冷湖地区气象要素变化及其对天文观测的影响

申燕玲，曾淑玲，肖宏斌，颜鹏程，沈晓燕

（1.青海省气象科学研究所天气气候研究室，青海 西宁810001；2.中国人民解放军93808部队，甘肃 兰州730020；3.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001；4.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃 兰州730020）

天文观测台的选址依赖于天文相关的气候条件、地形地貌条件和后勤保障条件[1]，其中天文相关的气候参数包括气温、温差变化、相对湿度、云量、粉尘、风速、晴夜数等[2-4]。除此之外，可观测时间、大气视宁度、天光背景亮度、大气消光系数等参数也是天文观测台选址的重要依据[5]。世界著名的天文观测台有美国夏威夷岛的莫纳克亚天文台（Mauna Kea Observatory，海拔4205 m）、美国亚利桑那州的帕瑞纳天文台（Paranal Observatory，海拔2635 m）、西班牙加纳利群岛的罗奎克·德·罗斯·穆察克斯天文台（Roque de los Muchachos Observatory，海拔2396 m）、智利阿塔卡马沙漠的基特峰国家天文台（Kitt Peak National Observatory，海拔2096 m）、美国德克萨斯州的麦克唐纳天文台（McDonald Observatory，海拔2070 m）等，都选择在观测条件良好的高海拔地区。我国主要的天文观测台包括位于河北省的国家天文台兴隆观测基地、北京市的密云观测站、云南省的云南天文台丽江观测站等[6]，观测条件均较好。这些天文台的兴建，为天文科学研究取得了丰硕的观测成果。

通过对天文观测台台址气候背景的研究发现，天文观测台选址要求云量较低、大气湍流弱[7-8]、大气透明度高、风速较小、大气相对湿度较弱、大气中沙尘浓度低、日温差小等[9-12]。其中影响天文观测的主要气象因素包括：①温差太大，容易引起大气层结不稳定，造成局部湍流，从而降低观测数据的质量[13]；②云量过多、云层过低，阻碍天文观测中红外波段和毫米波段的电磁波的传播[14-16]，影响天文观测的观测精度；③大气中湿度、沙尘过大，一方面容易损毁天文观测仪器的镜面、滤光片，另一方面也增加了大气被电击穿从而损毁精密仪器的概率[17]，一般认为大气湿度的阈值不超过90%较适宜[5，18-19]。

我国青藏高原空气稀薄、辐射强、日照时数多、气温低[20]，一定程度上符合开展天文观测活动的条件。其中，位于青藏高原西北部、阿尔金山南麓、柴达木盆地北缘的冷湖地区属于典型的高原大陆型气候，平均海拔2800 m，年平均气温为3.00℃左右[21]，平均年降水量较小，显著低于其他地区[22]，同时大气中相对湿度低[23-24]，云量低、总云量主要以不到1成和不到5成为主[25]，沙尘日数较少[26]，适宜开展天文观测活动。受全球变暖影响，近些年来，该地区的气候变化呈现新的特征[27-30]，韩国军[31]研究指出青藏高原中部地区的气温呈现增加的趋势，且增温趋势要大于周边地区，而西藏西南部到青海东北部的降水显著增加，其余地区则呈现减少的趋势；李林等[32]指出青海北部柴达木盆地地区的是青藏高原气候变化的敏感区；李晓东等[33]研究表明截止到2013年冷湖地区气温上升趋势显著（0.40℃/10 a）、日照时数减弱（趋势约-90 h/10 a）、相对湿度增加（0.50%/10 a）的现象。因此，有必要在长时间序列观测资料基础上进一步研究气候增暖背景下，冷湖地区气候是否持续发生变化，以明确该地区在未来承担天文观测任务的可行性。

基于此，从气温—降水、云量—日照时数、沙尘—大风三个角度分析气象条件对天文观测的可能影响，首先分析冷湖地区观测资料来源并评估主要气象参数是否具备完整性和代表性，进而研究冷湖地区1961—2018年气象观测站资料中气温—降水、云量—日照时数、沙尘—大风等与天文观测直接相关的气象要素的长期变化特征，分析这些气象要素的变化对天文观测的影响。

1 数据与方法

所用资料为青海省气象信息中心的1961—2018年冷湖气象观测站逐月资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、降水、相对湿度、日照时数、云量、平均风速、大风日数、浮尘日数和扬沙日数资料，另选用冷湖附近地区茫崖、大柴旦气象观测站作为对比站分析冷湖站点的代表性，研究中利用表征相关程度的散点图、趋势分析、滑动t检验等数理统计方法对冷湖地区气候特征开展分析。在分析风速特征时，为消除仪器替换可能带来的影响，资料选用1970年以后的资料。

为了分析冷湖站点观测数据的完整性和代表性，利用距离冷湖站较近的茫崖、大柴旦气象观测站资料作为参考，研究不同站点资料的一致率[34]，检查数据一致情况。一致率的计算如式（1）、（2）。其中xi代表气象要素的时间序列，对各气象要素时间序列事先进行逐月距平处理，sx代表序列的标准差，k为系数，一般情况取k=2，统计量ai表示序列中数据超出标准差的k倍。对统计量ai进行求和，可以知道序列中排除异常值后的数目b，进而通过计算与样本量n的比值得到一致率Cr。

2 冷湖地区位置及观测数据完整性分析

图1为冷湖地区地形及气象观测点分布，图中散点分别代表冷湖（38°44′36″N，93°20′08″E，2770.8 m）、茫崖（38°14′59″N，90°51′07″E，2944.8 m）、大柴旦（37°51′08″N，95°21′10″E，3173.2 m）3个气象观测站点的位置，其中，茫崖站点位于冷湖站点以西约200 km，大柴旦站点位于冷湖站点以东约200 km。图2为3个站点各气象要素资料的一致率检查，当k=2时（图2a），气温（包括最高、最低气温）、相对湿度、日照时数、云量、风速、大风日数、浮尘（扬沙）日数的一致率几乎为100%，表明这些要素的数据分布均较为一致。降水的数据一致率约为60%，这主要是因为降水的分布一般不满足正态分布，故计算冷湖站点降水与茫崖、大柴旦的相关系数（图3a），分别为0.60和0.56（均通过0.01的显著性检验），表明冷湖降水与茫崖、大柴旦一致性较好；同时考察不同站点不同等级累计降水日数，3个站的降水均主要分布在0.00～4.00mm（图3b），且降水量越大、降水频次越低时，3个站的降水分布一致。另外，为进一步检查数据的一致性，取k=1时重新进行统计（图2b），各气象要素在站点间同样不存在显著差异性。以上分析结果表明：冷湖站气象观测资料完整性较好，与茫崖和大柴旦具有相同的分布特征。

图1 冷湖地区海拔高度及气象观测站点位置

图2 平均气温、最高气温、最低气温、降水、相对湿度、日照时数、云量、平均风速、大风日数、浮尘日数、扬沙日数数据一致率检查

图3 冷湖站点降水与茫崖、大柴旦站点降水的一致性分析

3 冷湖地区气候特征分析

3.1 气温、降水特征分析

图4a是冷湖地区平均气温逐年变化，浅蓝色区域表示最低气温和最高气温的范围，最低温增加的趋势为0.49℃/10 a，显著高于最高气温增加的趋势（0.18℃/10 a），而平均气温的增加趋势介于二者之间，为0.25℃/10 a。从概率分布来看（图4b），最低、最高气温的平均值分别为-5.31和11.88℃，而月平均气温的平均为3.04℃，表明冷湖地区近58 a来，气温较低。最高、最低气温差值（图4c）平均为17.19℃，并且呈现逐渐减小的趋势，减小趋势为-0.32℃/10 a（通过0.01的显著性水平检验）。温差与相对湿度呈现显著地负相关关系，相关系数为-0.42（通过0.01的显著性水平检验），其中平均相对湿度为29.42%。考虑到空气中湿度变化容易引起潜热的变化，从而引起气温的变化，因此进一步分析温差变化与相对湿度之间的关系。利用滑动t检验方法对气温进行突变检测（图5），结果表明在1998年前后，气温发生年代际转折，转折后的气温显著高于转折前。并且转折后气温差值由17.57℃减少为16.53℃，而相对湿度有所增加，转折前为28.84%，转折后为30.41%。同时也发现年代际转折以前的温差与相对湿度的相关系数为-0.40，转折之后相关系数降低至-0.35，表明温差变化和相对湿度之间的相关关系变弱。

图4 气温、相对湿度逐年变化及相互之间的相关关系

图5 不同时段气温和相对湿度的关系特征

图6为降水长期变化趋势，冷湖地区平均年降水量为16.83 mm，呈现弱的增加趋势（1.20mm/10 a），且存在一定的年代际变化特征，其中1960—1985年和1995—2018年两个时段的降水偏多、1985—1995年降水偏少。从不同季节来看，冷湖地区降水主要集中在夏季，平均降水量为12.52 mm，占全年的74.87%，其次是春季（1.93 mm，10.52%），秋季和冬季降水最少，平均降水量为1.62和0.76 mm（占全年降水百分比分别为9.20%和5.41%）。不同季节降水在1995年前后呈现年代际转折，具体表现为夏季降水减少（趋势为-0.45 mm/10 a）、秋季降水显著增加（趋势为0.79 mm/10 a），年代际转折之前夏季和秋季平均降水分别为13.42、0.42 mm，转折之后夏、秋季平均降水分别为11.25、3.30mm；冬季降水略有增加（趋势为0.14 mm/10 a），而春季降水趋势变化不明显（趋势为-0.06 mm/10 a）。从百分比来看，夏季降水由转折之前的82.57%减少至63.96%，而秋季、冬季和春季降水占全年降水百分比则由3.54%、4.03%和9.87%增加至17.21%、7.38%和11.45%。

图6 不同季节降水的逐年变化

综上所述，冷湖地区年平均气温较低，为3.04℃，存在一定的增加趋势（为0.25℃/10 a）；分析最高、最低气温的温差和相对湿度关系发现二者存在显著的负相关关系，但是在1998年年代际转折之后，相关关系变弱。冷湖地区年降水量较少，为16.83 mm，且主要发生在夏季，为全年降水总量的74.87%，在1995年前后发生年代际转折，转折之后夏季降水比例降至63.96%。冷湖地区整体气温偏低、降水量少，有利于大气层结稳定，从而减少湍流对光线波前畸变带来的影响，提升天文观测质量。

3.2 日照时间、云量特征分析

图7为冷湖地区日照时间，该地区月平均日照时长为286 h，超过大部分天文观测台的日照时数[39]，趋势为-5.18 h/10 a。滑动t检验表明，1990年前后日照时数出现年代际转折，转折前月平均日照时数为295 h，趋势为-6.67 h/10 a，转折之后月平均日照时数为277 h，趋势为1.97 h/a。平均云量较低（4.69成），云量与日照时数呈负相关，相关系数为-0.45（通过0.01的显著性水平检验）。云量在20世纪90年代末发生转折，云量与日照时数在转折之前相关系数为-0.62，转折之后为-0.40，转折后日照时数与云量的相关系数降低。总体来说，冷湖地区的日照时数较长、云量较低，20世纪90年代末发生年代际转折，转折之后日数时数、云量都呈现微弱的增加趋势，但二者相关系数降低。低云量、长日照时间，有利于天文观测进行。

图7 云量和日照时数变化特征

3.3 平均风速、大风日数、浮尘日数和扬沙日数特征分析

冷湖地区风速逐年变化（图8a），平均风速为3.89 m·s-1，长期来看呈现弱的减小趋势。1974年以前，风速持续增加，之后持续减小到1980年，再次逐渐增大至1987年，1994年以后风速变化幅度较小，其中转折前的平均风速为4.22 m·s-1，转折后的平均风速为3.55 m·s-1。平均风速的变化与大风日数（图8b）的变化一致，1974—1994年的大风日数年平均为76.14d，1994年以后减少至60.54 d。浮尘日数在1994年以后也呈减少的趋势，年平均浮尘日数在转折前为10.00d，转折之后为1.17 d。但是扬沙日数变化不显著，在1998—2000年出现连续3 a的大值（平均扬沙日数14 d），最多扬沙日数达到16 d（2000年）；2015—2018年扬沙日数也明显较大，平均扬沙日数为23.25d，最多扬沙日数达到26 d（2016年）。图9是逐月—逐年扬沙日数散点图，冷湖地区扬沙四季都有，但主要发生在春季，平均2.49d，而1998—2000年扬沙日数增加主要原因是春季扬沙日数增多，增至7.33d，2015—2018年扬沙日数所有季节均增加，其中春季、夏季增多最为显著，为8.25和6.50d，另外秋季和冬季也增至4.00和4.50 d。

图8 平均风速（a）、大风日数（b）、浮尘日数（c）、扬沙日数（d）逐年变化，灰色虚线代表各气象要素的平均值

图9 扬沙日数年变化特征（单位：d）

综合来看，冷湖地区风速平均在3.84 m·s-1左右，从长期变化看呈现弱的负趋势，尤其是20世纪90年代以后风速波动和大风日数均趋于稳定，浮尘天气显著减少，近几十年几乎为0 d。低沙尘、低风速的大气环境对于天文观测仪器的损耗较少，适宜建立天文观测站点。但值得注意的是，扬沙天气在近几年有增加的趋势，年扬沙日数为20 d左右。

4 结论

利用冷湖地区气象观测站点观测的气象资料，从气温—降水、云量—日照时数、沙尘—大风3个方面，研究了气象要素的年代际变化特征及对天文观测的影响情况，得出以下结论：

（1）冷湖地区年平均气温为3.04℃左右，增温趋势为0.25℃/10 a，其中最低气温增温趋势高于最高气温增温趋势，二者的温差逐渐缩小；温差还与相对湿度存在显著负相关。冷湖地区年降水量为16.83 mm左右，且降水主要发生在夏季，在1995年以后出现年代际转折，转折之后的夏季降水占比减少，分摊至其他季节。低气温、降水有利于维持冷湖地区大气层结稳定，对流、湍流少发有利于提升观测数据的质量。

（2）冷湖地区日照时数年平均为3432 h，在1990年前后出现“先减少、后增加”的年代际转折，转折之前年均日照时数逐渐减少、之后呈现显著增加趋势；日照时数与云量呈现显著负相关关系，但是在1990年以后，相关关系减弱。弱的云量和较多的日照时数表明冷湖地区拥有较长的观测窗口期，并且低云量也有助于电磁波的传播、提升观测精度。

（3）冷湖地区平均风速约4 m·s-1，1994年以后平均风速和大风日数略有减弱，浮尘日数显著减少，近几十年，浮尘日数几乎为0d，但是扬沙日数在2015年以后呈现增加的趋势，其中2015—2018年，平均扬沙日数为20 d。较低的风速、较低的浮沉（沙尘）有利于天文观测的长期维持，同时降低观测仪器的损耗，能够保持较高的天文观测精度。

综上所述，冷湖地区自1961年来，气温较低且温差在逐渐减小，长期保持低雨量、低相对湿度、云量少、低沙尘的气候特征。在20世纪90年代前后，气象要素发生年代际变化，气温略增加，降水在全年的分配发生变化，年平均风速减小，由此引起的浮尘日数也减少，云量减少，日照时数增加，但仍然保持在较低的水平，有利于维持大气层结稳定，减少湍流的影响，同时较低的云量也有利于红外波段、毫米波段电磁波的传播，提升天文观测的精度，而低风沙的天气则能够显著降低天文观测仪器的损耗，增加使用寿命，这些气象条件及长期变化特征均表明冷湖地区是一个理想的天文观测候选址点。