1986—2015年达日地区地面及高空500 hPa温度变化分析

2017-05-12刘金青许显花豆青芳沈洁

现代农业科技 2017年6期

刘金青+许显花+豆青芳+沈洁

摘要利用达日地区近30年（1986—2015年）探空资料（7：00、19：00）和地面观测资料，运用气候统计诊断分析方法，对地面、高空500 hPa温度进行分析。结果表明：①近30年来，地面和500 hPa气温在每个时段的增温率是不同的，地面气温增温率高于500 hPa，19：00的增温率又高于7：00，各时段的增温率分别为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个时间段均有共变现象，为正相关，关系密切。在7：00，地面平均气温在四季均呈现上升趋势，夏季增温最显著，春季增温最小；500 hPa的增温则主要集中在冬季，春季亦最小。月平均气温线性趋势分析中，地面气温2月的增温率最大，4月最小；500 hPa气温9月的增温率最大，且高于同月份的地面气温倾向率。③在19：00，地面与500 hPa的气温变化曲线幅度大致相同，为高度正相关。地面气温在春季的增温率最大，夏季最小；500 hPa的增温主要是夏季，秋季最小。地面和500 hPa每月的氣温变化倾向率也不相同，2月的地面月平均气温增温率最大，6月最小；500 hPa层的月平均气温增温率在2月最大，6月最小。④在进一步细致分析地面气温与500 hPa气温相关性的基础上，可利用地面气温场和500 hPa气温场互相进行插补。

关键词地面气温；500 hPa气温；相关性分析；青海达日；1986—2015年

中图分类号 P423 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）06-0233-05

大气温度变化是气候变化的重要组成部分。在近年全球变暖日益严峻的大环境下，国内外相继开展并不断重视对高空气温的研究[1-6]，青藏高原由于其复杂的地形和独特的气候特点而被称为地球的“第三极”，对中国、亚洲甚至全球的大气环流都有非常重要的影响[7]，陈芳等[8]对青海7个探空站的探空资料进行综合分析，认为500 hPa厚度与气温关系密切，气温变化与500 hPa厚度变化的相互正反馈非常敏感。周宁芳等[9]在对青藏高原地面及其高空气温变化的初步分析中发现，地面与500 hPa气温年际变化相当一致。王荣英等[7]研究认为高原上空各高度层年、季平均气温变化在空间分布上具有较高的一致性，其中夏季的一致性特征最弱。

达日县地处青藏高原腹地，是气候变暖显著的区域之一，地理位置特殊，拥有独特的高原探测条件。台站海拔接近4 000 m，而所探测的500 hPa等压面也仅为海拔5 700 m左右。500 hPa在内地相当于对流层的中层，而在达日地区仅仅是对流层的下层。因此，500 hPa等压面气温和地面气温的变化同时受到地面长波辐射的影响，但这种变化及影响在每个时次是不同的。目前，关于高空与地面气温变化趋势是否一致以及二者之间关系的研究很少。本文利用达日地区1986—2015年探空资料（7：00、19：00）和地面观测资料，运用气候统计学方法，分时次对地面、500 hPa气温进行分析，并进一步探讨它们之间的关系，以期对该地区地面、500 hPa气温变化特征有一个初步认识。

1 资料与方法

1.1 资料来源与处理

选取达日地区1986—2015年高空探测（7：00、19：00）500 hPa等压面、地面层（7：00、19：00）的月平均气温、地面逐月平均气温资料。在季节资料的分析中，按照气候统计分四季的方法，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至翌年2月。春、夏、秋季采用1986—2015年观测资料，冬季采用1985年12月至2015年11月的观测记录进行统计整理，生成季、年的平均气温序列。

在以往地面气温和高空气温的分析中，大多气象学者采用地面月平均（4次平均）数据，根据国家气象信息中心2012年8月发布的气候资料统计整编方法（地面），日平均值由4次定时值（北京时间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个月平均值平均求得。本文采用探空气球施放时观测的瞬间地面层气温资料，分时段进行整理分析。地面层气温是在探空气球施放前后5 min内进行观测的气象要素之一。在时间上与500 hPa气温的获取是同步的，从而更具可对比性。

传统意义上的地面气温是由放置在百叶箱内的仪器通过自然通风获取的；而探空瞬间观测的气温是由放置在百叶箱内、具有恒定通风速度（为2.5 m/s）的通风干湿表获取的。

地面气温日平均值是一天24 h内4次定时值的平均，是测站日平均气温的横向观测值。500 hPa的气温是测站垂直方向上的观测值之一，其交点就是施放气球时所观测的地面层气温，这个观测数值在时间上与500 hPa气温值是同步的。为更详细地分析地面气温和500 hPa的气温变化及相关性，故从7：00、19：00 2个时段分别对地面气温和500 hPa气温进行分析研究。以下文中7：00、19：00气温是指7：00、19：00气球施放时观测的地面气温。

1.2 分析方法

通过使用气候倾向趋势分析[10]、累积距平、Pearson相关性分析等方法，对地面、500 hPa各时次逐年、逐季、逐月平均气温变化特征进行分析，并分析它们之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 7：00地面气温变化分析

由图1可知，7：00的地面气温在近30年内，随着年份的增加，气温呈明显递增趋势，与全国气温变暖的趋势一致，年平均气温增温率为0.35 ℃/10年，通过0.05显著性水平检验，表明达日地区7：00年平均气温上升明显，高于全国年平均气温倾向率0.22 ℃/10年[11]。与姜永见等[12]对江河源地区平均气温分析的结果大致相同，姜永见等分析认为该地区气温持续上升，气温变化倾向率为0.37 ℃/10年。近30年来，达日地区7：00年平均气温上升了1.05 ℃，1986—2015年平均气温为-5.4 ℃。由累积距平（图2）可知，1986—2002年气温偏低，气温距平值以负值为主；2003—2015年气温偏高，距平值以正值为主。最高年平均气温为-4.2 ℃（2009年），最低年平均气温为-7.0 ℃（1997年），大致突变时间为2002年。

2.2 19：00地面气温变化分析

由图3可见，19：00地面气温在近30年内随着年份的增加呈明显递增趋势，年平均气温增温率为0.48 ℃/10年，大于7：00的气温倾向率，通过了0.001显著性水平检验，表明19：00平均气温上升趋势更为明显。30年来，19：00平均气温上升了1.44 ℃，高于7：00地面气温。1986—2015年平均气温为3.1 ℃。从累积距平（图4）可知，1986—1997年气温偏低，气温距平值以负值为主；1998—2015年气温偏高，气温距平值以正值为主。最高年平均气温为4.1 ℃（2003年），最低年平均气温为-1.4 ℃（1997年），出现年份与7：00一致。大致突变时间出在1997年左右。

2.3 7：00 500 hPa气温变化分析

由图5可知，7：00 500 hPa气温在近30年内呈递增趋势，年平均气温增温率为0.16 ℃/10年，气温上升趋势不明显。因500 hPa离地面较高，受下垫面影响比地面小，故变化趋势不如地面明显。30年来，500 hPa气温上升了0.48 ℃。1986—2015年，平均氣温为-11.5 ℃，最低值出现在1997年，最高值出现在1999年。由累积距平（图6）可知，1986—1997年以前，距平值以负值为主，均值为-11.6 ℃，低于30年平均值，气温偏低；1998—2015年，距平值以正值为主，均值为-11.3 ℃，高于30年平均值，气温偏高，大致突变时间出现在1997年左右。

2.4 19：00 500 hPa气温变化分析

由图7可知，19：00 500 hPa气温在近30年内呈递增趋势，年平均气温增温率为0.17 ℃/10年，略高于7：00 500 hPa气候增温率，气温上升趋势不明显。30年来，气温上升了0.51 ℃。1986—2015年，年平均气温为-10.4 ℃，最低值与7：00相同，也出现在1997年；最高值则出现在1988年。由累积距平（图8）可知，2005年以前，距平值以负值为主，平均值为-10.6 ℃，低于30年平均值，气温偏低；2006年以后，距平值以正值为主，均值为-10.1 ℃，高于30年平均值，气温偏高，大致突变时间在2005年左右。

2.5 地面气温与500 hPa气温的相关性分析

对流层主要是从地面获取热量，故气温随高度增加而降低，因所在地区、高度、季节等因素的不同，气温随高度的变化也有所不同。在达日地区，由于所探测的500 hPa等压面离地面只有1 700 m左右，所以500 hPa等压面和地面气温的变化同时受到地面长波辐射的影响，这种影响在每个时次（7：00、19：00）是不同的。

2.5.1 7：00。由图9可知，除个别年份出现反相位变化趋势外，地面与500 hPa气温变化曲线大致相似。30年来，两者均呈现升高趋势，500 hPa的增温率不如地面的大，地面增温率是500 hPa的2倍以上。

通过对7：00地面、500 hPa气温的分析，2个变量有共变现象，为正相关，关系密切。其Pearson相关系数为r=0.73（p<0.01），通过了显著性为99%的检验，说明地面在气温逐渐升高的同时，500 hPa气温也随之增大。

由表1可知，在7：00，地面平均气温四季均呈现上升趋势，春、夏、秋、冬季平均气温增温率分别为0.04、0.50、0.32、0.48 ℃/10年。气温变化有明显的季节性差异，夏季增温最显著，增温速率通过了0.01显著性水平的检验；其次是冬季，春季增温最小。地面气温四季的增温幅度表现为夏季>冬季>秋季>春季的气候特征。500 hPa的增温则主要集中在冬季，为0.39 ℃/10年；春季最小，为0.06 ℃/10年，略大于地面的增温率。7：00秋季地面与500 hPa的相关性最好，Pearson相关系数r=0.82（p<0.01）；春季则稍差，为r=0.68（p<0.01）。

从平均气温月变化分析（表2）看，在7：00，12月的相关系数最小，r=0.53；其次是3月、1月，分别为r=0.61和0.66；9月、10月最高，同为r=0.82。在12月、1月气温差值最小，6月气温差最大；月最高气温均出现在7月，最低气温则出现在1月。随着一年中气温的变化，7：00地面和500 hPa的气温差值也有规律的变化，变化范围0.9～9.2 ℃。这种现象主要是由辐射造成的，达日地区的冬季凌晨，近地面经常有辐射逆温层存在。因此，常出现地面气温接近或低于高空500 hPa气温的现象，此时500 hPa层的气温不会随地面气温的降低而降低，有时反会高于地面气温。但随着太阳的升起，地面开始吸收来自太阳的短波辐射而增温，并且自身以长波辐射的形式向外发射热量，大气吸收来自地面的长波辐射也逐渐增温，逆温层逐渐消失，500 hPa层的气温开始随着地面气温的升高而逐渐升高。

从地面、500 hPa各月气温变化倾向率（图10）比较分析得出，在7：00，地面气温在1月、2月、6月、7月、8月、9月、12月上升倾向率较大，其中2月倾向率最大，为0.60 ℃/10年；6月、7月、8月、9月的气温倾向率变化通过了0.05的显著性水平检验。3月、4月、5月、10月、11月地面气温上升倾向率增加较小，春季（3—5月）尤为明显，4月最小，为0.05 ℃/10年。而500 hPa的气温速率在1月、2月、7月、8月、9月递增较大，9月的增温率最大，为0.56 ℃/10年，高于同期地面气温上升倾向率，且通过了0.05的显著性水平检验；其他月份500 hPa气温上升倾向率增加较小。与王荣英等[7]分析的增温速率随高度的增加而递减有出入，笔者分析认为，这与500 hPa层离下垫面较近、受地面辐射大有关。

2.5.2 19：00。由图11可知，19：00地面与500 hPa的气温变化幅度大致相同，即500 hPa气温随地面气温的变化而变化。对两者进行相关性分析，2个变量有共变现象，为高度正相关，其Pearson相关系数为r=0.82（p<0.01），这一数值大于7：00地面与500 hPa的相关系数，通过了显著性为99%的检验，表明19：00地面与500 hPa气温年际变化相当一致，即地面气温逐渐升高的同时，500 hPa气温也随之升高。30年来，两者均呈现增大趋势，地面增温率是500 hPa的2倍以上。

从地面与500 hPa的季度线性变化趋势（表1）分析比较看，在19：00，地面春季的增温率最大，为0.60 ℃/10年，通过了0.01的显著性水平的检验；其次分别是冬季、秋季；夏季则最小，为0.34 ℃/10年，与7：00截然不同。500 hPa的增温主要是夏季，为0.35 ℃/10年，小于7：00冬季的增温率；春季、冬季相当，秋季略小。而在19：00，冬季地面与500 hPa的相关性最好，其 Pearson相关系数r=0.87（p<0.01）。两者月平均变化大致相同，均呈单峰型，间隔距离（即气温差）相当，与7：00的变化趋势截然不同。近地面空气因吸收来自地面的长波辐射而升温，在日落前1.0～1.5 h，辐射支出由正值转为负值，近地面空气开始失去热量而逐渐降温，这个时间段也正好是台站施放气球的时间。因此，地面与500 hPa气温差变化不大，范围在11.2～14.9 ℃之间。在19：00，地面与500 hPa每月的相关性最好，远高于7：00每月的相关性，即地面气温的变化与500 hPa层气温的变化基本一致。

由图12可知，在近30年，19：00地面和500 hPa每月的气温变化倾向率也不相同，地面在2月、3月、4月、9月气温上升倾向率较大，2月的地面月平均气温上升最大，为0.87 ℃/10年，远大于同月份7：00的倾向率；5月、6月、11月、12月则相对较小，其中6月最小，为0.16 ℃/10年。500 hPa层的月平均气温上升倾向率在1月、2月、9月较大，2月最大，为0.52 ℃/10年；3月、4月、7月、8月次之；5月、6月、10月、11月、12月则较小；6月最小，为0.01 ℃/10年，几乎没变化。

3 结论与讨论

（1）在进一步细致分析地面气温与500 hPa气温相关的基础上，可利用地面气温场和500 hPa气温场互相进行插补。在实际业务应用中，当某一时次探空记录出现500 hPa气温层缺测或气温因信号变性无法判别时，可利用地面气温进行插补判别；亦可以利用500 hPa气温场对瞬间气温值进行订正判别。

（2）近30年来，地面和500 hPa气温在每个时段的增温率不同，地面气温增温率高于500 hPa，19：00的增温率又高于7：00，各时段的增温率分别为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气温在2个时段均有共变现象，为正相关，关系密切，其Pearson相关系数都通过了显著性为99%的检验。在冬季，因7：00段近地面辐射逆温层的存在，相关性稍差。地面四季平均气温均呈现上升趋势，夏季增温最显著，春季增温最小，地面气温四季的增温幅度表现为夏季>冬季>秋季>春季的气候特征；500 hPa的增温则主要集中在冬季，春季亦最小。7：00秋季地面与500 hPa的相关性最好。月平均气温线性趨势分析中，地面气温2月的增温率最大，4月最小；500 hPa气温9月的增温率最大，且高于同月份的地面气温倾向率。

（4）19：00地面与500 hPa的气温变化曲线幅度大致相同，为高度正相关，地面气温在春季的增温率最大，夏季则最小；500 hPa的增温主要是在夏季，秋季最小。地面和500 hPa每月的气温变化倾向率也不相同，2月的地面增温率最大，6月最小；500 hPa的增温率在2月最大，6月最小。

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