極干旱區域臺站遷徙前后資料的差異分析
---以東疆托克遜站為例

秦 榕,王秋香*,井立紅,楊 霰,任 泉,劉衛平,張 靜

(1.新疆氣象信息中心,新疆 烏魯木齊 830002;2.塔城氣象局,新疆 塔城 834700;3.烏魯木齊市氣象局,新疆 烏魯木齊 830002)

極干旱區域臺站遷徙前后資料的差異分析
---以東疆托克遜站為例

秦 榕1,王秋香1*,井立紅2,楊 霰3,任 泉3,劉衛平1,張 靜1

(1.新疆氣象信息中心,新疆 烏魯木齊 830002;2.塔城氣象局,新疆 塔城 834700;3.烏魯木齊市氣象局,新疆 烏魯木齊 830002)

采用新疆托克遜站和參考站(尉犁、東坎兩站)1974-2014年觀測資料,分析了城市化對托克遜站氣候資料的影響,結果表明:地處極干旱區域的托克遜站氣溫、相對濕度和平均風速與參考站一致性較差,其中,由于城市化發展造成托克遜縣的升溫率為0.44℃.(10 a)-1;均一性檢測發現,由于城市化的影響,平均氣溫、相對濕度、風速均產生了斷點.新站與舊站觀測資料對比分析發現,由于新舊站環境差異大,使得年相對濕度新站比舊站低4.0%;年平均風速新站偏大1.3 m.s-1,年風向相符率低只有49.01%,平均風速全年各月在顯著性水平0.05的條件下資料不連續.

臺站遷徙;差值分析;均一性檢驗

氣候資料是氣候變化分析研究及氣候預測的基礎[1-4],因其攜帶了區域氣候變化自身因素、大氣環境信息因素[5-12](包括城市化和土地利用)、臺站遷移、儀器變更、資料處理中所采用的方式變更等因素,而使單站氣候資料攜帶有非均一的信息[13-22].

從20世紀90年代開始至今,由于新疆經濟快速發展,使得眾多氣象觀測站從建站初期的荒漠、戈壁、郊外迅速被城市、高層建筑嚴密包裹,獲取的氣候資料已不具備代表性、準確性、比較性,且由于近地面層的氣象要素存在著空間分布的不均勻性和隨時間變化的脈動性,使得很多氣象觀測站因探測環境嚴重破壞而被迫進行遷移.近年來很多專家學者對因觀測場四周探測環境遭到嚴重破壞而搬遷的臺站氣候資料的非均一性做了大量的分析研究.但以往的研究多使用一年觀測數據做較單一的對比分析,缺少對搬遷站長序列氣候資料的具體分析研究.

一般而言,臺站遷徙時新舊站址下墊面差異不大,相差大的是測站四周重疊的高大建筑物、茂密的林帶及硬化的水泥路面.如果新舊站址地表狀況有差異,就會使氣候資料產生更大的差異,這種差異在氣候較為干旱的新疆地區更為明顯.

本文以位于新疆東疆片區的托克遜站為例,用長年代序列觀測資料分析城市化對該站氣象資料連續性的影響,并利用該站遷徙前后新舊站同期觀測資料,對比分析新舊站因下墊面及測站四周環境迥異而出現的氣象要素差異,以便利于資料使用者全面了解托克遜站的氣象資料,從而對資料的影響因素及該站氣候資料序列中包含的各種信息有清晰認識,更加真實地揭示氣候變化的規律.

1 測站基本情況及資料選取

1.1 測站基本情況

托克遜縣位于新疆維吾爾自治區中東部,天山南麓,吐魯番盆地西部,地處87°14′05″～89°11′08″E,41°21′14″～43°18′11″N.該縣三面山地環繞,西、北高東部低,地勢高低懸殊,屬典型大陸性暖溫帶荒漠氣候,光照充足、熱量豐富,素有quot;風庫quot;之稱,全年主導風向為西風,年平均風速8 m/s,且風速變化較平穩.

托克遜氣象站始建于1958年6月1日,位于88°38′E,42°48′N,觀測場海拔高度為1.0 m.建站之初,站址位于托克遜縣鎮西北3 km,當時臺站地處鄉村,四周空曠平坦,周邊主要種植棉花和花生等矮桿作物,氣象探測環境良好.20世紀80年代末,隨著城市化進程加快,城市改擴建范圍擴大,氣象站逐步處于城市中心區域.2009年后,觀測場西南面至西北20 m處坐落大量高層建筑群,氣象探測環境遭到嚴重破壞.新疆氣象局于2014年正式向中國氣象局申請遷移該站,并得到批復.新址位于88°36′03″E,42°46′01″N,海拔高度44 m(海拔高差43 m),新址與舊址間直線距離4.77 km.位于城市西南方,占地面積1 hm2,地形、地貌以及下墊面能夠代表托克遜縣所代表區域的天氣氣候特征;與舊址地處同一氣候區,屬平原地貌,地勢平坦;東面和南面均為荒地,西面和北面是農田,南面是戈壁灘;土壤類型為沙壤土,新舊址四周探測環境差異較大(圖1).

圖1 托克遜站舊站址與新站址

1.2 資料選取

為了更清晰地分析討論探測環境改變對托克遜氣象資料的影響,選取處于同一氣候區的尉犁、東坎2站作為參考站,其中尉犁與托克遜站的資料長度均達到了 55 a,尉犁站完整性較好;但東坎站1967-1973年缺少觀測數據,故將1974年作為初始年,2014年為終止年(共41 a).兩站與托克遜舊站直線距離均在260 km范圍內,同屬于暖溫帶極干旱區;資料選取時將參考站觀測資料求平均形成參考站資料序列,并將其與托克遜站平均溫度、相對濕度、風速和降水量等資料進行對比分析.本文所用資料由新疆氣象局信息中心提供,實況資料通過質量檢驗,未經過任何插補延長處理.

1.3 采用方法

分析城市化對氣象資料的影響,即分析托克遜站與參考站資料的區域一致性和均一性,將參考站序列與托克遜舊站資料形成差值序列(舊站資料-參考站序列),此序列濾去了氣候變化的影響,從而能反映環境變化對資料的影響;分析差值序列的7 a滑動平均值及差值規律[22],同時比較參考站與托克遜舊站資料的趨勢變化,并對各要素進行t檢驗[22-23],以實現對舊站資料的均一性分析.通過計算新舊站2014年1 a的差值平均值、差值標準差[20]、風向相符率(其中風向相符率計算方法為:當觀測風速大于0.2 m.s-1時,新址與舊址風向角度差lt;22.5°,即認為兩者相符;相符率=(相符次數/對比總次數)X 100%),進而對遷徙后新舊站因下墊面及四周環境不同對觀測資料帶來的影響進行分析;同時采用T檢驗方法對新舊站資料的連續性進行檢驗.

2 環境變化對托克遜站資料的影響分析

2.1 區域一致性分析

為保證同期資料的一致性,各參考站均截取1974-2014年觀測資料,將參考站觀測資料求平均,形成參考站序列,利用托克遜站1974-2014年的觀測序列與參考站序列差值進行對比分析.

托克遜站與參考站年平均氣溫差值及7 a滑動平均值,見圖2.由圖可以看出,托克遜站與參考站的年平均氣溫差值為正值,說明托克遜站的年平均氣溫高于參考站.差值從1974-1984年間有小幅波動,但變化范圍不大,在1.35～1.85℃之間,變化幅度僅0.5℃;1985-2005年變動較平穩;2005年開始,差值明顯增大(氣溫升高),在1.2～2.25℃之間,升幅達1.05℃,表明2005年之后,托克遜站與參考站的年平均氣溫序列變化完全不一致,托克遜站升溫幅度較大;從滑動平均變化看出,1974-1985年氣溫呈緩慢下降趨勢,80年代中期變化平緩,2005年后呈快速上升趨勢.托克遜舊站建站初期東、西、南、北均為荒漠戈壁,從21世紀開始,觀測站已處在城市中心區域,2006年開始到2014年測站四周逐步建成高大建筑群,使探測環境遭到嚴重破壞(圖2a),對所測氣象要素數據產生了明顯影響,城市化致使該氣象站溫度上升.依據以上分析結果,托克遜站與參考站氣溫差值在2005-2014年增長較快,城市熱島效應明顯,2005年后城市化所帶來的誤差可使氣溫平均升高1.05℃左右.

圖2c是托克遜站與參考站年平均相對濕度差值及7 a滑動平均值圖.由圖可見,托克遜站與參考站的年平均相對濕度差值從建站之初到2000年之前比較平穩,在平均值附近波動,增減趨勢不明顯;2000-2005年之間,呈小幅下降,2005年之后,下降速度加快,降幅達5%.對其原因進行分析,由于臺站四周環境惡化,距測場20 m處高層建筑及硬化的水泥路面,使得測站四周空氣變得干燥,另外,年平均相對濕度差值下降趨勢也分別對應年平均氣溫差值的上升趨勢,即城市化導致氣溫上升同時對相對濕度下降產生了較大影響.由此可見,托克遜舊站與參考站的年平均相對濕度一致性較差.

圖2 托克遜站四周障礙物遮蔽圖以及與參考站各要素年平均差值變化

圖2d是托克遜與參考站年平均風速差值及7 a滑動平均值圖.托克遜站與參考站年平均風速差值1990年前呈明顯下降趨勢,1990年以后變化平穩.由于托克遜站地處quot;吐善托盆地quot;邊緣,毗鄰三十里風區,其年平均風速較參考站偏大亦屬正常,然而差值線和滑動線表明隨著時間推移,托克遜站與參考站風速差值漸趨減小,原因在于托克遜站在20世紀60年代初就開始了植樹造林及防風治沙,到20世紀90年代初,差值才趨于一致,2005年之后儀器換型,尤其是從2009年開始,觀測場周圍高層建筑密集,對托克遜站的風速產生了一定的影響,從城市化進程來看,托克遜氣象站的上風方城市化發展速度快,也使托克遜站風速一直比空曠的郊外小,因而不能代表大范圍風速狀況.

對托克遜舊址與參考站降水量進行對比分析,結果表明城市化帶來的影響不明顯.

2.2 趨勢比較

由圖3a可知:托克遜站與參考站氣溫隨時間變化均呈上升趨勢,增溫速率分別為0.44℃/10 a、0.34℃/10 a,托克遜舊站增溫速率大于參考站.由圖3b可知,托克遜站相對濕度序列隨時間變化呈減小趨勢,以-0.68%/10 a的速率減小,參考站增加速率為0.20%/10 a,二者變化趨勢相反,表明托克遜舊站與參考站的相對濕度區域一致性越來越差.由圖3c可知,托克遜站與參考站風速隨時間變化均為減小趨勢,減小速率分別為-0.38(m.s-1)/10 a和-0.07(m.s-1)/10 a,托克遜站風速下降趨勢明顯大于參考站,表明舊站受城市化影響更加明顯,與參考站區域一致性較差.

2.3 資料序列均一性分析

氣象資料非均一性多由站址周圍環境改變、城市化、儀器特性、臺站易址、平均值計算變化所造成,特別是隨著城市化的加速,新觀測設備的采用,這一情況更為突出[24].對托克遜站自建站以來的平均氣溫、平均相對濕度和2 min平均風速進行均一性分析,因氣溫和濕度資料符合正態分布故采用差值序列進行檢驗,風速資料不符合正態分布故采用比值序列進行檢驗;應用t檢驗方法(顯著性水平0.05)對托克遜站平均氣溫、相對濕度、平均風速的年值序列值進行檢驗(圖3d、3e、3f),結果表明,平均氣溫有3個斷點,斷點最多,其次是相對濕度和風速各有2個斷點.由于托克遜站自建站以來無遷站,并且毗鄰三十里風區,隨著城市化進程的加劇,探測環境遭到嚴重破壞,被城市緊密包圍的氣象站觀測資料受到很大影響.從圖3d、3e、3f中看出,托克遜站的氣溫、濕度和風速的斷點主要發生在1966年、1984年和2005年,而這些不連續年的出現從以下事件中找到某種對應關系:1966年,防風治沙工程影響出現斷點,1984年城市化發展,2005-2012年測場周圍建成高層建筑群及高低錯落的林帶,且改為自動觀測,均對氣象觀測資料的均一性帶來了影響.

圖3 托克遜舊站與參考站各要素逐年變化和線性趨勢、t檢驗結果

3 托克遜站新址與舊址觀測資料對比分析

3.1 差值和標準差及風向相符率統計分析

用托克遜站2015年新址與舊址為期1 a的對比觀測值,采用差值及差值標準差對新舊址的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日平均相對濕度、日平均風等資料進行統計,結果表明(表1),新址年平均氣溫及最高、最低氣溫均為正值,表明新址略高于舊址,但差值很小,僅0.1℃;月差值在-0.6～1.1℃之間變化;季節變化規律明顯且符號不一致,其中夏季(7月)差值偏高1.1℃;最高和最低氣溫均偏高1.3℃,其它月份差值均在1.0℃以下;從符號變化看,暖季(5-10月,最高5-8月)新址高于舊址,偏高幅度在0.1～1.3℃(符號為正);冷季(11月-次年4月,最高9月-次年4月)新址低于舊址,偏低幅度在0.1～0.6℃(符號為負).

新址觀測場周圍多為戈壁砂石且空曠平坦,砂石熱容量小,分子運動速度快,升溫降溫也快,而舊址周圍高層建筑林立,下墊面植被覆蓋率高,熱容量比砂石大,白天升溫慢;由此說明暖季在戈壁或者土壤裸露的地帶,由于地面比有草和樹木覆蓋的城市加熱快而使近地面氣溫比城市高,冷季由于新疆城市普遍使用暖氣等加熱設備以及城市化效應,使舊址比位于城外的新址氣溫高.這種冷暖季節氣溫差值符號相反的現象是新疆干旱區臺站遷徙氣溫差異的典型特征.氣溫差值標準差表明,平均氣溫和最高氣溫月差值標準差較小,數據相對穩定;最低氣溫年值和部分月份差值標準差較大,數據不夠穩定.

降水量差值及差值標準差均較小,表明新址與舊址相差很小,數據比較穩定.

相對濕度各月及年差值一致地均為負值,新址小于舊址,這是由于新舊址直線距離為4.77 km,且新址場地及周圍多為戈壁砂石覆蓋,舊址場地四周植物覆蓋率高,由于植物的蒸騰作用使得空氣中的濕度比新址大,再者舊址南面距白楊河大約60 m的直線距離,也會使新址濕度小于舊址.另外,相對濕度1-5月差值稍小,在0.8%～2.4%之間,6-12月差值在3.9%～9.7%,這是因為溫暖干旱的東疆在6-12月植物和樹葉逐步茂盛、瓜果成熟,使空氣中水汽含量比其它季節多的緣故,也是干旱區遷站的特點之一.年及各月差值標準差均較大,這是由于相對濕度數值和差值均較大的緣故,但都在合理的范圍內.

風速差值平均值均為正值,表明新址風速大于舊址,年平均風速差值偏大1.3 m/s,1-3月差值在0.8～0.9 m/s,其它各月差值均偏大1.0 m/s以上,5月偏大1.9 m/s;差值標準差4月、12月略大,其它各月相對較小,說明數據穩定性尚可.新址與舊址年風向相符率僅有49.01%(表1),最大相符率出現在12月,為59%,最小相符率出現在7月僅37%,可見兩站風向一致性比較差,也表明風是受地理環境影響最為明顯的要素.

新舊址風速差值較大,是因為在城市中樹木及房屋的阻擋使得測站觀測風速比空曠的戈壁灘觀測風速要小.這也是典型的新疆干旱區臺站遷徙風速資料差異大的特點.風速差值標準差4月和12月相對較大,說明冬春季個別月份風速數據穩定性略差,而夏秋季風速數據較穩定.

3.2 顯著性檢驗

采用t檢驗方法對舊址近20 a觀測資料的平均值和新址1 a觀測資料的平均值進行顯著性檢驗,以顯著性水平達到0.05作為通過檢驗的標準,檢驗要素包括平均風速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均相對濕度的月值、年值,結果見表2.除年平均風速(未通過0.05的顯著性水平檢驗)外,其余均通過了顯著性水平檢驗;比較而言,除風速以外,其他要素的不連續變化均出現在5月、7月、9月和10月,原因在于夏季到初秋時節近地面湍流作用強大,大氣層結極不穩定的緣故.月風速數據有83.3%未通過檢驗,是由于舊址位于城市包圍中,且院墻外圍種植有棉花和花生,地表粗糙度較大阻礙了風速流動的緣故.總體來講,除了年月平均風速不能連續使用,以及4個要素資料個別月份資料不能連續使用外,其余年月平均相對濕度、降水和溫度均可連續使用.

表1 托克遜站新址與舊址各要素月(年)差值平均值和差值標準差σ表

表2 托克遜氣象站舊址與新址t檢驗

4 結論及討論

(1)對托克遜站觀測資料的差值、趨勢比較均表明,受氣象探測環境變化和觀測方式變更的影響,托克遜站舊址氣溫、濕度、風速區域一致性較差.t檢驗表明,舊站氣溫、風速、相對濕度均存在不連續點,其主要原因是觀測環境惡化和觀測方式改變所致.

(2)尤其需要指出的是對于極度干旱的東疆來說,暖季(5-10月)由于戈壁或者土壤裸露的地帶比有草和樹木覆蓋的城市加熱快而使近地面氣溫比城市高,而冷季(11月-次年4月)由于新疆城市普遍使用暖氣等加熱設備以及城市化效應,使舊址比位于城外的新址氣溫高.這種新舊站差值符號在冷暖季節不同的現象,是新疆干旱區臺站遷徙氣溫差異的典型特征.同樣,相對濕度各月及年差值一致地均為負值,新址小于舊址,尤其是在東疆6-12月植物和樹葉逐步茂盛、瓜果成熟期,空氣中水汽含量比其它季節多,使得6-12月相對濕度差值比其它月份大,也是干旱區遷站的典型特征之一.另外,由于城市中的舊址有樹木及其房屋的阻擋而新址位于空曠的戈壁灘的緣故,而使新址風速比舊址大很多(偏大1.3 m/s),這也是典型的新疆干旱區臺站遷徙風速資料差異大的特點.同理,由于極干旱區遷站也使兩站風向一致性很不理想,新址與舊址年風向相符率僅49%.顯著性檢驗結果表明,新址和舊址年平均風速和多數月份的月平均風速差異顯著,不能連續使用.其它幾個要素基本通過了顯著性檢驗,資料可以連續使用.

(3)托克遜站舊站與新站地處同一氣候區,能夠代表舊址的天氣氣候變化特征,可以對舊址歷史數據進行均一性檢驗和差補訂正,形成長序列連續資料,從而滿足科研和服務需求.

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Discrepancy Analysis on Meteorological Data before and after Station Migration in Extreme Drought Region:Taking Toksun Station in Eastern Xinjiang for Example

QIN Rong1,WANG Qiuxiang1*,JING Lihong2,YANG Xian3,REN Quan3,LIU Weiping1,ZHANG Jing1
(1.Xinjiang Meteorological Information Center,Urumqi 830002,China;2.Tacheng Meteorological Bureau,Tacheng 834700,China;3.Urumqi Meteorological Bureau,Urumqi 830002,China)

Based on the observation data of Toksun Station and reference stations (Yuli Station and Dongkan Station)during 1974-2014,the impact of urbanization on the climatic data of Toksun Station was analyzed,and it was found that Toksun Station in the extremely dry area showed a poor consistency with the reference stations in terms of temperature,relative humidity and average wind speed.The raised temperature in Toksun County was 0.44℃.(10 a)-1due to the urbanization.The homogeneity test found that the average temperature,relative humidity and wind speed all had a breakpoint due to the influence of urbanization.The comparison of observation data between the new station and the old one showed that the relative humidity at the new station was 4.0%lower than the old station due to the great environmental difference.Annual average wind speed was 1.3 m.s-1higher than the old one.The coincidence rate of wind direction was 49.01%.As for the average wind speed,the data was discontinuous at the significance level of 0.05.

station relocation;difference analysis;homogeneity test

P468

A

1002-0799(2017)05-0016-07

秦榕,王秋香,井立紅,等.極干旱區域臺站遷徙前后資料的差異分析[J].沙漠與綠洲氣象,2017,11(5):16-22.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.003

2017-04-07;

2017-05-05

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(IDM2016001)

秦榕(1961-),女,高級工程師,主要從事各類氣象數據分析和質量控制.E-mail:496287893@qq.com

王秋香(1961-),女,正研級高級工程師,主要從事氣候資料分析和災害研究.E-mail:448164607@qq.com