類號(hào) P423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）06-0233-05

大氣溫度變化是氣候變化的重要組成部分。在近年全球變暖日益嚴(yán)峻的大環(huán)境下，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展并不斷重視對(duì)高空氣溫的研究[1-6]，青藏高原由于其復(fù)雜的地形和獨(dú)特的氣候特點(diǎn)而被稱為地球的“第三極”，對(duì)中國(guó)、亞洲甚至全球的大氣環(huán)流都有非常重要的影響[7]，陳 芳等[8]對(duì)青海7個(gè)探空站的探空資料進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為500 hPa厚度與氣溫關(guān)系密切，氣溫變化與500 hPa厚度變化的相互正反饋非常敏感。周寧芳等[9]在對(duì)青藏高原地面及其高空氣溫變化的初步分析中發(fā)現(xiàn)，地面與500 hPa氣溫年際變化相當(dāng)一致。王榮英等[7]研究認(rèn)為高原上空各高度層年、季平均氣溫變化在空間分布上具有較高的一致性，其中夏季的一致性特征最弱。

達(dá)日縣地處青藏高原腹地，是氣候變暖顯著的區(qū)域之一，地理位置特殊，擁有獨(dú)特的高原探測(cè)條件。臺(tái)站海拔接近4 000 m，而所探測(cè)的500 hPa等壓面也僅為海拔5 700 m左右。500 hPa在內(nèi)地相當(dāng)于對(duì)流層的中層，而在達(dá)日地區(qū)僅僅是對(duì)流層的下層。因此，500 hPa等壓面氣溫和地面氣溫的變化同時(shí)受到地面長(zhǎng)波輻射的影響，但這種變化及影響在每個(gè)時(shí)次是不同的。目前，關(guān)于高空與地面氣溫變化趨勢(shì)是否一致以及二者之間關(guān)系的研究很少。本文利用達(dá)日地區(qū)1986—2015年探空資料（7：00、19：00）和地面觀測(cè)資料，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分時(shí)次對(duì)地面、500 hPa氣溫進(jìn)行分析，并進(jìn)一步探討它們之間的關(guān)系，以期對(duì)該地區(qū)地面、500 hPa氣溫變化特征有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源與處理

選取達(dá)日地區(qū)1986—2015年高空探測(cè)（7：00、19：00）500 hPa等壓面、地面層（7：00、19：00）的月平均氣溫、地面逐月平均氣溫資料。在季節(jié)資料的分析中，按照氣候統(tǒng)計(jì)分四季的方法，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至翌年2月。春、夏、秋季采用1986—2015年觀測(cè)資料，冬季采用1985年12月至2015年11月的觀測(cè)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，生成季、年的平均氣溫序列。

在以往地面氣溫和高空氣溫的分析中，大多氣象學(xué)者采用地面月平均（4次平均）數(shù)據(jù)，根據(jù)國(guó)家氣象信息中心2012年8月發(fā)布的氣候資料統(tǒng)計(jì)整編方法（地面），日平均值由4次定時(shí)值（北京時(shí)間2：00、8：00、14：00、20：00）平均求得；月平均值由日平均值平均求得；年平均值由12個(gè)月平均值平均求得。本文采用探空氣球施放時(shí)觀測(cè)的瞬間地面層氣溫資料，分時(shí)段進(jìn)行整理分析。地面層氣溫是在探空氣球施放前后5 min內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)的氣象要素之一。在時(shí)間上與500 hPa氣溫的獲取是同步的，從而更具可對(duì)比性。

傳統(tǒng)意義上的地面氣溫是由放置在百葉箱內(nèi)的儀器通過(guò)自然通風(fēng)獲取的；而探空瞬間觀測(cè)的氣溫是由放置在百葉箱內(nèi)、具有恒定通風(fēng)速度（為2.5 m/s）的通風(fēng)干濕表獲取的。

地面氣溫日平均值是一天24 h內(nèi)4次定時(shí)值的平均，是測(cè)站日平均氣溫的橫向觀測(cè)值。500 hPa的氣溫是測(cè)站垂直方向上的觀測(cè)值之一，其交點(diǎn)就是施放氣球時(shí)所觀測(cè)的地面層氣溫，這個(gè)觀測(cè)數(shù)值在時(shí)間上與500 hPa氣溫值是同步的。為更詳細(xì)地分析地面氣溫和500 hPa的氣溫變化及相關(guān)性，故從7：00、19：00 2個(gè)時(shí)段分別對(duì)地面氣溫和500 hPa氣溫進(jìn)行分析研究。以下文中7：00、19：00氣溫是指7：00、19：00氣球施放時(shí)觀測(cè)的地面氣溫。

1.2 分析方法

通過(guò)使用氣候傾向趨勢(shì)分析[10]、累積距平、Pearson相關(guān)性分析等方法，對(duì)地面、500 hPa各時(shí)次逐年、逐季、逐月平均氣溫變化特征進(jìn)行分析，并分析它們之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 7：00地面氣溫變化分析

由圖1可知，7：00的地面氣溫在近30年內(nèi)，隨著年份的增加，氣溫呈明顯遞增趨勢(shì)，與全國(guó)氣溫變暖的趨勢(shì)一致，年平均氣溫增溫率為0.35 ℃/10年，通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)，表明達(dá)日地區(qū)7：00年平均氣溫上升明顯，高于全國(guó)年平均氣溫傾向率0.22 ℃/10年[11]。與姜永見(jiàn)等[12]對(duì)江河源地區(qū)平均氣溫分析的結(jié)果大致相同，姜永見(jiàn)等分析認(rèn)為該地區(qū)氣溫持續(xù)上升，氣溫變化傾向率為0.37 ℃/10年。近30年來(lái)，達(dá)日地區(qū)7：00年平均氣溫上升了1.05 ℃，1986—2015年平均氣溫為-5.4 ℃。由累積距平（圖2）可知，1986—2002年氣溫偏低，氣溫距平值以負(fù)值為主；2003—2015年氣溫偏高，距平值以正值為主。最高年平均氣溫為-4.2 ℃（2009年），最低年平均氣溫為-7.0 ℃（1997年），大致突變時(shí)間為2002年。

2.2 19：00地面氣溫變化分析

由圖3可見(jiàn)，19：00地面氣溫在近30年內(nèi)隨著年份的增加呈明顯遞增趨勢(shì)，年平均氣溫增溫率為0.48 ℃/10年，大于7：00的氣溫傾向率，通過(guò)了0.001顯著性水平檢驗(yàn)，表明19：00平均氣溫上升趨勢(shì)更為明顯。30年來(lái)，19：00平均氣溫上升了1.44 ℃，高于7：00地面氣溫。1986—2015年平均氣溫為3.1 ℃。從累積距平（圖4）可知，1986—1997年氣溫偏低，氣溫距平值以負(fù)值為主；1998—2015年氣溫偏高，氣溫距平值以正值為主。最高年平均氣溫為4.1 ℃（2003年），最低年平均氣溫為-1.4 ℃（1997年），出現(xiàn)年份與7：00一致。大致突變時(shí)間出在1997年左右。

2.3 7：00 500 hPa氣溫變化分析

由圖5可知，7：00 500 hPa氣溫在近30年內(nèi)呈遞增趨勢(shì)，年平均氣溫增溫率為0.16 ℃/10年，氣溫上升趨勢(shì)不明顯。因500 hPa離地面較高，受下墊面影響比地面小，故變化趨勢(shì)不如地面明顯。30年來(lái)，500 hPa氣溫上升了0.48 ℃。1986—2015年，平均氣溫為-11.5 ℃，最低值出現(xiàn)在1997年，最高值出現(xiàn)在1999年。由累積距平（圖6）可知，1986—1997年以前，距平值以負(fù)值為主，均值為-11.6 ℃，低于30年平均值，氣溫偏低；1998—2015年，距平值以正值為主，均值為-11.3 ℃，高于30年平均值，氣溫偏高，大致突變時(shí)間出現(xiàn)在1997年左右。

2.4 19：00 500 hPa氣溫變化分析

由圖7可知，19：00 500 hPa氣溫在近30年內(nèi)呈遞增趨勢(shì)，年平均氣溫增溫率為0.17 ℃/10年，略高于7：00 500 hPa氣候增溫率，氣溫上升趨勢(shì)不明顯。30年來(lái)，氣溫上升了0.51 ℃。1986—2015年，年平均氣溫為-10.4 ℃，最低值與7：00相同，也出現(xiàn)在1997年；最高值則出現(xiàn)在1988年。由累積距平（圖8）可知，2005年以前，距平值以負(fù)值為主，平均值為-10.6 ℃，低于30年平均值，氣溫偏低；2006年以后，距平值以正值為主，均值為-10.1 ℃，高于30年平均值，氣溫偏高，大致突變時(shí)間在2005年左右。

2.5 地面氣溫與500 hPa氣溫的相關(guān)性分析

對(duì)流層主要是從地面獲取熱量，故氣溫隨高度增加而降低，因所在地區(qū)、高度、季節(jié)等因素的不同，氣溫隨高度的變化也有所不同。在達(dá)日地區(qū)，由于所探測(cè)的500 hPa等壓面離地面只有1 700 m左右，所以500 hPa等壓面和地面氣溫的變化同時(shí)受到地面長(zhǎng)波輻射的影響，這種影響在每個(gè)時(shí)次（7：00、19：00）是不同的。

2.5.1 7：00。由圖9可知，除個(gè)別年份出現(xiàn)反相位變化趨勢(shì)外，地面與500 hPa氣溫變化曲線大致相似。30年來(lái)，兩者均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，500 hPa的增溫率不如地面的大，地面增溫率是500 hPa的2倍以上。

通過(guò)對(duì)7：00地面、500 hPa氣溫的分析，2個(gè)變量有共變現(xiàn)象，為正相關(guān)，關(guān)系密切。其Pearson相關(guān)系數(shù)為r=0.73（p<0.01），通過(guò)了顯著性為99%的檢驗(yàn)，說(shuō)明地面在氣溫逐漸升高的同時(shí)，500 hPa氣溫也隨之增大。

由表1可知，在7：00，地面平均氣溫四季均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，春、夏、秋、冬季平均氣溫增溫率分別為0.04、0.50、0.32、0.48 ℃/10年。氣溫變化有明顯的季節(jié)性差異，夏季增溫最顯著，增溫速率通過(guò)了0.01顯著性水平的檢驗(yàn)；其次是冬季，春季增溫最小。地面氣溫四季的增溫幅度表現(xiàn)為夏季>冬季>秋季>春季的氣候特征。500 hPa的增溫則主要集中在冬季，為0.39 ℃/10年；春季最小，為0.06 ℃/10年，略大于地面的增溫率。7：00秋季地面與500 hPa的相關(guān)性最好，Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.82（p<0.01）；春季則稍差，為r=0.68（p<0.01）。

從平均氣溫月變化分析（表2）看，在7：00，12月的相關(guān)系數(shù)最小，r=0.53；其次是3月、1月，分別為r=0.61和0.66；9月、10月最高，同為r=0.82。在12月、1月氣溫差值最小，6月氣溫差最大；月最高氣溫均出現(xiàn)在7月，最低氣溫則出現(xiàn)在1月。隨著一年中氣溫的變化，7：00地面和500 hPa的氣溫差值也有規(guī)律的變化，變化范圍0.9～9.2 ℃。這種現(xiàn)象主要是由輻射造成的，達(dá)日地區(qū)的冬季凌晨，近地面經(jīng)常有輻射逆溫層存在。因此，常出現(xiàn)地面氣溫接近或低于高空500 hPa氣溫的現(xiàn)象，此時(shí)500 hPa層的氣溫不會(huì)隨地面氣溫的降低而降低，有時(shí)反會(huì)高于地面氣溫。但隨著太陽(yáng)的升起，地面開(kāi)始吸收來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射而增溫，并且自身以長(zhǎng)波輻射的形式向外發(fā)射熱量，大氣吸收來(lái)自地面的長(zhǎng)波輻射也逐漸增溫，逆溫層逐漸消失，500 hPa層的氣溫開(kāi)始隨著地面氣溫的升高而逐漸升高。

從地面、500 hPa各月氣溫變化傾向率（圖10）比較分析得出，在7：00，地面氣溫在1月、2月、6月、7月、8月、9月、12月上升傾向率較大，其中2月傾向率最大，為0.60 ℃/10年；6月、7月、8月、9月的氣溫傾向率變化通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。3月、4月、5月、10月、11月地面氣溫上升傾向率增加較小，春季（3—5月）尤為明顯，4月最小，為0.05 ℃/10年。而500 hPa的氣溫速率在1月、2月、7月、8月、9月遞增較大，9月的增溫率最大，為0.56 ℃/10年，高于同期地面氣溫上升傾向率，且通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；其他月份500 hPa氣溫上升傾向率增加較小。與王榮英等[7]分析的增溫速率隨高度的增加而遞減有出入，筆者分析認(rèn)為，這與500 hPa層離下墊面較近、受地面輻射大有關(guān)。

2.5.2 19：00。由圖11可知，19：00地面與500 hPa的氣溫變化幅度大致相同，即500 hPa氣溫隨地面氣溫的變化而變化。對(duì)兩者進(jìn)行相關(guān)性分析，2個(gè)變量有共變現(xiàn)象，為高度正相關(guān)，其Pearson相關(guān)系數(shù)為r=0.82（p<0.01），這一數(shù)值大于7：00地面與500 hPa的相關(guān)系數(shù)，通過(guò)了顯著性為99%的檢驗(yàn)，表明19：00地面與500 hPa氣溫年際變化相當(dāng)一致，即地面氣溫逐漸升高的同時(shí)，500 hPa氣溫也隨之升高。30年來(lái)，兩者均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，地面增溫率是500 hPa的2倍以上。

從地面與500 hPa的季度線性變化趨勢(shì)（表1）分析比較看，在19：00，地面春季的增溫率最大，為0.60 ℃/10年，通過(guò)了0.01的顯著性水平的檢驗(yàn)；其次分別是冬季、秋季；夏季則最小，為0.34 ℃/10年，與7：00截然不同。500 hPa的增溫主要是夏季，為0.35 ℃/10年，小于7：00冬季的增溫率；春季、冬季相當(dāng)，秋季略小。而在19：00，冬季地面與500 hPa的相關(guān)性最好，其 Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.87（p<0.01）。兩者月平均變化大致相同，均呈單峰型，間隔距離（即氣溫差）相當(dāng)，與7：00的變化趨勢(shì)截然不同。近地面空氣因吸收來(lái)自地面的長(zhǎng)波輻射而升溫，在日落前1.0～1.5 h，輻射支出由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，近地面空氣開(kāi)始失去熱量而逐漸降溫，這個(gè)時(shí)間段也正好是臺(tái)站施放氣球的時(shí)間。因此，地面與500 hPa氣溫差變化不大，范圍在11.2～14.9 ℃之間。在19：00，地面與500 hPa每月的相關(guān)性最好，遠(yuǎn)高于7：00每月的相關(guān)性，即地面氣溫的變化與500 hPa層氣溫的變化基本一致。

由圖12可知，在近30年，19：00地面和500 hPa每月的氣溫變化傾向率也不相同，地面在2月、3月、4月、9月氣溫上升傾向率較大，2月的地面月平均氣溫上升最大，為0.87 ℃/10年，遠(yuǎn)大于同月份7：00的傾向率；5月、6月、11月、12月則相對(duì)較小，其中6月最小，為0.16 ℃/10年。500 hPa層的月平均氣溫上升傾向率在1月、2月、9月較大，2月最大，為0.52 ℃/10年；3月、4月、7月、8月次之；5月、6月、10月、11月、12月則較??；6月最小，為0.01 ℃/10年，幾乎沒(méi)變化。

3 結(jié)論與討論

（1）在進(jìn)一步細(xì)致分析地面氣溫與500 hPa氣溫相關(guān)的基礎(chǔ)上，可利用地面氣溫場(chǎng)和500 hPa氣溫場(chǎng)互相進(jìn)行插補(bǔ)。在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，當(dāng)某一時(shí)次探空記錄出現(xiàn)500 hPa氣溫層缺測(cè)或氣溫因信號(hào)變性無(wú)法判別時(shí)，可利用地面氣溫進(jìn)行插補(bǔ)判別；亦可以利用500 hPa氣溫場(chǎng)對(duì)瞬間氣溫值進(jìn)行訂正判別。

（2）近30年來(lái)，地面和500 hPa氣溫在每個(gè)時(shí)段的增溫率不同，地面氣溫增溫率高于500 hPa，19：00的增溫率又高于7：00，各時(shí)段的增溫率分別為7：00地面0.35 ℃/10年、19：00地面0.48 ℃/10年、7：00 500 hPa 0.16 ℃/10年、19：00 500 hPa 0.17 ℃/10年。

（3）地面、500 hPa氣溫在2個(gè)時(shí)段均有共變現(xiàn)象，為正相關(guān)，關(guān)系密切，其Pearson相關(guān)系數(shù)都通過(guò)了顯著性為99%的檢驗(yàn)。在冬季，因7：00段近地面輻射逆溫層的存在，相關(guān)性稍差。地面四季平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏季增溫最顯著，春季增溫最小，地面氣溫四季的增溫幅度表現(xiàn)為夏季>冬季>秋季>春季的氣候特征；500 hPa的增溫則主要集中在冬季，春季亦最小。7：00秋季地面與500 hPa的相關(guān)性最好。月平均氣溫線性趨勢(shì)分析中，地面氣溫2月的增溫率最大，4月最?。?00 hPa氣溫9月的增溫率最大，且高于同月份的地面氣溫傾向率。

（4）19：00地面與500 hPa的氣溫變化曲線幅度大致相同，為高度正相關(guān)，地面氣溫在春季的增溫率最大，夏季則最??；500 hPa的增溫主要是在夏季，秋季最小。地面和500 hPa每月的氣溫變化傾向率也不相同，2月的地面增溫率最大，6月最??；500 hPa的增溫率在2月最大，6月最小。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬飛，魯海寧，陳瑩，等.青藏高原與全國(guó)氣溫特征及相關(guān)性分析[J].陜西氣象，2015（3）：28-31.

[2] 楊東，王慧，程軍奇，等.近50年青海省氣候變化特征及其與ENSO的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013（4）：547-553.

[3] 戴升，李林.1961—2009年三江源地區(qū)氣候變化特征分析[J].青海氣象，2011（1）：20-26.

[4] 唐紅玉，李錫福.青海高原近40年來(lái)的最高和最低氣溫變化的初步分析[J].高原氣象，1999，18（2）：230-235.

[5] 李林，朱西德，秦寧生.青藏高原氣溫變化及其異常類型的研究[J].高原氣象，2003，22（5）：524-530.

[6] 馮松，湯懋蒼，王冬梅.青藏高原是我國(guó)氣候變化啟動(dòng)區(qū)的新證據(jù)[J].科學(xué)通報(bào)，1998，43（4）：633-636.

[7] 王榮英，周順武，閆巨盛，等.近30年青藏高原上空大氣氣溫變化特征[J].高原山地氣象研究，2011（1）：1-5.

[8] 陳芳，馬英芳，金慧瑛.高空溫度、高度變化特征及其與地面氣溫的相關(guān)分析[J].氣象科技，2005，33（2）：163-166.

[9] 周寧芳，屠其璞，賈小龍.近50a北半球和青藏高原地面及其高空氣溫變化的初步分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，26（2）：219-227.

[10] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].2版.北京：氣象出版社，2007.

[11] 任國(guó)玉，郭軍，徐銘志，等.近50a中國(guó)地面氣候變化基本特征[J].氣象學(xué)報(bào)，2005，63（6）：942-956.

[12] 姜永見(jiàn)，李世杰，沈德福，等.青藏高原江河源區(qū)近40年來(lái)氣候變化特征及其對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響[J].山地學(xué)報(bào)，2012，30（4）：461-469.