北辰地区日最低气温特征及影响因素研究

齐 浩，刘春艳，王 磊，马庚雪

(天津市北辰区气象局 天津300400)

0 引 言

日最低气温与日常生活有着密切的关系，是24h预报中比较重要的要素，影响最低气温值高低的因素很多，例如：夜间云量的多少、风向风速、冷暖平流、相对湿度、天气现象等。随着季节的不同，各要素对温度的影响程度也各不相同。

北辰区南侧紧邻天津市中心城区，但是日最低温度却常存在不小的差异，不仅如此，与周边其他地区相比，北辰地区日最低气温也存在差异，尤其常出现全市的最低值。部分预报员根据经验认为这种情况一般出现在晴朗静风的条件下，但没有经过论证。这种情况造成北辰区日最低气温的预报准确率较低。

本文的研究目的，是通过研究近10年北辰地区日最低气温变化的特征以及与周边地区相比出现明显差异的规律，进一步指导预报，从而提高北辰地区日最低气温的预报准确率。

1 北辰地区日最低气温时间变化特征

为初步研究北辰区最低气温的特征，选取2006—2016年北辰国家一般气象站(下称“北辰本站”)日最低气温数据，得到北辰区日最低气温变化曲线。按照日常观测和预报中总结的经验，能够发现北辰日最低气温的变化可能存在季节性差异，所以在研究中按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月)进行分类。

1.1 各月逐日最低气温变化

图1罗列出1—12月日最低气温变化情况。按照季节分类来看，日最低气温的变化表现出比较明显的季节性差异，通过线性变化率能够反映各月日最低气温的变化情况：

①春季，各月日最低气温呈上升趋势，平均变化率为0.045℃/10a。

②夏秋两季各月日最低气温变化均呈下降趋势，平均变化速率分别为-0.014℃/10a和-0.037℃/10a。

③冬季各月变化趋势相对平稳。

1.2 各月旬平均最低气温变化

为进一步细化研究各月逐日最低气温的变化特征，明确各季节差异性，按照上、中、下三旬分别计算各月的旬平均最低气温，变化情况如图2所示。

图2 旬平均最低气温变化曲线Fig.2 Change curves of decadal-mean minimum air temperature

从图2反映的情况看，与逐日最低气温变化的结论是比较一致的，根据旬平均最低气温变化曲线及线性趋势，可以得到以下几个细化的结论：

①7月和1月的温度变化是最稳定的，一方面这两个月上、中、下旬的温度基本持平，另一方面线性变化幅度较小。

②从各月上、中、下三旬温度的大小关系来看，北辰地区日最低气温变化的过渡月份为8月和2月。自8月开始至12月，大小关系总体上看，上旬＞中旬＞下旬；自2月开始至6月，大小关系总体上看，上旬＞中旬＞下旬。

③考虑到季节内各月变化的相对一致性并且为方便下面的研究，在后续的研究中，将1月、4月、7月、10月作为冬、春、夏、秋四季的代表月份，以代表月份的特征来指代对应季节的特征变化。

2 北辰地区日最低气温空间变化特征

除北辰本站外，北辰地区建有区域自动站16个，本文选择其中业务运行超过7年的10个区域站进行研究。

按照与北辰本站的距离范围，对10个区域自动站进行分类统计，分类情况见表1。

表1 区域自动站分类情况Tab.1 The classification of regional weather stations

区域站数据选择2009年4月至2017年1月的日最低气温数据，对原始数据中的缺省值和异常数据进行质控处理，对应选取北辰2009月4月至2017年1月的日最低气温数据，计算得到各区域自动站与北辰本站的差值Dsta。

其中Tsta为区域站数据，T0为北辰本站数据。

根据上一节得到的结论，用1月、4月、7月和10月作为冬季、春季、夏季和秋季的代表月份，其统计结果能够表征对应季节的特征。

1月、4月、7月、10月计算结果见图3。

图3 区域自动站与本站日最低气温差值分布图Fig.3 The difference between the national general weather station and regional weather stations in Beichen

3 北辰地区日最低气温与周边区域对比

3.1 对比统计结果

气温变化的空间差异主要受纬度、海拔高度、环境和其他气象条件等因素影响。北辰地区日最低气温同周边行政区相比，往往表现出比较特殊的变化情况，从纬度上讲，北辰地区位于天津市的中部，却往往出现远低于北部地区或高于南部地区的日最低气温；从海拔高度上讲，北辰地区地势平坦，日最低气温时常低于北部山区。这些异常变化给北辰地区日最低气温的预报带来了不小的麻烦，本文的研究重点也是通过研究其他气象要素的变化情况定性的研究这些要素对日最低气温的影响。

选择北辰本站2006—2016的日最低气温数据和周边国家站的对应数据进行研究。表2是北辰本站(以下简称“北辰”)同天津市国家一般气象站(以下简称“市区”)、西青国家基本气象站(以下简称“西青”)、武清国家一般气象站(以下简称“武清”)、东丽国家一般气象站(以下简称“东丽”)和宝坻国家基本气象站(以下简称“宝坻”)的对比统计结果(其他行政区域因为海陆差异、距离较远、海拔差异等原因不做对比统计)。

统计量包括标准差(表征两组序列的固有差异)、差平均(表征两组序列的整体差异)和相对标准差，计

算公式如下：

其中Tn为相应周边站的日最低气温，T0为北辰本站的日最低气温，k为选取样本的总天数。

从与5个周边区的对比结果看，北辰地区与周边区的固有差异均在1～2℃的范围内，整体差异除宝坻日最低气温低于北辰外，其余4个区日最低气温均高于北辰，整体差异最小的是武清，最大的是市区。但从相对标准差的结果来看，与北辰日最低气温差异更稳定的是市区。在进一步研究中，为了能够得到更加长期稳定的参考，选择市区和宝坻的日最低气温作为对比数据。

分别来看表2中四季的对比结果，当相对标准差偏高时，说明该季节北辰气温易与该地区出现较大的偏差。对于日最低气温高于北辰的4个区，春季明显高于其他季节，市区、西青、武清的结果均为春季相对标准差明显高于其他季节，夏季次之，秋冬季结果相近。

表2 北辰本站与周边国家站的对比统计结果Tab.2 The comparison of Beichen national general weather station and other national weather stations nearby

如上述研究结果所反映出的特征，除距离北辰较远的宝坻(56km)外，其余4个台站分别位于北辰本站的南、西南、东南、西北方向，距离均在20km左右(市区19km、西青19km、武清22km、东丽24km)，这说明北辰地区日最低气温主要表现出低于周边区域的特征，在该范围内并非与纬度呈明显的反比关系，在周边环境、海拔高度相对接近的情况下，可以考虑局地天气系统影响下的其他气象要素，如风向风速、云量、相对湿度等对北辰区日最低气温的影响。

在日常气温的观测和预报中，业务人员发现北辰地区，尤其是北辰本站，常出现日最低气温的异常偏低或偏高值。例如日最低气温低于位于北部的宝坻地区，或高于城市化更高的天津市区。这样的异常值给预报带来了极大的挑战。

3.2 异常值的定义和选择

根据研究结果，北辰本站的日最低气温变化与市区和宝坻的差异是相对稳定的，并且整体上低于市区、高于宝坻，因此利用2006—2016年市区和宝坻的日最低气温作为参照，对相应时段北辰本站的日最低气温异常值进行筛选，仍按照季节分别研究。

将日最低气温低于宝坻并且远低于市区的值定义为北辰本站日最低气温异常偏低值；将日最低气温高于市区并且远高于宝坻的值定义为北辰本站日最低气温异常偏低值。远高于和远低于则以标准差作为指标，即异常偏低值的选取标准为T北辰-T宝坻＜0，并且T北辰-T市区＜-3⋅STD ；异常偏高值的选取标准为：T北辰-T市区＞0并且T北辰-T宝坻＞3⋅STD 。其中STD为两台站对应季节日最低气温的标准差结果。

3.3 其他气象要素与日最低气温异常值的关系

本文对于北辰本站气温异常值影响要素的研究内容主要为气象条件，其他影响因素暂不讨论。

从统计结果可以得出以下结论：

①异常值数量表现出明显的季节性差异。4月份异常值总数最多(39个)，偏低值个数(17个)少于偏高值个数(22个)；1月份异常值总数次之(27个)，低值个数(26个)远远多于异常偏高值(1个)；10月份异常值总数最少(8个)，偏低值个数(6个)多于偏高值(2个)；7月份次之(11个)，偏低值个数(7个)多于异常偏高值(4个)。总的来说，从异常值的个数上来看，春冬两季明显多于夏秋两季，而异常偏低值明显多于异常偏高值，以冬季尤其明显。

②依照经验，静风、晴天往往有利于出现较低的日最低气温。但是从统计结果来看，北辰区日最低气温异常值与云量和夜间最大风速及两地夜间最大风速差并未表现出明显的对应关系，并不能作为北辰地区日最低气温异常偏低或偏高的预报。

③北辰区日最低气温异常值与北辰地区与市区、宝坻地区的夜间最大相对湿度的差值有密切的联系。当北辰地区夜间最大相对湿度显著高于市区和宝坻地区时，易出现日最低气温的异常偏低值；反之，当北辰地区夜间最大相对湿度显著低于市区和宝坻地区时，易出现日最低气温的异常偏高值。

3.4 日最低气温与夜间最大相对湿度的相关性

北辰地区日最低气温的异常值，包括异常偏低值和异常偏高值，和北辰与宝坻、市区的夜间最大相对湿度表现出了比较好的对应关系，为进一步分析日最低气温与最大湿度之间的关系，计算有关统计量间的相关性系数，结果见表3。

从表3可以看到，日最低气温和夜间最大相对湿度多个统计量间的相关性系数值存在显著的差异，其中日最低气温差与对应的夜间最大相对湿度差的相关性要好于其他统计量，北辰日最低气温与北辰地区夜间最大相对湿度相关性较差。由此可知，北辰地区日最低气温的变化与本地夜间最大相对湿度无关，但相比于其他地区的日最低气温差值，与对应夜间最大相对湿度的差值呈一定的反相关。

表3 统计量间的相关性系数Tab.3 The correlation coefficients of the statistics

4 结 论

通过本文的研究，我们可以得到：北辰本站近十年来日最低气温的变化趋势以及表现出的明显季节性差异；通过与北辰地区区域站日最低气温的比较可以发现，北辰本站日最低气温存在明显的局地性特征，并且低于绝大多数区域站；北辰本站与周边地区国家级自动站的日最低气温差异值(标准差、差平均和相对标准差)；以宝坻和市区的数值作为参照，北辰地区与上述两地的日最低气温差和夜间最大相对湿度存在反相关关系，并且北辰地区日最低气温异常值个数存在明显的季节性差异。

根据上述结论，可以在进行北辰地区日最低气温预报时，对应不同季节充分考虑夜间最大相对湿度的影响，并且在格点预报时考虑北辰地区日最低气温变化的局地性特征。