福州高空站新旧址地面气象要素对比分析*

孙 玮 林 文 刘祥金 张华琳 游立军 郑文君

(1.福建省气象台,福建 福州 350000;2.福建省气象科学研究所,福建 福州 350000;3.福建省气象信息中心,福建 福州 350000)

1 概述

福州高空气象观测站于1952年10月建站,位于福州市鼓楼区乌山路108号(市中心小山顶),纬度26°05′N,经度119°17′E,与福州国家基准气候站同址,区站号均为58847。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,福州高空气象观测站所在的乌山风景区保护和开发问题得到各级政府的高度重视,按照《福州历史文化名城保护规划》要求,乌山所有驻山单位应逐步搬迁,实现“还山于民”。2018年,福州高空气象观测站迁往福州市仓山区建新镇淮安山(市郊区小山顶),纬度26°06′N,经度119°14′E,福州国家基准气候站仍保留在旧址,两站相距约6km。为满足高空探测需求,福州高空气象观测站新址建立了一个区域站(站号F1038),承担了气压、气温、湿度、降水量、风向、风速等部分地面区域站气象要素的观测[1-2]。

因高空站迁站使其与国家基准气候站分离的情况较为罕见,58847站的气象观测数据能够反映福州特别是福州城市中心的气象要素特点,而F1038站位于城市郊区,其观测数据能代表福州城郊的气象要素特征,两站气象要素的对比可以为分析福州城市化发展对气象要素的观测影响提供一些参考[3-4]。同时,由于58847站属于国家基准气候站,有备份站以保障气象业务在紧急情况下能够正常运行。而F1038站作为区域站,没有备份站,并且区域站在保障方面仍存在一些问题[5]。当数据出现缺测时,由于探测环境的改变会使两站气象要素出现不同[6],若是直接使用58847站数据代替则会出现一定误差。若两站气象要素的变化具有一致性,那么后续可以通过大量同步观测的气象要素来对两站资料进行订正,实现两站观测数据的互通。

本研究将通过对福州高空气象观测站旧址和新址两地气象站(58847站和F1038站)同步观测的1年地面气象数据资料进行对比,分析两站气象要素的相关性,并探讨两站出现差异的原因,为后续研究福州城市化影响及两站数据订正等工作提供参考。

2 站点情况及数据处理

2.1 站点情况

如图1所示,福州高空气象观测站旧址(58847站)位于福州市中心,观测场四周5km内全部为建筑区,5～10km为建筑区与水体共存,10～20km为山地和农田。福州高空气象观测站新址(F1038站)周边2km范围内用地主要为农林用地、水域、绿地、居住用地、教育科研用地、商业服务业设施用地等,观测场位置在福州中心城区南台岛北部淮安山上,处于三江交汇地区。

图1 58847和F1038站点位置及周边环境示意图

2.2 数据处理

本文使用的资料为58847站和F1038站并行观测的逐小时正点资料,起止时间为2020年12月1日21时至2021年11月30日20时,包括气压、气温、相对湿度、降水量、风向和风速六个要素,风向和风速使用的是10min平均风数据,数据采集频率均为1h,数据经过福建省气象信息中心质量控制,可以直接使用。本文在计算日平均时,若一天中缺测时次超过6次,则当日平均按缺测处理。

3 气象要素分析

3.1 气压

两站间的气压变化具有很好的一致性,全年日平均气压相关系数为1.00(通过P<0.01置信度检验)。由于两站所处海拔高度不同,F1038站海拔为110.9m,高于58847站的84.1m,因此,58847站气压始终高于F1038站。58847站与F1038站的月平均气压差值在2.7～3.8hPa,月平均最低气压差值在2.5～2.9hPa,月平均最高气压差值在2.8～3.0hPa,两站的最低、最高气压出现月份一致,7月气压最低,12月气压最高(表1)。

表1 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月气压

3.2 气温

在观测资料所显示的一年中,全年两站日平均气温相关系数为1.00(通过P<0.01置信度检验),相关性强。除3月外,F1038站的月平均气温都低于58847站(表2)。一方面是因为F1038站海拔较高,海拔越高,气温越低,另一方面是58847站位于市区中心,由于热岛效应会使城区气温高于郊区[7]。两站月平均气温差值在-0.3～0.6℃之间,温差较小,月平均最低和最高气温差值分别为0.1～1.1℃和-0.2～0.9℃,最低、最高气温出现月份一致,分别在1月和7月。

表2 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月气温

3.3 湿度

58847站和F1038站相对湿度的变化趋势一致,两站全年日平均相对湿度的相关系数为0.95(通过P<0.01置信度检验),相关性较好。两站全年平均相对湿度分别为74.5%和74.2%,3月F1038站平均湿度比58847站高4.2%,5、6月F1038站比58847站分别低3.5%和3.8%,其余各月相对湿度大小相当,两站最小相对湿度平均值均出现在1月(见表3)。

表3 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月平均相对湿度

3.4 降水量

全年两站日总降水量的相关系数为0.92(通过P<0.01置信度检验),相关性较好。由于两站地理条件的不同,相对于气压和气温两站降水量相关性会弱一些,特别是降水量大的时候,两站差异会更大。图2为58847站日总降水量(R58847)和F1038站日总降水量(RF1038)分布,其中降水量的分布有两个偏差较大的点(图中箭头处),经数据查找,分析表明偏差分别来自58847站2021年6月11日18—20时和F1038站2021年9月23日13—15时出现的局地性暴雨,这两次暴雨发生时另一站点均无降水,因此两站降水量出现差距较大的现象。

图2 2020年12月至2021年11月58847站和

两站降水量之间的季节变化规律较不明显,第一季度降水集中在夜间,第二季度降水集中在日落前后,而第三、四季度无明显规律,这两个季度也是台风多发的时段,降水规律性不强。图3为两站降水量差值的日变化,可以看出,第四季度两站降水量差值最小,第二、三季度在午后到夜间降水量出现较大差值。两站降水量日变化在13—20时相差较大,且降水量大值也出现在这段时间,这可能是暴雨大多出现在这个时段,局地性的暴雨导致了两站降水量出现较大差值。由于降水系统一般是自西向东移动,降水日变化的差异更可能是因为58847站在F1038站的东面,降水出现了时间上的错位,降水更早出现在F1038站。5月和8月是全年降水量最高的两个月,F1038站全年总降水量为1372.4mm,低于58847站的1440.1mm。

图3 2020年12月至2021年11月58847站和

3.5 风向和风速

将风向均等分为16个方位(例如,E方位表示78.75—101.25°的风向,中心风向为90°),分别从风频(该站点某个方向出现风的次数占全年次数的比例)相关系数和风向一致率(见表4,表中相关系数均通过P<0.01置信度检验)对两站风向进行分析。其中,风频相关性表示当月两站各方向风频之间的相关性,风向一致率表示当月在同一时段内两站间风向的一致程度。在分析风频一致性时去除了两站静风数据,且若两站风向互相处于相邻的两个方位内,则将两站风向视为一致。例如,某一时刻58847站风向为N,F1038站风向为NE,此时认为两站风向一致。两站1—8月主要以SSE和WNW为主导风向,9—12月主要以NE和WNW为主导风,两站风频在7—8月相关性较差,其余月份风频相关性良好,这可能与7—8月出现的台风有关,这段时间共有3个台风登陆我国,并且都影响了福建。

表4 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站各月的风频相关性及风向一致率

风向一致率可以判断同一时刻两站之间风向的一致情况(见图4,将图中黑色斜线路径上的风向分布概率进行积分即可得到风向一致率),从表5可以看到两站的风向一致性在3—5月、10—12月较好,其余各月都比较差。这一方面由于使用的对比观测资料较少,结论可能具有一定的偶然性,另一方面则与两站的地理环境差异有关。地形对局地风向有较大的影响,位于城区中心的58847站和处于三江口的F1038站都会受到山体、水体和城市效应的影响。F1038站点所处位置海拔高,且三面环江,经常形成小气候,因此,风向规律性较差。而风频则与环流背景有关,受地形影响较小,风频相关性会比风向一致率高。

(a)2020年12月(b)2021年1月(c)2021年2月

(d)2021年3月(e)2021年4月(f)2021年5月

(g)2021年6月(h)2021年7月(i)2021年8月

(j)2021年9月(k)2021年10月(l)2021年11月

表5为两站月平均风速统计表。F1038站在3月有12天存在数据缺测,不参与统计,表中相关系数均通过P<0.01置信度检验。可以看出,1—5月、9—12月F1038站平均风速较大,6—8月58847站平均风速略大于F1038站,58847站与F1038站的全年平均风速分别为1.67m/s和2.12m/s,相差较小。除6月外,F1038站的最大风速更大,并且在4月、8—9月两站最大风速相差较大。58847站和F1038站的月最大风速平均值分别为6.95m/s和7.58m/s,F1038站点四周相比于58847站更空旷,因此容易出现较大的风速。通过对两站各月风速的相关性分析可以看到,1月、5月、8月两站风速相关性较差,其余各月相关系数均在0.7以上,全年风速相关系数为0.67(通过P<0.01置信度检验)。由于本文仅使用了1年的风速数据,结果偶然性可能较大,后续两站风速一致性的研究还需要更多数据来进行分析探讨。

表5 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月风速

4 结论

通过对两站并行观测2020年12月1日21时至2021年11月30日20时的逐小时正点资料分析,从两站的气压、气温、湿度、降水量、风向和风速的对比可以看到,两站气压、气温、湿度、降水量的相关性较好,全年相关系数分别为1.00、1.00、0.95、0.92,风向和风速会因局地天气过程和受地形影响,使两站出现差异。

①由于两站的海拔高度不同,58847站点海拔高度低于F1038站,因此气压始终高于F1038站;海拔差异和城市热岛效应使58847站平均气温高于F1038站,且在1—7月、12月58847站的气温日较差大于F1038站,其余月份则相反,两站全年平均相对湿度差异较小。

②F1038站的全年降水量低于58847站,两站降水量的季节变化规律较不明显,局地性的暴雨会使两站降水量出现较大差值。

③除7—8月外,两站风频相关性较好,但两站风向一致性较差,出现差异的原因主要是地形及下垫面性质不同导致。F1038站的月平均风速除6—8月外,其余均大于58847站,月平均最大风速和月最大风速基本都是F1038站更大。