北辰地區(qū)日最低氣溫特征及影響因素研究

齊 浩，劉春艷，王 磊，馬庚雪

(天津市北辰區(qū)氣象局 天津300400)

0 引 言

日最低氣溫與日常生活有著密切的關(guān)系，是24h預(yù)報(bào)中比較重要的要素，影響最低氣溫值高低的因素很多，例如：夜間云量的多少、風(fēng)向風(fēng)速、冷暖平流、相對(duì)濕度、天氣現(xiàn)象等。隨著季節(jié)的不同，各要素對(duì)溫度的影響程度也各不相同。

北辰區(qū)南側(cè)緊鄰天津市中心城區(qū)，但是日最低溫度卻常存在不小的差異，不僅如此，與周邊其他地區(qū)相比，北辰地區(qū)日最低氣溫也存在差異，尤其常出現(xiàn)全市的最低值。部分預(yù)報(bào)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為這種情況一般出現(xiàn)在晴朗靜風(fēng)的條件下，但沒(méi)有經(jīng)過(guò)論證。這種情況造成北辰區(qū)日最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低。

本文的研究目的，是通過(guò)研究近10年北辰地區(qū)日最低氣溫變化的特征以及與周邊地區(qū)相比出現(xiàn)明顯差異的規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)預(yù)報(bào)，從而提高北辰地區(qū)日最低氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 北辰地區(qū)日最低氣溫時(shí)間變化特征

為初步研究北辰區(qū)最低氣溫的特征，選取2006—2016年北辰國(guó)家一般氣象站(下稱“北辰本站”)日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，得到北辰區(qū)日最低氣溫變化曲線。按照日常觀測(cè)和預(yù)報(bào)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)北辰日最低氣溫的變化可能存在季節(jié)性差異，所以在研究中按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月)進(jìn)行分類。

1.1 各月逐日最低氣溫變化

圖1羅列出1—12月日最低氣溫變化情況。按照季節(jié)分類來(lái)看，日最低氣溫的變化表現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)性差異，通過(guò)線性變化率能夠反映各月日最低氣溫的變化情況：

①春季，各月日最低氣溫呈上升趨勢(shì)，平均變化率為0.045℃/10a。

②夏秋兩季各月日最低氣溫變化均呈下降趨勢(shì)，平均變化速率分別為-0.014℃/10a和-0.037℃/10a。

③冬季各月變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)。

1.2 各月旬平均最低氣溫變化

為進(jìn)一步細(xì)化研究各月逐日最低氣溫的變化特征，明確各季節(jié)差異性，按照上、中、下三旬分別計(jì)算各月的旬平均最低氣溫，變化情況如圖2所示。

圖2 旬平均最低氣溫變化曲線Fig.2 Change curves of decadal-mean minimum air temperature

從圖2反映的情況看，與逐日最低氣溫變化的結(jié)論是比較一致的，根據(jù)旬平均最低氣溫變化曲線及線性趨勢(shì)，可以得到以下幾個(gè)細(xì)化的結(jié)論：

①7月和1月的溫度變化是最穩(wěn)定的，一方面這兩個(gè)月上、中、下旬的溫度基本持平，另一方面線性變化幅度較小。

②從各月上、中、下三旬溫度的大小關(guān)系來(lái)看，北辰地區(qū)日最低氣溫變化的過(guò)渡月份為8月和2月。自8月開始至12月，大小關(guān)系總體上看，上旬＞中旬＞下旬；自2月開始至6月，大小關(guān)系總體上看，上旬＞中旬＞下旬。

③考慮到季節(jié)內(nèi)各月變化的相對(duì)一致性并且為方便下面的研究，在后續(xù)的研究中，將1月、4月、7月、10月作為冬、春、夏、秋四季的代表月份，以代表月份的特征來(lái)指代對(duì)應(yīng)季節(jié)的特征變化。

2 北辰地區(qū)日最低氣溫空間變化特征

除北辰本站外，北辰地區(qū)建有區(qū)域自動(dòng)站16個(gè)，本文選擇其中業(yè)務(wù)運(yùn)行超過(guò)7年的10個(gè)區(qū)域站進(jìn)行研究。

按照與北辰本站的距離范圍，對(duì)10個(gè)區(qū)域自動(dòng)站進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分類情況見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域自動(dòng)站分類情況Tab.1 The classification of regional weather stations

區(qū)域站數(shù)據(jù)選擇2009年4月至2017年1月的日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)中的缺省值和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控處理，對(duì)應(yīng)選取北辰2009月4月至2017年1月的日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算得到各區(qū)域自動(dòng)站與北辰本站的差值Dsta。

其中Tsta為區(qū)域站數(shù)據(jù)，T0為北辰本站數(shù)據(jù)。

根據(jù)上一節(jié)得到的結(jié)論，用1月、4月、7月和10月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月份，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠表征對(duì)應(yīng)季節(jié)的特征。

1月、4月、7月、10月計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 區(qū)域自動(dòng)站與本站日最低氣溫差值分布圖Fig.3 The difference between the national general weather station and regional weather stations in Beichen

3 北辰地區(qū)日最低氣溫與周邊區(qū)域?qū)Ρ?/h2>

3.1 對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

氣溫變化的空間差異主要受緯度、海拔高度、環(huán)境和其他氣象條件等因素影響。北辰地區(qū)日最低氣溫同周邊行政區(qū)相比，往往表現(xiàn)出比較特殊的變化情況，從緯度上講，北辰地區(qū)位于天津市的中部，卻往往出現(xiàn)遠(yuǎn)低于北部地區(qū)或高于南部地區(qū)的日最低氣溫；從海拔高度上講，北辰地區(qū)地勢(shì)平坦，日最低氣溫時(shí)常低于北部山區(qū)。這些異常變化給北辰地區(qū)日最低氣溫的預(yù)報(bào)帶來(lái)了不小的麻煩，本文的研究重點(diǎn)也是通過(guò)研究其他氣象要素的變化情況定性的研究這些要素對(duì)日最低氣溫的影響。

選擇北辰本站2006—2016的日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)和周邊國(guó)家站的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。表2是北辰本站(以下簡(jiǎn)稱“北辰”)同天津市國(guó)家一般氣象站(以下簡(jiǎn)稱“市區(qū)”)、西青國(guó)家基本氣象站(以下簡(jiǎn)稱“西青”)、武清國(guó)家一般氣象站(以下簡(jiǎn)稱“武清”)、東麗國(guó)家一般氣象站(以下簡(jiǎn)稱“東麗”)和寶坻國(guó)家基本氣象站(以下簡(jiǎn)稱“寶坻”)的對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果(其他行政區(qū)域因?yàn)楹ｊ懖町?、距離較遠(yuǎn)、海拔差異等原因不做對(duì)比統(tǒng)計(jì))。

統(tǒng)計(jì)量包括標(biāo)準(zhǔn)差(表征兩組序列的固有差異)、差平均(表征兩組序列的整體差異)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)

算公式如下：

其中Tn為相應(yīng)周邊站的日最低氣溫，T0為北辰本站的日最低氣溫，k為選取樣本的總天數(shù)。

從與5個(gè)周邊區(qū)的對(duì)比結(jié)果看，北辰地區(qū)與周邊區(qū)的固有差異均在1～2℃的范圍內(nèi)，整體差異除寶坻日最低氣溫低于北辰外，其余4個(gè)區(qū)日最低氣溫均高于北辰，整體差異最小的是武清，最大的是市區(qū)。但從相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果來(lái)看，與北辰日最低氣溫差異更穩(wěn)定的是市區(qū)。在進(jìn)一步研究中，為了能夠得到更加長(zhǎng)期穩(wěn)定的參考，選擇市區(qū)和寶坻的日最低氣溫作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

分別來(lái)看表2中四季的對(duì)比結(jié)果，當(dāng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差偏高時(shí)，說(shuō)明該季節(jié)北辰氣溫易與該地區(qū)出現(xiàn)較大的偏差。對(duì)于日最低氣溫高于北辰的4個(gè)區(qū)，春季明顯高于其他季節(jié)，市區(qū)、西青、武清的結(jié)果均為春季相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差明顯高于其他季節(jié)，夏季次之，秋冬季結(jié)果相近。

表2 北辰本站與周邊國(guó)家站的對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 The comparison of Beichen national general weather station and other national weather stations nearby

如上述研究結(jié)果所反映出的特征，除距離北辰較遠(yuǎn)的寶坻(56km)外，其余4個(gè)臺(tái)站分別位于北辰本站的南、西南、東南、西北方向，距離均在20km左右(市區(qū)19km、西青19km、武清22km、東麗24km)，這說(shuō)明北辰地區(qū)日最低氣溫主要表現(xiàn)出低于周邊區(qū)域的特征，在該范圍內(nèi)并非與緯度呈明顯的反比關(guān)系，在周邊環(huán)境、海拔高度相對(duì)接近的情況下，可以考慮局地天氣系統(tǒng)影響下的其他氣象要素，如風(fēng)向風(fēng)速、云量、相對(duì)濕度等對(duì)北辰區(qū)日最低氣溫的影響。

在日常氣溫的觀測(cè)和預(yù)報(bào)中，業(yè)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)北辰地區(qū)，尤其是北辰本站，常出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏低或偏高值。例如日最低氣溫低于位于北部的寶坻地區(qū)，或高于城市化更高的天津市區(qū)。這樣的異常值給預(yù)報(bào)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

3.2 異常值的定義和選擇

根據(jù)研究結(jié)果，北辰本站的日最低氣溫變化與市區(qū)和寶坻的差異是相對(duì)穩(wěn)定的，并且整體上低于市區(qū)、高于寶坻，因此利用2006—2016年市區(qū)和寶坻的日最低氣溫作為參照，對(duì)相應(yīng)時(shí)段北辰本站的日最低氣溫異常值進(jìn)行篩選，仍按照季節(jié)分別研究。

將日最低氣溫低于寶坻并且遠(yuǎn)低于市區(qū)的值定義為北辰本站日最低氣溫異常偏低值；將日最低氣溫高于市區(qū)并且遠(yuǎn)高于寶坻的值定義為北辰本站日最低氣溫異常偏低值。遠(yuǎn)高于和遠(yuǎn)低于則以標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo)，即異常偏低值的選取標(biāo)準(zhǔn)為T北辰-T寶坻＜0，并且T北辰-T市區(qū)＜-3?STD ；異常偏高值的選取標(biāo)準(zhǔn)為：T北辰-T市區(qū)＞0并且T北辰-T寶坻＞3?STD 。其中STD為兩臺(tái)站對(duì)應(yīng)季節(jié)日最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。

3.3 其他氣象要素與日最低氣溫異常值的關(guān)系

本文對(duì)于北辰本站氣溫異常值影響要素的研究?jī)?nèi)容主要為氣象條件，其他影響因素暫不討論。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

①異常值數(shù)量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。4月份異常值總數(shù)最多(39個(gè))，偏低值個(gè)數(shù)(17個(gè))少于偏高值個(gè)數(shù)(22個(gè))；1月份異常值總數(shù)次之(27個(gè))，低值個(gè)數(shù)(26個(gè))遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于異常偏高值(1個(gè))；10月份異常值總數(shù)最少(8個(gè))，偏低值個(gè)數(shù)(6個(gè))多于偏高值(2個(gè))；7月份次之(11個(gè))，偏低值個(gè)數(shù)(7個(gè))多于異常偏高值(4個(gè))?？偟膩?lái)說(shuō)，從異常值的個(gè)數(shù)上來(lái)看，春冬兩季明顯多于夏秋兩季，而異常偏低值明顯多于異常偏高值，以冬季尤其明顯。

②依照經(jīng)驗(yàn)，靜風(fēng)、晴天往往有利于出現(xiàn)較低的日最低氣溫。但是從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，北辰區(qū)日最低氣溫異常值與云量和夜間最大風(fēng)速及兩地夜間最大風(fēng)速差并未表現(xiàn)出明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并不能作為北辰地區(qū)日最低氣溫異常偏低或偏高的預(yù)報(bào)。

③北辰區(qū)日最低氣溫異常值與北辰地區(qū)與市區(qū)、寶坻地區(qū)的夜間最大相對(duì)濕度的差值有密切的聯(lián)系。當(dāng)北辰地區(qū)夜間最大相對(duì)濕度顯著高于市區(qū)和寶坻地區(qū)時(shí)，易出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏低值；反之，當(dāng)北辰地區(qū)夜間最大相對(duì)濕度顯著低于市區(qū)和寶坻地區(qū)時(shí)，易出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏高值。

3.4 日最低氣溫與夜間最大相對(duì)濕度的相關(guān)性

北辰地區(qū)日最低氣溫的異常值，包括異常偏低值和異常偏高值，和北辰與寶坻、市區(qū)的夜間最大相對(duì)濕度表現(xiàn)出了比較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)一步分析日最低氣溫與最大濕度之間的關(guān)系，計(jì)算有關(guān)統(tǒng)計(jì)量間的相關(guān)性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看到，日最低氣溫和夜間最大相對(duì)濕度多個(gè)統(tǒng)計(jì)量間的相關(guān)性系數(shù)值存在顯著的差異，其中日最低氣溫差與對(duì)應(yīng)的夜間最大相對(duì)濕度差的相關(guān)性要好于其他統(tǒng)計(jì)量，北辰日最低氣溫與北辰地區(qū)夜間最大相對(duì)濕度相關(guān)性較差。由此可知，北辰地區(qū)日最低氣溫的變化與本地夜間最大相對(duì)濕度無(wú)關(guān)，但相比于其他地區(qū)的日最低氣溫差值，與對(duì)應(yīng)夜間最大相對(duì)濕度的差值呈一定的反相關(guān)。

表3 統(tǒng)計(jì)量間的相關(guān)性系數(shù)Tab.3 The correlation coefficients of the statistics

4 結(jié) 論

通過(guò)本文的研究，我們可以得到：北辰本站近十年來(lái)日最低氣溫的變化趨勢(shì)以及表現(xiàn)出的明顯季節(jié)性差異；通過(guò)與北辰地區(qū)區(qū)域站日最低氣溫的比較可以發(fā)現(xiàn)，北辰本站日最低氣溫存在明顯的局地性特征，并且低于絕大多數(shù)區(qū)域站；北辰本站與周邊地區(qū)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站的日最低氣溫差異值(標(biāo)準(zhǔn)差、差平均和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差)；以寶坻和市區(qū)的數(shù)值作為參照，北辰地區(qū)與上述兩地的日最低氣溫差和夜間最大相對(duì)濕度存在反相關(guān)關(guān)系，并且北辰地區(qū)日最低氣溫異常值個(gè)數(shù)存在明顯的季節(jié)性差異。

根據(jù)上述結(jié)論，可以在進(jìn)行北辰地區(qū)日最低氣溫預(yù)報(bào)時(shí)，對(duì)應(yīng)不同季節(jié)充分考慮夜間最大相對(duì)濕度的影響，并且在格點(diǎn)預(yù)報(bào)時(shí)考慮北辰地區(qū)日最低氣溫變化的局地性特征。