探測環境變化對西安站氣溫的影響分析

李亞麗

(陜西省氣象信息中心，陜西西安710014)

地面氣象觀測作為氣象觀測的重要組成部分，系統地、連續地觀察和測定地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程，其記錄是天氣預報、氣象信息、氣候分析、科學研究和氣象服務的重要依據。而近地面層的氣象要素存在著空間分布的不均勻性和隨時間變化的脈動性，因此要求地面氣象觀測記錄必須具有代表性、準確性、比較性。為了滿足氣象觀測記錄的“三性”要求，觀測記錄不僅要反映測點的氣象狀況，且要反映測點周圍一定范圍內的平均氣象狀況。作為取得地面氣象資料的主要場所，地面氣象觀測場必須符合觀測技術上的要求，地點應設在能較好地反映當地較大范圍的氣象要素特點的地方，避免局部地形的影響。良好的開闊狀態和代表性的探測環境是決定氣象數據代表性的關鍵因素。探測環境對多數氣象要素的觀測，特別是溫度、風、能見度等的觀測影響巨大［1］。《中華人民共和國氣象法》及《氣象探測環境和設施保護辦法》等中針對地面氣象觀測場的周圍環境也提出相應的技術要求。

近年來，隨著社會經濟發展，城市化進程不斷加快，一些原本處于開闊地段的各級氣象臺站逐漸被密集的高大建筑群所包圍，一些研究將氣溫升高的原因歸結為城市的熱島效應(或城市化)［2-4］。筆者在此結合西安站的臺站元數據，分析西安站的氣溫變化，以期對探測環境變化對氣溫的影響做出初步的分析。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 據查西安氣象臺站元數據，西安國家一般氣象站于民國1931年10月1日建站，經過1950、1954、1956、1959年的4次站址遷移，于1959年1月1日遷移至現址—西安市北郊肖家村(34.30°N、108.93°E)，海拔高度397.5 m。西安站分別作為氣候所、氣象臺、國家基本氣象站、國家基準氣候站、國家一般氣象站在不同歷史時期承擔著不同的觀測任務和作用，為氣象觀測工作做出了不可埋沒的貢獻。

2006年西安國家基準氣候站的觀測任務與涇河國家一般氣象站交換，2005年建站的涇河國家一般氣象站位于西安市涇河工業園涇渭一路(34.43°N、108.97°E)，海拔高度410.0 m。西安站2006年起承擔國家一般氣象站的觀測任務，自動站單軌運行，作為國家一般氣象站的西安站周圍環境又發生了較大的變化，觀測場幾乎被高樓所包圍，其所觀測的氣象數據的代表性值得考證。

1.2 資料選取 選取西安、戶縣、臨潼、蒲城、高陵、涇河6個站1959～2010年的氣溫資料，分析西安52年的氣溫變化特征、隨臺站周圍環境變化的演變趨勢，并進行均一性檢驗。在均一性檢驗過程中，選取西安站為代表站，戶縣、蒲城、臨潼作為其參考站，參考站的主要指標為:距離西安站100 km以內，海拔高度差100 m附近，年平均氣溫相關系數達0.9以上，資料長度相同，氣候環境類似，建站以來周邊環境未發生劇烈變化或其站址變動時間與分析時段沒有重合。資料均經過嚴格的質量控制，確保資料的可靠性。

1.3 分析方法 對1959～2010年西安站的年平均氣溫序列采用懲罰最大T檢驗(PMT)［5］的均一性檢驗。PMT方法是基于懲罰最大T檢驗，并將之嵌入回歸算法來檢測、訂正包含一階自回歸誤差的數據序列中的單個或多個突變點或不均一點。為了更準確地檢測和訂正突變點，選擇一個與被檢測的序列有較好相關性的均一性的時間序列作為參考序列，具體的用法及操作見參考文獻［5］。

2 結果與分析

2.1 西安站與鄰近站氣溫的對比分析 在全省96個資料年代較長的臺站中，選取與西安站年平均氣溫相關程度最高的戶縣站，對比分析西安站的年平均氣溫變化趨勢(圖1a)發現，其中1959～1993年平均氣溫13.4℃，西安站的年平均氣溫在1994年有逐漸升高的趨勢，1994～2010年平均氣溫升高為14.9℃。從圖1b可以看出，從戶縣建站的1959年至1995年的37年中，除了1972、1980、1985、1986年外，西安站的年平均氣溫均小于或等于戶縣站，1996～2010年西安站的年平均氣溫均等于或高于戶縣站，且正距平有逐年擴大的趨勢。

分析可知西安站1959～2010年平均氣溫為13.9℃。依據選取參考站的原則，對不同時間尺度的各站的氣溫變化趨勢進行比較，結果(表1)發現，5個站1981～2010年的氣候標準值均較1971～2000年平均值明顯升高，但各站的升高幅度不同，而近6年的氣溫更是有了1.0℃以上的升幅。

圖1 1959～2010年西安、戶縣年平均氣溫(a)和年平均氣溫差值(b)變化

表1 6站臺站信息及不同時間尺度的年平均氣溫

2.2 西安站氣溫的均一性檢驗結果分析 采用PMT方法對1959～2010年西安站的年平均氣溫序列進行均一性檢驗，結果表明(圖2)，在α=0.05的顯著性水平下，西安站在1994、2000年出現明顯的斷點。查臺站元數據知，在1959～2010年期間西安氣象站的站址、觀測方法等均未發生改變，且1994、2000年前后儀器沒有變化，唯一可能的改變就是臺站的周圍環境(其中也包括氣候變暖大環境的因素)，在此僅著重分析觀測場周圍的小環境發生的改變，比較臺站1978、1984、2004、2010年的西安氣象觀測站臺站環境的全景圖和16方位合成圖(圖略)知，1978、1984年西安觀測場四周沒有出現仰角＞5°的障礙物;2004年觀測場四周的仰角(圖3)，除ESE、SSW、WSW、NW、NNW等5個方位外，其他角度均出現了仰角＞5°的障礙物，其中E、W 2個日出、日落方向障礙物仰角達36.1°和19.2°;到2010年，在西安市氣象站的觀測場四周的8個方位中有NE、E、SE、S等4個方位觀測場與障礙物(建筑物)的距離均達不到要求［6］，西安氣象站幾乎完全被鋼筋混凝土結構的建筑群包圍。結合以上元數據的分析，故認為由于臺站周圍探測環境的變化，1994、2000年西安站的年平均氣溫出現不均一，該記錄在用于區域氣候變化分析需要進行偏差訂正。

圖2 1959～2010年西安年平均氣溫序列均一性檢驗

3 結論與討論

圖3 2004年西安氣象站觀測場中心四周障礙物仰角

(1)西安站氣溫記錄明顯受到周圍環境變化的影響，在長序列中出現了不均一，其已不適合用于區域氣候變化監測和影響評價研究，但可以作為城市站進行城市氣候變化研究，如果用于區域氣候變化分析，需要進行偏差訂正。

(2)在該研究之初，選參考站時發現周圍臨近站在近年來均先后發生了站址變化，因此，為了保證氣象資料的代表性和連續性，對于臺站來說，保護探測環境不受破壞非常重要。此文只是試探性的研究，有關探測環境對觀測記錄的影響有待更進一步的深入研究。

［1］國家氣象局監測司.氣象儀器和觀測方法指南［M］.6版.北京:氣象出版社，2005:3-150.

［2］董妍，李星敏，楊艷超，等.西安城市熱島的時空分布特征［J］.干旱區資源與環境，2011，25(8):107-112.

［3］劉轉年，陰秀菊.西安城市熱島效應及氣象因素分析［J］.干旱區資源與環境，2008，22(2):87-90.

［4］田武文，黃祖英，胡春娟.西安市氣候變暖與城市熱島效應問題研究［J］.應用氣象學報，2006，17(4):438-443.

［5］WANG X L，WEN Q H，WU Y.Penalized maximal t test for detecting undocumented mean change in climate data series［J］.J Appl Meteor Climatol，2007，46(6):916-931.

［6］氣象觀測環境和設施保護辦法［Z］.2004.