楊萍 肖子牛 劉偉東
1 中國氣象局氣象干部培訓學院,北京 100081
2 中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089
氣溫不僅是氣候系統的重要表征指標,也直接影響人們的日常生活和生態環境,因此,日最高、最低氣溫以及氣溫日變化的特征受到了廣泛的關注和重視(王旻燕等,2005;唐國利等,2006;吳凌云等,2011)。
日變化是氣候的基本特征之一,日最高溫度、最低溫度出現時間的遲早與水汽蒸發、凝結等大氣物理過程的關系十分緊密,是判斷寒潮、霜凍、高溫、冷害等極端氣候事件的重要指標,氣溫日變化速度的快慢對于進一步認識日變化與天氣變化的關系、提高氣溫逐時預報的準確性、延長預報時效將有很大的幫助,該方向的研究對準確認識氣溫的極值特征有十分重要的作用,同時,對全球和區域性氣候變化、地氣之間的能量轉化、大氣的化學成分、濃度的變化等方面的日變化和極值出現時間的研究都有重要的指示作用(楊玉華等,2003;Chudnovsky et al., 2004;徐陽陽等,2009)。
受太陽輻射日變化的影響,近地面氣溫一般在14時(北京時,下同)至15時出現最高值,日出前后出現最低值,氣溫在日出后升溫較快,夜間溫度變化漸緩,但是,地表狀況的差異、天氣狀況的不同等因素使日最高最低氣溫的出現時間以及變溫速率受到一定程度的影響(呂達仁等,2002;任國玉等,2005;趙娜等,2011)。城市化進程導致城市的下墊面的改變及城市熱島環流的形成,從而影響著日最高最低氣溫的出現時間以及氣溫的日變化速率(Peterson et al., 1999)。目前,城市化進程帶來的城市熱島效應的研究已有很多,尤其是城市和郊區在氣溫方面的差異對比研究已經相當成熟(Saaroni et al., 2000;張朝林等,2007;林學椿等,2009),近些年,我國自動氣象站的擴建給中國城市氣候的精細化研究帶來了可能性。丁金才等(2001)根據上海地區加密觀測資料,對上海地區高溫分布特征進行了診斷分析,胡文志等(2009)基于香港城郊代表站點的小時資料,對比了城郊站點的氣溫和相對濕度差異的日變化和季節變化,李興榮等(2010)基于深圳自動觀測站的資料,分析了深圳不同下墊面的小氣候區夏季典型晴天的溫濕及舒適度特征。從已有研究來看,利用自動氣象站小時資料對區域氣候進行日變化特征的研究還不太多,其原因是觀測資料在時間和空間上的密度還很不足,很難對區域氣候的精細特征進行系統的分析和診斷。
為了了解城市化對北京氣候的影響,本文基于北京地區2007~2010年67個自動氣象站逐小時氣溫觀測資料,通過統計北京城區和郊區觀測站日最高、最低氣溫出現時間以及不同時間間隔變溫的大小,認識城區和郊區日極值氣溫出現時間、變溫的日變化規律,以及其在不同區域、不同季節的差異性特征等,可為城市化效應對北京地區城郊日變化差異的分析提供細致的分析信息,從而為準確認識極值事件以及精細化預報提供參考依據。
北京地區自1998年開始建立自動氣象觀測網,經過 10多年的建站和發展,已經形成了一個時間上和空間上都較為密集的自動氣象觀測網,截至2010年,已有加密自動氣象觀測站100多個。楊萍等(2011)構建了北京地區逐小時氣溫觀測資料的質量評估流程,對北京地區逐小時氣溫觀測資料的完整性、準確性和可靠性進行了定量化的評估,利用鄰近站點的數據對少量的缺測值進行空間插補,形成了一套質量較高的小時氣溫數據集。在數據集的構建中,充分考慮海拔高度等因素對溫度值的影響,如在空間一致性方法進行錯誤數據識別以及采用空間插值方法對缺測數據進行插補時,均充分考慮了海拔高度對氣溫的影響,以確保數據集能夠更加客觀和接近于真實狀態。本文所用資料來源于這套數據集中2007~2010年67個站點逐小時的氣溫資料,其中,城區站點30個,分布于東城、西城、海淀、朝陽、石景山、豐臺等主城區,去除了城區中自動站附近下墊面景觀相異(如公園、水域等)的站點。郊區站點 37個,分布于昌平、懷柔、密云、平谷、門頭溝、房山等遠郊區和山區,去除了明顯城市化的近郊區域和城鎮(如順義、大興、通州)站點。
在給出北京地區城區、郊區站點平均溫度日變化特征的基礎上,通過對最高、最低溫度等表征日變化特征出現時間的概率分布,分析了城市環境對溫度日變化的影響。具體方法為:利用出現率(出現次數/總次數)來表征日最高(低)溫度在各時次出現的概率,統計了城區和郊區代表站點及區域平均的全年和季節日最高溫度(最低溫度)出現時間的概率分布特征,并分季節對城區和郊區不同單位時間內的變溫的年平均特征及其季節變化進行了分析,具體包括1小時變溫、3小時變溫、6小時變溫三種情況,t時刻的變溫值用 Δ xt= xt- xt-k( k=1,3, 6)表示。分季節研究中,選取典型月份1月、4月、7月、10月分別代表冬、春、夏、秋季進行研究。
人們很早就注意到,局地環境和下墊面特征不僅對氣溫有重要的影響,也對其日變化有重要影響,以下我們將給出北京地區城、郊日變化特征,并對這種日變化的概率分布特征進行分析。
圖1給出了不同季節下城區和郊區的日變化特征。圖1的結果顯示,由于城、郊周邊環境的不同,不僅在溫度值上存在明顯差異,而且日最高(最低)溫度的出現時間有較大不同,日最高溫度的出現時間除了春季城區和郊區出現時間一致(15時)外,其他各季城區均較郊區出現時間滯后1小時。而日最低溫度的出現時間上季節差異明顯,但城區和郊區最低氣溫出現時間在春、夏、秋三季是一致的,只有冬季城區早于郊區,城區最低氣溫出現在 07時,郊區則滯后1小時。從圖1中已經看到了日極值溫度的出現時間上存在著城郊差異和季節差異,而事實上,最高(最低)溫度出現的時間是日變化中最重要的特征,過去人們主要分析每個區域最高(最低)溫度平均的出現時間,對其分布狀況或偏離程度的關注不多,最高(最低)溫度出現時間的概率可以表征氣溫日變化形態的概率分布特征。因此,對最高(最低)出現時間的概率分布的認識,可以深化對氣溫日變化特征的了解,也可以為精細化天氣預報提供氣候背景知識。
圖2給出了城區和郊區代表站點最高、最低溫度出現率的日分布特征。其中,圖 2a為城區十個代表站點(天安門、官園、十八里店、玉淵潭、新發地、和平西橋、玉泉營、豐臺體育館、順義、觀象臺)最高溫度出現率的日分布特征,圖 2b為郊區代表站點(張坊、新莊、菩薩鹿、龍慶峽、舊縣、九渡河、云蒙山、佛爺頂、上甸子、霞云嶺)最高溫度出現率的日分布特征,圖 2c為城區代表站點(站點名同圖2a)最低溫度各時次出現率的時間分布特征,圖2d為郊區代表站點(站點名同圖2b)最低溫度各時次出現率的日分布特征。

圖1 城區(實心點線)和郊區(空心點線)溫度日變化特征:(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.1 Diurnal temperature changes in urban (solid point) and rural (hollow point) areas:(a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter
由圖2可以看出,城區代表站點日最高溫度最大出現率的時次均為15時,占出現率的35%以上,最低溫度最大出現率的時次均為 06時,占出現率的25%~30%;而郊區代表站點日最高溫度最大出現率的時間比較分散,位于14時或15時,占出現率的比率基本上低于35%,其日最低溫度最大出現率的時次位于05時或06時,占出現率比率在20%到28%之間。對比城區和郊區的日變化曲線,發現城區最高、最低溫度各時次出現率的日變化曲線非常一致,近乎重合(圖2a和圖2c),郊區最高、最低溫度的日變化曲線明顯較為分散(圖2b和圖2d)。一方面說明城區不同站點最高、最低溫度最大出現率的時間與郊區相比更為集中,即城區站點之間具有較好的時間一致性,另一方面也說明城區各站點最高、最低溫度最大出現率與郊區各站點相比占有更高的比率,最高(低)溫度的出現時間更為集中。
不同站點最高(低)溫度最大出現率的時間一致性差別,可能與城區和郊區局地下墊面環境的差異有關。北京城區位于平坦地域,地形差異不大,且市區基本以房屋建筑、水泥地面等為主,具有比較一致的下墊面和周邊環境,因此最高、最低溫度出現時間的概率分布曲線比較一致,最大概率出現時間基本一致。相比之下,郊區的下墊面性質迥異,下墊面性質的不同使其具有不同的熱容量,導致對自然輻射加熱的響應時間有別(劉樹華等,2002;劉熙明等,2006),且郊區站點局地環境和地理位置差異也相對較大,日變化特征就會表現出較大的差異性。
為了說明城、郊最高(最低)溫度出現時間的差異性,進一步對比城區和郊區最高、最低溫度出現率的特征。圖3給出了城(郊)區所有站點最高(低)溫度出現率的逐小時變化情況。與郊區相比,城區最高、最低溫度的出現時間更集中于最大出現率的時刻,這與圖2的結果一致。此外,城區最高溫度出現的時間傾向偏晚,最低溫度出現時間趨于偏早,這可能是由于白天城區氣溶膠含量較高,對太陽輻射的散射較強(Ohashi et al., 2002),其輻射加熱產生滯后效應,因此最高溫度出現時間偏晚,而夜間到凌晨城區太陽輻射開始啟動加熱的時間相對偏早,導致最低溫度出現時間偏早。

圖2 城區典型代表站點最高溫度(a)、最低溫度(c)和郊區典型代表站點最高溫度(b)、最低溫度(d)出現率的時間分布Fig.2 Time distribution of (a, b) maximum and (c, d) minimum temperature occurrence rate at typical stations in (a, c) urban and (b, d) rural areas

圖3 城區(實心點線)和郊區(空心點線)最高溫度(a)與最低溫度(b)出現率的逐小時變化Fig.3 Hourly variations of (a) maximum and (b) minimum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas
圖4和圖5分別給出城(郊)區最高、最低溫度逐時出現率的各季節平均狀況。從圖 4a–d中可見,各季節最高溫度出現率的分布特征曲線盡管有差異,但基本形態和年平均的情況類似。對最高溫度出現的時間,城區比較集中,最大出現率占的比例較高,最高溫度出現時間偏晚于郊區。其中秋、冬兩季最為集中,最大概率占的比例超過了45%,春、夏季較為分散,最大概率占的比例不超過 35%。對最低溫度出現時間,其各季特征也比較一致(圖5a–d),城區比郊區集中且偏早于郊區,出現時間趨于偏早。最低溫度的最大出現率對應的時次冬季最晚(城區08時,郊區07時),秋季次之(07時),春季較早(06時),夏季最早(05時)。其中春、夏兩季最為集中,最大概率占的比例超過了45%,秋、冬季最低溫度出現時間較為分散,尤其是冬季城郊差別很大,城市的特征曲線比郊區更加分散,這很可能是由于冬季取暖增加了氣溶膠效應有關(徐祥德等,2005)。上述結果與天氣過程的影響可能存在著較為密切的關系。如夏季可能受到降水過程的影響,而冬季會常常伴隨不同時間的冷空氣過程。

圖4 城區(實心點線)和郊區(空心點線)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)最高溫度出現率的逐小時變化Fig.4 Maximum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

圖5 各季城區(實心點線)和郊區(空心點線)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)最低溫度出現率的逐小時變化Fig.5 Minimum temperature occurrence rate in urban (solid point) and rural (hollow point) areas in (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter
變溫是指單位時間間隔內溫度的變化幅度,是天氣變化強度的重要指標,同時變溫也會對人體健康產生重要的影響。除了平均日變化的晝升夜降的特征外,本節將深入分析不同單位時間內城區和郊區變溫的差異及其隨季節的變化規律。
圖6給出了不同時間間隔下氣溫變化幅度的曲線,具體包括1小時變溫(圖6a)、3小時變溫(圖6b)和6小時變溫(圖6c)年平均的日變化特征曲線。從圖中可以看到,城區和郊區最大變溫出現時間一致,但無論是基于多長的單位時間,城區變溫的幅度均小于郊區。最大變溫出現的時間隨著間隔時段的增加而增大,最大變溫的大小和太陽輻射急劇變化相關,即和日出、日落變化的時間相關聯,而最高溫度和最低溫度的出現時刻具有滯后效應。1小時、3小時、6小時的最大正變溫出現時間t時刻分別為09時、11時、13時,對應的最大負變溫出現時間分別為18時、20時、22時。從圖中還可見,與正變溫相比負變溫是一個較為緩慢的過程。

圖6 城區(實心點線)和郊區(空心點線)氣溫變化的日變化規律:(a)1小時變溫;(b)3小時變溫;(c)6小時變溫Fig.6 Diurnal variation of temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) For 1 hour; (b) for 3 hours; (c) for 6 hours

圖7 城區(實心點線)和郊區(空心點線)1小時變溫的日變化曲線:(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.7 Diurnal temperature variation for 1 hour in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter
1小時變化的日變化特征中(圖7),城區的整體變溫幅度小于郊區,春、秋和冬季變溫幅度較大,夏季變溫幅度最小,其中郊區秋季最大正(負)變溫幅度均超過2.5℃,城區超過1.5℃,而夏季最大正(負)變溫幅度均在1.5℃左右,城區在1.0℃左右。就城區而言,春秋兩季日平均變溫值(負變溫取其絕對值)幅度相對較大,其絕對值分別為0.76℃(春)和 0.72℃(秋),冬夏兩季變溫幅度相對較小,其絕對值分別為0.55℃(冬)和0.59℃(夏)。與之相比,郊區的平均變溫值高于城區,秋季變溫值最大,達到0.86℃,春季次之(0.85℃),冬季更小(0.76℃),夏季最低(0.68℃)。
此外,正負變溫的不對稱性特征在1小時變溫曲線中非常明顯,以春季為例,正變溫過程始于07時,到08時就達到峰值,即僅用1小時左右就完成了正變溫過程,而負變溫過程始于14時,到17時方到達負變溫峰值,該過程用了3小時的時長。可見,1小時變溫過程中,負變溫過程比正變溫要平緩很多。
與1小時變溫結果相比,3小時變溫(圖略)正負變溫過程開始至最大變溫峰值所需要時間的差別不大,3小時最大正變溫發生時次冬季偏晚(11時),其余季節均最大正變溫發生時次均在10時,最大負變溫發生時次春夏季偏晚(20時),秋冬季偏早(19時)。6小時(圖略)變溫相對比較均勻,沒有明顯的跳躍過程,這說明劇烈的變溫過程(尤其是正變溫)實際上是在3小時甚至是1小時以內完成的。
為了進一步對比一天溫度的變化中,多長時效的變溫占據日氣溫變化的主要貢獻,結合前文的結果,表1給出了1小時、3小時、6小時全年平均以及各季的最大變溫速率。

表1 城區和郊區年平均和季節的最大變溫速率(單位:℃ h–1)Table 1 The average maximum climate rate of temperature variation in urban and rural areas per year and in four seasons (°C h–1)
可以看到,1小時和3小時最大變溫速率的改變不大,如夏季城區的變溫速率在1小時變溫和3小時變溫中只相差了0.06℃,而6小時變溫和3小時變溫相比,速率相差了 0.3℃,可以推斷,平均的最大增溫主要是發生在3小時之內,而3小時以后,增溫速率已經和平均增溫速率相差無幾。
圖8給出了1小時、3小時、6小時最大正變溫出現時間出現率的日變化特征。可以看到,不同變溫條件下城郊最大變溫出現率的日變化曲線有所差別。1小時城區最大正變溫出現率曲線右偏,這可能與城區氣溶膠較多,熱容量較大有關系;3小時最大變溫的出現時間最為集中,最大概率時間為 10時,城區的峰值大于郊區,城區最大概率時間占到比例超過了40%。
類似地,圖9給出了最大負變溫出現時間的結果。可以看到,負變溫出現率曲線比較分散,1小時最大負變溫最大概率所占比例不超過20%,城區僅為15%,與郊區相比,城區最大降溫的時間偏早于郊區。而3小時以上變溫出現率曲線為右偏,最大負變溫出現時間隨單位時間的延長而趨于集中,最大出現概率所占的比例郊區超過25%,且郊區大于城區。從圖中可以注意到,負變溫過程是相對緩慢過程。
圖10給出了不同季節1小時最大正變溫出現時間概率分布。可以看到,冬季1小時最大變溫出現時間最為集中,春秋次之,夏季最為分散。冬季郊區出現時間的最大概率所占比例超過35%,而夏季僅為15%左右。該結果的可能原因是夏季天氣過程多于冬天。從最大正變溫的概率分布曲線的形態看,秋、冬季城區概率分布曲線比郊區概率分布曲線呈現左偏,而春、夏季則呈現右偏的特征,其中以夏、秋兩季的偏度最為明顯。秋季城區最大概率分布曲線比郊區左偏,與李興榮等(2008)研究北京秋季城市熱島效應的結果一致,其原因主要是由于秋季北京地區水汽含量較小,城市清晨“干島”效應突出,日出后太陽輻射的加熱作用使市區地面氣溫上升的速率和幅度均更大的緣故。夏季水汽含量相對較大,城區的氣溶膠、污染等較重,熱容量較大,因此太陽輻射的增溫效應城區較慢,顯示為右偏特征。3小時變溫、6小時變溫的季節差異基本類似(圖略)。

圖8 城區(實心點線)和郊區(空心點線)最大正變溫出現時間出現率的日變化:(a)1小時變溫;(b)3小時變溫;(c)6小時變溫Fig.8 Occurrence rate of maximum positive temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas:(a) For 1 hour;(b) for 3 hours;(c) for 6 hours

圖9 城區(實心點線)和郊區(空心點線)最大負變溫出現時間出現率的日變化:(a)1小時變溫;(b)3小時變溫;(c)6小時變溫Fig.9 Occurrence rate of maximum negative temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas: (a) For 1 hour; (b) for 3 hours; (c) for 6 hours

圖10 城區(實心點線)和郊區(空心點線)1小時最大正變溫出現時間:(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.10 Occurrence rate of maximum positive temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas for 1 hour: (a) Spring; (b) summer;(c) autumn; (d) winter

圖11 城區(實心點線)和郊區(空心點線)1小時最大負變溫出現時間:(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.11 Occurrence rate of maximum negative temperature increment in urban (solid point) and rural (hollow point) areas for 1 hour: (a) Spring; (b) summer;(c) autumn; (d) winter
圖11給出了1小時最大負變溫出現時間概率分布的季節差異。城郊1小時最大負變溫出現率峰值的分布時次在夏、冬兩季有較明顯的差別,夏季和冬季城區較郊區均早1個時次(夏季城區22時,郊區 23時,冬季城區 17時,郊區 18時),春秋季城郊出現率峰值的發生時次一致,春季為19時,秋季為 18時。城區較郊區發散,秋季最為集中,冬夏次之。秋季曲線中郊區最大概率所占的比例超過40%,城區超過30%,而春季郊區僅在20%左右,城區在15%左右。最大負變溫出現的平均時間主要受日落時間影響,但天空狀況變化對輻射冷卻的影響,以及冷空氣的入侵活動將使之發生偏移。春季冷空氣活動頻繁,氣溫波較大,使最大負變溫的出現在各個時次的隨機性增大。秋季最大負變溫出現時間的概率分布為什么最為集中,其原因有待進一步研究。最大正、負變溫出現的時間均表現出郊區比較集中的特點,表現了城市熱容量比郊區大(劉樹華等,2002;劉熙明等,2006),且具有更多變化的復雜性。
本研究基于北京地區自動氣象站逐小時氣溫觀測資料,得到了城區和郊區日極值氣溫出現時間以及氣溫變化快慢的總體規律和季節特征,主要結論如下:
(1)城區站點最高(低)溫度最大出現率的時次更加集中,而郊區相對分散,且城區不同站點最高(低)溫度出現概率的日變化曲線也非常一致。與城區代表站點相比,郊區最高(低)溫度不同站點日變化的差異性也更大。說明城區站環境的差異性比郊區小,平均熱容量則比郊區大。
(2)城區最高溫度出現的時間較晚,可能原因是城區白天氣溶膠含量較高,導致城區輻射加熱的滯后效應所致,而最低溫度出現的時間城區偏早于郊區,可能因為晚上到清晨郊區的水汽含量比城區大,太陽輻射開始啟動加熱的時間相對城區較晚。城郊溫度日變化的不同特點,和城市的熱島效應、干島效應有密切關系。
(3)城區的整體變溫幅度小于郊區,春、秋和冬季變溫幅度較大,夏季變溫幅度最小,其中郊區秋季最大正(負)變溫幅度均超過 2.5℃,城區超過1.5℃,而夏季最大正(負)變溫幅度均在1.5℃左右,城區在1.0℃左右。最強的變溫過程一般在3小時以內,其中正變溫是比較急劇的過程,負變溫相對比較緩慢的過程。
(4)最大正變溫出現的時間在冬季最為集中,夏季最為分散;而最大負變溫概率在秋季最為集中,在春季最為分散。從變溫的特征可以看到,最大正、負變溫出現的時間均表現出郊區比城區更為集中的特點,表現了城市熱容量比郊區大,且具有更多變化的復雜性。
由于受到城市熱島、復雜環境、地理位置、多樣性地形、天氣系統等多重因素的影響,城區和郊區的氣溫日變化特征值得研究的方面很多。本文僅僅是對北京城區和郊區的日變化平均情況進行了多方面的統計和分析。事實上,地理位置、地形條件不同的郊區站之間日變化特征有何差別、晴空條件、有云條件、降水降雪條件等天氣系統影響下的日變化特征有何差別,這些方面的問題都值得在后續工作中進行更加深入和系統性的研究和探討。
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