下垫面改变对陕西省气温的影响

魏 娜，李 高

(1.陕西省气候中心，陕西西安 710015;2.四川省绵阳市气象局，四川绵阳 621000)

地面气象观测数据不仅受到城市化的影响，同时气象观测站站址变动也给观测数据的均一性带来影响。为了能反映较为真实的气候变化事实，已有许多研究成果揭示下垫面改变对气候变化的贡献［1-4］，有的通过对比城市和周围郊区的观测资料来分析城市化对气温的影响［5］，有的以城市人口数量为等级和卫星资料来估算对气温变化的贡献［6］，有的以站址迁移来研究对气温变化的影响［7］，因此综合考虑下垫面的变化对估算气候变化是有着极其重要的意义。

近期Kalnay and Cai用NCEP/NCAR再分析资料和地面观测资料的差值估算了下垫面改变对气候变化的影响［8］，他们认为再分析资料(NNR)没有在同系统中使用地表观测数据，其地表气候场由上层大气信息结合陆面过程模式产生，故NNR地表气温对城市化和站址迁移等下垫面状况不敏感，因此，将地表观测气温减去NNR气温就能将局地近地气温变化信息从全球变暖中剥离出来。Zhou也用同样的方法估算了我国东南沿海地区城市化发展对气温的贡献。Zhang用NCEP再分析2研究了我国110°E以东的区域土地利用变化对地表气温的增暖作用［9］，杨续超也用此方法研究了土地利用/覆盖类型对地表气温的敏感性［10］。上述的研究区域主要集中在我国东部人口密集和经济发达的区域，而关于西部地区的研究较少。陕西省位于西北地区东部，地形地貌复杂多样，从1990年代开始，陕西部分站点进行了台站迁移，影响了观测气温的代表性和连续性，同时由于国家西部大开发政策的支持，陕西省无论是城市化发展的程度和范围，还是土地利用/覆盖类型都有了巨大的改变，站点观测气温的质量受到严重的影响。因此本项目采用Kalnay and Cai提出的“Observation minus Reanalysis”(即观测减去再分析)着重研究陕西省下垫面的改变对区域气温变化的贡献和影响。

1 资料和方法

本文采用的观测气温资料为陕西省气象局信息中心提供1961年至2012年月气温资料，该气温资料没有经过均一性检验和订正，保持了气温数据受下垫面改变而影响的真实性。采用的再分析资料由美国国家环境预报中心(NCEP)提供1961年至2012年地面2m的月平均气温资料，再分析资料高斯格点资料。

采用双线性插值法将NNR插到相对应的站点上，对二者的距平序列进行对比分析。

2 分析与讨论

近年来，不少地面气象观测台站进行了站址迁移，也有很多台站周围环境发生了较大改变，城市化影响较重。所以我们从台站迁移和城市化影响来分析下垫面环境的变化对观测气温的影响。

2.1 站点迁移对气温的影响

从20世纪70年代开始，有不少地面观测台站由于城市规划、周围环境破坏等原因进行了站址迁移，迁址前后的气温资料由于周围环境的变化，出现了明显的不连续性，不能够真实、连续的反映气温变化事实。图1(a)为千阳气象站1980～2012年观测气温和ncep气温距平序列，图中可以看出，二者均出现增温的趋势，但观测气温升温趋势明显大于ncep气温，其中1980年至1990年期间，观测气温和ncep资料有很高的一致性，在1991年地面观测气温突然增高，在1991年至2008年期间观测气温比ncep气温高出平均0.5℃左右，但二者变化幅度基本一致。从OMR(观测气温与ncep气温的差值)变化来看，1990年之前OMR变化幅度基本在±0.3℃左右，以负距平为主。在1991年之后发生突变，OMR值跳跃为正距平，最大幅度在1.0左右，在1991年至2000年期间变化幅度较大，一直为正距平。查看台站沿革记录，发现千阳站在1991年迁站，由城郊迁往市中心，是一个由相对偏‘冷’到相对偏‘暖’的变化。千阳地面观测气温由于受到迁站的影响，气温距平序列发生了明显的突变现象，而ncep气温变化相对平缓，受迁站影响不大。

图1 1980—2012年千阳站气温距平序列Fig.1 The temperature anomly series at Qianyang Station from 1980 to 2012

图2 1980—2012年佛坪站气温距平序列Fig.2 The temperature anomly series at Fuping Station from 1980 to 2012

佛坪站的地面观测气温和ncep气温距平序列在1980年至2000年期间有很好的一致性，2001年开始观测气温相比较ncep气温出现了明显的增温，从OMR曲线变化来看，2001年之前变化幅度在±0.4℃之间，2001年以后跳跃到0.8℃以上，表明从2001年开始，二者变化趋势出现了明显的差异，观测温度明显升高。查阅其台站沿革资料，发现2001年7月佛坪站由佛坪县袁家庄镇东面山梁山顶迁至袁家庄镇城区，是由“山顶”迁往“平地”，海拔下降了100 m左右。由于测站海拔高度降低，地面观测气温明显升高，进而影响了气温序列的连续性和真实性。

2.2 城市化发展对气温的影响

20世纪90年代以来，陕北和关中城市化迅速发展形成了明显的城市气候，在气温方面表现最明显的为“热岛效应”。西安是西北地区的经济文化中心，90年代以来城市化发展迅速，城市面积近10年来增加了50%左右，西安观测台站周围环境破坏较大。图3为西安站观测气温和ncep气温距平序列变化图，二者在1995年之前变化幅度较为一致，1995年之后观测气温增温幅度明显，在1995年至2005年期间OMR值在0.5左右，2006年至2012年期间OMR值在1.0，观测气温升温幅度逐步增加，与前面讨论台站迁移引起气温变化不同的是，城市化影响的OMR曲线变化是缓慢和循序渐进的。

延安站也是受城市化影响较严重的一个气象站，从建站至1991年，周围建筑物较少，气流通畅，视野开阔，能见度目标物清楚，探测环境相对稳定。1992年至2012年城市面貌发生了很大变化，城市规模逐年扩大，随着延安市社会经济的发展，现址周边形成居民生活区对观测场呈包围状。从图4来看，地面观测气温和ncep气温距平在1961年至1995年期间变化幅度基本一致，从1995年开始，二者变化逐渐拉开距离，地面观测气温变化幅度逐渐高于ncep气温。从OMR曲线变化来看，在1995年之前曲线变化幅度基本在±0.3℃之间，从1995年之后OMR曲线开始转为正距平并逐渐升高，2000年以后升温更加明显。

图3 1980—2012年西安站气温距平序列Fig.3 The temperature anomly series at Xi'an Station from 1980 to 2012

图4 1980—2012年延安站气温距平序列Fig.4 The temperature anomly series at Yanan Station from 1980 to 2012

2.3 下垫面改变对全省气温的影响

影响台站气温变化因素较多，要把各种因素影响程度进行分离是一项非常复杂的工作，我们尽可能从总体上把握全省气温受外围环境改变的影响程度。图5为1980年至2012年陕西气温OMR趋势值分布图，从图中可以看出陕北和关中地区因城市发展及台站迁移对气温影响较大，陕南地区除了个别台站因为迁站而受到明显的影响外，其余台站的OMR趋势值在 ±0.1℃/10a之间。

图5 1980—2012年陕西气温OMR趋势值分布图(单位:℃/a)Fig.5 The variance trend distributions of the OMR from 1980 to 2012(unit:℃/a)

3 总结和讨论

再分析资料与观测数据有较好的一致性，再分析气温数据很好的捕捉到了观测气温的时间变化及长期增温趋势。但是，在1990年代以后再分析资料升温趋势不如观测数据明显，两者之间的差异可以归结为站点迁移和城市化对气温的影响。本项目研究采用OMR方法将局地近30年地表气温变化剥离出来，分析其对站点迁移和城市化的敏感性，得到的主要结论如下:

1)台站迁移对OMR序列非常敏感，在台站迁移之前，OMR差值较小，台站迁移之后出现明显的跳跃，变化幅度较大。说明台站迁移对气温序列的影响明显。

2)城市化对OMR序列的影响非常明显，随着城市化逐渐推进，OMR序列值也逐渐增加，尤其是2000年以后增加更为明显。

3)分析没有迁过站址和受城市化影响较小的站点，OMR序列变化幅度较小，没有明显的增加或降低趋势，表明这样的台站维持了较好的观测环境。

从全省来看，陕北和关中地区因城市发展较快，且迁站较多，OMR序列值变化趋势较大，陕南地区除了个别台站因为迁站而受到明显的影响外，总体影响较弱。

由于再分析数据间接使用了地表观测，应用于OMR方法时可能会包含一部分下垫面引起的气候变化趋势，而且，本研究仅部分的排除台站迁移和城市化对分析结果的影响，所使用的双线性插值法将NNR数据插值到站点上可能会有一定的误差等都会给本文的研究结果带来一定的不确定性，未来还需要更为精细、可靠的观测和再分析数据来对这一影响进行评估.此外，地形以及人类活动排放的气溶胶等也是影响区域气候的重要因素，其影响信息也同样包含在观测气温的变化之中，今后还需要进行更多的数值试验和分析研究。

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