茫崖地區(qū)近地面層氣溫對(duì)高空溫度的影響

張成毅，賈鵬翔

(青海省烏蘭縣氣象局，青海 希里溝 817100)

引言

大氣層溫度變化是氣候變化的重要組成部分。地面層是對(duì)流層大氣的主要的直接熱源，太陽(yáng)輻射被地面吸收，地面增溫，低層大氣吸收地面輻射后，再通過(guò)輻射、對(duì)流、湍流等方式將熱量傳遞給高層大氣，地面層溫度一定程度影響或決定著高空溫度的變化，研究范圍也逐步延伸到整個(gè)大氣層，從地面氣溫單一要素的分析，拓展到高空溫度變化的探索。

本文作者利用茫崖地區(qū)近30 a(1989～2018年)探空資料(選取08 h、20 h次500 hPa等壓面的資料)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溫度進(jìn)行分析，并進(jìn)一步探討它們之間的關(guān)系，以期能對(duì)該地區(qū)地面、500 hPa溫度變化特征有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，這對(duì)茫崖地區(qū)制定區(qū)域發(fā)展政策、防災(zāi)減災(zāi)及生態(tài)建設(shè)均有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)收集與整理

1.1 資料準(zhǔn)備與整理

選取茫崖1989～2018年高空探測(cè)(08 h、20 h)500 hPa等壓面、地面層(08 h、20 h)的月平均溫度資料。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、秋采用1989～2018年觀測(cè)資料，冬季采用12月至翌年～2月的觀測(cè)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，生成季、年的平均溫度序列。

在以往的分析中，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)，日平均值由四次定時(shí)值(北京時(shí)間02、08、14、20 h)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。在本文中，地面層溫度分別用每日08、20 h氣溫值合計(jì)并求平均求得，高空溫度分別用每日08 h、20 h500 hpa氣溫值合計(jì)并平均求得。在時(shí)間上與500 hPa溫度的獲取是基本同步的，因此更具有可對(duì)比性。

地面層氣溫平均值是每日08 h、20 h兩個(gè)時(shí)段定時(shí)值合計(jì)并求平均而得，500 hPa的溫度是測(cè)站垂直方向上的觀測(cè)要素值之一，釋放氣球后10分鐘左右(即07 h、19 h25分前后)高空瞬間溫度，兩者在時(shí)間上相差是基本同步的。

1.2 方法

通過(guò)使用氣候傾向趨勢(shì)分析、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 氣溫?cái)?shù)據(jù)分析

2.1 08 h地面氣溫變化分析

08 h的地面氣溫在近30 a內(nèi)，隨著年份的增加，氣溫呈明顯遞增趨勢(shì)(如圖1)，與全國(guó)氣溫變暖的趨勢(shì)是一致的，年平均氣溫增溫率為0.61 ℃/10a，在0.001的水平檢驗(yàn)下顯著上升，表明茫崖地區(qū)08 h年平均氣溫上升明顯，高于全國(guó)年平均氣溫傾向率0.22 ℃/10a[1]，與姜永見[2]等對(duì)江河源地區(qū)平均氣溫分析的結(jié)果大致相同。08 h地面氣溫累計(jì)距平 由圖2可見，1989～1997年氣溫偏低，氣溫距平值以負(fù)值為主，1998～2019年氣溫偏高，距平值以正值為主；最高年平均氣溫為-0.3 ℃(2016年)；最低年平均氣溫為-3.1 ℃(1989年)，大致的突變時(shí)間在1997年左右。

圖1 08 h地面氣溫年際變化

圖2 08 h地面氣溫累積距平

2.2 20 h地面氣溫變化分析

由圖3可見，1989～2019年20 h地面平均氣溫為7.9 ℃。近30 a內(nèi)，隨著年份的增加，氣溫呈明顯遞增趨勢(shì)，年平均氣溫增溫率為0.23 ℃/10a，小于08 h的氣溫傾向率，通過(guò)了0.1水平下檢驗(yàn)顯著上升，表明20 h平均氣溫上升趨勢(shì)較為緩慢，低于08 h地面氣溫上升趨勢(shì)。從累計(jì)距平圖(圖4)知，1989～1997年氣溫偏低，氣溫距平值以負(fù)值為主，1998～2018年氣溫偏高，氣溫距平值以正值為主；最高年平均氣溫為8.9 ℃(2016年)；最低年平均氣溫為6.5 ℃(1989年)，出現(xiàn)年份與08 h一致。大致突變時(shí)間在1997年左右。

圖3 20 h地面氣溫年際變化

圖4 20 h地面氣溫累積距平

2.3 08 h500 hPa氣溫變化分析

08 h500 hPa氣溫在近30 a內(nèi)，氣溫呈遞增趨勢(shì)( 如圖5)。年平均氣溫增溫率為0.37 ℃/10a，受下墊面影響，氣溫上升趨勢(shì)明顯，增溫率介于08 h地面氣溫和20 h地面氣溫之間。1989～2018年，平均氣溫為-15.3 ℃，最低值出現(xiàn)在1989年 ，最高值出現(xiàn)在2017年；由累積距平圖6知，1989～1997年以前，距平值以負(fù)值為主，均值為-15.7 ℃，低于30 a平均值，氣溫偏低；1998～2014年，距平值有正有負(fù)，均值為-15.2 ℃，與30 a平均值基本持平；2014～2018年，距平值以正值為主，均值為-14.6 ℃，高于30 a平均值，500 hPa氣溫偏高。中間1998～2014年為過(guò)渡期，無(wú)明顯突變。

圖5 08 h500 hPa氣溫年際變化

圖6 08 h500 hPa氣溫累積距平

2.4 20 h500 hPa氣溫變化分析

20 h500 hPa氣溫，由圖7可見：在近30 a內(nèi)，氣溫呈遞增趨勢(shì)，年平均氣溫增溫率為0.28 ℃/10a，略低于08 h500 hPa氣候增溫率，氣溫上升趨勢(shì)不明顯。30 a來(lái)，氣溫上升了0.84 ℃。1989～2018年，年平均氣溫為-14.6 ℃，最低值出現(xiàn)在2000年，最高值則出現(xiàn)在2016年；由累積距平圖8知，2005年以前，距平值以負(fù)值為主，平均值為-14.8 ℃，低于30 a平均值，氣溫偏低， 2006年以后，距平值以正值為主，均值為-14.3 ℃，高于30 a平均值，氣溫偏高，大致突變時(shí)間在2005年左右。

圖7 20 h500 hPa氣溫年際變化

2.5 地面層氣溫和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。在茫崖地區(qū)，所探測(cè)的500 hPa等壓面離地面只有2 700 m左右，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(08 h次、20 h次)是不同的。

圖8 20 h500 hPa氣溫累積距平

2.5.1 08 h相關(guān)性分析 圖9為08 h地面和500 hPa的年平均氣溫變化曲線，從圖中可以看出，除個(gè)別年份出現(xiàn)反相位變化趨勢(shì)，地面和500 hPa氣溫變化曲線大致相似，30 a來(lái)，兩者均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，500 hPa的增溫率不如地面大，地面增溫率是500 hPa的近兩倍。

通過(guò)對(duì)08 h地面、500 hPa氣溫的分析，兩個(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=0.724(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氣溫也隨之升高。

在08 h，地面平均氣溫在四季均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，春夏秋冬四季平均氣溫增溫率分別為0.63、0.75、0.65、0.40 ℃/10a(如表1)，氣溫變化有明顯的季節(jié)性差異，夏季增溫最顯著，與全年增溫變化相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.87，通過(guò)了0.001的顯著性水平的檢驗(yàn)；其次是春季，冬季增溫率最小，地面氣溫四季的增溫幅度表現(xiàn)為夏季﹥秋季﹥春季﹥冬季的氣候特征；500 hPa的增溫則主要集中在秋季，為0.81 ℃/10a，冬季最小，為0.07 ℃/10a，趨于緩慢降溫的趨勢(shì)。春夏秋地面年際變化與全年平均變化強(qiáng)相關(guān)，冬季由于數(shù)據(jù)序列差異，表現(xiàn)為弱相關(guān)，500 hPa四季年際變化與全年平均變化相關(guān)性較地面??；08 h夏季地面、500 hPa的相關(guān)性最好，Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.77(p<0.01)，春秋冬基本一致，為r分別為0.55、0.59、0.59(p<0.01)。

表1 地面、500 hPa季度和年的氣溫變化傾向率及相關(guān)系數(shù)

圖9 08 h地面和500 hPa的年平均氣溫變化曲線

在20 h，地面平均氣溫在四季亦均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)較變緩慢，春夏秋冬四季平均氣溫增溫率分別為0.40、0.24、0.08、0.08 ℃/10a，春季氣溫上升趨勢(shì)最為明顯，500 hPa氣溫呈上升趨勢(shì)，夏季上升最為明顯；春夏秋季地面年際變化與全年平均變化強(qiáng)相關(guān)，冬季由于數(shù)據(jù)序列差異，表現(xiàn)為弱相關(guān)，500 hPa春夏秋三季年際變化與全年平均變化相關(guān)性較強(qiáng)，冬季變化數(shù)據(jù)序列差異，表現(xiàn)為極弱相關(guān)，與08 h的結(jié)果相一致；20 h春季地面、500 hPa的相關(guān)性最好，Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.76(p<0.01)，冬季相關(guān)性最差，為r=0.41(p<0.05)。

2.5.2 08 h地面、500 hPa氣溫月累計(jì)平均相關(guān)性分析 從平均氣溫月變化分析看(表2)，10月份的相關(guān)系數(shù)最小，r=0.13，其次是6、1月份，分別為r=0.27、0.42，9、8月份最高，分別為r=0.91、0.70。由08 h地面和500 hPa的氣溫月變化曲線看(圖10)，曲線在12、1月較近(即氣溫差值最小)，7月份兩曲線間隔較大(即氣溫差大)，地面月最高氣溫出現(xiàn)在7月份，500 hPa月最高氣溫出現(xiàn)在7～8月之間，最低氣溫則均出現(xiàn)在1月份。隨著一年中氣溫的變化，08 h地面和500 hPa的氣溫差值也有規(guī)律的變化，變化范圍在7.4～19.0 ℃之間。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由輻射造成的，茫崖地區(qū)的冬季，凌晨近地面經(jīng)常有輻射逆溫層存在。因逆溫層的存在，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層的氣溫開始隨著地面氣溫的升高而逐漸升高。

表2 08 h地面與500 hPa各月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

從地面、500 hPa近30 a間每月的線性變化趨勢(shì)分析得出(如圖11)，在08 h，地面氣溫在2、4、8、10、11月份的線性氣溫上升傾向率較大，其中8月份傾向率最大，為0.94 ℃/10a，3、5、6、7、9月份的氣溫傾向率變化通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；1、12月份地面氣溫上升傾向率變化不明顯，12月份傾向率最小，為-0.01 ℃/10a，升溫趨勢(shì)不明顯；而500 hPa的氣溫傾向率在4、5、7、8月份遞增趨勢(shì)，8月份的增溫率最大，為1.30 ℃/10a，高于同期的地面氣溫傾向率，且通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。而在9、10、11、12月份傾向率出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，1、2、3、6、12月份氣溫升溫趨勢(shì)不明顯，基本保持平穩(wěn)，這種升溫不明顯現(xiàn)象，與500 hPa層離下墊面較近，受地面輻射大有關(guān)系。

圖10 08 h地面、500 hPa氣溫月變化

2.5.3 20 h相關(guān)性分析 由圖12知，20 h地面與500 hPa的氣溫變化曲線幅度大致相同，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，兩個(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=0.705(p<0.01)，這一數(shù)值略小于于08 h地面與500 hPa的相關(guān)系數(shù)(0.724)，通過(guò)了顯著性為99%的檢驗(yàn)，表明了20 h地面和500 hPa氣溫年際變化是相當(dāng)一致的，即地面氣溫逐漸升高的同時(shí)，500 hPa氣溫也隨之升高。30 a來(lái)，兩者均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，地面層增溫率與500 hPa基本一致。

圖11 08 h地面和500 hPa氣溫傾向率變化比較

從地面和500 hPa的季度和年的氣溫變化傾向率分析比較來(lái)看(表1)，在20 h，地面在春季的增溫率最大，為0.40 ℃/10a，通過(guò)了0.01的顯著性水平的檢驗(yàn)，其次是夏季，秋季、冬季，則最小，為0.08 ℃/10a，與08 h升溫趨勢(shì)相比，有較大差距；500 hPa的增溫主要是春季和夏季，分別為0.35℃/10a、0.44 ℃/10a，相當(dāng)于或小于08 h冬季增溫率，冬季為0.21 ℃/10a，秋季最小為0.11℃/10a。而在20 h，冬季地面和500 hPa數(shù)據(jù)相關(guān)性略小于08 h，其 Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.705(p<0.01)。從兩者的月平均變化來(lái)看(如圖13)，兩條曲線的變化大致相同，均呈單峰型，間隔距離相當(dāng)(即氣溫差)，與08 h的變化趨勢(shì)有所不同。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1～1.5h，輻射由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值，近地面空氣開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，因此地面和500hPa氣溫差變化不大，范圍在15.5～26.0℃之間，變化趨勢(shì)基本一致，也符合溫度隨高度而遞減的規(guī)律。

圖12 20 h地面和500 hPa的年平均氣溫變化曲線

圖13 20 h地面、500 hPa氣溫月變化

由圖14知，在近30 a，20 h次地面和500 hPa每月的氣溫變化傾向率也不一樣，地面在3、4、8月份氣溫上升傾向率較大，3月份的地面月平均氣溫上升最大，為0.64 ℃/10a，5、6、11月份則相對(duì)較小，9、12月甚至出現(xiàn)負(fù)值，分別為-0.15 ℃/10a、-0.12 ℃/10a；500 hPa層的月平均氣溫上升傾向率在3、7、8月份較大，8月份最大，為0.70 ℃/10a，而在5月份出現(xiàn)負(fù)傾向率，為-0.07 ℃/10a，即溫度降低的現(xiàn)象，但這種降溫現(xiàn)象不明顯。

圖14 20 h地面、500 hPa氣溫傾向率變化比較

3 主要研究結(jié)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)或判別。亦可以利用500 hPa溫度場(chǎng)對(duì)瞬間溫度值進(jìn)行訂正判別。

(2)近30 a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，20 h的增溫率小于08 h，各時(shí)段的增溫率分別為：08 h地面溫度0.66 ℃/10a、20 h地面溫度0.29 ℃/10a、08 h500 hPa溫度0.27 ℃/10a、20 h500 hPa溫度0.28 ℃/10a。

(3)地面、500 hPa氣溫在兩個(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)，在春季，因08 h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，冬季增溫最小，地面氣溫四季的增溫幅度表現(xiàn)為夏季﹥秋季﹥春季﹥冬季的氣候特征；500 hPa的增溫則主要集中在秋季，冬季亦最小。08 h夏季地面和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8月份的增溫率最大，1月份最小；500 hPa氣溫也是8月份的增溫率最大，2月份最小。

(4)20 h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，秋、冬季則最小；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一樣，但逐月增溫趨勢(shì)基本一致。

(5)在茫崖地區(qū)的近地面上空，冬季常有接地逆溫層存在，該逆溫層的強(qiáng)度、厚度以及風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)500 hPa溫度有直接的影響，其變化特征有待進(jìn)一步研究。