我國西北干燥區地面氣象站觀測環境代表性思考

任國玉，任玉玉，張穎嫻，張太西，張思齊，薛曉穎，葉殿秀，頡衛華，，吳秀蘭，曹 華，農麗娟

（1.國家氣候中心，氣候研究開放實驗室，北京 100081；2.中國地質大學環境學院大氣科學系，湖北 武漢 430074；3.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；4.酒泉市氣象局，甘肅 酒泉 736299）

全球和區域氣候變化監測及研究要求高質量的氣候觀測網絡和歷史、實時觀測數據。但是，目前的中國和全球氣候觀測系統，以及建立在這些系統基礎上的歷史和實時數據，還存在諸多問題[1]。這些問題主要包括觀測站網的空間覆蓋度不足，大部分地區早期觀測數據缺乏，多數現有站點對區域氣候和大尺度氣候變化的代表性欠缺，以及頻繁遷站和更換儀器等引起的歷史數據非均一性等[2]。上述問題是造成地面氣候變化監測與研究結論不確定性的主要原因。

就站點歷史觀測數據對大尺度氣候變化特征描述的代表性而言，目前人們十分關注地面氣溫序列中的城市化影響偏差。采用客觀方法確定參考站網的研究證實，在中國大陸各類國家級臺站過去幾十年的地面氣溫資料序列中，存在明顯的城市化影響正偏差，即包含著顯著的局地人為變暖偏差[3-6]。但是，在先前的研究中也發現，在我國西北干燥區城市化對國家站和城市站地面氣溫序列影響偏差存在明顯的特殊性，即：城市化過程不僅沒有造成城市臺站地面氣溫上升，反而引起年和暖季平均氣溫下降，與國內其他地區絕大部分臺站截然不同[3，7]。這一現象在河西走廊和北疆地區尤為明顯。在上述文獻中，對這一特殊現象做過初步討論，但對其具體原因，還缺乏第一手資料和深入分析。

針對研究中發現的這一異常現象，以及其他相關研究中揭示出的地面觀測站代表性及資料序列質量和非均一性問題，2021 年6 月26 日—7 月4 日，對河西走廊和北疆地區部分氣象站進行了實地考察，包括在早期研究中發現地面氣溫序列中城市化影響出現負值的臺站，調查評價了臺站沿革、觀測場周圍環境變化以及自動與人工觀測數據的一致性等問題。此次考察調研共走訪9 個站，包括5 個國家基準氣候站，3 個國家基本氣象站，1 個國家一般氣象站。

本次考察調研增進了對我國西北干燥區部分基層觀測站局地環境、觀測環境時間演化過程以及自動觀測與人工值守觀測差異的了解，初步解答了過去在氣候變化研究中遇到的若干疑惑，提出了對我國新一代地面觀測系統及氣候變化監測、研究中存在問題的進一步思考。

1 臺站觀測環境及其變化

此次調研重點在于了解當前和過去觀測場周圍環境情況，以及過去站址周邊環境隨時間演化情況，為理解不同級別國家站周圍多個空間尺度上環境演化及其對觀測記錄影響提供第一手資料。

1.1 國家基準氣候站

1.1.1 酒泉站

1934 年建站，但早期觀測記錄缺失或不連續，需進一步發掘和數字化。1957 年7 月1 日至今，觀測場坐落于酒泉市果園鄉小壩溝村（鄉村）。該站位于甘肅河西走廊酒泉市郊區，遠離市中心，周邊多為農田，臨近的道路交通流量不大，觀測環境總體較好（圖1）。觀測場北側約80 m 為辦公室，1982 年建成，為1 層建筑。辦公用房位于冬季盛行風上風向，且距觀測場較近，根據對其他地區觀測場附近微環境影響的對比分析[8]，判斷其對地面氣溫等要素觀測可能具有一定影響，需要今后進一步評估。觀測場外周邊的裸地，已灌溉種植植物。

2003 年1 月1 日起自動氣象站投入業務運行。2003 年9 月沙塵暴觀測場建成投入使用。2014 年采用自動儀器代替人工觀測能見度，記錄到2014 年至今沙塵暴次數明顯減少；基層觀測人員反映，記錄的沙塵暴頻次減少，可能同儀器自動判別方法存在局限性有關。

1.1.2 敦煌站

1951 年建站于縣政府東花廳，1954 年1 月1 日遷至敦煌市東城門外山危鄉西河槽子鄉村。敦煌自1937 年4 月28 日有地面氣象觀測，但早期資料缺失，需發掘和數字化。該站1987 年前為國家基本站，后升級為國家基準氣候站。

目前，敦煌站西北側100 m 左右為氣象辦公樓，2015 年建成；西北方向更遠處可見7～8 層居民樓，在2010 年前后建成；南邊正在建設新的高層建筑。和酒泉站一樣，觀測場內保持與區域自然荒漠植被景觀一致，但觀測場周圍種植大面積喬木和草本植物，顯示出綠洲特征。2021 年觀測場外植被覆蓋面積仍有增加。

2001 年建成自動氣象站，2003 年1 月1 日自動站投入業務運行，承擔二級輻射、酸雨和沙塵暴觀測任務。以前臺站所在地為戈壁灘，由于城市發展，目前觀測場周圍建有居民區，但100 m 內仍較為空曠。2014 年采用自動儀器代替人工觀測能見度，沙塵暴日數自2014 年明顯偏少，霧霾日數增多，可能也同儀器測量自動判別標準有關。

1.1.3 烏蘭烏蘇站

烏蘭烏蘇站1953 年建成運行，位于天山北麓干燥區農業綠洲內，承擔多項農業氣象觀測，觀測場內保持自然荒漠景觀條件，周邊均為各類農業試驗田。觀測場周圍無高大建筑，對綠洲氣候觀測來說環境總體良好。

1.1.4 烏蘇站

1953 年建站。1996 年至今位于烏蘇市友好路，屬于市中心地帶，周邊為軍隊駐地，北側100 m 建有多棟5 層和1 層（平房）建筑，多為20 世紀90 年代建成；東南側100 m 外有軍隊訓練設施，東側100 m 外有部分1 層建筑；在觀測場附近的西北方向，2009 年前為戈壁荒漠自然景觀，如今已建為公園 ；2016 年烏蘇站對觀測場進行改造，增加了綠植（圖2）。烏蘇市于2009 年設立開發區，城市綠化提速，植被覆蓋面積增大。

圖2 烏蘇國家基準氣候站周邊環境（N 為北向，NE 為東北向，E 為東向，SE 為東南向，S 為南向，SW 為西南向，W 為西向，NW 為西北向）

1.1.5 阿勒泰站

建站于1954 年，觀測場位于承化阿魏灘；1975年11 月1 日遷至阿勒泰市“阿魏灘、機場”（距原址600 m）。1990 年前后，在觀測場北側100 m 左右建成2 層辦公建筑。該站處于機場管制區，周邊開發受限，始終保持相對良好的觀測環境（圖3）。2003 年9月開始運行自動氣象站觀測。

圖3 阿勒泰國家基準氣候站周邊環境（N 為北向，NE 為東北向，E 為東向，SE 為東南向，S 為南向，SW 為西南向，W 為西向，NW 為西北向）

阿勒泰氣象站遠離市中心，觀測環境的代表性較好，建站以來其觀測環境沒有太大改變，遷站只有1 次，且遷站距離短（<1 km），根據其他臺站氣溫資料均一性研究經驗，初步判斷其對氣溫等敏感要素觀測記錄連續性影響不大。但是，數百米外生長有小片自然（間歇性河流河床）喬木林，與本底環境條件下的半荒漠植被不同。

1.2 其他國家級氣象站

1.2.1 烏魯木齊站

國家基本氣象站。1960 年11 月1 日由烏魯木齊市老滿城地段遷至西郊小地窩堡民航機場；1976年1 月1 日由小地窩堡民航機場遷至烏魯木齊市幸福路27 號 ；2000 年1 月1 日遷到建國路97 號。

該站目前位于烏魯木齊市區一低矮的臺地上，周邊建筑較多（圖4），計劃近期再次搬遷。觀測場內近自然半荒漠植被，但觀測場周圍綠化和建筑面積大。

圖4 烏魯木齊國家基本氣象站周邊環境（N 為北向，NE 為東北向，E 為東向，SE 為東南向，S 為南向，SW 為西南向，W 為西向，NW 為西北向）

2003 年1 月1 日自動氣象站正式投入業務試運行 ；2003 年1 月增加沙塵暴B 類站預警觀測 ；2005 年7 月新增土壤濕度自動監測設備。

1.2.2 福海站

國家基本氣象站。1957 年建站于福海縣城“東北郊外”；1978 年1 月1 日遷至縣城“東郊”；1994 年10 月1 日從“東郊”遷到人民東路325 號 ；2016 年遷至縣城“西郊”。2016 年遷址后，人民東路老站改為三要素自動站，并根據道路施工需要向北推進了30 m，2020 年底該自動站周邊開始有加油站等基礎設施，西側在1990 年左右建成4～5 層建筑，2010 年后周邊開始大規模建設，已建成體育場、市民活動中心等設施。“西郊”新站址周邊環境與阿勒泰站相近，觀測場內保持地帶性半荒漠狀態，但外側有較濃密植被。

福海站在2010 年前曾被選為參考氣溫站[9]，用于評估附近其他臺站城市化對地面氣溫變化趨勢估算的影響。當時周邊2 km 范圍內建成區面積比例尚小，但后來觀測環境逐漸惡化，最后一次遷站前的觀測點附近，本身已受到較明顯城鎮化影響[10]。

1.2.3 富蘊站

國家基本氣象站。1955 年建站于可可托海三道橋；1961 年1 月1 日遷至縣城二次河新城“西郊外”；1979 年1 月1 日遷至縣城“西郊”，遷站原因是舊站址靠近河道，受洪澇影響較大；1985 年再度遷至富蘊縣西大街市區，2011 年起在觀測場周邊建成多棟7 層建筑（圖5a） ；2017 年1 月1 日遷至額爾齊斯鎮錦繡路22 號（圖5b）。可可托海三道橋和二次河新城西郊外2 個位置，目前已無觀測設施，縣城西大街市區目前保留自動站觀測。

圖5 富蘊縣氣象觀測場2017 年遷站前周邊環境（a，西大街市區，東北向）和富蘊縣國家基本氣象站2017 年遷站后（當前）周邊環境（b，額爾齊斯鎮錦繡路22 號）（N 為北向，NE 為東北向，E 為東向，SE 為東南向，S 為南向，SW 為西南向，W 為西向，NW 為西北向）

2003 年9 月開始安裝自動觀測儀器 ；2004 年1月1 日自動站正式運行。目前站址位于郊區，周邊環境較為空曠，無高大建筑群和耕地，受附近人為活動影響弱。站址三面環山，視野開闊，不論是觀測場內部，還是外部可視范圍內，植被和地表覆蓋大體一致，較好地代表了半荒漠和荒漠山麓自然景觀。

1.2.4 石河子站

國家一般氣象站。始建于1952 年，1954 年遷至石河子農業研究院院內。目前觀測場周圍為農業耕地和教學居民區。1990 年前后在石河子氣象站和烏蘭烏蘇氣象站之間建有發電廠，是否對地面觀測帶來一定影響，需要今后加以評估。

石河子站周邊為農業試驗田，但試驗田為狹長形狀，站址位于試驗田偏北段落。觀測場三面均有建筑，西側大約60 m 處為氣象辦公樓，東側不足100 m為家屬樓和部分低矮建筑，在東北和西側各有一高大煙囪（圖6）。與烏魯木齊等站一樣，場內保持自然半荒漠景觀，但場外植物覆蓋茂密，為另一個典型的綠洲內城鎮測站。

圖6 石河子國家一般氣象站周邊環境（N 為北向，NE 為東北向，E 為東向，SE 為東南向，S 為南向，SW 為西南向，W 為西向，NW 為西北向）

2 問題與思考

2.1 觀測環境變化總體特征

針對各站的調研結果，受所在地區城市化和綠洲發展的影響，大部分氣象站點周圍中尺度到區域尺度觀測環境發生了很大變化，部分氣象觀測場周圍微觀（微、小尺度）環境改變也已明顯影響到地面觀測的代表性（圖7）。這是西北干燥區國家級氣象臺站觀測環境面臨的共性問題。為減少周邊城市建筑物的影響，一些站點由城區遷至當時的“郊區”，盡管一般仍在綠洲區域，但遷站還是可以造成氣溫等觀測資料序列中的非均一性。2003 年前后人工站改自動站，也帶來了多個氣候要素和天氣現象觀測序列的非均一性。同時發現，幾乎所有臺站均缺少對微、小、中尺度觀測環境變化的記錄，例如，觀測場周邊大范圍植樹種草、綠洲和灌溉面積擴大、城鎮發展等改變局地到區域尺度下墊面性質的人類活動過程，站史沿革基本沒有記錄，但是這些土地利用和土地覆蓋變化可能會深刻影響局地氣溫、相對濕度、風速、甚至降水等要素漸變過程。

圖7 北疆區土地利用現狀及2021 年7 月調研氣象站分布

本次調研的9 個站，以及北疆沒有調研的其他臺站，幾乎都位于山麓或山前綠洲內，大部分位于綠洲中的城市里或附近。在準噶爾盆地內部，南疆的塔里木盆地內部，以及新疆中部的天山山區，觀測站極為稀少，對大范圍地帶性的荒漠、半荒漠和非地帶性的山地區域氣候觀測的代表性，顯然不足。

2.2 臺站觀測環境變化的可能影響

在先前的工作中，發現城市化對區域性地面氣溫變化趨勢的影響，一般是造成明顯的正偏差，即城市化致使臺站觀測的地面氣溫逐漸上升，導致區域平均地面氣溫變化趨勢估算出現了正的偏差；全國平均來看，20 世紀50 年代以來，在國家基準氣候站和基本氣象站網觀測數據中，此正偏差高于28%[3，11]。但是，研究也發現，河西走廊和北疆等西北地區若干臺站，出現了相反的計算結果，即城市化致使部分國家站地面氣溫出現下降趨勢，夏季負偏差更為明顯[3，6-7]。對于西北干燥區這種負的城市化影響偏差，推測可能與臺站附近城市化伴隨著綠洲化的影響有關。

大部分西北干燥區的城市臺站，都經歷著逐漸的城市化過程。這種趨勢和全球陸地干燥、半干燥區所經歷的快速城市化過程是一致的[12]。在城市發展中，城區及其觀測場周圍植被覆蓋呈增加趨勢。這種情況在河西走廊和北疆各站觀測場周邊表現明顯。部分觀測場外圍人為轉化為綠地、農田或公園，夏季需要灌溉，有的甚至采用噴灌方式澆水。人工植被和灌溉打破了觀測場周圍的本底植被和環境特征，形成局地綠洲環境。植被和土壤水含量變化改變了地表反照率和輻射平衡，同時由于植被蒸騰和土壤蒸發作用加強，又改變了地表的感熱、潛熱交換及其能量平衡，造成觀測場附近生長季平均地面氣溫（相對濕度）相對城市和綠洲外的戈壁荒漠區域明顯偏低（偏高）。

衛星遙感反演獲得的土地利用和土地覆蓋資料表明，包括新疆在內的西北綠洲面積呈現逐漸增加趨勢[13]，北疆綠洲面積擴張和城市發展尤為明顯；甘肅河西走廊地區綠洲面積植被指數同樣呈現出增加趨勢[14]。假設觀測站址位置相對穩定，或者雖經歷搬遷，但仍處于城市內或城市附近綠洲內[15-16]，干燥區的城市化就意味著城區和郊區的綠洲化，臺站周圍中小尺度區域地表反照率下降、地面凈輻射增加、潛熱通量增加、感熱通量下降，以及由此引起的生長季（春、夏、秋）觀測場附近地面氣溫下降和相對濕度上升，是不可避免的。

在這種情況下，盡管觀測場內部極小范圍地面保持當地本底植被環境條件，但其對地面氣溫等敏感要素的影響，相對來說是微弱的，觀測場外部中小尺度甚至區域尺度環境變化的影響當更大。這些問題，需要今后開展專門定量觀測研究。

城市和綠洲的擴張，不僅影響觀測站及其附近的地面氣溫及其長期變化趨勢，還通過改變近地面能量、水分和物質通量影響蒸發、大氣水汽和降水等陸面水文氣候過程，引起局地到區域尺度近地面氣候的深刻變化[17]。盛夏季節，克拉瑪依等城市綠洲內，清晨和傍晚經常可以觀察到積云，但沿塔克拉瑪干沙漠或準噶爾盆地戈壁荒漠公路，極少觀察到積云。干燥區城市和綠洲內云量增多，應該與本地蒸散發加強、大氣水汽含量增多以及凝結高度下降等因素有關。大量基于觀測數據的研究表明，西北干燥區過去幾十年降水量出現明顯增加，并與同期地面氣溫上升趨勢一起，構成西北干燥區氣候“暖濕化”現象[18-19]。由于絕大多數氣象觀測站位于城鎮和綠洲，這一“暖濕化”現象是否為觀測站網布設局限性所造成的區域尺度氣候變化特征的人為誤判（假象），也是值得進一步探討的重要問題[20]。

因此，就觀測數據對西北干燥區地面氣候及氣候變化監測、研究的影響來說，至少可以考慮以下幾個尺度：觀測場內的點位，觀測場周邊幾百米范圍的微尺度，氣象站周圍幾百米到幾公里范圍的小尺度，氣象站周圍幾公里到幾十公里范圍的中尺度，以及氣象站周邊幾十到幾百公里范圍的區域尺度。當前的國家級氣象觀測站，大部分位于城市和綠洲區域。這些臺站能夠綜合反映從觀測場點位到中尺度范圍的地面氣候及其氣候變化狀況，即對于中尺度及其以下尺度氣候和氣候變化具有代表性，或者對于綠洲內城鎮區域的氣候、氣候變化監測具有較好能力。綠洲邊緣的城鎮臺站，也能夠部分反映荒漠或半荒漠的氣候特點和氣候變化趨勢。但是，由于受到更小空間尺度人類活動驅動因素即城市化和綠洲化的影響，當前西北干燥區的國家級站網，除少數觀測站外，對于捕捉區域及其以上尺度的地帶性、背景氣候和氣候變化信號，其能力顯然是捉襟見肘的。

3 結論與建議

我國西北干燥區地面觀測，對于城市和綠洲區域氣候及其變化，具有較高的代表性，但對地帶性荒漠和半荒漠氣候及氣候變化，代表性顯然不夠。早先研究中發現的城鎮站地面氣溫序列異常即負向城市化影響，與觀測場周圍局地到區域尺度綠洲擴大有密切關系，既和東部季風區廣泛存在的城市化增暖偏差不同，又不能反映城市和綠洲以外大尺度地帶性氣溫變化特點。

因此，西北干燥區目前還缺少能夠真正代表荒漠、半荒漠氣候景觀的國家級觀測站網。這個問題，值得氣象系統有關部門關注。造成這種局面的主要原因，是過去人工值守觀測需要一定的條件，例如交通、電力和觀測員家庭生活等。現在，隨著自動觀測站的推廣、普及，過去面臨的這些困難，已經不難解決。

今后，在西北干燥區設置氣象觀測站，特別是在新建和改建國家氣候基準站和國家氣候觀象臺之前，站點的布局和觀測場內外地表覆蓋規劃，要充分考慮歷史遺留問題，十分重視多種典型下墊面特征的代表性。

那么，西北干燥區的基準氣候觀測站址和場地，到底應該如何選擇和規劃設計？

一個值得考慮的辦法是，區分開不同的氣候環境類型，分別選擇代表性觀測點，觀測場內外種植代表本類型氣候環境的植被。目前，荒漠、半荒漠占據大部分西北干燥區面積，但觀測站點極為稀少，應該布設更多觀測站；這類臺站，周圍是荒漠和半荒漠，觀測場內外也要保持荒漠、半荒漠植被景觀。在不斷擴展的綠洲和城市區域，目前已經設立了一定數量臺站，為了監測和研究與人類活動關系更密切的這部分區域氣候、氣候變化，未來應進一步增加觀測站網密度；這些臺站觀測場附近及其場內植被，要和區域平均地表覆蓋保持一致，場內不應再強調繼續維持荒漠或半荒漠植被景觀。

干燥區的綠洲和城市，是強烈人類活動影響區域，要充分考慮城市和綠洲的發展演化問題。城鎮站，在觀測環境發生重大變化后，不得不遷址時，要考慮在原站址保留三、四要素自動站，既為關鍵氣候要素（特別是氣溫、降水、風和相對濕度）資料均一化提供平行觀測序列，也可延續對城市或綠洲氣候環境的長期、連續監測。

區域背景站，要能夠代表中尺度到區域尺度氣候、地表景觀特征及其變化特點，需要在城市和綠洲以外更為廣袤的荒漠、半荒漠和山地區域布設足夠觀測站。目前，這些地區站點十分稀少，需要成倍增加基本氣候變量和特殊天氣現象觀測設施，站點密度達到與目前綠洲和城市區域大體相當水平，才能真正代表西北干燥區地帶性、非地帶性區域自然氣候條件和氣候變化特點。天山等山地區域氣候垂向變化大，應按照垂直氣候與植被分布狀況，布設一定數量觀測站。

國家氣候觀象臺建設正在部分地區實施。西北干燥區面積廣大，氣候類型復雜，不同空間尺度氣候變化明顯，國家氣候觀象臺選址和建設亦應提上議事日程。

西北干燥區國家氣候觀象臺選址，也要代表各類主要氣候類型，包括地帶性氣候類型和山地垂直氣候類型，以及自然氣候環境和人為氣候環境。典型的自然地帶性荒漠和半荒漠氣候主要分布在塔里木盆地、準噶爾盆地、河西走廊和阿拉善地區，應該設立兩個以上氣候觀象臺，監測地帶性氣候區自然背景氣候狀態和氣候變化過程。典型的自然非地帶性或垂直氣候類型主要分布在天山、阿爾泰山、昆侖山和祁連山等山脈地區，應至少設立1 個國家氣候觀象臺，重點觀測復雜山地環境氣候非地帶分異和氣候變化規律。西北干燥區的綠洲主要分布在上述各大山脈的山麓地帶，尤以天山南北麓、昆侖山北麓和河西走廊為集中分布區域。綠洲可分為兩類，一是農業綠洲區，二是城鎮綠洲區，可分別選定代表性地點建設國家氣候觀象臺，服務于荒漠、半荒漠環境下人類活動對局地和區域尺度氣候強烈影響等科學問題研究。