霸州市氣象站遷站前后地溫觀測資料對比分析

閆利霞 秦云苗 楊海良

摘要：為了研究城市化進程對氣象站舊站地溫的影響，運用數理統計方法對河北省霸州市國家基本氣象站新址和舊址2012年及前后5年0～320 cm地溫平均值、差值進行對比分析，并對前后5年月平均地溫進行了均值t檢驗。結果表明，遷站同期和遷站前后5年對比，兩站址0～320 cm均表現為冬季和春季新址比舊址地溫低，夏季和秋季新址比舊址地溫高;兩站址0～20 cm年平均地溫日變化呈正弦曲線，40～320 cm四季日變化曲線較平緩;新址和舊址前后5年月平均地溫資料大多數月份差值較小，資料連續性較好，但兩站址地溫差值變幅較大，且兩站深層地溫比地面及淺層差異顯著，應訂正后使用。

關鍵詞：氣象站;遷站;地溫;對比分析;均值檢驗;霸州市

中圖分類號：P412.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）05-0042-05

Abstract： In order to study the impact of the urbanization process on the ground temperature of old meteorological observation station， statistics were conducted to analyze and compare the average ground temperature and difference value over the depth of 0～320 cm in the same period and around five years in 2012 between the old and new meteorological observation stations of Bazhou city. Meanwhile， the t test was conducted with the monthly mean ground temperature. The results showed that the ground temperature（the depth spans from 0 cm to 320 cm） of the new site was lower than the older one in winter and spring， and the temperature was higher than the old site in summer and autumn. At both sites， the daily change curve of annual mean ground temperature was sinusoidal over the depth of 0～20 cm. The curve over the depth of 40～320 cm was relatively flat. For both sites， the differences of monthly mean temperature was small and the continuity was good. However， the fluctuations of the difference between the two sites were large. The difference of deeper ground temperature varied more significantly than the shallow layer temperature， it shouldn't be used until it's revised.

Key words： meteorological station; station moving; ground temperature; comparative analysis; mean test; Bazhou city

霸州市國家基本氣象站地處河北省中北部，隨著城市建設的發展，探測環境受到了嚴重影響，經國務院氣象主管機構審批同意，該站于2012年1月遷至新址并正式開始業務運行。按照《地面氣象觀測規范》規定，霸州站于2012年1—12月在新址和舊址同時進行對比觀測[1]，已在新址積累了5年以上的觀測資料。筆者參與了“霸州市國家基本站遷站對比觀測數據分析”的課題研究，初步探討了觀測的氣溫、相對濕度、風向風速、地面及深層地溫等氣象要素的差值及形成原因，得出霸州市國家基本氣象站遷站前后氣象要素存在明顯差異[2]。本研究進一步對遷站前后同期及遷站前后5年0～320 cm地溫觀測資料做了更深入地對比分析，得出了站址遷移對各層地溫時空分布的差異產生的影響，對該站新址和舊址地溫觀測資料的應用給出建議，以期為農業生產和合理利用地溫信息提供可靠依據[3-7]。

1? 資料與方法

1.1? 資料來源

資料來自霸州市國家基本氣象站新址和舊址，所用資料有2012年1—12月地面0 cm月平均地溫、平均最高地溫、平均最低地溫、極端最高地溫、極端最低地溫;淺層5～20 cm地溫;深層40～320 cm地溫;舊址2008—2012年和新址2012—2016年0～320 cm地溫觀測資料。資料序列完整。

舊址位于霸州市城西賈莊北，1956年10月建站。地理位置116°23′19″E、39°06′41″N，海拔高度9.0 m。由于城市建設的發展，周圍環境已不能滿足《地面氣象觀測規范》中對氣象觀測站周圍環境要求，觀測環境評分僅為60.7分。

新址位于霸州市南孟鎮安家營村西，位于舊址偏北方向，距離舊址6 390 m，地理位置116°23′34″E、39°10′07″N，海拔高度8.9 m。站址四面都是基本農田，作物為小麥等低矮作物。周圍沒有高大的建筑，無污染源和干擾源，凈空環境良好，完全符合氣象探測環境保護的要求[8]。

1.2? 分析原則

1）比較氣象站新址和舊址同期即2012年月平均地溫、月平均最高地溫、月平均最低地溫，極端最高地溫、極端最低地溫;5～20 cm淺層地溫;40～320 cm深層地溫。研究中所提到的新址和舊址的數據差值均為新址數據減舊址數據。

2）比較氣象站新址和舊址同期2012年平均逐時0～320 cm地溫，分析兩站址地溫差異的日變化規律和垂直變化特征。

3）比較氣象站新址和舊址前后5年月平均? 0～320 cm地溫差值變化規律。

4）判斷氣象站新址和舊址前后5年月平均地溫差異是否顯著，以確定兩站址的地溫資料是否可以合并統計。

2? 結果與分析

2.1? 遷站同期新址和舊址0～320 cm地溫月變化比較

2.1.1? 0 cm地溫? 由表1、表2可知，霸州市國家基本氣象站新址和舊址2012年0 cm地溫月、年各項平均值差值存在一定規律。兩站址地溫年差值幅度呈現最高地溫大于最低地溫大于平均地溫的規律，且最高地溫差值為正，最低地溫和平均地溫差值為負，偏低幅度不大。從季節來看，一般為冬季、春季差值為負，夏季、秋季差值為正，說明新址比舊址升溫和降溫幅度更為明顯。就差值幅度來看，差值為正的月份一般出現在10月，而差值為負的月份一般出現在冬季12月和1月。

由表2可知，霸州市國家基本氣象站新址和舊址0 cm月極端最高地溫各月差值相差較大且不穩定，1月、3—7月為負值，幅度為-6.7～-1.0 ℃;2月、8—12月為正值，11月相差最多，為12.9 ℃。0 cm月極端最低地溫各月差值相對極端最高地溫來說要穩定的多，1—4月、11—12月差值為負，幅度為-3.2～ -0.2 ℃，12月最為明顯。5—10月差值為正，偏高幅度為0.3～2.4 ℃。從極值出現日期來看，極端最高地溫新址和舊址有6個月是一致的，而極端最低地溫吻合度達到9個月，說明極端最高地溫的變化幅度比極端最低地溫要劇烈。

2.1.2? 淺層、深層地溫? 從圖1可以看出，霸州市國家基本氣象站新址和舊址冬季（12月、1月、2月）差值為負，夏季（6月、7月、8月）差值為正，春、秋兩季為正負交替的季節。從圖1a可以看出，5～20 cm地溫春季兩站址差值由負值轉為正值的日期和秋季兩站址差值由正值轉為負值的日期都是隨著深度增加而提前。從圖1b可以看出，40～320 cm地溫春秋兩季兩站址差值轉換的規律與淺層地溫正好相反，說明40 cm深度是一個中間過渡層，起對稱軸的作用，這一層新址較舊址升溫和降溫的時間比其他各層都有所提前。從各層差值的幅度來看，除320 cm外，其他各深度均為變化幅度隨深度的增加而增大，說明越到深層新址地溫升幅和降幅較舊址越大，160 cm地溫的變幅最大為3.0 ℃，出現在1月，夏季最大變幅為2.2 ℃，出現在7月，冬季變幅大于夏季，說明新址降溫比升溫更強烈。320 cm升幅和降幅均低于160 cm。其中1—4月5～20 cm的地溫變幅略有波動，1月10 cm地溫比其他各層變幅大，20 cm變幅小，特別是3—4月5～20 cm的升溫幅度較為不穩定，而此時正值春播時期，要格外關注地溫的變化，地溫過低或過高都可能對農業生產造成不利影響。

2.2? 遷站同期新址和舊址0～320 cm逐時年平均地溫日變化

圖2是霸州市國家基本氣象站新址和舊址2012年0～40 cm年平均地溫日變化曲線，可以看出兩站址各層地溫的日變化曲線基本相似，均呈正弦曲線，峰、谷點出現時間隨著土壤深度的加深出現延遲現象，各月峰、谷值出現時間同樣也是隨著土壤深度的加深而推遲。但是需要說明的是，新址40 cm的日變化規律與0～20 cm相同;而舊址40 cm地溫更接近于80～320 cm變化規律，即沒有明顯的峰、谷值，日變化曲線比較平緩。從新址和舊址兩站址的差值分析，兩站址的年平均差值幅度0～20 cm表層和淺層地溫表現為波浪式，隨著溫度升高即在峰值區域表現差值為正;而隨著溫度的下降即在谷值區則差值為負，以0 cm和5 cm表現最為明顯，隨著深度的加深差值的幅度變小。從圖2也可以看出，10～20 cm新址和舊址變化曲線越來越接近于重合。40 cm地溫舊址的變化比較平緩，而新址略有波動，但新址和舊址的差值逐時均為負值，這與80～320 cm的差值變化規律是一致的，即地溫日變化趨于平緩;40～320 cm逐時差異不甚明顯，差值幅度卻隨著深度增加而變大，且差值均為負值;40 cm差值白天段最大，夜間段最小;80～320 cm差值比較穩定，不論白天還是夜間均為320 cm>80 cm>160 cm（圖3），說明越到深層新址和舊址的地溫變化趨勢越穩定。

2.3? 遷站前后5年新址和舊址0～320 cm地溫差值分析

從圖4可以看出，霸州市國家基本氣象站遷站前后5年新址和舊址0～20 cm和40～320 cm月平均地溫差值分布比遷站同期兩站址各月地溫平均差值變化幅度減小。具體表現為，冬季新址地溫普遍低于舊址，春季3—5月開始升溫，由淺層向深層逐漸傳遞直至兩站址差值轉為正值，夏季新址地溫普遍高于舊址，秋季10月開始隨著降溫各層逐漸轉為新址地溫低于舊址。由圖4a可知，5月深層地溫新址均已升溫至高于舊址，而淺層卻又出現了低于舊址的情況。經分析5月淺層地溫出現這種特殊情況很可能是由于氣溫和降水的原因引起，即淺層地溫與降水存在著負相關，與平均氣溫存在著正相關。統計得知，遷站后5年即2012—2016年5月降水總量為129.9 mm，平均氣溫為21.6 ℃;而遷站前5年即2008—2012年5月降水總量只有87.4 mm，平均氣溫為21.9 ℃。這與筆者前期研究[9]得出的結論是一致的。

從垂直深度差值變幅來看，即除320 cm外，其他大多數月份都表現為5～160 cm地溫隨著深度的增加變幅越來越大的趨勢，說明越到深層新址地溫升幅和降幅都比舊址要強烈，160 cm地溫的變幅達到最大;從圖4b可以看出，320 cm的差值變化曲線較其他各層平滑，且峰谷值均落后其他層，說明320 cm深度的地溫不容易受其他因素影響，不論是在新址還是舊址隨季節的變化較平穩。

2.4? 均值顯著性檢驗

t檢驗常用于樣本含量較?。ɡ鏽<30），總體標準差σ未知的正態分布資料。它是用t分布理論來推論差異發生的概率，從而比較兩個平均數的差異是否顯著[10]。要判斷霸州市國家基本氣象站新址和舊址在遷站前后5年1—12月月平均地溫差異是否顯著，以確定兩站址的地溫資料是否可以合并統計，對新址和舊址在遷站前后5年1—12月月平均地溫做均值顯著性檢驗。檢驗結果如表3所示，給定信度α=0.05，若P<0.05則存在顯著差異。

由表3可知，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm，P均小于0.05，說明新址和舊址均存在顯著差異，不能做合并統計。其他月份各層及年平均地溫沒有顯著差異，資料可以合并統計。進而得知，深層地溫比地面和淺層差異顯著。

3? 小結與討論

1）霸州市國家基本氣象站新址和舊址遷站同期即2012年月、年平均地溫差值均為冬季和春季為負，夏季和秋季為正。0 cm地溫年差值幅度呈現最高地溫大于最低地溫大于平均地溫的規律，且最高地溫差值為正，最低地溫和平均地溫差值為負;極端最高地溫比最低地溫變化劇烈，差值變幅不穩定。40 cm深度屬于過渡層，40 cm以下的各層即80～160 cm地溫隨著深度的增加兩站址差值變幅增大，160 cm層的地溫變幅最大，且冬季變幅大于夏季，320 cm地溫升幅和降幅均低于160 cm。40 cm以上各層即5～20 cm地溫變幅波動較大，特別是3—4月升溫幅度較為不穩定。

2）霸州市國家基本氣象站新址和舊址0～20 cm年平均地溫日變化均呈正弦曲線，在峰值區為正溫差，在谷值區則為負溫差，以0 cm和5 cm表現最明顯;隨著土壤深度增加極值出現時間延后，且地溫日變化趨于平緩，40～320 cm逐時差異不明顯，差值幅度卻隨著深度增加變大。不論是從地面向下傳導熱量還是從深層向上傳導熱量，新址都比舊址表現活躍，升溫和降溫的速度快。

3）霸州市國家基本氣象站遷站前后5年新址和舊址0～320 cm月平均地溫差值分布比遷站同期兩站址各月地溫平均差值變化幅度減小。冬季新址地溫普遍低于舊址，春季開始升溫由淺層向深層逐漸傳遞直至兩站址差值轉為正值，夏季新址地溫普遍高于舊址，秋季隨著降溫各層逐漸轉為差值為負。且淺層地溫與降水存在著負相關，與平均氣溫存在著正相關。

4）霸州市國家基本氣象站新址和舊址地溫均值顯著性差異檢驗表明，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm地溫資料存在顯著差異，不能做合并統計。進而得知，深層地溫比地面和淺層差異更為顯著。

綜上所述，由于遷站新址和舊址周圍環境和土壤性質等因素的不同，造成兩站址地溫資料存在差異，為了使舊站歷年地溫資料記錄更具準確性、連續性和代表性，建議使用前應對霸州市國家基本氣象站近10年存在顯著差異的記錄做訂正。其次，經研究可知，3—5月淺層地溫變化波動較大，而此時正值播種時節，氣象部門要密切關注地溫的變化，為農業生產做好服務。深層地溫較地面和淺層差異更為顯著的原因除了周圍環境和土壤性質的不同之外，還有待繼續深入探討。

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