冷湖地區(qū)氣象要素變化及其對天文觀測的影響

申燕玲，曾淑玲，肖宏斌，顏鵬程，沈曉燕

（1.青海省氣象科學研究所天氣氣候研究室，青海 西寧810001；2.中國人民解放軍93808部隊，甘肅 蘭州730020；3.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧810001；4.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅 蘭州730020）

天文觀測臺的選址依賴于天文相關(guān)的氣候條件、地形地貌條件和后勤保障條件[1]，其中天文相關(guān)的氣候參數(shù)包括氣溫、溫差變化、相對濕度、云量、粉塵、風速、晴夜數(shù)等[2-4]。除此之外，可觀測時間、大氣視寧度、天光背景亮度、大氣消光系數(shù)等參數(shù)也是天文觀測臺選址的重要依據(jù)[5]。世界著名的天文觀測臺有美國夏威夷島的莫納克亞天文臺（Mauna Kea Observatory，海拔4205 m）、美國亞利桑那州的帕瑞納天文臺（Paranal Observatory，海拔2635 m）、西班牙加納利群島的羅奎克·德·羅斯·穆察克斯天文臺（Roque de los Muchachos Observatory，海拔2396 m）、智利阿塔卡馬沙漠的基特峰國家天文臺（Kitt Peak National Observatory，海拔2096 m）、美國德克薩斯州的麥克唐納天文臺（McDonald Observatory，海拔2070 m）等，都選擇在觀測條件良好的高海拔地區(qū)。我國主要的天文觀測臺包括位于河北省的國家天文臺興隆觀測基地、北京市的密云觀測站、云南省的云南天文臺麗江觀測站等[6]，觀測條件均較好。這些天文臺的興建，為天文科學研究取得了豐碩的觀測成果。

通過對天文觀測臺臺址氣候背景的研究發(fā)現(xiàn)，天文觀測臺選址要求云量較低、大氣湍流弱[7-8]、大氣透明度高、風速較小、大氣相對濕度較弱、大氣中沙塵濃度低、日溫差小等[9-12]。其中影響天文觀測的主要氣象因素包括：①溫差太大，容易引起大氣層結(jié)不穩(wěn)定，造成局部湍流，從而降低觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量[13]；②云量過多、云層過低，阻礙天文觀測中紅外波段和毫米波段的電磁波的傳播[14-16]，影響天文觀測的觀測精度；③大氣中濕度、沙塵過大，一方面容易損毀天文觀測儀器的鏡面、濾光片，另一方面也增加了大氣被電擊穿從而損毀精密儀器的概率[17]，一般認為大氣濕度的閾值不超過90%較適宜[5，18-19]。

我國青藏高原空氣稀薄、輻射強、日照時數(shù)多、氣溫低[20]，一定程度上符合開展天文觀測活動的條件。其中，位于青藏高原西北部、阿爾金山南麓、柴達木盆地北緣的冷湖地區(qū)屬于典型的高原大陸型氣候，平均海拔2800 m，年平均氣溫為3.00℃左右[21]，平均年降水量較小，顯著低于其他地區(qū)[22]，同時大氣中相對濕度低[23-24]，云量低、總云量主要以不到1成和不到5成為主[25]，沙塵日數(shù)較少[26]，適宜開展天文觀測活動。受全球變暖影響，近些年來，該地區(qū)的氣候變化呈現(xiàn)新的特征[27-30]，韓國軍[31]研究指出青藏高原中部地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)增加的趨勢，且增溫趨勢要大于周邊地區(qū)，而西藏西南部到青海東北部的降水顯著增加，其余地區(qū)則呈現(xiàn)減少的趨勢；李林等[32]指出青海北部柴達木盆地地區(qū)的是青藏高原氣候變化的敏感區(qū)；李曉東等[33]研究表明截止到2013年冷湖地區(qū)氣溫上升趨勢顯著（0.40℃/10 a）、日照時數(shù)減弱（趨勢約-90 h/10 a）、相對濕度增加（0.50%/10 a）的現(xiàn)象。因此，有必要在長時間序列觀測資料基礎(chǔ)上進一步研究氣候增暖背景下，冷湖地區(qū)氣候是否持續(xù)發(fā)生變化，以明確該地區(qū)在未來承擔天文觀測任務的可行性。

基于此，從氣溫—降水、云量—日照時數(shù)、沙塵—大風三個角度分析氣象條件對天文觀測的可能影響，首先分析冷湖地區(qū)觀測資料來源并評估主要氣象參數(shù)是否具備完整性和代表性，進而研究冷湖地區(qū)1961—2018年氣象觀測站資料中氣溫—降水、云量—日照時數(shù)、沙塵—大風等與天文觀測直接相關(guān)的氣象要素的長期變化特征，分析這些氣象要素的變化對天文觀測的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

所用資料為青海省氣象信息中心的1961—2018年冷湖氣象觀測站逐月資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、相對濕度、日照時數(shù)、云量、平均風速、大風日數(shù)、浮塵日數(shù)和揚沙日數(shù)資料，另選用冷湖附近地區(qū)茫崖、大柴旦氣象觀測站作為對比站分析冷湖站點的代表性，研究中利用表征相關(guān)程度的散點圖、趨勢分析、滑動t檢驗等數(shù)理統(tǒng)計方法對冷湖地區(qū)氣候特征開展分析。在分析風速特征時，為消除儀器替換可能帶來的影響，資料選用1970年以后的資料。

為了分析冷湖站點觀測數(shù)據(jù)的完整性和代表性，利用距離冷湖站較近的茫崖、大柴旦氣象觀測站資料作為參考，研究不同站點資料的一致率[34]，檢查數(shù)據(jù)一致情況。一致率的計算如式（1）、（2）。其中xi代表氣象要素的時間序列，對各氣象要素時間序列事先進行逐月距平處理，sx代表序列的標準差，k為系數(shù)，一般情況取k=2，統(tǒng)計量ai表示序列中數(shù)據(jù)超出標準差的k倍。對統(tǒng)計量ai進行求和，可以知道序列中排除異常值后的數(shù)目b，進而通過計算與樣本量n的比值得到一致率Cr。

2 冷湖地區(qū)位置及觀測數(shù)據(jù)完整性分析

圖1為冷湖地區(qū)地形及氣象觀測點分布，圖中散點分別代表冷湖（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個氣象觀測站點的位置，其中，茫崖站點位于冷湖站點以西約200 km，大柴旦站點位于冷湖站點以東約200 km。圖2為3個站點各氣象要素資料的一致率檢查，當k=2時（圖2a），氣溫（包括最高、最低氣溫）、相對濕度、日照時數(shù)、云量、風速、大風日數(shù)、浮塵（揚沙）日數(shù)的一致率幾乎為100%，表明這些要素的數(shù)據(jù)分布均較為一致。降水的數(shù)據(jù)一致率約為60%，這主要是因為降水的分布一般不滿足正態(tài)分布，故計算冷湖站點降水與茫崖、大柴旦的相關(guān)系數(shù)（圖3a），分別為0.60和0.56（均通過0.01的顯著性檢驗），表明冷湖降水與茫崖、大柴旦一致性較好；同時考察不同站點不同等級累計降水日數(shù)，3個站的降水均主要分布在0.00～4.00mm（圖3b），且降水量越大、降水頻次越低時，3個站的降水分布一致。另外，為進一步檢查數(shù)據(jù)的一致性，取k=1時重新進行統(tǒng)計（圖2b），各氣象要素在站點間同樣不存在顯著差異性。以上分析結(jié)果表明：冷湖站氣象觀測資料完整性較好，與茫崖和大柴旦具有相同的分布特征。

圖1 冷湖地區(qū)海拔高度及氣象觀測站點位置

圖2 平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、相對濕度、日照時數(shù)、云量、平均風速、大風日數(shù)、浮塵日數(shù)、揚沙日數(shù)數(shù)據(jù)一致率檢查

圖3 冷湖站點降水與茫崖、大柴旦站點降水的一致性分析

3 冷湖地區(qū)氣候特征分析

3.1 氣溫、降水特征分析

圖4a是冷湖地區(qū)平均氣溫逐年變化，淺藍色區(qū)域表示最低氣溫和最高氣溫的范圍，最低溫增加的趨勢為0.49℃/10 a，顯著高于最高氣溫增加的趨勢（0.18℃/10 a），而平均氣溫的增加趨勢介于二者之間，為0.25℃/10 a。從概率分布來看（圖4b），最低、最高氣溫的平均值分別為-5.31和11.88℃，而月平均氣溫的平均為3.04℃，表明冷湖地區(qū)近58 a來，氣溫較低。最高、最低氣溫差值（圖4c）平均為17.19℃，并且呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，減小趨勢為-0.32℃/10 a（通過0.01的顯著性水平檢驗）。溫差與相對濕度呈現(xiàn)顯著地負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42（通過0.01的顯著性水平檢驗），其中平均相對濕度為29.42%。考慮到空氣中濕度變化容易引起潛熱的變化，從而引起氣溫的變化，因此進一步分析溫差變化與相對濕度之間的關(guān)系。利用滑動t檢驗方法對氣溫進行突變檢測（圖5），結(jié)果表明在1998年前后，氣溫發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后的氣溫顯著高于轉(zhuǎn)折前。并且轉(zhuǎn)折后氣溫差值由17.57℃減少為16.53℃，而相對濕度有所增加，轉(zhuǎn)折前為28.84%，轉(zhuǎn)折后為30.41%。同時也發(fā)現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折以前的溫差與相對濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.40，轉(zhuǎn)折之后相關(guān)系數(shù)降低至-0.35，表明溫差變化和相對濕度之間的相關(guān)關(guān)系變?nèi)酢?/p>

圖4 氣溫、相對濕度逐年變化及相互之間的相關(guān)關(guān)系

圖5 不同時段氣溫和相對濕度的關(guān)系特征

圖6為降水長期變化趨勢，冷湖地區(qū)平均年降水量為16.83 mm，呈現(xiàn)弱的增加趨勢（1.20mm/10 a），且存在一定的年代際變化特征，其中1960—1985年和1995—2018年兩個時段的降水偏多、1985—1995年降水偏少。從不同季節(jié)來看，冷湖地區(qū)降水主要集中在夏季，平均降水量為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，平均降水量為1.62和0.76 mm（占全年降水百分比分別為9.20%和5.41%）。不同季節(jié)降水在1995年前后呈現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，具體表現(xiàn)為夏季降水減少（趨勢為-0.45 mm/10 a）、秋季降水顯著增加（趨勢為0.79 mm/10 a），年代際轉(zhuǎn)折之前夏季和秋季平均降水分別為13.42、0.42 mm，轉(zhuǎn)折之后夏、秋季平均降水分別為11.25、3.30mm；冬季降水略有增加（趨勢為0.14 mm/10 a），而春季降水趨勢變化不明顯（趨勢為-0.06 mm/10 a）。從百分比來看，夏季降水由轉(zhuǎn)折之前的82.57%減少至63.96%，而秋季、冬季和春季降水占全年降水百分比則由3.54%、4.03%和9.87%增加至17.21%、7.38%和11.45%。

圖6 不同季節(jié)降水的逐年變化

綜上所述，冷湖地區(qū)年平均氣溫較低，為3.04℃，存在一定的增加趨勢（為0.25℃/10 a）；分析最高、最低氣溫的溫差和相對濕度關(guān)系發(fā)現(xiàn)二者存在顯著的負相關(guān)關(guān)系，但是在1998年年代際轉(zhuǎn)折之后，相關(guān)關(guān)系變?nèi)酢＠浜貐^(qū)年降水量較少，為16.83 mm，且主要發(fā)生在夏季，為全年降水總量的74.87%，在1995年前后發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后夏季降水比例降至63.96%。冷湖地區(qū)整體氣溫偏低、降水量少，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定，從而減少湍流對光線波前畸變帶來的影響，提升天文觀測質(zhì)量。

3.2 日照時間、云量特征分析

圖7為冷湖地區(qū)日照時間，該地區(qū)月平均日照時長為286 h，超過大部分天文觀測臺的日照時數(shù)[39]，趨勢為-5.18 h/10 a。滑動t檢驗表明，1990年前后日照時數(shù)出現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折前月平均日照時數(shù)為295 h，趨勢為-6.67 h/10 a，轉(zhuǎn)折之后月平均日照時數(shù)為277 h，趨勢為1.97 h/a。平均云量較低（4.69成），云量與日照時數(shù)呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.45（通過0.01的顯著性水平檢驗）。云量在20世紀90年代末發(fā)生轉(zhuǎn)折，云量與日照時數(shù)在轉(zhuǎn)折之前相關(guān)系數(shù)為-0.62，轉(zhuǎn)折之后為-0.40，轉(zhuǎn)折后日照時數(shù)與云量的相關(guān)系數(shù)降低。總體來說，冷湖地區(qū)的日照時數(shù)較長、云量較低，20世紀90年代末發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后日數(shù)時數(shù)、云量都呈現(xiàn)微弱的增加趨勢，但二者相關(guān)系數(shù)降低。低云量、長日照時間，有利于天文觀測進行。

圖7 云量和日照時數(shù)變化特征

3.3 平均風速、大風日數(shù)、浮塵日數(shù)和揚沙日數(shù)特征分析

冷湖地區(qū)風速逐年變化（圖8a），平均風速為3.89 m·s-1，長期來看呈現(xiàn)弱的減小趨勢。1974年以前，風速持續(xù)增加，之后持續(xù)減小到1980年，再次逐漸增大至1987年，1994年以后風速變化幅度較小，其中轉(zhuǎn)折前的平均風速為4.22 m·s-1，轉(zhuǎn)折后的平均風速為3.55 m·s-1。平均風速的變化與大風日數(shù)（圖8b）的變化一致，1974—1994年的大風日數(shù)年平均為76.14d，1994年以后減少至60.54 d。浮塵日數(shù)在1994年以后也呈減少的趨勢，年平均浮塵日數(shù)在轉(zhuǎn)折前為10.00d，轉(zhuǎn)折之后為1.17 d。但是揚沙日數(shù)變化不顯著，在1998—2000年出現(xiàn)連續(xù)3 a的大值（平均揚沙日數(shù)14 d），最多揚沙日數(shù)達到16 d（2000年）；2015—2018年揚沙日數(shù)也明顯較大，平均揚沙日數(shù)為23.25d，最多揚沙日數(shù)達到26 d（2016年）。圖9是逐月—逐年揚沙日數(shù)散點圖，冷湖地區(qū)揚沙四季都有，但主要發(fā)生在春季，平均2.49d，而1998—2000年揚沙日數(shù)增加主要原因是春季揚沙日數(shù)增多，增至7.33d，2015—2018年揚沙日數(shù)所有季節(jié)均增加，其中春季、夏季增多最為顯著，為8.25和6.50d，另外秋季和冬季也增至4.00和4.50 d。

圖8 平均風速（a）、大風日數(shù)（b）、浮塵日數(shù)（c）、揚沙日數(shù)（d）逐年變化，灰色虛線代表各氣象要素的平均值

圖9 揚沙日數(shù)年變化特征（單位：d）

綜合來看，冷湖地區(qū)風速平均在3.84 m·s-1左右，從長期變化看呈現(xiàn)弱的負趨勢，尤其是20世紀90年代以后風速波動和大風日數(shù)均趨于穩(wěn)定，浮塵天氣顯著減少，近幾十年幾乎為0 d。低沙塵、低風速的大氣環(huán)境對于天文觀測儀器的損耗較少，適宜建立天文觀測站點。但值得注意的是，揚沙天氣在近幾年有增加的趨勢，年揚沙日數(shù)為20 d左右。

4 結(jié)論

利用冷湖地區(qū)氣象觀測站點觀測的氣象資料，從氣溫—降水、云量—日照時數(shù)、沙塵—大風3個方面，研究了氣象要素的年代際變化特征及對天文觀測的影響情況，得出以下結(jié)論：

（1）冷湖地區(qū)年平均氣溫為3.04℃左右，增溫趨勢為0.25℃/10 a，其中最低氣溫增溫趨勢高于最高氣溫增溫趨勢，二者的溫差逐漸縮小；溫差還與相對濕度存在顯著負相關(guān)。冷湖地區(qū)年降水量為16.83 mm左右，且降水主要發(fā)生在夏季，在1995年以后出現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后的夏季降水占比減少，分攤至其他季節(jié)。低氣溫、降水有利于維持冷湖地區(qū)大氣層結(jié)穩(wěn)定，對流、湍流少發(fā)有利于提升觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（2）冷湖地區(qū)日照時數(shù)年平均為3432 h，在1990年前后出現(xiàn)“先減少、后增加”的年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之前年均日照時數(shù)逐漸減少、之后呈現(xiàn)顯著增加趨勢；日照時數(shù)與云量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，但是在1990年以后，相關(guān)關(guān)系減弱。弱的云量和較多的日照時數(shù)表明冷湖地區(qū)擁有較長的觀測窗口期，并且低云量也有助于電磁波的傳播、提升觀測精度。

（3）冷湖地區(qū)平均風速約4 m·s-1，1994年以后平均風速和大風日數(shù)略有減弱，浮塵日數(shù)顯著減少，近幾十年，浮塵日數(shù)幾乎為0d，但是揚沙日數(shù)在2015年以后呈現(xiàn)增加的趨勢，其中2015—2018年，平均揚沙日數(shù)為20 d。較低的風速、較低的浮沉（沙塵）有利于天文觀測的長期維持，同時降低觀測儀器的損耗，能夠保持較高的天文觀測精度。

綜上所述，冷湖地區(qū)自1961年來，氣溫較低且溫差在逐漸減小，長期保持低雨量、低相對濕度、云量少、低沙塵的氣候特征。在20世紀90年代前后，氣象要素發(fā)生年代際變化，氣溫略增加，降水在全年的分配發(fā)生變化，年平均風速減小，由此引起的浮塵日數(shù)也減少，云量減少，日照時數(shù)增加，但仍然保持在較低的水平，有利于維持大氣層結(jié)穩(wěn)定，減少湍流的影響，同時較低的云量也有利于紅外波段、毫米波段電磁波的傳播，提升天文觀測的精度，而低風沙的天氣則能夠顯著降低天文觀測儀器的損耗，增加使用壽命，這些氣象條件及長期變化特征均表明冷湖地區(qū)是一個理想的天文觀測候選址點。