劉衛(wèi)平，古麗格娜，王秋香*，張鳳杰，胡義成，張 靜，秦 榕

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊830002；2.民航新疆空中交通管理局阿克蘇空管站，新疆 阿克蘇843000）

氣候資料的代表性是天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究的重要基礎(chǔ)，為了使氣候資料具有代表性，中國氣象局對大量已經(jīng)嚴(yán)重受城市化影響的臺站進(jìn)行了搬遷[1-3]。眾多學(xué)者就城市化以及遷站對觀測資料的影響進(jìn)行了深入的研究[4-6]，李慶祥等認(rèn)為，臺站遷移是造成氣象資料序列非均一性的最主要因素[7]；氣象要素的觀測受城市化的影響程度與城市的大小、建筑物構(gòu)成、周圍地形、以及氣象臺站所在地理位置等關(guān)系密切[8]。從20世紀(jì)70年代開始尤其是90年代以來，隨著新疆經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，眾多氣象觀測站從建站初期的荒漠、戈壁、郊區(qū)迅速被城市、高層建筑包圍，獲取的氣象資料已不具備代表性和準(zhǔn)確性，一些臺站因探測環(huán)境受到嚴(yán)重破壞而被迫搬遷，王秋香等[9-12]對氣象站站址搬遷對觀測資料的影響進(jìn)行了研究，這些研究多集中在北疆和極端干旱的東疆地區(qū)。庫爾勒市是古絲綢之路的咽喉之地，是連接南北疆重要的交通樞紐，近年來，隨著公路和鐵路的貫通，帶動城市化擴(kuò)張，使當(dāng)?shù)貧庀笥^測環(huán)境受到了很大的影響。本文選取南北疆交通樞紐庫爾勒站作為研究對象，分析城市化、站址搬遷對庫爾勒站觀測資料序列的影響，以便對氣象觀測資料序列包含的信息有更清楚的認(rèn)識，為科研部門和業(yè)務(wù)單位更準(zhǔn)確地把握氣候序列的變化規(guī)律提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和資料方法

1.1 研究區(qū)概況及觀測環(huán)境簡述

庫爾勒市地處西北干旱區(qū)，位于天山南麓塔里木盆地東北邊緣，是古絲綢之路中道的咽喉之地和西域文化的發(fā)源地之一，作為巴音郭楞蒙古自治州的首府是政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，是南北疆重要的交通樞紐和物資集散地。它南接尉犁，北連焉耆、和靜，是新疆第二大城市，為自治區(qū)實(shí)施“北烏南庫”發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，2008年被列為全國重點(diǎn)發(fā)展的47個中等城市之一[13]。

庫爾勒國家基本氣象站建于1958年7月1日（86°08′E，41°45′N，觀測場海拔高度 931.5 m），建站時(shí)四面為荒漠戈壁，氣象探測環(huán)境良好。由于庫爾勒地處連接南北疆的咽喉要道，數(shù)十年來公路和鐵路建設(shè)帶動城市快速發(fā)展，觀測站周邊陸續(xù)出現(xiàn)建筑物，尤其是從20世紀(jì)80年代末期開始，在距觀測場正北和西北方陸續(xù)建設(shè)了多棟高層建筑物，使探測環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響氣象資料的代表性，導(dǎo)致觀測站搬遷。新址地處庫爾勒市什力克鄉(xiāng)力龍農(nóng)場柳林村，距離舊址 19.6 km（85°49′E，41°44′N，觀測場海拔高度903.0 m），臺站遷徙前后海拔高差28.5 m，新址屬平原地貌，地勢平坦，有稀疏地表植物生長及少量樹木，下墊面為沙壤土（圖1）。遷站前后的探測環(huán)境差異較大。

圖1 庫爾勒氣象站新舊站位置

1.2 資料方法

分析城市化對資料的影響，首先需要分析庫爾勒站資料的區(qū)域一致性，一般用差值法進(jìn)行分析。即選取城市化影響較小的參考站（代表了大范圍氣候變化的影響）與庫爾勒站氣象資料做差值，差值濾去了氣候變化對資料的影響。由于南疆地區(qū)氣象臺站稀疏，庫爾勒周邊臺站不多，地形復(fù)雜，綜合考慮庫爾勒站舊址周邊的實(shí)際情況，選取同處于暖溫帶氣候區(qū)內(nèi)、海拔高度相差不大、探測環(huán)境較好的和碩、若羌和庫米什作為參考站。若羌、和碩和庫米什（隸屬于托克遜縣）均為縣級或縣級以下城市，地處邊疆，城市規(guī)模較小，城市化發(fā)展較慢，這些站點(diǎn)的觀測資料受城市化影響較小，因此與處于南北疆交通要道、受石油基地影響城市迅速發(fā)展的庫爾勒進(jìn)行比較，能更好地反映出城市化對庫爾勒站氣象觀測要素的影響。

為了保證資料一致，以最晚建站（和碩，1960年）時(shí)間為起始年，終止年一致，因此選取1961—2015年觀測資料，將參考站觀測資料求平均，形成參考站序列，與庫爾勒站氣溫、降水量、風(fēng)速和相對濕度資料序列進(jìn)行對比分析。選用1965—1990年每5 a和1991—2015年每年的人口和地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）數(shù)據(jù)與對應(yīng)年份的氣溫等要素進(jìn)行相關(guān)分析。本文所用氣象資料由新疆氣象信息中心提供，且通過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，人口和地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)摘自《新疆五十年（1995—2005）》[14]和《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[15]。

表1 庫爾勒站與參考站基本信息

差值法的具體做法是，用參考序列與庫爾勒站資料形成差值序列，即庫爾勒站序列-參考序列，差值序列濾去了氣候變化的影響，只攜帶環(huán)境變化的影響因素。為了更加清晰地說明城市化影響的變化趨勢，分析差值及差值序列的11 a滑動平均值變化規(guī)律。為了分析庫爾勒站長序列資料的連續(xù)性，依據(jù)影響庫爾勒站資料變化的時(shí)間點(diǎn)，對各要素進(jìn)行T檢驗(yàn)。除此之外，計(jì)算變化趨勢時(shí)，采用一元線性方程對觀測資料序列進(jìn)行擬合[16-17]，即：y=a+bt，其回歸系數(shù)b反映了趨勢變化，即：

為更好地反映城市化對氣候資料序列的影響，運(yùn)用△TuR=△Tu-△TR計(jì)算城市化的影響[18-19]，其中△Tu表示所選的受城市化影響的庫爾勒站氣象資料的趨勢變化率，△TR表示氣候變化背景場的參考站氣象資料的趨勢變化率。差值如為正值即表明城市化對氣象資料造成增加貢獻(xiàn)，反之則為減弱貢獻(xiàn)。

2 觀測資料序列區(qū)域一致性分析

由庫爾勒站與參考站年平均氣溫差值及11 a滑動平均值（圖2）可以看出，年平均氣溫差值均為正值且呈現(xiàn)上下波動趨勢，總體來說，庫爾勒站的年平均氣溫高于參考站。差值自1961—1986年呈波動上升，變化范圍在+1.03℃以內(nèi)；1986—1997年，氣溫差值有所下降，下降幅度達(dá)0.8℃；1997年以后，庫爾勒站與參考站的年平均氣溫差值波動上升加速，幅度達(dá)1.2℃。

庫爾勒站與參考站的年降水量差值在1990年前后變化明顯，1990年之前差值基本為正（圖2b），說明庫爾勒站降水量大于參考站，而1990年之后差值為負(fù)，說明庫爾勒站降水量小于參考站，隨時(shí)間變化一致性較差。

圖2 庫爾勒站與參考站年平均氣溫、降水量、相對濕度、風(fēng)速差值及11 a滑動平均值

從20世紀(jì)60年代到80年代初期，庫爾勒站與參考站的年平均相對濕度差值隨時(shí)間變化逐步減?。▓D2c）；20世紀(jì)80年代到90年代初，略有增勢，90年代末開始處于下降趨勢且差值為負(fù)，說明庫爾勒站與參考站的年平均相對濕度差值隨時(shí)間變化呈波動變化。庫爾勒站與參考站年平均相對濕度差值下降趨勢與平均氣溫差值上升趨勢相對應(yīng)，由于城市化的發(fā)展，氣溫的升高，相對濕度受氣溫的影響較大而出現(xiàn)下降趨勢，反之亦然。由此可見，城市化可使庫爾勒站與參考站的年平均相對濕度序列一致性變差。

庫爾勒站與參考站的年平均風(fēng)速差值存在明顯的波動（圖2d），在20世紀(jì)60年代末70年代初和80年代中后期波動變化比較明顯，前一次由儀器換型引起，后一次則與城市的發(fā)展和周邊探測環(huán)境改變有關(guān)，庫爾勒站舊址受城市化影響較大，與參考站的一致性較差。

3 觀測資料序列均一性檢驗(yàn)

根據(jù)庫爾勒站詳實(shí)的歷史沿革記錄、臺站環(huán)境變化的影響等可能引起序列非均一的時(shí)間點(diǎn)為假設(shè)的斷點(diǎn)，采用T檢驗(yàn)方法（顯著性水平0.05），對庫爾勒站1961年以來的平均氣溫、降水量、相對濕度和平均風(fēng)速的年值序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。

由圖3可知，庫爾勒站4個要素均存在斷點(diǎn)，分別為風(fēng)速4個，氣溫2個，相對濕度2個，降水量1個。風(fēng)速斷點(diǎn)出現(xiàn)在1968、1981、1997年和2005年，其中1968年和2005年是由儀器換型和觀測方式的改變引起；氣溫?cái)帱c(diǎn)出現(xiàn)在1985年和1997年；相對濕度出現(xiàn)在1981年和1999年；年降水量斷點(diǎn)出現(xiàn)在1991年。另外，為檢測新舊址資料的連續(xù)性，將新址1 a的觀測資料與舊址資料序列進(jìn)行T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，斷點(diǎn)最多的是最低氣溫，月值與年值全都差異顯著；相對濕度僅1月存在斷點(diǎn)；降水量和風(fēng)速沒有斷點(diǎn)，連續(xù)性較好。由此可知，新址資料與舊址資料降水、風(fēng)速、相對濕度連續(xù)性較好，資料可以連續(xù)使用。氣溫受城市化影響較其他要素明顯，最低氣溫受城市化影響尤為顯著。

庫爾勒氣象站無遷站史，結(jié)合表2和區(qū)域一致性分析可知，庫爾勒的城市發(fā)展導(dǎo)致探測環(huán)境變化是造成庫爾勒站觀測資料不連續(xù)的主要原因。

4 城市化對氣象資料序列的影響分析

通過上述資料序列均一性檢驗(yàn)、區(qū)域一致性和對比分析，結(jié)合表3和圖2可知，年平均氣溫的增溫速率庫爾勒明顯大于參考站，庫爾勒城市化對年平均氣溫的影響為0.17℃/10 a左右，差值為正表明城市化對氣溫的影響為增溫。庫爾勒站與參考站氣溫差值分別在1986年前和1996年后呈現(xiàn)2次增長，第一次是1979年庫爾勒建市、1982年南疆鐵路通車至庫爾勒，使城鎮(zhèn)人口迅速增加、城市建設(shè)加快，氣溫進(jìn)入了第一個上升期（1961—1986年）；1994年庫爾勒開始建設(shè)新興的石油化工城市、新疆第二大城市和南疆的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中心，又使城市加速發(fā)展，氣溫1996年之后進(jìn)入第二次迅速上升期。庫爾勒城市化對相對濕度的影響為-1.20%/10 a，20世紀(jì)60年代初到70年代中期差值為正，90年代末開始處于下降趨勢且差值為負(fù)，由于城市化的發(fā)展，氣溫升高，降水量減少，相對濕度隨城市的發(fā)展逐漸變小。庫爾勒城市化對風(fēng)速的影響為-0.12（m/s）/10 a，風(fēng)速逐漸變小，風(fēng)速的變化受局地小氣候和下墊面狀況的影響較顯著。降水量差值在1990年前后變化明顯，1990年之前差值基本為正，而1990年之后差值為負(fù)，庫爾勒站的年降水量差值整體呈現(xiàn)減少趨勢。

圖 3 庫爾勒站年平均氣溫（a）、降水量（b）、相對濕度（c）、風(fēng)速（d）T 檢驗(yàn)結(jié)果

表2 庫爾勒站存在變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)及原因

表3 庫爾勒、參考站各要素變化趨勢系數(shù)和城市化影響

目前，庫爾勒市已成為南疆交通樞紐和物資集散地[20-21]，庫爾勒站也由建站時(shí)的荒漠戈壁變成觀測場被城市包圍的氣象站（圖4）。為了更好地研究城市化對庫爾勒氣象要素的影響，計(jì)算氣溫等氣象要素與庫爾勒市人口數(shù)、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)系數(shù)（表4）。氣溫與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)系數(shù)通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，說明氣溫與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值等城市化指標(biāo)存在顯著的正相關(guān)，城市化對氣溫的增溫效果明顯。相對濕度與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)為負(fù)，說明相對濕度與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值等城市化指標(biāo)存在顯著的負(fù)相關(guān)。風(fēng)速與人口相關(guān)系數(shù)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)、與地區(qū)生產(chǎn)總值未通過顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)為負(fù)，說明城市人口增加使住房增多從而使風(fēng)速減小，風(fēng)速與地區(qū)生產(chǎn)總值等城市化指標(biāo)相關(guān)性不明顯。降水量與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)系數(shù)均未通過顯著性檢驗(yàn)，說明降水量與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)關(guān)系不明顯。

圖4 庫爾勒氣象站探測環(huán)境全景（a為1983年觀測場全景，b為2013年觀測場全景）

表4 庫爾勒站氣溫等氣象要素與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值相關(guān)分析

5 結(jié)論與討論

（1）區(qū)域一致性分析結(jié)果表明，氣溫等4種要素均隨時(shí)間推移差值逐漸增大，說明庫爾勒站與參考站的區(qū)域一致性越來越差。其中，年平均氣溫庫爾勒高于參考站，氣溫差值從建站至20世紀(jì)80年代中期呈波動上升期，1997年之后開始加速上升，增幅達(dá)1.2℃。相對濕度在對應(yīng)時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)相反變化，由于城市化的發(fā)展，氣溫的升高，相對濕度差值受氣溫的影響較大而出現(xiàn)下降趨勢。降水量1990年之前差值基本為正，庫爾勒站降水量大于參考站，而1990年之后差值為負(fù)。風(fēng)速差值存在明顯的波動，在20世紀(jì)60年代末70年代初和80年代中后期波動變化比較明顯。

（2）年值序列均一性檢驗(yàn)結(jié)果表明，氣溫等4個氣象要素均存在斷點(diǎn)，分別為風(fēng)速4個斷點(diǎn)，氣溫2個斷點(diǎn)，相對濕度2個斷點(diǎn)，降水量1個斷點(diǎn)，庫爾勒城市化使長序列氣候資料產(chǎn)生斷點(diǎn)，在資料使用時(shí)應(yīng)引起重視。新舊站1年對比觀測資料均一性檢驗(yàn)斷點(diǎn)最多的是最低氣溫，月值與年值全都差異顯著；相對濕度僅1月存在斷點(diǎn)；降水量和風(fēng)速沒有斷點(diǎn)。降水、風(fēng)速、相對濕度連續(xù)性較好，遷站后資料可以連續(xù)使用，氣溫受城市化影響較明顯，最低氣溫受城市化影響尤為顯著。

（3）庫爾勒市建立、州府遷入、南疆鐵路建成通車、塔里木石油、天然氣的勘探開發(fā)為庫爾勒經(jīng)濟(jì)騰飛帶來了機(jī)遇，促使庫爾勒城市化進(jìn)程加快，城市的快速發(fā)展必然會對氣象資料序列產(chǎn)生影響。庫爾勒城市化對平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速的影響分別為0.17℃/10 a、-1.20%/10 a 、-0.12（m·s-1）/10 a，氣溫與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值存在顯著的正相關(guān)，說明城市化對氣溫的增溫作用顯著，該結(jié)果與周雅清[19]等認(rèn)為城市化對平均氣溫和最低氣溫趨勢產(chǎn)生了明顯影響相一致。相對濕度與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與鄭祚芳[22]等認(rèn)為城市化發(fā)展使得相對濕度下降，北京城市干島效應(yīng)與城市化率（城市人口占總?cè)丝跀?shù)比率）之間具有顯著高相關(guān)性的觀點(diǎn)相一致。風(fēng)速與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，因其易受下墊面粗糙程度、周邊建筑物的影響，因此與地區(qū)生產(chǎn)總值相關(guān)性不明顯。降水量與人口、地區(qū)生產(chǎn)總值的相關(guān)關(guān)系不明顯，引起風(fēng)速和降水量發(fā)生變化的原因有待進(jìn)一步研究。