1986—2015年達日地區地面及高空500 hPa溫度變化分析

劉金青+許顯花+豆青芳+沈潔

摘要 利用達日地區近30年（1986—2015年）探空資料（7：00、19：00）和地面觀測資料，運用氣候統計診斷分析方法，對地面、高空500 hPa溫度進行分析。結果表明：①近30年來，地面和500 hPa氣溫在每個時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個時間段均有共變現象，為正相關，關系密切。在7：00，地面平均氣溫在四季均呈現上升趨勢，夏季增溫最顯著，春季增溫最小；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分析中，地面氣溫2月的增溫率最大，4月最小；500 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。地面氣溫在春季的增溫率最大，夏季最小；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月最小；500 hPa層的月平均氣溫增溫率在2月最大，6月最小。④在進一步細致分析地面氣溫與500 hPa氣溫相關性的基礎上，可利用地面氣溫場和500 hPa氣溫場互相進行插補。

關鍵詞 地面氣溫；500 hPa氣溫；相關性分析；青海達日；1986—2015年

中圖分類號 P423 文獻標識碼 A 文章編號 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峻的大環境下，國內外相繼開展并不斷重視對高空氣溫的研究[1-6]，青藏高原由于其復雜的地形和獨特的氣候特點而被稱為地球的“第三極”，對中國、亞洲甚至全球的大氣環流都有非常重要的影響[7]，陳 芳等[8]對青海7個探空站的探空資料進行綜合分析，認為500 hPa厚度與氣溫關系密切，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]在對青藏高原地面及其高空氣溫變化的初步分析中發現，地面與500 hPa氣溫年際變化相當一致。王榮英等[7]研究認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。

達日縣地處青藏高原腹地，是氣候變暖顯著的區域之一，地理位置特殊，擁有獨特的高原探測條件。臺站海拔接近4 000 m，而所探測的500 hPa等壓面也僅為海拔5 700 m左右。500 hPa在內地相當于對流層的中層，而在達日地區僅僅是對流層的下層。因此，500 hPa等壓面氣溫和地面氣溫的變化同時受到地面長波輻射的影響，但這種變化及影響在每個時次是不同的。目前，關于高空與地面氣溫變化趨勢是否一致以及二者之間關系的研究很少。本文利用達日地區1986—2015年探空資料（7：00、19：00）和地面觀測資料，運用氣候統計學方法，分時次對地面、500 hPa氣溫進行分析，并進一步探討它們之間的關系，以期對該地區地面、500 hPa氣溫變化特征有一個初步認識。

1 資料與方法

1.1 資料來源與處理

選取達日地區1986—2015年高空探測（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。在季節資料的分析中，按照氣候統計分四季的方法，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年觀測資料，冬季采用1985年12月至2015年11月的觀測記錄進行統計整理，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，大多氣象學者采用地面月平均（4次平均）數據，根據國家氣象信息中心2012年8月發布的氣候資料統計整編方法（地面），日平均值由4次定時值（北京時間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個月平均值平均求得。本文采用探空氣球施放時觀測的瞬間地面層氣溫資料，分時段進行整理分析。地面層氣溫是在探空氣球施放前后5 min內進行觀測的氣象要素之一。在時間上與500 hPa氣溫的獲取是同步的，從而更具可對比性。

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

地面氣溫日平均值是一天24 h內4次定時值的平均，是測站日平均氣溫的橫向觀測值。500 hPa的氣溫是測站垂直方向上的觀測值之一，其交點就是施放氣球時所觀測的地面層氣溫，這個觀測數值在時間上與500 hPa氣溫值是同步的。為更詳細地分析地面氣溫和500 hPa的氣溫變化及相關性，故從7：00、19：00 2個時段分別對地面氣溫和500 hPa氣溫進行分析研究。以下文中7：00、19：00氣溫是指7：00、19：00氣球施放時觀測的地面氣溫。

1.2 分析方法

通過使用氣候傾向趨勢分析[10]、累積距平、Pearson相關性分析等方法，對地面、500 hPa各時次逐年、逐季、逐月平均氣溫變化特征進行分析，并分析它們之間的相關關系。

2 結果與分析

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，隨著年份的增加，氣溫呈明顯遞增趨勢，與全國氣溫變暖的趨勢一致，年平均氣溫增溫率為0.35 ℃/10年，通過0.05顯著性水平檢驗，表明達日地區7：00年平均氣溫上升明顯，高于全國年平均氣溫傾向率0.22 ℃/10年[11]。與姜永見等[12]對江河源地區平均氣溫分析的結果大致相同，姜永見等分析認為該地區氣溫持續上升，氣溫變化傾向率為0.37 ℃/10年。近30年來，達日地區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），大致突變時間為2002年。

2.2 19：00地面氣溫變化分析

由圖3可見，19：00地面氣溫在近30年內隨著年份的增加呈明顯遞增趨勢，年平均氣溫增溫率為0.48 ℃/10年，大于7：00的氣溫傾向率，通過了0.001顯著性水平檢驗，表明19：00平均氣溫上升趨勢更為明顯。30年來，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），出現年份與7：00一致。大致突變時間出在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年內呈遞增趨勢，年平均氣溫增溫率為0.16 ℃/10年，氣溫上升趨勢不明顯。因500 hPa離地面較高，受下墊面影響比地面小，故變化趨勢不如地面明顯。30年來，500 hPa氣溫上升了0.48 ℃。1986—2015年，平均氣溫為-11.5 ℃，最低值出現在1997年，最高值出現在1999年。由累積距平（圖6）可知，1986—1997年以前，距平值以負值為主，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，大致突變時間出現在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年內呈遞增趨勢，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，氣溫上升趨勢不明顯。30年來，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，也出現在1997年；最高值則出現在1988年。由累積距平（圖8）可知，2005年以前，距平值以負值為主，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，大致突變時間在2005年左右。

2.5 地面氣溫與500 hPa氣溫的相關性分析

對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、高度、季節等因素的不同，氣溫隨高度的變化也有所不同。在達日地區，由于所探測的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受到地面長波輻射的影響，這種影響在每個時次（7：00、19：00）是不同的。

2.5.1 7：00。由圖9可知，除個別年份出現反相位變化趨勢外，地面與500 hPa氣溫變化曲線大致相似。30年來，兩者均呈現升高趨勢，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。

通過對7：00地面、500 hPa氣溫的分析，2個變量有共變現象，為正相關，關系密切。其Pearson相關系數為r=0.73（p<0.01），通過了顯著性為99%的檢驗，說明地面在氣溫逐漸升高的同時，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上升趨勢，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性差異，夏季增溫最顯著，增溫速率通過了0.01顯著性水平的檢驗；其次是冬季，春季增溫最小。地面氣溫四季的增溫幅度表現為夏季>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的相關性最好，Pearson相關系數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月的相關系數最小，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；月最高氣溫均出現在7月，最低氣溫則出現在1月。隨著一年中氣溫的變化，7：00地面和500 hPa的氣溫差值也有規律的變化，變化范圍0.9～9.2 ℃。這種現象主要是由輻射造成的，達日地區的冬季凌晨，近地面經常有輻射逆溫層存在。因此，常出現地面氣溫接近或低于高空500 hPa氣溫的現象，此時500 hPa層的氣溫不會隨地面氣溫的降低而降低，有時反會高于地面氣溫。但隨著太陽的升起，地面開始吸收來自太陽的短波輻射而增溫，并且自身以長波輻射的形式向外發射熱量，大氣吸收來自地面的長波輻射也逐漸增溫，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。

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了0.05的顯著性水平檢驗。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，且通過了0.05的顯著性水平檢驗；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，筆者分析認為，這與500 hPa層離下墊面較近、受地面輻射大有關。

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。對兩者進行相關性分析，2個變量有共變現象，為高度正相關，其Pearson相關系數為r=0.82（p<0.01），這一數值大于7：00地面與500 hPa的相關系數，通過了顯著性為99%的檢驗，表明19：00地面與500 hPa氣溫年際變化相當一致，即地面氣溫逐漸升高的同時，500 hPa氣溫也隨之升高。30年來，兩者均呈現增大趨勢，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（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，通過了0.01的顯著性水平的檢驗；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，秋季略小。而在19：00，冬季地面與500 hPa的相關性最好，其 Pearson相關系數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，與7：00的變化趨勢截然不同。近地面空氣因吸收來自地面的長波輻射而升溫，在日落前1.0～1.5 h，輻射支出由正值轉為負值，近地面空氣開始失去熱量而逐漸降溫，這個時間段也正好是臺站施放氣球的時間。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每月的相關性最好，遠高于7：00每月的相關性，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，遠大于同月份7：00的傾向率；5月、6月、11月、12月則相對較小，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月則較小；6月最小，為0.01 ℃/10年，幾乎沒變化。

3 結論與討論

（1）在進一步細致分析地面氣溫與500 hPa氣溫相關的基礎上，可利用地面氣溫場和500 hPa氣溫場互相進行插補。在實際業務應用中，當某一時次探空記錄出現500 hPa氣溫層缺測或氣溫因信號變性無法判別時，可利用地面氣溫進行插補判別；亦可以利用500 hPa氣溫場對瞬間氣溫值進行訂正判別。

（2）近30年來，地面和500 hPa氣溫在每個時段的增溫率不同，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個時段均有共變現象，為正相關，關系密切，其Pearson相關系數都通過了顯著性為99%的檢驗。在冬季，因7：00段近地面輻射逆溫層的存在，相關性稍差。地面四季平均氣溫均呈現上升趨勢，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的相關性最好。月平均氣溫線性趨勢分析中，地面氣溫2月的增溫率最大，4月最小；500 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，地面氣溫在春季的增溫率最大，夏季則最小；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相同，2月的地面增溫率最大，6月最小；500 hPa的增溫率在2月最大，6月最小。

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