探測環境變化對即墨氣象要素的影響

宋丙欣，付業理，孟 楠

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

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探測環境變化對即墨氣象要素的影響

宋丙欣1，2，付業理1，2，孟 楠1，2

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

采用平均差值分析、相符率分析等方法，對即墨市國家一般氣象站舊站1985～2014年氣象要素進行縱向變化分析，對2014年臺站搬遷過程中新、舊站的同期氣象資料進行橫向對比，查找要素差異，系統分析探測環境變化對主要氣象要素的影響。結果表明，1985～2014年探測環境改變，引起舊站氣溫升高，風速顯著減小，主導風向存在年際突變，年降水量比新站明顯偏少。在各要素變化過程中，城鎮化引起的探測環境改變是造成氣溫、風向、風速等要素改變的主要因素，站址變遷引起的探測環境改變與降水量的變化密切相關。因此加強氣象探測環境保護，保持臺站長期穩定，對保證氣象要素的連續性、代表性、準確性十分重要。

城鎮化；探測環境；氣象要素；觀測資料；對比分析

隨著社會經濟的快速發展和城鎮化進程的加快，即墨氣象觀測站周圍建筑物的逐漸增多，氣象探測環境受到不同程度的破壞，對氣象要素的影響很大。為獲取可代表真實大氣氣候背景的氣象觀測數據，2013年即墨市國家一般氣象站啟動搬遷工作，2014年1月1日～12月31日完成對比氣象觀測。目前，國內張掖、五華等氣象觀測站均已完成資料對比分析[1-2]，秦皇島、圍場、日照等氣象站探討了探測環境變化對氣象要素的影響[3-5]。為科學地評價即墨遷站前后氣象要素的變化，筆者選取1985～2014年舊站氣象觀測資料和2014年新站對比觀測資料，查找氣溫、風向、風速、降水等主要氣象要素的差異，分析城鎮化過程中探測環境變化對氣象要素的影響，為天氣預報、氣候分析、氣象服務和城市規劃提供重要依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 即墨國家一般氣象站1959年建站，原站址位于即墨市經濟開發區南關街84號(120°28′ E、36°23′ N)。建站之初，觀測場周邊地勢開闊，四周為一般農田，有少數居民住房，地形為平原，地勢平坦，土壤質地為壤土。隨著我國改革開放的推進、城鎮化的發展，特別是1995年以來，臺站周圍城鎮化發展迅速，民宅、樓房、公路逐漸取代了農田。到2004年臺站四周城鎮化基本完成，農田完全被公路和建筑物取代。2013年，根據即墨市政府統一規劃，觀測場四周相繼開工建設多個高層住宅樓，氣象探測環境難以維持，臺站搬遷工作正式啟動。新站位于即墨市馬山國家級自然保護區內(120°23′ E、36°24′ N)，馬山主體東南，地勢北高南低，地勢差7.5 m左右，四周為一般農田、草地、林地，土壤質地為沙壤土，規定范圍內無污染源，周圍沒有高大建筑，凈空環境良好，為綠色保護區，符合氣象探測環境要求。對比來看，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月對比觀測數據，采用平均差值分析、風向相符率分析等統計方法，對氣溫、降水量、風向、風速等氣象要素進行對比，查找氣象要素差異，分析探測環境變化對氣象要素的影響。

2 結果與分析

2.1 探測環境變化對氣溫的影響 從圖1可以看出，1985～2014年即墨舊站年平均氣溫呈上升趨勢，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，也與城鎮化引起舊站周圍的探測環境的變化密切相關[4，6-7]。根據2001年IPCC第3次最新評估報告顯示，19世紀末～20世紀末全球平均氣溫上升(0.6±0.2)℃，可知氣候變暖幅度為0.04～0.08 ℃/10 a。查閱《即墨市統計年鑒2013》獲知，1995～2005年是臺站周圍城鎮化迅猛發展時期，即墨市城市規模從12.4 km2迅速擴大至42.7 km2。期間舊站周圍的農田被興起的民宅、樓房、公路等所取代，城市和郊區產生了顯著的熱島效應。根據舊站統計資料顯示，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 ℃，可見探測環境改變引起的城市熱島效應主導了期間的溫度升高。2005年舊站周圍城鎮化完成后，城市熱島效應對氣溫的影響量基本固定不變，氣溫變化趨于緩和，根據舊站氣象資料統計，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站搬遷導致兩站的海拔高度和下墊面性質不同造成。氣溫差異受海拔高度的影響明顯，一般來說，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，下墊面的性質不同對氣溫，尤其是最高、最低氣溫的影響也較為顯著，綠地、林地對夏季最高氣溫降溫和對冬季最低氣溫升溫有明顯效應。2014年1～12月舊站四周拆遷，原先的民房、樓房逐漸拆除，臺站周圍重新為裸露土地代替，而新站周圍主要為草地、林地，下墊面性質明顯不同。資料統計顯示，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溫度的調節作用在新、舊站同期氣溫比較中較好體現。新站與觀測環境改善后舊站的年平均氣溫的一致性也表明探測環境保護對溫度探測十分重要。

2.2 探測環境變化對降水量的影響 根據舊站降水量資料統計，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，出現在1985年，最少480.9 mm，出現在1988年。1985～2014年舊站觀測場位置未變，四周觀測環境變化對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、舊站同期降水量對比(表2)顯示，新站4～10月累計降水量比舊站偏多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月降水性質上發生了變化，對流陣性降水增多，降水的局地性比較明顯；二是新站區域受馬山地形抬升影響更容易產生降水。

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 探測環境變化對風速的影響 根據舊站風速統計資料，2005～2014年平均風速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來看，舊站風速在城鎮化過程中呈減小趨勢。這與城鎮化過程中臺站周圍建筑物越來越多，導致下墊面的粗糙程度增大，阻礙空氣水平流動是密切相關的。其中1997～2003年風速增大，與臺站盛行風向兩側城鎮化速度快、高層建筑阻擋形成的狹管效應密切相關。1997～2003年風速也呈遞減趨勢，這主要是臺站四周城鎮化進程在跟進、狹管效應逐年降低引起的。至2004年，臺站四周城鎮化基本完成，年平均風速趨于穩定，并隨著城鎮規模的擴大緩降。

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

根據新、舊站同期探測資料統計，新站2014年年平均風速2.8 m/s，比舊站偏高0.8 m/s。由圖4可知，新站各月平均風速比舊站明顯偏大，偏大幅度為0.2～1.5 m/s。造成兩者風速差異的主要原因是由于新、舊站探測環境差異引起的，舊站外圍密集的建筑物對空氣水平流動產生較明顯的阻礙效應，從而減小風速；新站四周空曠，無明顯障礙物，觀測環境保持自然狀態，空氣流動通暢，能夠真實地反映出空氣的運動狀態。由此可見，城鎮化過程中臺站四周建筑物增加，增大了下墊面的粗糙程度，阻礙了空氣的水平流動，減小了風速。

圖4 2014年新、舊站月平均風速對比Fig.4 Contrast of average wind speed in new，old stations in 2014

2.4 探測環境變化對風向的影響 由表3可知，1985～2002年即墨市主導風向為SW風，2003年后為SSW替代，主導風向的變化主要是氣候變化原因引起的。2008、2011、2014年年最多風向突變，突變的主要因素與舊城改造有關，分片改造過程中，整片拆除、拆矮建高，臺站四周建筑物布局的動態變化，擾動了空氣流動的方向。

只有觀測風速>0.5 m/s時，才統計風向相符率[相符率=(相符次數/有效總次數)×100%]，新站與舊站風向角度差<22.5°，即認為兩者相符[9]。統計新、舊站2014年同期2 min風向相符率和新、舊站各風向頻率對比(圖5)發現，新、舊站全年的風向符合率為53.8%，其中1～7月為55.4%～67.2%，8～12月為30.4%～49.4%，風向一致性差。新站年最多風向為SSW，與2003年以來即墨主導風向SSW一致，而舊站最多風向為ENE，與主導風向背離。風向差異受臺站周圍探測環境影響較大，新站四周空曠，無遮擋，風向代表性較好；而舊站外四周為建筑物包圍，部分區域處于拆舊、建新動態變化中，建筑物布局的變化對空氣水平流動方向產生擾動，對風向影響較大。

表3 1985～2014年舊站最多風向統計

圖5 新、舊站各風向頻率對比Fig.5 Contrast of wind direction frequency of new and old stations

3 結論

(1)城鎮化引起的臺站探測環境改變產生的城市熱島效應與氣溫變化有正相關影響，是即墨舊站1995～2004年氣溫顯著升高的直接原因。

(2)城鎮化引起的探測環境變化，密集的建筑物，增大了下墊面的粗糙程度，對空氣水平流動有明顯的阻礙作用，風速隨城市規模的擴大呈逐年減小趨勢。城鎮化過程中臺站四周建筑物布局的變化，擾動了空氣水平流動方向，對主導風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因素，但因城市發展臺站搬遷引起的探測環境改變是新、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目(2015qdqxd09)。作者簡介 宋丙欣(1977-)，男，山東即墨人，工程師，從事氣象服務工作。

2016-08-17

S 161

A

0517-6611(2016)28-0176-03