探測環(huán)境改變對新疆吐魯番地區(qū)輻射觀測的影響分析

秦榕++姚作新++楊艷玲++井立紅++楊霰++王秀琴++邢之芳

摘要：選取新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番站近30年（1985-2014年）總輻射量、日照時間資料，將其與烏魯木齊、焉耆兩站同期資料進行對比分析，并使用SPSS和R軟件對年度資料進行了均一性檢驗。結(jié)果表明，因探測環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，吐魯番觀測站輻射量、日照時間資料與兩參照觀測站輻射量、日照時間資料相比一致性較差，其中1992、2010年總輻射量資料發(fā)生了不連續(xù)變化，2010年日照時間資料發(fā)生了不連續(xù)變化（未通過0.01顯著水平檢驗）；月值自2010年起每年1-3月、9-12月總輻射量、日照時間資料均發(fā)生了不連續(xù)變化（未通過0.01顯著水平檢驗）。探究其原因，是因吐魯番站觀測場正南方和西南方密集重疊的高層建筑，秋冬季隨著太陽高度角的變化遮蔽了整個觀測場所致。

關(guān)鍵詞：探測環(huán)境；輻射；日照；影響；新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番

中圖分類號：P422.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5483-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.012

Impact Analysis of the Detection Environment Change on the Observation of Irradiance in Turpan，Xinjiang

QIN Rong1，YAO Zuo-xin1，YANG Yan-ling2，JING Li-hong3，YANG Xian4，WANG Xiu-qin5，XING Zhi-fang2

（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi 830002，China；2.Meteorological Bureau of Hami Prefecture，Hami 839000，Xinjiang，China；3.Meteorological Bureau of Tacheng Prefecture， Tacheng 834700， Xinjiang， China； 4.Meteorological Bureau of Urumqi City， Urumqi 830002， China； 5.Meteorological Bureau of Xinjiang， Urumqi 830002， China）

Abstract： The data of total radiation and sunshine duration of Turpan meteorological observatory in Xinjiang Uygur autonomous region in last 30 years（1985-2014） were selected for a comparative analysis with the data of Urumqi and Yanqi meteorological observatory of the same period，and the SPSS and the R analysis software were used for the homogeneity test of annual data. The results showed that，the data of radiation and sunshine duration of Turpan meteorological observatory and that of the comparative meteorological observatories had poor coherence as the detection environment having been severely damaged. Of which，the total radiation data occurred uncontinuous changes in 1992 and 2010 and the sunshine duration data occurred uncontinuous change in 2010（failing to pass the significance level test at α=0.01）. Since 2010，the data of total radiation and sunshine duration of every month from January to March and September to December has occurred uncontinuous changes（failing to pass the significance level test at α=0.01）. The explanation is that the clusters of high-rise buildings in south and southwest of Turpan observation site overshadow the whole observation site with the changes of sun elevation angles in autumn and winter.

Key words： detection environment； radiation； sunshine； impact； Turpan of Xinjiang Aygur autonomous region

氣候資料是進行氣候變化研究及氣候預(yù)測的基礎(chǔ)[1-4]，氣候資料除攜帶區(qū)域氣候變化自身的因素外，還攜帶許多大氣環(huán)境信息，其中包括城市化和土地利用等人為影響因素[5-12]，以及臺站遷徙、儀器變更及資料處理過程中所采用的方式變更等因素，這些均可使單站氣候資料攜帶有非均一的信息[13-22]，這些非氣候變化的因素可能會導(dǎo)致氣候資料序列研究產(chǎn)生矛盾的結(jié)論。因此，近年來很多權(quán)威學(xué)者對于減少氣候資料的非均一性做了大量的研究工作。從20世紀(jì)末開始，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量氣象臺站被城市包圍，或成為城市中心區(qū)域，其觀測的氣候資料已經(jīng)不能真實的代表大氣狀況；為使氣候資料具有代表性，中國氣象局對大量已嚴(yán)重城市化的臺站進行了遷徙，而關(guān)于城市化對氣候資料的影響和站址搬遷前后資料的對比分析多見于對其單一分析的研究[1-22]。吐魯番站是世界上海拔最低的盆地氣象站，由于臺站四周環(huán)境惡化，不僅導(dǎo)致溫度、濕度、風(fēng)等資料的連續(xù)性受到直接影響，而且對輻射及日照資料的觀測也產(chǎn)生了巨大影響，而以往分析的結(jié)果表明探測環(huán)境變劣很少會波及到輻射資料，雖然輻射還受到大氣透明度、云、降水、濕度等諸多因素的影響，對吐魯番地區(qū)而言，冬、春季少云，降水偏少，在大氣透明度極好的情況下，觀測場四周高大障礙物的出現(xiàn)對所觀測的輻射資料帶來了一定的影響。本研究利用新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番國家站與同期烏魯木齊、焉耆2個相鄰站的總輻射量、日照資料進行對比分析，用一元線性回歸方法進行區(qū)域一致性和均一性分析，找出非均一性的年、月，同時找出影響總輻射量、日照觀測資料非均一性變化的根本原因，對斷點資料進行插補訂正，為氣象服務(wù)及科研工作提供直接有效的服務(wù)。

1 臺站探測環(huán)境情況及資料選取

1.1 觀測站基本情況

吐魯番輻射站始建于1960年2月，站址位于吐魯番市老城東門外（東經(jīng)89°14′，北緯42°58′），觀測場海拔高度30.0 m；1992年7月1日由人工觀測改為自動觀測；1994年起大規(guī)模興建樓房，至2009年以后，在觀測場直線距離90 m的東南方至西南方分別建成數(shù)棟高層建筑，最高仰角達(dá)38.4°，探測環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞（圖1），2013年環(huán)境評估僅得61.4分。目前惡劣的環(huán)境狀態(tài)已使得觀測站所獲取的資料將完全失去代表性、準(zhǔn)確性、比較性氣象資料的要求。

1.2 資料選取與方法

為了分析城市化對吐魯番站輻射量觀測資料的影響，選取烏魯木齊、焉耆2個站為參考觀測站，參考觀測站選擇的標(biāo)準(zhǔn)是：第一，與吐魯番距離較近，即屬于同一氣候大區(qū)；第二，參考站觀測資料序列與吐魯番站平行年代長，且未遷過站；第三，參考觀測站多年來探測環(huán)境變化小。

為保證資料的一致性，采用吐魯番站、參考觀測站最近30年（1985-2014年）的總輻射量、日照時間資料進行對比分析，并對1985-2009年輻射量、日照資料進行相關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果除吐魯番與烏魯木齊輻射資料相關(guān)性不夠顯著外，其他資料相關(guān)性均顯著。所用資料來源于新疆氣象信息中心，且濾去了氣候變化的影響因素，只攜帶環(huán)境變化的影響因素。

采用一元線性回歸方法進行區(qū)域一致性和均一性分析，同時對吐魯番站1985-2009年和2010-2015年的資料進行區(qū)域一致性分析，并對各要素進行t檢驗[23]和F檢驗[24]，用以分析資料的均一性變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 總輻射量、日照時間的變化

2.1.1 總輻射量、日照時間年變化趨勢 利用回歸分析方法建立吐魯番站與烏魯木齊站、焉耆站總輻射量和日照時間隨時間序列的一元線性回歸方程，對其變化趨勢進行分析（圖2）。

圖2a是吐魯番與烏魯木齊、焉耆站1985-2014年總輻射量資料變化趨勢。由圖2a可見，烏魯木齊站由于輻射儀器老化，造成2012年總輻射值異常偏低。1985-2009年期間吐魯番站總輻射變化趨勢介于烏魯木齊與焉耆站之間，高于烏魯木齊站；2009年以后吐魯番站總輻射量資料隨時間變化趨勢與參考站相反，總輻射量以-78.44 MJ/（m2·10年）的速率顯著減小，烏魯木齊、焉耆站以132.73、52.98 MJ/（m2·10年）的速率顯著增加。

圖2b是吐魯番與烏魯木齊、焉耆站1985-2014年日照時間變化趨勢圖。由圖2b可見，1985-2003年吐魯番站日照時間變化趨勢均高于烏魯木齊站，與焉耆站基本同步，2004年呈現(xiàn)出不規(guī)律下降趨勢，2009年以后日照時間下降極為顯著，并以-124.43 h/10年的速率顯著減小，其降幅跌破歷史平均值且低于2個參考站，線性趨勢的差異隨時間推移在不斷增大，而同期烏魯木齊、焉耆兩站表現(xiàn)為顯著增加趨勢，其傾向率分別為163.57、88.94 h/10年，表明吐魯番站與烏魯木齊、焉耆站區(qū)域一致性越來越差，且吐魯番站日照時間減少速率明顯大于總輻射量減少速率，原因在于總輻射量是指水平面上，天空2π立體角內(nèi)所接收到的太陽直接輻射量和散射輻射量之和，具有一定的區(qū)域性；而日照時間則是太陽直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2的那段時間總和。

2.1.2 總輻射量、日照時間月變化 分別繪制了1985-2009年（25年）、2010-2014年（5年）各月平均總輻射量、月平均日照時間分布圖（圖3）。由圖3可知，4-9月兩者基本同步，10-12月與1-3月差值呈逐步分離狀態(tài)。結(jié)合實況記錄進行分析發(fā)現(xiàn)，自2010年9月起每天正午12：00后日照時間逐步減小，直至11月18日至翌年1月27日前后（平均70 d）12：00后日照記錄均為0.0 h；從理論上分析，北半球每年9月23日（秋分）前后，日照時間隨之縮短，至12月22日（冬至）前后，北半球日照時間最短。隨后日照時間由最短開始慢慢延長，至翌年3月21日（春分）左右，日照時間延長。由此結(jié)合圖1，從吐魯番站日照時間原始記錄分析發(fā)現(xiàn)，2009年以后，每年的9月23日至翌年3月21日期間，觀測場正南方和西南方密集重疊的高層建筑從正午12：00之后，隨著太陽高度角的逐步減小，逐漸將整個觀測場遮蔽，12月22日冬至過后隨著太陽高度角增大，觀測場遮蔽面積逐步增大。受太陽活動及臺站周邊探測環(huán)境影響導(dǎo)致每年11月18日至翌年1月27日前后近70 d時間正午12：00后無任何日照記錄。其他冬半年資料也隨著太陽高度角的減小或增大采集到與實際大氣狀況完全不符的數(shù)據(jù)（查詢該時段的云量、濕度、降水、視塵現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，僅低云量對總輻射量及日照有些影響）?？梢耘卸ㄗ?010年起整個冬半年所觀測的總輻射量和日照時間資料不能真實代表當(dāng)時的天空狀況。

2.1.3 總輻射量、日照時間季變化 根據(jù)對總輻射量、日照時間實況資料及站址探測環(huán)境改變年代綜合分析，將1985-2014年分為1985-2003、2004-2014年（第一種斷點方式，輻射儀器換型，探測環(huán)境改變，但不是很明顯）與1985-2009、2010-2014年（第二種斷點方式，探測環(huán)境受到嚴(yán)重破壞）2個斷點，重點分析2種斷點方式下2個時段總輻射量、日照時間平均值差值，結(jié)果（表1）表明，吐魯番站總輻射量、日照時間平均值差值表現(xiàn)出十分明顯的時間性和季節(jié)性變化特點。

從表1可以看出，春季除第二種斷點方式總輻射量差值偏大外（12.81 MJ/m2），其他差值相對偏??；夏季總輻射量差值為負(fù)值（-8.16 MJ/m2），與近幾年夏季短時對流天氣頻發(fā)有直接關(guān)系。秋、冬季總輻射量差值和日照時間差值都表現(xiàn)出異常偏大，且第二種斷點方式的總輻射量差值和日照時間差值均在40.00 MJ/m2和40.00 h以上，從側(cè)面反映出2003年之后探測環(huán)境就在逐步惡化，到2009年后環(huán)境變劣發(fā)展到巔峰狀態(tài)（66.66 h），進一步證明了臺站觀測環(huán)境的改變對輻射量和日照時間觀測值的影響是完全一致的。另外，從表1也可以看出，夏季因太陽高度角大對平均值差值影響相對較小，而秋、冬季隨著太陽高度角的逐漸減小，導(dǎo)致秋冬季差值明顯增大，春季次之，主要原因是觀測站東南至西南方向密集重疊的高層建筑嚴(yán)重阻擋了陽光照射，從而導(dǎo)致總輻射量、日照時間迅速減小，使資料序列發(fā)生了不連續(xù)變化。

2.2 資料序列均一性分析

2.2.1 總輻射量、日照時間年值均一性 在對氣象資料均一性研究中，發(fā)現(xiàn)許多氣象資料非均一性是由于觀測站位置的遷徙、周圍環(huán)境的改變、觀測儀器和安裝方法的更新等所造成的。特別是隨著城市化的加速，新的觀測設(shè)備的采用，這一情況就更為突出[8]。對吐魯番站1985年以來觀測資料的年月值序列進行均一性分析，首先采用最大F檢驗[24]，對年輻射量和年日照時間進行檢驗，檢驗出在95%的顯著性水平下，年輻射量數(shù)據(jù)在2010年存在顯著的跳變點，而年日照時間在2011年存在顯著跳變點；雖然在1992年輻射儀器存在儀器換型，但通過檢驗發(fā)現(xiàn)，該時間點并沒有檢測出顯著的趨勢拐點，這可能和PMFT方法的檢驗特點有關(guān)，在檢驗過程中，該變化被要素本身歷史變化趨勢的演變所掩蓋。應(yīng)用t檢驗方法[23]（顯著水平為0.01）對其年值序列分別進行檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種檢驗方法都表現(xiàn)出2010年以后，觀測場四周相繼建成多處商業(yè)樓和高層住宅樓，觀測站環(huán)境變劣達(dá)到巔峰，使吐魯番站年總輻射量、日照時間資料產(chǎn)生了拐點；另外，由于輻射儀器1992年7月由人工觀測改為自動觀測，也使年總輻射量資料產(chǎn)生了拐點，但不是很明顯，兩種檢驗結(jié)果都顯示出2010年以后有斷點，具體見圖4。

2.2.2 總輻射量、日照時間月值均一性 采用t檢驗和F檢驗，對吐魯番站1985-2009年觀測資料的平均值和2010-2014年觀測資料的平均值進行顯著性檢驗，以顯著性水平達(dá)到0.01作為通過檢驗的標(biāo)準(zhǔn)，檢驗要素包括總輻射量、日照時間月值，檢驗結(jié)果見表2。由表2可見，檢驗?zāi)攴輧?nèi)1-3月、9-12月未通過0.01的顯著性水平檢驗，僅4-8月通過了顯著性水平檢驗；各要素的月值差異顯著，秋末及整個冬季影響極其明顯，全年各月僅有42%通過了顯著性檢驗，比較而言，年值從2009年以后總輻射量資料不能連續(xù)使用，月值2009年后1-3月、9-12月總輻射量資料不能連續(xù)使用，僅4-8月數(shù)據(jù)可連續(xù)使用。

2.3 影響輻射量的主要氣象要素變化

利用傾向趨勢法[23]對吐魯番四季云量、日照時間變化趨勢及其顯著性進行分析，結(jié)果見表3；利用相關(guān)分析法[23]分析總輻射量、日照時間與各氣象要素間的相關(guān)關(guān)系，并對影響總輻射量、日照時間變化的原因進行初步分析，結(jié)果見表4。

2.3.1 云量、相對濕度、降水量的變化趨勢 由表3可知，吐魯番近30年總云量、相對濕度呈不同程度的減少趨勢，以年最為明顯，減幅分別為2.00成/10年、25.04個百分點/10年（P<0.01），四季減幅分別為0.20～0.71成/10年、5.00～6.60個百分點/10年。近30年四季和年低云量呈不同程度的增加趨勢，冬季增幅最小，增幅為0.01成/10年；年增幅最為明顯，增幅為1.37成/10年（P<0.01）。從1985-2014年降水量的氣候傾向率來看，除冬季以0.63 mm/10年的速度增加外，其他季節(jié)和年降水量呈不同程度的減少趨勢，以年降水量最為明顯，減幅為1.47 mm/10年。

2.3.2 云量、相對濕度、降水量與日照時間、總輻射量的相關(guān)性 從吐魯番四季、年日照時間與云量、相對濕度和降水量的線性相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果（表4）來看，除年日照時間與總云量呈正相關(guān)外，四季日照時間與總云量呈負(fù)相關(guān)，尤其是春、夏季較顯著。年、春季、夏季、秋季日照時間與低云量呈顯著負(fù)相關(guān)，尤其是年、秋季達(dá)到極顯著水平。年、季日照時間與相對濕度、降水量關(guān)系不大?？傒椛淞砍c年總云量、年和秋季低云量呈顯著負(fù)相關(guān)外，與其他指標(biāo)關(guān)系均不大。

2.3.3 日照時間、總輻射量減少的主要原因 根據(jù)以上分析，大部分季節(jié)總輻射量、日照時間與云量、相對濕度和降水量均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，年日照時間除與低云量為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系外，與總云量、相對濕度和降水量均呈正相關(guān)；年總輻射量與相對濕度呈正相關(guān)，與云量、降水量呈較明顯的負(fù)相關(guān)。從表3和表4來看，近30年總云量、相對濕度和降水量均呈減少趨勢，只有低云量呈增加趨勢，這說明吐魯番站總輻射量、日照時間減少與低云量的增加也有一定關(guān)系。

4 結(jié)論

1）吐魯番站總輻射量、日照時間資料與參照站相比一致性較差，1992、2010年，總輻射量、日照時間在顯著性水平0.01的條件下資料發(fā)生了不連續(xù)；2010年起，除4-8月外，其他月份的總輻射量、日照時間資料在顯著性水平0.01的條件下未通過檢驗，即資料發(fā)生了不連續(xù)。

2）2010年至今，總輻射量、日照時間資料每年11月18日至翌年1月27日前后（平均70 d）每天正午12：00以后日照時間均為0.00 h，主要原因是太陽高度角的變化及探測環(huán)境變化導(dǎo)致整個午后觀測場全部被障礙物遮蔽所致；而次要原因為低云量呈增加趨勢，秋季增幅為0.46成/10年（P<0.01），冬季增幅為0.01成/10年，年增幅為1.37成/10年（P<0.01）。

3）城市化對年變化影響最為顯著，四季表現(xiàn)及影響各不相同，秋末至整個冬季表現(xiàn)最為顯著。

4）吐魯番站年值資料自2009年以后總輻射量、日照時間資料不能連續(xù)使用；月值資料2009年后1-3月、9-12月總輻射量、日照時間資料不能連續(xù)使用，僅4-8月資料可連續(xù)使用。

5）對檢驗出的斷點資料要進行插補訂正，方可為各行各業(yè)氣象服務(wù)及科研工作提供直接有效的服務(wù)。

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