魏 娜，李 高

(1.陜西省氣候中心，陜西西安 710015;2.四川省綿陽市氣象局，四川綿陽 621000)

地面氣象觀測數(shù)據(jù)不僅受到城市化的影響，同時(shí)氣象觀測站站址變動(dòng)也給觀測數(shù)據(jù)的均一性帶來影響。為了能反映較為真實(shí)的氣候變化事實(shí)，已有許多研究成果揭示下墊面改變對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)［1-4］，有的通過對(duì)比城市和周圍郊區(qū)的觀測資料來分析城市化對(duì)氣溫的影響［5］，有的以城市人口數(shù)量為等級(jí)和衛(wèi)星資料來估算對(duì)氣溫變化的貢獻(xiàn)［6］，有的以站址遷移來研究對(duì)氣溫變化的影響［7］，因此綜合考慮下墊面的變化對(duì)估算氣候變化是有著極其重要的意義。

近期Kalnay and Cai用NCEP/NCAR再分析資料和地面觀測資料的差值估算了下墊面改變對(duì)氣候變化的影響［8］，他們認(rèn)為再分析資料(NNR)沒有在同系統(tǒng)中使用地表觀測數(shù)據(jù)，其地表氣候場由上層大氣信息結(jié)合陸面過程模式產(chǎn)生，故NNR地表氣溫對(duì)城市化和站址遷移等下墊面狀況不敏感，因此，將地表觀測氣溫減去NNR氣溫就能將局地近地氣溫變化信息從全球變暖中剝離出來。Zhou也用同樣的方法估算了我國東南沿海地區(qū)城市化發(fā)展對(duì)氣溫的貢獻(xiàn)。Zhang用NCEP再分析2研究了我國110°E以東的區(qū)域土地利用變化對(duì)地表氣溫的增暖作用［9］，楊續(xù)超也用此方法研究了土地利用/覆蓋類型對(duì)地表氣溫的敏感性［10］。上述的研究區(qū)域主要集中在我國東部人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，而關(guān)于西部地區(qū)的研究較少。陜西省位于西北地區(qū)東部，地形地貌復(fù)雜多樣，從1990年代開始，陜西部分站點(diǎn)進(jìn)行了臺(tái)站遷移，影響了觀測氣溫的代表性和連續(xù)性，同時(shí)由于國家西部大開發(fā)政策的支持，陜西省無論是城市化發(fā)展的程度和范圍，還是土地利用/覆蓋類型都有了巨大的改變，站點(diǎn)觀測氣溫的質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。因此本項(xiàng)目采用Kalnay and Cai提出的“Observation minus Reanalysis”(即觀測減去再分析)著重研究陜西省下墊面的改變對(duì)區(qū)域氣溫變化的貢獻(xiàn)和影響。

1 資料和方法

本文采用的觀測氣溫資料為陜西省氣象局信息中心提供1961年至2012年月氣溫資料，該氣溫資料沒有經(jīng)過均一性檢驗(yàn)和訂正，保持了氣溫?cái)?shù)據(jù)受下墊面改變而影響的真實(shí)性。采用的再分析資料由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供1961年至2012年地面2m的月平均氣溫資料，再分析資料高斯格點(diǎn)資料。

采用雙線性插值法將NNR插到相對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)上，對(duì)二者的距平序列進(jìn)行對(duì)比分析。

2 分析與討論

近年來，不少地面氣象觀測臺(tái)站進(jìn)行了站址遷移，也有很多臺(tái)站周圍環(huán)境發(fā)生了較大改變，城市化影響較重。所以我們從臺(tái)站遷移和城市化影響來分析下墊面環(huán)境的變化對(duì)觀測氣溫的影響。

2.1 站點(diǎn)遷移對(duì)氣溫的影響

從20世紀(jì)70年代開始，有不少地面觀測臺(tái)站由于城市規(guī)劃、周圍環(huán)境破壞等原因進(jìn)行了站址遷移，遷址前后的氣溫資料由于周圍環(huán)境的變化，出現(xiàn)了明顯的不連續(xù)性，不能夠真實(shí)、連續(xù)的反映氣溫變化事實(shí)。圖1(a)為千陽氣象站1980～2012年觀測氣溫和ncep氣溫距平序列，圖中可以看出，二者均出現(xiàn)增溫的趨勢，但觀測氣溫升溫趨勢明顯大于ncep氣溫，其中1980年至1990年期間，觀測氣溫和ncep資料有很高的一致性，在1991年地面觀測氣溫突然增高，在1991年至2008年期間觀測氣溫比ncep氣溫高出平均0.5℃左右，但二者變化幅度基本一致。從OMR(觀測氣溫與ncep氣溫的差值)變化來看，1990年之前OMR變化幅度基本在±0.3℃左右，以負(fù)距平為主。在1991年之后發(fā)生突變，OMR值跳躍為正距平，最大幅度在1.0左右，在1991年至2000年期間變化幅度較大，一直為正距平。查看臺(tái)站沿革記錄，發(fā)現(xiàn)千陽站在1991年遷站，由城郊遷往市中心，是一個(gè)由相對(duì)偏‘冷’到相對(duì)偏‘暖’的變化。千陽地面觀測氣溫由于受到遷站的影響，氣溫距平序列發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象，而ncep氣溫變化相對(duì)平緩，受遷站影響不大。

圖1 1980—2012年千陽站氣溫距平序列Fig.1 The temperature anomly series at Qianyang Station from 1980 to 2012

圖2 1980—2012年佛坪站氣溫距平序列Fig.2 The temperature anomly series at Fuping Station from 1980 to 2012

佛坪站的地面觀測氣溫和ncep氣溫距平序列在1980年至2000年期間有很好的一致性，2001年開始觀測氣溫相比較ncep氣溫出現(xiàn)了明顯的增溫，從OMR曲線變化來看，2001年之前變化幅度在±0.4℃之間，2001年以后跳躍到0.8℃以上，表明從2001年開始，二者變化趨勢出現(xiàn)了明顯的差異，觀測溫度明顯升高。查閱其臺(tái)站沿革資料，發(fā)現(xiàn)2001年7月佛坪站由佛坪縣袁家莊鎮(zhèn)東面山梁山頂遷至袁家莊鎮(zhèn)城區(qū)，是由“山頂”遷往“平地”，海拔下降了100 m左右。由于測站海拔高度降低，地面觀測氣溫明顯升高，進(jìn)而影響了氣溫序列的連續(xù)性和真實(shí)性。

2.2 城市化發(fā)展對(duì)氣溫的影響

20世紀(jì)90年代以來，陜北和關(guān)中城市化迅速發(fā)展形成了明顯的城市氣候，在氣溫方面表現(xiàn)最明顯的為“熱島效應(yīng)”。西安是西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)文化中心，90年代以來城市化發(fā)展迅速，城市面積近10年來增加了50%左右，西安觀測臺(tái)站周圍環(huán)境破壞較大。圖3為西安站觀測氣溫和ncep氣溫距平序列變化圖，二者在1995年之前變化幅度較為一致，1995年之后觀測氣溫增溫幅度明顯，在1995年至2005年期間OMR值在0.5左右，2006年至2012年期間OMR值在1.0，觀測氣溫升溫幅度逐步增加，與前面討論臺(tái)站遷移引起氣溫變化不同的是，城市化影響的OMR曲線變化是緩慢和循序漸進(jìn)的。

延安站也是受城市化影響較嚴(yán)重的一個(gè)氣象站，從建站至1991年，周圍建筑物較少，氣流通暢，視野開闊，能見度目標(biāo)物清楚，探測環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。1992年至2012年城市面貌發(fā)生了很大變化，城市規(guī)模逐年擴(kuò)大，隨著延安市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)址周邊形成居民生活區(qū)對(duì)觀測場呈包圍狀。從圖4來看，地面觀測氣溫和ncep氣溫距平在1961年至1995年期間變化幅度基本一致，從1995年開始，二者變化逐漸拉開距離，地面觀測氣溫變化幅度逐漸高于ncep氣溫。從OMR曲線變化來看，在1995年之前曲線變化幅度基本在±0.3℃之間，從1995年之后OMR曲線開始轉(zhuǎn)為正距平并逐漸升高，2000年以后升溫更加明顯。

圖3 1980—2012年西安站氣溫距平序列Fig.3 The temperature anomly series at Xi'an Station from 1980 to 2012

圖4 1980—2012年延安站氣溫距平序列Fig.4 The temperature anomly series at Yanan Station from 1980 to 2012

2.3 下墊面改變對(duì)全省氣溫的影響

影響臺(tái)站氣溫變化因素較多，要把各種因素影響程度進(jìn)行分離是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，我們盡可能從總體上把握全省氣溫受外圍環(huán)境改變的影響程度。圖5為1980年至2012年陜西氣溫OMR趨勢值分布圖，從圖中可以看出陜北和關(guān)中地區(qū)因城市發(fā)展及臺(tái)站遷移對(duì)氣溫影響較大，陜南地區(qū)除了個(gè)別臺(tái)站因?yàn)檫w站而受到明顯的影響外，其余臺(tái)站的OMR趨勢值在 ±0.1℃/10a之間。

圖5 1980—2012年陜西氣溫OMR趨勢值分布圖(單位:℃/a)Fig.5 The variance trend distributions of the OMR from 1980 to 2012(unit:℃/a)

3 總結(jié)和討論

再分析資料與觀測數(shù)據(jù)有較好的一致性，再分析氣溫?cái)?shù)據(jù)很好的捕捉到了觀測氣溫的時(shí)間變化及長期增溫趨勢。但是，在1990年代以后再分析資料升溫趨勢不如觀測數(shù)據(jù)明顯，兩者之間的差異可以歸結(jié)為站點(diǎn)遷移和城市化對(duì)氣溫的影響。本項(xiàng)目研究采用OMR方法將局地近30年地表氣溫變化剝離出來，分析其對(duì)站點(diǎn)遷移和城市化的敏感性，得到的主要結(jié)論如下:

1)臺(tái)站遷移對(duì)OMR序列非常敏感，在臺(tái)站遷移之前，OMR差值較小，臺(tái)站遷移之后出現(xiàn)明顯的跳躍，變化幅度較大。說明臺(tái)站遷移對(duì)氣溫序列的影響明顯。

2)城市化對(duì)OMR序列的影響非常明顯，隨著城市化逐漸推進(jìn)，OMR序列值也逐漸增加，尤其是2000年以后增加更為明顯。

3)分析沒有遷過站址和受城市化影響較小的站點(diǎn)，OMR序列變化幅度較小，沒有明顯的增加或降低趨勢，表明這樣的臺(tái)站維持了較好的觀測環(huán)境。

從全省來看，陜北和關(guān)中地區(qū)因城市發(fā)展較快，且遷站較多，OMR序列值變化趨勢較大，陜南地區(qū)除了個(gè)別臺(tái)站因?yàn)檫w站而受到明顯的影響外，總體影響較弱。

由于再分析數(shù)據(jù)間接使用了地表觀測，應(yīng)用于OMR方法時(shí)可能會(huì)包含一部分下墊面引起的氣候變化趨勢，而且，本研究僅部分的排除臺(tái)站遷移和城市化對(duì)分析結(jié)果的影響，所使用的雙線性插值法將NNR數(shù)據(jù)插值到站點(diǎn)上可能會(huì)有一定的誤差等都會(huì)給本文的研究結(jié)果帶來一定的不確定性，未來還需要更為精細(xì)、可靠的觀測和再分析數(shù)據(jù)來對(duì)這一影響進(jìn)行評(píng)估.此外，地形以及人類活動(dòng)排放的氣溶膠等也是影響區(qū)域氣候的重要因素，其影響信息也同樣包含在觀測氣溫的變化之中，今后還需要進(jìn)行更多的數(shù)值試驗(yàn)和分析研究。

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