溫江站氣候資料非均一性檢驗(yàn)及訂正

劉 佳, 馬振峰, 范廣洲, 田 俊

（1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都 610225;2.四川省氣候中心,四川成都 610071;3.江西省氣象科學(xué)研究所,江西南昌 330046）

0 引言

均一性的氣候資料能反映氣候的真實(shí)變化,是氣候研究的基礎(chǔ)。但由于遷站、環(huán)境變化等非氣候因素的影響,導(dǎo)致單站氣候資料產(chǎn)生不連續(xù)點(diǎn),進(jìn)而引起區(qū)域氣候資料不能正確顯示實(shí)際變化規(guī)律。因此氣候要素的均一性檢驗(yàn)和訂正是局地氣候變化檢測的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。國外均一性研究起步較早,Alexandersson、Robert Lund等[1-3]相繼發(fā)展了SNHT、TPR、Potter等均一性檢驗(yàn)方法,并用于北美和歐洲氣候數(shù)據(jù)處理。Slonosky[4]和Wijingard[5]利用Buishand、Pettitt、Von Neumann方法檢驗(yàn)ECA日平均氣溫、降水和氣壓數(shù)據(jù)的均一性。近年來,我國很多研究人員也開始關(guān)注氣候資料的均一性研究,取得很大進(jìn)展。劉小寧、宋超輝等[6-10]總結(jié)了氣候資料序列的均一性檢驗(yàn)方法,應(yīng)用于我國部分臺站氣溫和降水序列。并對氣象資料的訂正方法做出總結(jié),包括逐步多元回歸法、一元線性回歸法、差值法、比值法、綜合法,對比發(fā)現(xiàn)以逐步多元線性回歸訂正法效果最優(yōu)。高曉蓉等[11]對山西五臺山觀測站氣象要素均一性檢驗(yàn)訂正,發(fā)現(xiàn)臺站遷移對于溫度、相對濕度觀測序列的均一性影響非常明顯,以最高氣溫序列影響最為顯著。李祥余[12]對比分析了廈門站氣溫均一性訂正前后的年際和季節(jié)變化趨勢,發(fā)現(xiàn)年均、最高、最低氣溫均呈現(xiàn)快速增溫傾向。由此可見,對單站氣象要素歷史觀測序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和訂正,深入分析各影響因素對資料均一性的不同作用,在氣候研究中有非常重要的意義。

四川省的氣候資料對研究西南地區(qū)氣候變化有重要意義,但目前相關(guān)研究比較少。選取溫江站,針對其由人為因素導(dǎo)致的“不連續(xù)點(diǎn)”,對平均氣溫、最高、最低氣溫、降水、相對濕度等年值序列,進(jìn)行均一性檢驗(yàn)及訂正,從而將不均一的氣候資料銜接,比較訂正前后趨勢變化的差異,進(jìn)而分析單站資料的均一性對研究當(dāng)?shù)貧夂蜃兓淖饔谩?/p>

1 資料及分析方法

1.1 資料

采用數(shù)據(jù)為四川省氣候中心收集整理的溫江氣象觀測站（56187）的地面逐年平均氣溫、最高和最低氣溫、氣溫日較差、平均降水、1mm雨日、相對濕度,時(shí)間為1960至2009年。數(shù)據(jù)來源于臺站上報(bào)的氣象報(bào)表,并進(jìn)行了初步質(zhì)量控制,剔除個(gè)別明顯極端值。

溫江氣象站遷站 3次。1957年5月1日,由成都市南門外小天竺街169號（30.64°N,104.07°E,海拔484m）遷至成都市光華村四川省局院內(nèi)（30.66°N,104.02°E,海拔499m）;1982年8月1日,由成都市光華村省局院內(nèi)遷至成都市武侯區(qū)永豐鄉(xiāng)郊外（30.64°N,104.03°E,海拔495.8m）;2004年1月1日,由成都市武侯區(qū)永豐鄉(xiāng)郊外遷至成都市溫江區(qū)氣象局（30.42°N,103.50°E,海拔540.6m）。

1.2 檢驗(yàn)方法

以溫江站為中心,在半徑150公里范圍內(nèi),選擇觀測時(shí)間一致且序列均一的11個(gè)臺站作為參考站,如表1所示,包括郫縣、彭州、簡陽、雙流、名山等。表2列出了不同要素下待檢站與各參考臺站觀測序列的相關(guān)系數(shù)ρi。發(fā)現(xiàn)氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)隨著水平距離增大而減小,其中氣溫的相關(guān)系數(shù)變化最為明顯,距離較近臺站的氣溫相關(guān)性非常高,系數(shù)均大于0.9,且通過顯著性檢驗(yàn),而相對濕度的相關(guān)性較低。由此可見,氣溫和降水要素的序列代表性較強(qiáng),可通過鄰近臺站建立的參考序列代表溫江真實(shí)氣候變化序列。但由于相對濕度的空間代表性略差于氣溫和降水要素,因此檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性較差,要進(jìn)一步分析。

從這11站中,挑選5個(gè)與待檢站的各要素序列相關(guān)性較好且序列較完整均一的臺站（表2中以粗體突出）,作為待檢臺站的參考臺站,利用比值法構(gòu)造參考序列Yi,采用SNHT法、Buishand法、Pettitt法[5]進(jìn)行均一性檢驗(yàn),各方法原理在文獻(xiàn)[5]中已有具體介紹。對比了各方法具體差異,如表3所示。當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 T0大于置信水平為1%的臨界值時(shí),即確定氣象要素存在非均一斷點(diǎn)。依據(jù)Wijingaard所設(shè)定均一性檢驗(yàn)思路,通過不同統(tǒng)計(jì)方法判斷序列的均一性:3種方法全通過或通過2種的臺站資料為均一,1種不通過的為可疑,至少2種不通過的為不可信。聯(lián)系臺站沿革資料,對可疑斷點(diǎn)進(jìn)行確定;對不可信資料判斷為不均一序列,并分析資料產(chǎn)生斷點(diǎn)的具體原因。

表1 站與參考站的情況

表2 溫江站與參考站各要素觀測序列的相關(guān)系數(shù)

表3 各種檢驗(yàn)方法對比

2 檢驗(yàn)與訂正

2.1 均一性檢驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 氣溫

圖1 溫江站SNHT,Buishand range test,Pettitt test方法的均一性檢驗(yàn)圖

文中3種方法均以1%置信水平為臨界值檢驗(yàn)。圖1（a）為溫江站年平均氣溫采用SNHT、Buishand和Pettitt法的檢驗(yàn)結(jié)果。通過SNHT對溫江站的年均溫度進(jìn)行非均一性檢驗(yàn)（圖1a）,發(fā)現(xiàn)序列在1977～1979年統(tǒng)計(jì)值均超過了置信水平為1%的臨界值（n=50,T90=11.3）,其中峰值出現(xiàn)在1978年,T0為13.90,可判斷該值所在年份為斷點(diǎn)年。同理Buishand法所計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量在1978年存在極值為1.810（＞T90=1.78）,序列不均一;Pettitt法在1984年極值為263（＜T 90=293）未通過1%置信水平的檢驗(yàn)。兩種方法均檢驗(yàn)出1978年存在斷點(diǎn),聯(lián)系臺站歷史沿革資料,溫江站于1982年、2004年發(fā)生遷站,由于環(huán)境變化不一定會即刻顯示在氣候要素的變化中。其不均一性影響程度、范圍和時(shí)間也不是即時(shí)的。借鑒李慶祥[16]對于不連續(xù)點(diǎn)的研究方法,將斷點(diǎn)年份與實(shí)際人為因素之間的時(shí)間誤差定為5年。即斷點(diǎn)存在于遷站或儀器變化時(shí)間的前后5年內(nèi),均為由人為因素導(dǎo)致的不均一。由此判斷平均氣溫序列在1978年存在不連續(xù)點(diǎn)。

同理對溫江站的最高氣溫（圖1b）和最低氣溫（圖1c）進(jìn)行均一性分析,該站最低氣溫在1992年存在不連續(xù)點(diǎn)。圖1（d）為氣溫日較差序列均一性檢驗(yàn)結(jié)果,由圖可見SNHT法和Buishand法均檢驗(yàn)出在1992年存在斷點(diǎn),Pettitt法判斷在1985年有斷點(diǎn)。查找溫江站儀器變更資料,其最高溫度表在2001年、2002年發(fā)生變化,最低溫度表在2004年發(fā)生變化。由此判斷1992年的斷點(diǎn)非儀器變更引起。氣溫的不連續(xù)點(diǎn)一方面可能是由于遷站或儀器變更造成,另一方面可能因?yàn)槌鞘谢?yīng)的影響[17]。成都位于四川盆地西部,成都平原腹地。1982年后溫江氣象觀測站遷至成都市武侯區(qū)永豐鄉(xiāng)郊外,20世紀(jì)80年代觀測站周圍基本沒有高層建筑,城市化效應(yīng)較小。90年代永豐鄉(xiāng)建立了四川省個(gè)體私營皮革加工貿(mào)易區(qū),城市工業(yè)、交通迅速發(fā)展,人口的急劇增加以及下墊面結(jié)構(gòu)的改變,大大地增加了城市熱島效應(yīng)。因此,臺站遷移和熱島效應(yīng)是造成溫江站平均、最低氣溫序列非均一性的主要原因。

2.1.2 降水

利用上述檢驗(yàn)方法對溫江站的降水、1mm雨日以及相對濕度序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)（圖2）,其中年均降水序列和1mm雨日序列均未發(fā)現(xiàn)不均一斷點(diǎn)的存在,這可能是由于溫江站周圍臺站密度不夠大,而降水量的空間連續(xù)性以及空間代表性差于氣溫要素。因此查找溫江站的臺站歷史沿革,發(fā)現(xiàn)遷站和臺站周邊環(huán)境變化對降水量影響并不明顯。相對濕度則在1992年存在不連續(xù)點(diǎn),該斷點(diǎn)與城市化效應(yīng)之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步證實(shí)。

從各氣候要素均一性檢驗(yàn)結(jié)果看,氣溫對臺站遷移更敏感,即氣溫受局地影響較大。此外,城市化效應(yīng)對氣候序列也會造成一定的影響。

圖2 溫江站SNHT,Buishand range test,Pettitt test方法的均一性檢驗(yàn)圖

2.2 非均一性序列的訂正

運(yùn)用1960～2009年溫江（56187）和鄰近的崇州（56181）、郫縣（56272）、名山（56280）、簡陽（56295）、金堂（56296）的均一資料進(jìn)行逐步多元線性回歸分析,求出其回歸方程（見表4）。對以上方程進(jìn)行回歸方程顯著性和訂正公式適應(yīng)性的檢驗(yàn),確認(rèn)其在置信水平α=0.05是有效的,且訂正公式均適應(yīng)。

表4 溫江站年平均、最低氣溫、相對濕度訂正方程及相關(guān)統(tǒng)計(jì)值

以平均氣溫為例,將郫縣和簡陽1960～1978年實(shí)測值代入表4中的回歸方程,計(jì)算出溫江站1960～1978年的年均值作為其訂正序列,連同1978～2009年實(shí)測氣溫資料形成最終訂正后的完整序列。同理對溫江站的最低氣溫、相對濕度的不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行訂正。

為了說明逐步回歸訂正結(jié)果的可信度,將訂正后的資料與鄰近臺站的同期資料進(jìn)行對比分析,分析（表5）:結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均和最低氣溫訂正前后趨勢變化較小,訂正前的相對濕度比5個(gè)參考站同期趨勢大,訂正后的溫江站與周邊臺站氣候資料的變化趨勢接近,且相關(guān)系數(shù)均超過0.01（r0.01=0.3541）顯著性水平檢驗(yàn)。此外,溫江站訂正后資料均通過了均一性檢驗(yàn),如圖3所示。由此可見,該訂正結(jié)果具有可靠性。

表5 1960～2009年溫江、崇州、郫縣、名山、簡陽和金堂站年平均、最低氣溫、相對濕度趨勢對比

圖3 溫江站SNHT,Buishand range test,Pettitt test方法訂正后序列的均一性檢驗(yàn)圖

3 訂正資料與原始資料趨勢對比分析

對比溫江站訂正前后的氣候要素值,圖4給出訂正序列與原序列趨勢比較,訂正后的溫江站平均氣溫、最低氣溫增加趨勢值比訂正前小,氣溫日較差的減弱趨勢在訂正后也減小。這一結(jié)果與全國、全球的大部分陸地區(qū)域同期氣溫日較差都在減小的結(jié)論相符[13-14]。相對濕度序列的減弱趨勢訂正后明顯減弱。

比較均一化前后氣候資料序列的增加幅度發(fā)現(xiàn),訂正前溫江站平均氣溫變暖幅度約為1.7℃,增溫速率為0.121℃/（10a）;訂正后變暖幅度約為1.9℃,增溫速率為0.116℃/（10a）,訂正使變暖幅度增大。訂正前后溫江站相對濕度傾斜率分別為0.116/（10a）和0.085/（10a）,降幅減少。遷站和城市化效應(yīng)對溫江站氣候序列均一性產(chǎn)生了一定影響,訂正校正了以上不均一作用,同時(shí)對各氣象要素的訂正也表明了人為因素對最低氣溫、相對濕度的均一性影響較為明顯,說明氣候資料訂正的重要性。

圖4 訂正前后的溫江站序列年際變化

4 結(jié)論和討論

對溫江站1960～2009年逐年平均、最高、最低氣溫,降水、相對濕度等氣候序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和訂正,并對比分析了訂正前后的變化特征,得到以下結(jié)論:

（1）臺站的遷移會對氣候資料的均一性產(chǎn)生一定影響。通過對溫江站氣候序列均一性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):氣溫對臺站遷移較為敏感,而對降水的影響并不明顯,這可能與周圍臺站密度不夠大且降水量的空間連續(xù)性比較差有關(guān)。此外,城市化效應(yīng)對氣候序列也會造成一定的影響,但相對濕度的斷點(diǎn)與城市化效應(yīng)是否存在關(guān)系,還有待進(jìn)一步證實(shí)。

（2）通過均一性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣溫序列在1978年存在不連續(xù)點(diǎn),該斷點(diǎn)存在于遷站或儀器變化時(shí)間（1982年）的前后5年內(nèi),判斷為遷站因素導(dǎo)致的不均一。相對濕度序列在1992年存在斷點(diǎn),運(yùn)用逐步回歸訂正法可以較可靠的對斷點(diǎn)進(jìn)行訂正,并在此基礎(chǔ)上建立新的氣候序列。

（3）對訂正后的氣候序列對比分析發(fā)現(xiàn),平均氣溫、最低氣溫訂正后比訂正前序列的增加趨勢減弱,氣溫日較差逐年下降;相對濕度訂正后比訂正前的減弱趨勢有所降低。比較均一化前后氣候序列的變化幅度發(fā)現(xiàn),溫江站平均氣溫訂正后增溫速率為0.116℃/（10a）,相對濕度訂正后傾斜率為0.085/（10a）,降幅減弱。進(jìn)一步說明了氣候要素的均一性檢驗(yàn)和訂正是局地氣候變化檢測的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。表明不同要素的均一性受到遷站等因素影響程度各不相同,需要進(jìn)一步區(qū)別分析。

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