极干旱区域台站迁徙前后资料的差异分析---以东疆托克逊站为例

秦 榕,王秋香*,井立红,杨 霰,任 泉,刘卫平,张 静

(1.新疆气象信息中心,新疆 乌鲁木齐 830002;2.塔城气象局,新疆 塔城 834700;3.乌鲁木齐市气象局,新疆 乌鲁木齐 830002)

极干旱区域台站迁徙前后资料的差异分析
---以东疆托克逊站为例

秦 榕1,王秋香1*,井立红2,杨 霰3,任 泉3,刘卫平1,张 静1

(1.新疆气象信息中心,新疆 乌鲁木齐 830002;2.塔城气象局,新疆 塔城 834700;3.乌鲁木齐市气象局,新疆 乌鲁木齐 830002)

采用新疆托克逊站和参考站(尉犁、东坎两站)1974-2014年观测资料,分析了城市化对托克逊站气候资料的影响,结果表明:地处极干旱区域的托克逊站气温、相对湿度和平均风速与参考站一致性较差,其中,由于城市化发展造成托克逊县的升温率为0.44℃.(10 a)-1;均一性检测发现,由于城市化的影响,平均气温、相对湿度、风速均产生了断点.新站与旧站观测资料对比分析发现,由于新旧站环境差异大,使得年相对湿度新站比旧站低4.0%;年平均风速新站偏大1.3 m.s-1,年风向相符率低只有49.01%,平均风速全年各月在显著性水平0.05的条件下资料不连续.

台站迁徙;差值分析;均一性检验

气候资料是气候变化分析研究及气候预测的基础[1-4],因其携带了区域气候变化自身因素、大气环境信息因素[5-12](包括城市化和土地利用)、台站迁移、仪器变更、资料处理中所采用的方式变更等因素,而使单站气候资料携带有非均一的信息[13-22].

从20世纪90年代开始至今,由于新疆经济快速发展,使得众多气象观测站从建站初期的荒漠、戈壁、郊外迅速被城市、高层建筑严密包裹,获取的气候资料已不具备代表性、准确性、比较性,且由于近地面层的气象要素存在着空间分布的不均匀性和随时间变化的脉动性,使得很多气象观测站因探测环境严重破坏而被迫进行迁移.近年来很多专家学者对因观测场四周探测环境遭到严重破坏而搬迁的台站气候资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观测数据做较单一的对比分析,缺少对搬迁站长序列气候资料的具体分析研究.

一般而言,台站迁徙时新旧站址下垫面差异不大,相差大的是测站四周重叠的高大建筑物、茂密的林带及硬化的水泥路面.如果新旧站址地表状况有差异,就会使气候资料产生更大的差异,这种差异在气候较为干旱的新疆地区更为明显.

本文以位于新疆东疆片区的托克逊站为例,用长年代序列观测资料分析城市化对该站气象资料连续性的影响,并利用该站迁徙前后新旧站同期观测资料,对比分析新旧站因下垫面及测站四周环境迥异而出现的气象要素差异,以便利于资料使用者全面了解托克逊站的气象资料,从而对资料的影响因素及该站气候资料序列中包含的各种信息有清晰认识,更加真实地揭示气候变化的规律.

1 测站基本情况及资料选取

1.1 测站基本情况

托克逊县位于新疆维吾尔自治区中东部,天山南麓,吐鲁番盆地西部,地处87°14′05″～89°11′08″E,41°21′14″～43°18′11″N.该县三面山地环绕,西、北高东部低,地势高低悬殊,属典型大陆性暖温带荒漠气候,光照充足、热量丰富,素有quot;风库quot;之称,全年主导风向为西风,年平均风速8 m/s,且风速变化较平稳.

托克逊气象站始建于1958年6月1日,位于88°38′E,42°48′N,观测场海拔高度为1.0 m.建站之初,站址位于托克逊县镇西北3 km,当时台站地处乡村,四周空旷平坦,周边主要种植棉花和花生等矮杆作物,气象探测环境良好.20世纪80年代末,随着城市化进程加快,城市改扩建范围扩大,气象站逐步处于城市中心区域.2009年后,观测场西南面至西北20 m处坐落大量高层建筑群,气象探测环境遭到严重破坏.新疆气象局于2014年正式向中国气象局申请迁移该站,并得到批复.新址位于88°36′03″E,42°46′01″N,海拔高度44 m(海拔高差43 m),新址与旧址间直线距离4.77 km.位于城市西南方,占地面积1 hm2,地形、地貌以及下垫面能够代表托克逊县所代表区域的天气气候特征;与旧址地处同一气候区,属平原地貌,地势平坦;东面和南面均为荒地,西面和北面是农田,南面是戈壁滩;土壤类型为沙壤土,新旧址四周探测环境差异较大(图1).

图1 托克逊站旧站址与新站址

1.2 资料选取

为了更清晰地分析讨论探测环境改变对托克逊气象资料的影响,选取处于同一气候区的尉犁、东坎2站作为参考站,其中尉犁与托克逊站的资料长度均达到了 55 a,尉犁站完整性较好;但东坎站1967-1973年缺少观测数据,故将1974年作为初始年,2014年为终止年(共41 a).两站与托克逊旧站直线距离均在260 km范围内,同属于暖温带极干旱区;资料选取时将参考站观测资料求平均形成参考站资料序列,并将其与托克逊站平均温度、相对湿度、风速和降水量等资料进行对比分析.本文所用资料由新疆气象局信息中心提供,实况资料通过质量检验,未经过任何插补延长处理.

1.3 采用方法

分析城市化对气象资料的影响,即分析托克逊站与参考站资料的区域一致性和均一性,将参考站序列与托克逊旧站资料形成差值序列(旧站资料-参考站序列),此序列滤去了气候变化的影响,从而能反映环境变化对资料的影响;分析差值序列的7 a滑动平均值及差值规律[22],同时比较参考站与托克逊旧站资料的趋势变化,并对各要素进行t检验[22-23],以实现对旧站资料的均一性分析.通过计算新旧站2014年1 a的差值平均值、差值标准差[20]、风向相符率(其中风向相符率计算方法为:当观测风速大于0.2 m.s-1时,新址与旧址风向角度差lt;22.5°,即认为两者相符;相符率=(相符次数/对比总次数)X 100%),进而对迁徙后新旧站因下垫面及四周环境不同对观测资料带来的影响进行分析;同时采用T检验方法对新旧站资料的连续性进行检验.

2 环境变化对托克逊站资料的影响分析

2.1 区域一致性分析

为保证同期资料的一致性,各参考站均截取1974-2014年观测资料,将参考站观测资料求平均,形成参考站序列,利用托克逊站1974-2014年的观测序列与参考站序列差值进行对比分析.

托克逊站与参考站年平均气温差值及7 a滑动平均值,见图2.由图可以看出,托克逊站与参考站的年平均气温差值为正值,说明托克逊站的年平均气温高于参考站.差值从1974-1984年间有小幅波动,但变化范围不大,在1.35～1.85℃之间,变化幅度仅0.5℃;1985-2005年变动较平稳;2005年开始,差值明显增大(气温升高),在1.2～2.25℃之间,升幅达1.05℃,表明2005年之后,托克逊站与参考站的年平均气温序列变化完全不一致,托克逊站升温幅度较大;从滑动平均变化看出,1974-1985年气温呈缓慢下降趋势,80年代中期变化平缓,2005年后呈快速上升趋势.托克逊旧站建站初期东、西、南、北均为荒漠戈壁,从21世纪开始,观测站已处在城市中心区域,2006年开始到2014年测站四周逐步建成高大建筑群,使探测环境遭到严重破坏(图2a),对所测气象要素数据产生了明显影响,城市化致使该气象站温度上升.依据以上分析结果,托克逊站与参考站气温差值在2005-2014年增长较快,城市热岛效应明显,2005年后城市化所带来的误差可使气温平均升高1.05℃左右.

图2c是托克逊站与参考站年平均相对湿度差值及7 a滑动平均值图.由图可见,托克逊站与参考站的年平均相对湿度差值从建站之初到2000年之前比较平稳,在平均值附近波动,增减趋势不明显;2000-2005年之间,呈小幅下降,2005年之后,下降速度加快,降幅达5%.对其原因进行分析,由于台站四周环境恶化,距测场20 m处高层建筑及硬化的水泥路面,使得测站四周空气变得干燥,另外,年平均相对湿度差值下降趋势也分别对应年平均气温差值的上升趋势,即城市化导致气温上升同时对相对湿度下降产生了较大影响.由此可见,托克逊旧站与参考站的年平均相对湿度一致性较差.

图2 托克逊站四周障碍物遮蔽图以及与参考站各要素年平均差值变化

图2d是托克逊与参考站年平均风速差值及7 a滑动平均值图.托克逊站与参考站年平均风速差值1990年前呈明显下降趋势,1990年以后变化平稳.由于托克逊站地处quot;吐善托盆地quot;边缘,毗邻三十里风区,其年平均风速较参考站偏大亦属正常,然而差值线和滑动线表明随着时间推移,托克逊站与参考站风速差值渐趋减小,原因在于托克逊站在20世纪60年代初就开始了植树造林及防风治沙,到20世纪90年代初,差值才趋于一致,2005年之后仪器换型,尤其是从2009年开始,观测场周围高层建筑密集,对托克逊站的风速产生了一定的影响,从城市化进程来看,托克逊气象站的上风方城市化发展速度快,也使托克逊站风速一直比空旷的郊外小,因而不能代表大范围风速状况.

对托克逊旧址与参考站降水量进行对比分析,结果表明城市化带来的影响不明显.

2.2 趋势比较

由图3a可知:托克逊站与参考站气温随时间变化均呈上升趋势,增温速率分别为0.44℃/10 a、0.34℃/10 a,托克逊旧站增温速率大于参考站.由图3b可知,托克逊站相对湿度序列随时间变化呈减小趋势,以-0.68%/10 a的速率减小,参考站增加速率为0.20%/10 a,二者变化趋势相反,表明托克逊旧站与参考站的相对湿度区域一致性越来越差.由图3c可知,托克逊站与参考站风速随时间变化均为减小趋势,减小速率分别为-0.38(m.s-1)/10 a和-0.07(m.s-1)/10 a,托克逊站风速下降趋势明显大于参考站,表明旧站受城市化影响更加明显,与参考站区域一致性较差.

2.3 资料序列均一性分析

气象资料非均一性多由站址周围环境改变、城市化、仪器特性、台站易址、平均值计算变化所造成,特别是随着城市化的加速,新观测设备的采用,这一情况更为突出[24].对托克逊站自建站以来的平均气温、平均相对湿度和2 min平均风速进行均一性分析,因气温和湿度资料符合正态分布故采用差值序列进行检验,风速资料不符合正态分布故采用比值序列进行检验;应用t检验方法(显著性水平0.05)对托克逊站平均气温、相对湿度、平均风速的年值序列值进行检验(图3d、3e、3f),结果表明,平均气温有3个断点,断点最多,其次是相对湿度和风速各有2个断点.由于托克逊站自建站以来无迁站,并且毗邻三十里风区,随着城市化进程的加剧,探测环境遭到严重破坏,被城市紧密包围的气象站观测资料受到很大影响.从图3d、3e、3f中看出,托克逊站的气温、湿度和风速的断点主要发生在1966年、1984年和2005年,而这些不连续年的出现从以下事件中找到某种对应关系:1966年,防风治沙工程影响出现断点,1984年城市化发展,2005-2012年测场周围建成高层建筑群及高低错落的林带,且改为自动观测,均对气象观测资料的均一性带来了影响.

图3 托克逊旧站与参考站各要素逐年变化和线性趋势、t检验结果

3 托克逊站新址与旧址观测资料对比分析

3.1 差值和标准差及风向相符率统计分析

用托克逊站2015年新址与旧址为期1 a的对比观测值,采用差值及差值标准差对新旧址的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日平均相对湿度、日平均风等资料进行统计,结果表明(表1),新址年平均气温及最高、最低气温均为正值,表明新址略高于旧址,但差值很小,仅0.1℃;月差值在-0.6～1.1℃之间变化;季节变化规律明显且符号不一致,其中夏季(7月)差值偏高1.1℃;最高和最低气温均偏高1.3℃,其它月份差值均在1.0℃以下;从符号变化看,暖季(5-10月,最高5-8月)新址高于旧址,偏高幅度在0.1～1.3℃(符号为正);冷季(11月-次年4月,最高9月-次年4月)新址低于旧址,偏低幅度在0.1～0.6℃(符号为负).

新址观测场周围多为戈壁砂石且空旷平坦,砂石热容量小,分子运动速度快,升温降温也快,而旧址周围高层建筑林立,下垫面植被覆盖率高,热容量比砂石大,白天升温慢;由此说明暖季在戈壁或者土壤裸露的地带,由于地面比有草和树木覆盖的城市加热快而使近地面气温比城市高,冷季由于新疆城市普遍使用暖气等加热设备以及城市化效应,使旧址比位于城外的新址气温高.这种冷暖季节气温差值符号相反的现象是新疆干旱区台站迁徙气温差异的典型特征.气温差值标准差表明,平均气温和最高气温月差值标准差较小,数据相对稳定;最低气温年值和部分月份差值标准差较大,数据不够稳定.

降水量差值及差值标准差均较小,表明新址与旧址相差很小,数据比较稳定.

相对湿度各月及年差值一致地均为负值,新址小于旧址,这是由于新旧址直线距离为4.77 km,且新址场地及周围多为戈壁砂石覆盖,旧址场地四周植物覆盖率高,由于植物的蒸腾作用使得空气中的湿度比新址大,再者旧址南面距白杨河大约60 m的直线距离,也会使新址湿度小于旧址.另外,相对湿度1-5月差值稍小,在0.8%～2.4%之间,6-12月差值在3.9%～9.7%,这是因为温暖干旱的东疆在6-12月植物和树叶逐步茂盛、瓜果成熟,使空气中水汽含量比其它季节多的缘故,也是干旱区迁站的特点之一.年及各月差值标准差均较大,这是由于相对湿度数值和差值均较大的缘故,但都在合理的范围内.

风速差值平均值均为正值,表明新址风速大于旧址,年平均风速差值偏大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;差值标准差4月、12月略大,其它各月相对较小,说明数据稳定性尚可.新址与旧址年风向相符率仅有49.01%(表1),最大相符率出现在12月,为59%,最小相符率出现在7月仅37%,可见两站风向一致性比较差,也表明风是受地理环境影响最为明显的要素.

新旧址风速差值较大,是因为在城市中树木及房屋的阻挡使得测站观测风速比空旷的戈壁滩观测风速要小.这也是典型的新疆干旱区台站迁徙风速资料差异大的特点.风速差值标准差4月和12月相对较大,说明冬春季个别月份风速数据稳定性略差,而夏秋季风速数据较稳定.

3.2 显著性检验

采用t检验方法对旧址近20 a观测资料的平均值和新址1 a观测资料的平均值进行显著性检验,以显著性水平达到0.05作为通过检验的标准,检验要素包括平均风速、平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度的月值、年值,结果见表2.除年平均风速(未通过0.05的显著性水平检验)外,其余均通过了显著性水平检验;比较而言,除风速以外,其他要素的不连续变化均出现在5月、7月、9月和10月,原因在于夏季到初秋时节近地面湍流作用强大,大气层结极不稳定的缘故.月风速数据有83.3%未通过检验,是由于旧址位于城市包围中,且院墙外围种植有棉花和花生,地表粗糙度较大阻碍了风速流动的缘故.总体来讲,除了年月平均风速不能连续使用,以及4个要素资料个别月份资料不能连续使用外,其余年月平均相对湿度、降水和温度均可连续使用.

表1 托克逊站新址与旧址各要素月(年)差值平均值和差值标准差σ表

表2 托克逊气象站旧址与新址t检验

4 结论及讨论

(1)对托克逊站观测资料的差值、趋势比较均表明,受气象探测环境变化和观测方式变更的影响,托克逊站旧址气温、湿度、风速区域一致性较差.t检验表明,旧站气温、风速、相对湿度均存在不连续点,其主要原因是观测环境恶化和观测方式改变所致.

(2)尤其需要指出的是对于极度干旱的东疆来说,暖季(5-10月)由于戈壁或者土壤裸露的地带比有草和树木覆盖的城市加热快而使近地面气温比城市高,而冷季(11月-次年4月)由于新疆城市普遍使用暖气等加热设备以及城市化效应,使旧址比位于城外的新址气温高.这种新旧站差值符号在冷暖季节不同的现象,是新疆干旱区台站迁徙气温差异的典型特征.同样,相对湿度各月及年差值一致地均为负值,新址小于旧址,尤其是在东疆6-12月植物和树叶逐步茂盛、瓜果成熟期,空气中水汽含量比其它季节多,使得6-12月相对湿度差值比其它月份大,也是干旱区迁站的典型特征之一.另外,由于城市中的旧址有树木及其房屋的阻挡而新址位于空旷的戈壁滩的缘故,而使新址风速比旧址大很多(偏大1.3 m/s),这也是典型的新疆干旱区台站迁徙风速资料差异大的特点.同理,由于极干旱区迁站也使两站风向一致性很不理想,新址与旧址年风向相符率仅49%.显著性检验结果表明,新址和旧址年平均风速和多数月份的月平均风速差异显著,不能连续使用.其它几个要素基本通过了显著性检验,资料可以连续使用.

(3)托克逊站旧站与新站地处同一气候区,能够代表旧址的天气气候变化特征,可以对旧址历史数据进行均一性检验和差补订正,形成长序列连续资料,从而满足科研和服务需求.

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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,井立红,等.极干旱区域台站迁徙前后资料的差异分析[J].沙漠与绿洲气象,2017,11(5):16-22.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.003

2017-04-07;

2017-05-05

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(IDM2016001)

秦榕(1961-),女,高级工程师,主要从事各类气象数据分析和质量控制.E-mail:496287893@qq.com

王秋香(1961-),女,正研级高级工程师,主要从事气候资料分析和灾害研究.E-mail:448164607@qq.com