霸州市氣象站遷站前后地溫觀測(cè)資料對(duì)比分析

閆利霞 秦云苗 楊海良

摘要：為了研究城市化進(jìn)程對(duì)氣象站舊站地溫的影響，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)河北省霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址2012年及前后5年0～320 cm地溫平均值、差值進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)前后5年月平均地溫進(jìn)行了均值t檢驗(yàn)。結(jié)果表明，遷站同期和遷站前后5年對(duì)比，兩站址0～320 cm均表現(xiàn)為冬季和春季新址比舊址地溫低，夏季和秋季新址比舊址地溫高;兩站址0～20 cm年平均地溫日變化呈正弦曲線，40～320 cm四季日變化曲線較平緩;新址和舊址前后5年月平均地溫資料大多數(shù)月份差值較小，資料連續(xù)性較好，但兩站址地溫差值變幅較大，且兩站深層地溫比地面及淺層差異顯著，應(yīng)訂正后使用。

關(guān)鍵詞：氣象站;遷站;地溫;對(duì)比分析;均值檢驗(yàn);霸州市

中圖分類(lèi)號(hào)：P412.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）05-0042-05

Abstract： In order to study the impact of the urbanization process on the ground temperature of old meteorological observation station， statistics were conducted to analyze and compare the average ground temperature and difference value over the depth of 0～320 cm in the same period and around five years in 2012 between the old and new meteorological observation stations of Bazhou city. Meanwhile， the t test was conducted with the monthly mean ground temperature. The results showed that the ground temperature（the depth spans from 0 cm to 320 cm） of the new site was lower than the older one in winter and spring， and the temperature was higher than the old site in summer and autumn. At both sites， the daily change curve of annual mean ground temperature was sinusoidal over the depth of 0～20 cm. The curve over the depth of 40～320 cm was relatively flat. For both sites， the differences of monthly mean temperature was small and the continuity was good. However， the fluctuations of the difference between the two sites were large. The difference of deeper ground temperature varied more significantly than the shallow layer temperature， it shouldn't be used until it's revised.

Key words： meteorological station; station moving; ground temperature; comparative analysis; mean test; Bazhou city

霸州市國(guó)家基本氣象站地處河北省中北部，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，探測(cè)環(huán)境受到了嚴(yán)重影響，經(jīng)國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)審批同意，該站于2012年1月遷至新址并正式開(kāi)始業(yè)務(wù)運(yùn)行。按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，霸州站于2012年1—12月在新址和舊址同時(shí)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)[1]，已在新址積累了5年以上的觀測(cè)資料。筆者參與了“霸州市國(guó)家基本站遷站對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)分析”的課題研究，初步探討了觀測(cè)的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、地面及深層地溫等氣象要素的差值及形成原因，得出霸州市國(guó)家基本氣象站遷站前后氣象要素存在明顯差異[2]。本研究進(jìn)一步對(duì)遷站前后同期及遷站前后5年0～320 cm地溫觀測(cè)資料做了更深入地對(duì)比分析，得出了站址遷移對(duì)各層地溫時(shí)空分布的差異產(chǎn)生的影響，對(duì)該站新址和舊址地溫觀測(cè)資料的應(yīng)用給出建議，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和合理利用地溫信息提供可靠依據(jù)[3-7]。

1? 資料與方法

1.1? 資料來(lái)源

資料來(lái)自霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址，所用資料有2012年1—12月地面0 cm月平均地溫、平均最高地溫、平均最低地溫、極端最高地溫、極端最低地溫;淺層5～20 cm地溫;深層40～320 cm地溫;舊址2008—2012年和新址2012—2016年0～320 cm地溫觀測(cè)資料。資料序列完整。

舊址位于霸州市城西賈莊北，1956年10月建站。地理位置116°23′19″E、39°06′41″N，海拔高度9.0 m。由于城市建設(shè)的發(fā)展，周?chē)h(huán)境已不能滿足《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中對(duì)氣象觀測(cè)站周?chē)h(huán)境要求，觀測(cè)環(huán)境評(píng)分僅為60.7分。

新址位于霸州市南孟鎮(zhèn)安家營(yíng)村西，位于舊址偏北方向，距離舊址6 390 m，地理位置116°23′34″E、39°10′07″N，海拔高度8.9 m。站址四面都是基本農(nóng)田，作物為小麥等低矮作物。周?chē)鷽](méi)有高大的建筑，無(wú)污染源和干擾源，凈空環(huán)境良好，完全符合氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)的要求[8]。

1.2? 分析原則

1）比較氣象站新址和舊址同期即2012年月平均地溫、月平均最高地溫、月平均最低地溫，極端最高地溫、極端最低地溫;5～20 cm淺層地溫;40～320 cm深層地溫。研究中所提到的新址和舊址的數(shù)據(jù)差值均為新址數(shù)據(jù)減舊址數(shù)據(jù)。

2）比較氣象站新址和舊址同期2012年平均逐時(shí)0～320 cm地溫，分析兩站址地溫差異的日變化規(guī)律和垂直變化特征。

3）比較氣象站新址和舊址前后5年月平均? 0～320 cm地溫差值變化規(guī)律。

4）判斷氣象站新址和舊址前后5年月平均地溫差異是否顯著，以確定兩站址的地溫資料是否可以合并統(tǒng)計(jì)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 遷站同期新址和舊址0～320 cm地溫月變化比較

2.1.1? 0 cm地溫? 由表1、表2可知，霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址2012年0 cm地溫月、年各項(xiàng)平均值差值存在一定規(guī)律。兩站址地溫年差值幅度呈現(xiàn)最高地溫大于最低地溫大于平均地溫的規(guī)律，且最高地溫差值為正，最低地溫和平均地溫差值為負(fù)，偏低幅度不大。從季節(jié)來(lái)看，一般為冬季、春季差值為負(fù)，夏季、秋季差值為正，說(shuō)明新址比舊址升溫和降溫幅度更為明顯。就差值幅度來(lái)看，差值為正的月份一般出現(xiàn)在10月，而差值為負(fù)的月份一般出現(xiàn)在冬季12月和1月。

由表2可知，霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址0 cm月極端最高地溫各月差值相差較大且不穩(wěn)定，1月、3—7月為負(fù)值，幅度為-6.7～-1.0 ℃;2月、8—12月為正值，11月相差最多，為12.9 ℃。0 cm月極端最低地溫各月差值相對(duì)極端最高地溫來(lái)說(shuō)要穩(wěn)定的多，1—4月、11—12月差值為負(fù)，幅度為-3.2～ -0.2 ℃，12月最為明顯。5—10月差值為正，偏高幅度為0.3～2.4 ℃。從極值出現(xiàn)日期來(lái)看，極端最高地溫新址和舊址有6個(gè)月是一致的，而極端最低地溫吻合度達(dá)到9個(gè)月，說(shuō)明極端最高地溫的變化幅度比極端最低地溫要?jiǎng)×摇?/p>

2.1.2? 淺層、深層地溫? 從圖1可以看出，霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址冬季（12月、1月、2月）差值為負(fù)，夏季（6月、7月、8月）差值為正，春、秋兩季為正負(fù)交替的季節(jié)。從圖1a可以看出，5～20 cm地溫春季兩站址差值由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的日期和秋季兩站址差值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值的日期都是隨著深度增加而提前。從圖1b可以看出，40～320 cm地溫春秋兩季兩站址差值轉(zhuǎn)換的規(guī)律與淺層地溫正好相反，說(shuō)明40 cm深度是一個(gè)中間過(guò)渡層，起對(duì)稱軸的作用，這一層新址較舊址升溫和降溫的時(shí)間比其他各層都有所提前。從各層差值的幅度來(lái)看，除320 cm外，其他各深度均為變化幅度隨深度的增加而增大，說(shuō)明越到深層新址地溫升幅和降幅較舊址越大，160 cm地溫的變幅最大為3.0 ℃，出現(xiàn)在1月，夏季最大變幅為2.2 ℃，出現(xiàn)在7月，冬季變幅大于夏季，說(shuō)明新址降溫比升溫更強(qiáng)烈。320 cm升幅和降幅均低于160 cm。其中1—4月5～20 cm的地溫變幅略有波動(dòng)，1月10 cm地溫比其他各層變幅大，20 cm變幅小，特別是3—4月5～20 cm的升溫幅度較為不穩(wěn)定，而此時(shí)正值春播時(shí)期，要格外關(guān)注地溫的變化，地溫過(guò)低或過(guò)高都可能對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。

2.2? 遷站同期新址和舊址0～320 cm逐時(shí)年平均地溫日變化

圖2是霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址2012年0～40 cm年平均地溫日變化曲線，可以看出兩站址各層地溫的日變化曲線基本相似，均呈正弦曲線，峰、谷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間隨著土壤深度的加深出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，各月峰、谷值出現(xiàn)時(shí)間同樣也是隨著土壤深度的加深而推遲。但是需要說(shuō)明的是，新址40 cm的日變化規(guī)律與0～20 cm相同;而舊址40 cm地溫更接近于80～320 cm變化規(guī)律，即沒(méi)有明顯的峰、谷值，日變化曲線比較平緩。從新址和舊址兩站址的差值分析，兩站址的年平均差值幅度0～20 cm表層和淺層地溫表現(xiàn)為波浪式，隨著溫度升高即在峰值區(qū)域表現(xiàn)差值為正;而隨著溫度的下降即在谷值區(qū)則差值為負(fù)，以0 cm和5 cm表現(xiàn)最為明顯，隨著深度的加深差值的幅度變小。從圖2也可以看出，10～20 cm新址和舊址變化曲線越來(lái)越接近于重合。40 cm地溫舊址的變化比較平緩，而新址略有波動(dòng)，但新址和舊址的差值逐時(shí)均為負(fù)值，這與80～320 cm的差值變化規(guī)律是一致的，即地溫日變化趨于平緩;40～320 cm逐時(shí)差異不甚明顯，差值幅度卻隨著深度增加而變大，且差值均為負(fù)值;40 cm差值白天段最大，夜間段最小;80～320 cm差值比較穩(wěn)定，不論白天還是夜間均為320 cm>80 cm>160 cm（圖3），說(shuō)明越到深層新址和舊址的地溫變化趨勢(shì)越穩(wěn)定。

2.3? 遷站前后5年新址和舊址0～320 cm地溫差值分析

從圖4可以看出，霸州市國(guó)家基本氣象站遷站前后5年新址和舊址0～20 cm和40～320 cm月平均地溫差值分布比遷站同期兩站址各月地溫平均差值變化幅度減小。具體表現(xiàn)為，冬季新址地溫普遍低于舊址，春季3—5月開(kāi)始升溫，由淺層向深層逐漸傳遞直至兩站址差值轉(zhuǎn)為正值，夏季新址地溫普遍高于舊址，秋季10月開(kāi)始隨著降溫各層逐漸轉(zhuǎn)為新址地溫低于舊址。由圖4a可知，5月深層地溫新址均已升溫至高于舊址，而淺層卻又出現(xiàn)了低于舊址的情況。經(jīng)分析5月淺層地溫出現(xiàn)這種特殊情況很可能是由于氣溫和降水的原因引起，即淺層地溫與降水存在著負(fù)相關(guān)，與平均氣溫存在著正相關(guān)。統(tǒng)計(jì)得知，遷站后5年即2012—2016年5月降水總量為129.9 mm，平均氣溫為21.6 ℃;而遷站前5年即2008—2012年5月降水總量只有87.4 mm，平均氣溫為21.9 ℃。這與筆者前期研究[9]得出的結(jié)論是一致的。

從垂直深度差值變幅來(lái)看，即除320 cm外，其他大多數(shù)月份都表現(xiàn)為5～160 cm地溫隨著深度的增加變幅越來(lái)越大的趨勢(shì)，說(shuō)明越到深層新址地溫升幅和降幅都比舊址要強(qiáng)烈，160 cm地溫的變幅達(dá)到最大;從圖4b可以看出，320 cm的差值變化曲線較其他各層平滑，且峰谷值均落后其他層，說(shuō)明320 cm深度的地溫不容易受其他因素影響，不論是在新址還是舊址隨季節(jié)的變化較平穩(wěn)。

2.4? 均值顯著性檢驗(yàn)

t檢驗(yàn)常用于樣本含量較小（例如n<30），總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知的正態(tài)分布資料。它是用t分布理論來(lái)推論差異發(fā)生的概率，從而比較兩個(gè)平均數(shù)的差異是否顯著[10]。要判斷霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址在遷站前后5年1—12月月平均地溫差異是否顯著，以確定兩站址的地溫資料是否可以合并統(tǒng)計(jì)，對(duì)新址和舊址在遷站前后5年1—12月月平均地溫做均值顯著性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，給定信度α=0.05，若P<0.05則存在顯著差異。

由表3可知，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm，P均小于0.05，說(shuō)明新址和舊址均存在顯著差異，不能做合并統(tǒng)計(jì)。其他月份各層及年平均地溫沒(méi)有顯著差異，資料可以合并統(tǒng)計(jì)。進(jìn)而得知，深層地溫比地面和淺層差異顯著。

3? 小結(jié)與討論

1）霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址遷站同期即2012年月、年平均地溫差值均為冬季和春季為負(fù)，夏季和秋季為正。0 cm地溫年差值幅度呈現(xiàn)最高地溫大于最低地溫大于平均地溫的規(guī)律，且最高地溫差值為正，最低地溫和平均地溫差值為負(fù);極端最高地溫比最低地溫變化劇烈，差值變幅不穩(wěn)定。40 cm深度屬于過(guò)渡層，40 cm以下的各層即80～160 cm地溫隨著深度的增加兩站址差值變幅增大，160 cm層的地溫變幅最大，且冬季變幅大于夏季，320 cm地溫升幅和降幅均低于160 cm。40 cm以上各層即5～20 cm地溫變幅波動(dòng)較大，特別是3—4月升溫幅度較為不穩(wěn)定。

2）霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址0～20 cm年平均地溫日變化均呈正弦曲線，在峰值區(qū)為正溫差，在谷值區(qū)則為負(fù)溫差，以0 cm和5 cm表現(xiàn)最明顯;隨著土壤深度增加極值出現(xiàn)時(shí)間延后，且地溫日變化趨于平緩，40～320 cm逐時(shí)差異不明顯，差值幅度卻隨著深度增加變大。不論是從地面向下傳導(dǎo)熱量還是從深層向上傳導(dǎo)熱量，新址都比舊址表現(xiàn)活躍，升溫和降溫的速度快。

3）霸州市國(guó)家基本氣象站遷站前后5年新址和舊址0～320 cm月平均地溫差值分布比遷站同期兩站址各月地溫平均差值變化幅度減小。冬季新址地溫普遍低于舊址，春季開(kāi)始升溫由淺層向深層逐漸傳遞直至兩站址差值轉(zhuǎn)為正值，夏季新址地溫普遍高于舊址，秋季隨著降溫各層逐漸轉(zhuǎn)為差值為負(fù)。且淺層地溫與降水存在著負(fù)相關(guān)，與平均氣溫存在著正相關(guān)。

4）霸州市國(guó)家基本氣象站新址和舊址地溫均值顯著性差異檢驗(yàn)表明，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm地溫資料存在顯著差異，不能做合并統(tǒng)計(jì)。進(jìn)而得知，深層地溫比地面和淺層差異更為顯著。

綜上所述，由于遷站新址和舊址周?chē)h(huán)境和土壤性質(zhì)等因素的不同，造成兩站址地溫資料存在差異，為了使舊站歷年地溫資料記錄更具準(zhǔn)確性、連續(xù)性和代表性，建議使用前應(yīng)對(duì)霸州市國(guó)家基本氣象站近10年存在顯著差異的記錄做訂正。其次，經(jīng)研究可知，3—5月淺層地溫變化波動(dòng)較大，而此時(shí)正值播種時(shí)節(jié)，氣象部門(mén)要密切關(guān)注地溫的變化，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做好服務(wù)。深層地溫較地面和淺層差異更為顯著的原因除了周?chē)h(huán)境和土壤性質(zhì)的不同之外，還有待繼續(xù)深入探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2007.85.

[2] 張? 娟，閆利霞，趙曉飛.霸州基本站遷站對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（6）：213-215.

[3] 賈小琴，孫玉蓮，蔡廣珍，等.康樂(lè)氣象站遷移前后地溫同期觀測(cè)資料對(duì)比分析及訂正[J].干旱氣象，2014，32（5）：866-871.

[4] 郭立平，黃浩杰，杜海濤.廊坊市地溫變化特征分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2017（8）：209-211.

[5] 李又君，梁國(guó)堅(jiān)，楊士恩，等.氣象站遷站前后氣溫同期觀測(cè)資料對(duì)比[J].氣象科技，2010，38（5）：599-604.

[6] 于成獻(xiàn).肥城氣象站遷站地溫對(duì)比觀測(cè)分析[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì)大氣探測(cè)與儀器委員會(huì)、中國(guó)氣象學(xué)會(huì)雷達(dá)氣象學(xué)委員會(huì)、中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心.第26屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)第三屆氣象綜合探測(cè)技術(shù)研討會(huì)分會(huì)場(chǎng)論文集[C].北京：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2009.762-768.

[7] 于志明，史有瑜，曹亞杰.河北唐山深層地溫變化特征分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32（19）：142-146.

[8] GB 31221-2014，氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)規(guī)范 地面氣象觀測(cè)站[S].

[9] 閆利霞，秦云苗，楊海良，等.1964—2015年霸州市地溫變化特征及其與氣溫和降水的關(guān)系[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（3）：223-226，229.

[10] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2007.57-66.