福海水文站氣象要素對比分析

王 強

（阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰836500）

1 測站概況

福海水文站位于烏倫古河流域，于1956年建站投運，作為流域基本代表站，福海水文站氣象觀測要素主要包括氣溫、降水、水面蒸發等，所使用的觀測儀器及觀測技術要求與氣象部門完全一致。福海水文站原氣象觀測場（以下稱“舊測站”）位于烏倫古河流域下游克孜賽水庫管理區內，高程1064.5 m；福海水文站于2017年9月在烏倫古河流域上游出山口新站址附近新建起氣象測站（以下稱“新測站”），海拔高程1121.8 m，新舊測站直線距離7.8 km，海拔高差57.3 km，新測站建成觀測的同時舊測站仍持續運行。選擇福海水文站新舊測站2018年1月、4月、7月的氣溫、降水、蒸發等同期氣象資料進行對比分析的依據。

2 氣溫的對比分析

2.1 氣溫觀測資料

福海水文站新舊測站2018年1月、4月、7月氣溫觀測結果見表1，所選擇的觀測月份分別是冬季、春季和夏季的代表月份。

表1 福海水文站新舊測站氣溫觀測結果 單位：℃

根據觀測結果，1月、4月、7月舊測站平均氣溫觀測結果均比新測站高出0.2℃～0.9℃，其中，1月和4月平均氣溫舊測站偏高1.0℃，7月平均氣溫舊測站偏高0.8℃，表明新舊測站氣溫觀測值存在明顯的正溫差。從城市熱島效應［1］的角度考慮，可以認為，冬季和春季城市熱島效應最為明顯，夏季次之。福海水文站新舊測站距離較近，地形地貌大致相同，通過分析發現，導致兩測站氣溫差異的原因主要包括：①不同地區地表面熱力性質不同，靠近城市的區域吸熱多、散失慢，而靠近郊區的測站吸熱少、散失快；②靠近城市的區域人為排放的熱量更多；③城市大氣污染嚴重，氣溶膠顆粒較多，可以在一定程度上發揮“保溫”作用。

1月、4月、7月舊測站月極端最高和最低氣溫比新測站平均偏高0.5℃和2.6℃，根據各月氣溫極端值的較差發現，若1月、4月、7月新舊測站月極端最高氣溫基本持平，則舊測站月極端最低氣溫高于新測站，這表明新測站氣溫的日較差大于舊測站并非特殊現象。

2.2 氣溫日變化趨勢

根據對2018年1月、4月、7月內24h月平均氣溫變化曲線的分析表明，新舊測站氣溫差一般出現在20：00～次日7：00的無日照夜間時段，夜間大氣層比白天穩定，風速小，所以大氣污染物大多覆蓋于城市上空，對城區熱量擴散有一定的阻礙和保溫作用，導致新舊測站溫差增大。而日間大氣層穩定性差，風速也比夜間大，熱量會迅速擴散，減小區域溫差。由于最低和最高氣溫通常出現在夜間和白天，所以1月、4月、7月最低氣溫差值最大，平均氣溫次之，最高氣溫差最小。

2.3 差異影響的顯著性

年月旬日平均氣溫、定時氣溫和氣溫最高最低值均接近正態分布，假設第1個樣本系從均值方差的總體中取值，第2個樣本系從均值y、方差σ22的總體中取值。則統計量為F=通過表達式可以看出，當統計量F取值很大或很小，均表明σ12和σ22存在差異，根據1月、4月、7月氣溫資料可以得出統計量F的結果和接受區間，見表2。

表2 統計量F的結果和接受區間

根據表2分析結果，統計量F的取值全部落在接受區間內，所以新舊測站氣溫值無顯著差異。

雖然福海水文站新舊氣象測站因城市熱島效應的存在而1月、4月、7月氣溫存在一定差異，但兩測站氣溫變化趨勢高度一致，見圖1。根據福海水文站新舊氣象測站1月日平均氣溫為例，進行其取值相關性的計算以及自變量和因變量之間是否存在直線關系的顯著性檢驗，如果有，則進一步進行直線回歸分析。

圖1 新舊測站1月、4月、7月氣溫變化趨勢

2.4 相關與回歸分析

根據福海水文站新舊氣象測站的樣本資料，以新測站資料為自變量，以舊測站修正后的資料為因變量，采用積差方法［2］可以得出各要素的相關系數和線性回歸方程（表2），并應進行相關系數的檢驗，此處以1月平均日氣溫為例，進行相關系數的t檢驗，公式如下：

其中r表示根據樣本資料所得出的相關系數，n表示樣本個數，將表3中的各要素相關系數取值帶入式（1）便可得出，t值為23.5687。在給定信度α取0.05，自由度為n-2的情況下，查t分布數值表得tα為2.054，可見t＞tα，表明自變量和因變量之間存在線性關系。采用同樣方法對4月和7月月平均氣溫、極端氣溫等進行t檢驗，結果表明，自變量和因變量之間均存在線性關系。

表3 各要素的相關系數和線性回歸方程

通過福海水文站新舊測站各要素的相關系數和線性回歸方程的分析表明，兩測站之間日氣溫的相關系數取值反應出兩地氣溫變化趨勢的一致性，且呈正相關關系，并能通過α=0.05的顯著性檢驗。通過比較1月、4月、7月日氣溫相關系數的取值發現，各月日最高氣溫相關性最大，日平均氣溫次之，日最低氣溫相關性最小。由于舊測站存在較為明顯的熱島效應，舊測站氣溫資料失真的可能性較大，遷站前后的資料已不能合并統計，在舊測站氣溫資料使用前必須進行訂正。

3 降水和蒸發的對比分析

根據表4和表5中對新舊測站降水量和蒸發量同期特征值的統計可以看出，位于流域上游的新測站的降水量在大多數月份都比下游的舊測站降水量大，這也符合隨高程升高降水量增大的變動趨勢。

表4 新舊測站降水與蒸發同期月平均統計

表5 新舊測站降水與蒸發同期特征值統計

3.1 降水對比分析

采用積差方法以新測站資料為自變量，以舊測站修正后的資料為因變量，并與各自平均值的離差為基礎，通過兩個離差相乘來計算兩變量之間的相關系數。得出新舊測站日降水量相關系數r為0.9178，線性回歸方程為：y=0.7398+1.1327x。新舊測站月降水量相關系數r為0.7956，線性回歸方程為：y=11.118+0.9169x。

3.2 蒸發對比分析

由表4和表5對新舊測站蒸發同期月平均值的統計與比較可知，大多數月份都未出現水面蒸發量隨高程升高而降低的變動趨勢，究其原因主要在于地形因素的影響，福海水文站新氣象測站位于流域上游出山口，地形地勢較為特殊，風速較大，同時在氣溫、濕度、輻射等諸多氣象要素的影響下導致蒸發量較高。采用積差方法所得到的新舊測站日蒸發量的相關系數取值為0.8986，線性回歸方程為y=1.0213+1.0943x；新舊測站月蒸發量相關系數為0.8688，線性回歸方程為y=32.937+1.1367x。

在新舊測站所觀測到的氣溫、降水和蒸發等氣象要素中，僅有氣溫日變化趨勢和年變化趨勢趨于一致，降水和蒸發的日變化趨勢和年變化趨勢存在一定差異，究其原因主要在于測站所處位置的地形地貌特征影響：舊測站主要位于流域下游克孜賽水庫管理區，地形地勢平臺，風力風速變化不大，所以降水和蒸發較為穩定且無較大起伏；而上游的新測站位于流域上游出山口，地形地勢復雜而特殊，風速大，在氣溫、濕度、輻射等諸多氣象要素較為多變的情況下導致降雨量和蒸發量均較高，其氣象要素的變化并不完全遵循常規性演變規律。

4 結論

本文通過對福海水文站新舊氣象測站氣溫、降水和蒸發等同期觀測資料的對比分析表明，兩測站氣溫變化趨勢高度一致，且舊測站存在較為明顯的熱島效應，舊測站氣溫資料失真的可能性較大，遷站前后的資料已不能合并統計，在舊測站氣溫資料使用前必須進行訂正。此外，地區氣象要素、地形地貌與地理位置對上游新測站和下游舊測站氣溫、降水和蒸發存在較大影響，在基本遵循隨區域自然地理條件差異而變化的一般規律的情況下，存在一定程度的反常。新舊測站各時期氣溫基本隨高程的升高而降低，且上游新測站大多月份平均氣溫比下游舊測站偏低，各月最大最小值出現日期相同；降水隨高程升高而逐漸增大，上游新測站大多數月份降水大于下游舊測站，且新舊測站個別時段降水量的增減變化不同步；蒸發量的變動并未遵循隨高程升高而減小的趨勢規律，且新測站多數月份蒸發量大于舊測站，出現這種反常現象主要原因在于區域地形、地勢地貌及其他氣象要素等的綜合作用。