下墊面改變對陜西省氣溫的影響

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，同時氣象觀測站站址變動也給觀測數(shù)據(jù)的均一性帶來影響。為了能反映較為真實的氣候變化事實，已有許多研究成果揭示下墊面改變對氣候變化的貢獻［1-4］，有的通過對比城市和周圍郊區(qū)的觀測資料來分析城市化對氣溫的影響［5］，有的以城市人口數(shù)量為等級和衛(wèi)星資料來估算對氣溫變化的貢獻［6］，有的以站址遷移來研究對氣溫變化的影響［7］，因此綜合考慮下墊面的變化對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氣候變化的影響［8］，他們認為再分析資料(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合陸面過程模式產(chǎn)生，故NNR地表氣溫對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)展對氣溫的貢獻。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)濟發(fā)達的區(qū)域，而關于西部地區(qū)的研究較少。陜西省位于西北地區(qū)東部，地形地貌復雜多樣，從1990年代開始，陜西部分站點進行了臺站遷移，影響了觀測氣溫的代表性和連續(xù)性，同時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，站點觀測氣溫的質(zhì)量受到嚴重的影響。因此本項目采用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區(qū)域氣溫變化的貢獻和影響。

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)過均一性檢驗和訂正，保持了氣溫數(shù)據(jù)受下墊面改變而影響的真實性。采用的再分析資料由美國國家環(huán)境預報中心(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資料。

采用雙線性插值法將NNR插到相對應的站點上，對二者的距平序列進行對比分析。

2 分析與討論

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

2.1 站點遷移對氣溫的影響

從20世紀70年代開始，有不少地面觀測臺站由于城市規(guī)劃、周圍環(huán)境破壞等原因進行了站址遷移，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、連續(xù)的反映氣溫變化事實。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，是一個由相對偏‘冷’到相對偏‘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，進而影響了氣溫序列的連續(xù)性和真實性。

2.2 城市化發(fā)展對氣溫的影響

20世紀90年代以來，陜北和關中城市化迅速發(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”。西安是西北地區(qū)的經(jīng)濟文化中心，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的。

延安站也是受城市化影響較嚴重的一個氣象站，從建站至1991年，周圍建筑物較少，氣流通暢，視野開闊，能見度目標物清楚，探測環(huán)境相對穩(wěn)定。1992年至2012年城市面貌發(fā)生了很大變化，城市規(guī)模逐年擴大，隨著延安市社會經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)址周邊形成居民生活區(qū)對觀測場呈包圍狀。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 下墊面改變對全省氣溫的影響

影響臺站氣溫變化因素較多，要把各種因素影響程度進行分離是一項非常復雜的工作，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中地區(qū)因城市發(fā)展及臺站遷移對氣溫影響較大，陜南地區(qū)除了個別臺站因為遷站而受到明顯的影響外，其余臺站的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，再分析氣溫數(shù)據(jù)很好的捕捉到了觀測氣溫的時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為站點遷移和城市化對氣溫的影響。本項目研究采用OMR方法將局地近30年地表氣溫變化剝離出來，分析其對站點遷移和城市化的敏感性，得到的主要結論如下:

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

2)城市化對OMR序列的影響非常明顯，隨著城市化逐漸推進，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，OMR序列變化幅度較小，沒有明顯的增加或降低趨勢，表明這樣的臺站維持了較好的觀測環(huán)境。

從全省來看，陜北和關中地區(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)除了個別臺站因為遷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，應用于OMR方法時可能會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站遷移和城市化對分析結果的影響，所使用的雙線性插值法將NNR數(shù)據(jù)插值到站點上可能會有一定的誤差等都會給本文的研究結果帶來一定的不確定性，未來還需要更為精細、可靠的觀測和再分析數(shù)據(jù)來對這一影響進行評估.此外，地形以及人類活動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，今后還需要進行更多的數(shù)值試驗和分析研究。

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