基于HOMER的五臺(tái)山站及其相鄰站氣溫序列均一化研究

王孟本,王麒翔,范曉輝

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

基于HOMER的五臺(tái)山站及其相鄰站氣溫序列均一化研究

王孟本1,王麒翔2,范曉輝1

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)

采用HOMER方法可以明顯改善氣溫序列的均一性。與原始序列相比,HOMER和RHtests均一化序列的時(shí)間和空間一致性均明顯提高。從站點(diǎn)均一化序列的相關(guān)性及其長期趨勢的空間一致性來看,HOMER方法的均一化效果優(yōu)于RHtests方法。由于五臺(tái)山站的站址遷移時(shí)間為1998年,自那時(shí)以來全球氣溫明顯持續(xù)升高,導(dǎo)致近20年來五臺(tái)山站的自然升溫信號(hào)與遷址產(chǎn)生的升溫噪聲疊加在一起,難免使HOMER或RHtests方法出現(xiàn)校正量過大問題。針對這一特殊問題,本研究提出了新的氣溫直減率訂正法。由此得到的五臺(tái)山站1961～2015年年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫升幅分別為0.479℃/10 a、0.334℃/10 a和0.686℃/10 a,為相鄰站點(diǎn)各氣溫要素平均升幅的2.98倍、1.30倍和2.52倍,表明五臺(tái)山站具有非常明顯的海拔依賴性升溫特征。

氣溫;均一化;HOMER方法;RHtests方法;氣溫直減率方法;海拔依賴性升溫

0 引言

地面氣候觀測資料是進(jìn)行氣候變化研究的重要基礎(chǔ)。然而,由于觀測站點(diǎn)遷移、觀測儀器更新、觀測規(guī)則以及資料處理方法變化等因素,長序列氣候數(shù)據(jù)記錄經(jīng)常存在非均一性。為了準(zhǔn)確揭示氣候變化特征和規(guī)律,必須對氣溫序列的非均一性進(jìn)行校正,即均一化處理[1-3]。近30 a(15 a)來,國際(國內(nèi))研究者積極開展氣候資料均一化技術(shù)和方法研究,在不同氣候要素序列均一化研究方面做了大量工作[4-6]。較常用的方法包括較早研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)均一性檢驗(yàn)(SNHT)方法[7]、序列均一性多元分析(MASH)方法[8]、PRODIGE方法[9]和RHtests(Relative Homogeneity tests)方法[10]等,以及最新推出的HOMER (HOMogenization SoftwarE in R)方法[11]。HOMER方法一經(jīng)推出,很快便在國際上得到了廣泛應(yīng)用[12-17],但未見到在國內(nèi)應(yīng)用的報(bào)道。

五臺(tái)山位于山西省東北部,北緯38°25’30”～39°26’57”、東經(jīng)112°43’57”～114°28’28”,跨五臺(tái)、繁峙、代縣、原平、定襄和靈丘6縣(市)。北臺(tái)名葉斗峰,海拔3 061.1 m,為五臺(tái)山主峰,素有“華北屋脊”之稱[18]。五臺(tái)山氣象站是國家基本站和國家指標(biāo)站,該站始建于1955年10月,原址在中臺(tái)頂上(海拔高度2 895.8m),1998 年1 月遷至南臺(tái)木魚山(海拔高度2 208.3m),海拔高度下降約700 m,水平南移距離接近10 km。近年來有學(xué)者采用SNHT方法對五臺(tái)山站1957-2005年氣候資料的均一性進(jìn)行了分析[19];同時(shí),有學(xué)者采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)和回歸訂正法對五臺(tái)山站1957-2013年氣候資料的均一性進(jìn)行了檢驗(yàn)及氣候變化趨勢分析[20-21]。但是,由于回歸訂正法[20-21]的局限性,所得結(jié)果很難準(zhǔn)確反映該站氣候變化的真實(shí)情形。與此同時(shí),對五臺(tái)山站與其相鄰站氣溫變化趨勢進(jìn)行比較研究,對揭示高海拔地區(qū)是否存在海拔依賴性升溫(Elevation-dependent warming,EDW)特征[22]亦具有重要科學(xué)意義。

本研究采用HOMER 2.6對五臺(tái)山站及其相鄰5個(gè)站1961-2015年的年平均氣溫(TM)、年平均最高氣溫(TX)和年平均最低氣溫(TN)序列進(jìn)行均一化檢驗(yàn)和訂正。對訂正前、后序列及其長期趨勢的一致性進(jìn)行分析。同時(shí)根據(jù)國家已發(fā)布的均一化數(shù)據(jù)(即以RHtests V3 研制的均一化數(shù)據(jù)),對HOMER和RHtests方法的均一化效果進(jìn)行比較評價(jià)。此外,針對研究過程中發(fā)現(xiàn)的五臺(tái)山站氣溫序列訂正的特殊問題,提出并運(yùn)用新的氣溫直減率(Temperature Lapse Rate,TLR)訂正法對該站的氣溫序列進(jìn)行了訂正,對該高山站與其相鄰站點(diǎn)的氣溫長期趨勢進(jìn)行了對比分析。本研究結(jié)果不僅可為我國氣候資料均一化技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒,同時(shí)有助于深入認(rèn)識(shí)高海拔區(qū)的氣候變暖特征,并可為地區(qū)植被生態(tài)和旅游生態(tài)等研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料來源

1.1.1 原始數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)

本研究包括五臺(tái)山站、五臺(tái)縣豆村站,以及繁峙、代縣、原平和定襄4縣(市)氣象站共6個(gè)臺(tái)站(表1)。采用的原始數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心收集整理的“中國地面氣象要素月值數(shù)據(jù)集”,包括歷年地面逐月平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)提供的臺(tái)站信息可知,五臺(tái)山站、繁峙站和原平站曾經(jīng)各遷址一次,五臺(tái)縣豆村站和代縣站無遷址記錄,定襄站海拔高度略有變化。供試站點(diǎn)之間的水平距離如表2(右上角)所列。

表1 五臺(tái)山站及其相鄰站1961-2015年的遷址情況

表2 供試站之間的水平距離及其年均氣溫原始數(shù)據(jù)序列之間的Spearman相關(guān)系數(shù)

1.1.2 采用RHtests方法研制的均一化數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)來自“中國國家級地面氣象站均一化氣溫月值數(shù)據(jù)集 (CHHTD 1.0)”,包括歷年逐月平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫均一化數(shù)據(jù)。CHHTD 1.0系采用RHtests v3(PMT/PMFT)方法研制而成[23]。

1.2 研究方法

1.2.1 HOMER方法

HOMER方法(亦稱HOMER系統(tǒng))主要是以PRODIGE系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來。HOMER系統(tǒng)的主要特征是:(1)嵌入了Climatol系統(tǒng)的“站網(wǎng)分析(network analysis)”功能;(2)沿用了PRODIGE系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)質(zhì)量控制”功能;(3)繼承了PRODIGE系統(tǒng)的成對檢測(pairwise-detection)法,同時(shí)嵌入了聯(lián)合檢測(joint-detection)法和ACMANT系統(tǒng)的雙變量檢測(bivariate detection)法;(4)沿襲了PRODIGE系統(tǒng)的ANOVA訂正法[11]。

該系統(tǒng)主要采用“成對比較”法進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。其基本原理是“由斷點(diǎn)(break-ponit)分開的片斷序列是可靠的”,“這些亞序列可以用來作為參考序列”。該方法以一個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有氣候序列互為參考序列,以確定所有序列中可能存在的非均一性。系統(tǒng)可按使用者的選項(xiàng),根據(jù)站點(diǎn)之間的地理距離或站點(diǎn)一階差分序列(first difference series)之間的相關(guān)性從供試站網(wǎng)中為每個(gè)待檢序列自動(dòng)選取若干個(gè)參考序列。通常情況下,在全部(或絕大多數(shù))差值序列(difference series)中同時(shí)出現(xiàn)的斷點(diǎn)便認(rèn)為是待檢序列中的斷點(diǎn)。HOMER系統(tǒng)可使用元數(shù)據(jù)提供的斷點(diǎn)時(shí)間,也可不用元數(shù)據(jù)。使用該系統(tǒng)可對月、季和年尺度的氣溫序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和訂正。

HOMER的基本功能分兩大塊:“快速質(zhì)量控制”與“均一化”。質(zhì)量控制針對的是非系統(tǒng)誤差,比如最高、最低溫度在制表時(shí)的錯(cuò)位等。而均一化旨在檢測和訂正系統(tǒng)誤差,比如因?yàn)閮x器變化或氣象站遷址而導(dǎo)致的誤差。前者包括“快速站網(wǎng)檢查”、“快速質(zhì)量控制”、“離群值(outlier)文本創(chuàng)建”和“離群值剔除”等。后者主要包括(1)成對檢測+聯(lián)合檢測、斷點(diǎn)初步判斷、 (2)初步訂正、ACMANT檢測、訂正、(3)對訂正數(shù)據(jù)的成對檢測+聯(lián)合檢測、斷點(diǎn)進(jìn)一步判斷、訂正、(4)ACMANT檢測、斷點(diǎn)月份評定、最終訂正及訂正結(jié)果圖示(即訂正和對訂正序列的成對檢測)等。HOMER屬于半自動(dòng)交互方法,但是在大多數(shù)情況下應(yīng)當(dāng)采用“交互”模式[24]。

本研究采用“全部序列”模式來確定參考序列,即當(dāng)某一站點(diǎn)序列為待檢序列時(shí),其余5個(gè)站點(diǎn)序列全部為參考序列。并選擇“年+季”模式對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。具體操作過程按以上所述步驟進(jìn)行。重點(diǎn)是根據(jù)整個(gè)站網(wǎng)檢驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合元數(shù)據(jù)信息,以及氣候背景知識(shí)等,進(jìn)行仔細(xì)比對分析,形成可靠的“斷點(diǎn)表”。具體做法是:

(1)根據(jù)成對檢測結(jié)果,將有5個(gè)或4個(gè)差值序列在同一時(shí)間點(diǎn)檢測到的斷點(diǎn)歸入“臨時(shí)斷點(diǎn)表”;

(2)根據(jù)聯(lián)合檢測結(jié)果及其自動(dòng)產(chǎn)生的“斷點(diǎn)表”,以及先前的“臨時(shí)斷點(diǎn)表”,將檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一比對分析,整合編輯成供系統(tǒng)進(jìn)行初次訂正的“斷點(diǎn)表”,并進(jìn)行初次訂正;

(3)根據(jù)ACMANT檢測、成對檢測和聯(lián)合檢測的多次檢測結(jié)果,對“斷點(diǎn)表”進(jìn)行多輪分析和修訂,以獲得可靠的“斷點(diǎn)表”;

(4)在系統(tǒng)評定斷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)(年/月)之后,進(jìn)行最終訂正。

以五臺(tái)山站TM序列檢測為例(圖1),根據(jù)第一種方法的檢測結(jié)果(圖1a),可將1985年和1997年列入臨時(shí)斷點(diǎn)表。根據(jù)第二種方法的結(jié)果(圖1b)及其自動(dòng)形成的“斷點(diǎn)表”可知該序列的斷點(diǎn)分別在1986年和1997年,檢測結(jié)果與第一種方法基本一致,可將這兩個(gè)斷點(diǎn)列入對待檢序列進(jìn)行初次訂正的“斷點(diǎn)表”。第三種方法的結(jié)果(圖1c)與第一(二)種方法的相同(基本相同)。因此可將1986年和1997年這兩個(gè)斷點(diǎn)列入對待檢站序列進(jìn)行再次訂正的“斷點(diǎn)表”。在對訂正序列進(jìn)行再次訂正、檢測、斷點(diǎn)進(jìn)一步判定、ACMANT檢測,以及序列斷點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)確定為1986年10月和1997年12月之后,便可對待檢站序列進(jìn)行最后訂正。因?yàn)镠OMER的每一工作流程都是針對整個(gè)站網(wǎng)序列而進(jìn)行的,所以要對每個(gè)待檢序列進(jìn)行斷點(diǎn)檢測和確認(rèn)(認(rèn)定或否定),以形成完整、可靠的“斷點(diǎn)表”,在系統(tǒng)評定所有非均一序列的斷點(diǎn)準(zhǔn)確出現(xiàn)時(shí)間(年/月)之后,即可進(jìn)行最后訂正。HOMER系統(tǒng)通過內(nèi)插和外推方式填充缺值,以產(chǎn)生完整的均一化時(shí)間序列。

Fig.1 Results of break-points detection over the raw annual mean temperature (TM) series of the Wutaishan station(a) Plot produced by pairwise-detection,showing pairwise comparison of the raw series between the Wutaishan station and its neighboring stations. δT represents temperature difference.+is a single year difference.Blue horizontal line is the mean level of the sub-period. Bold vertical lines denote the year of probably break points.The order of the panels is produced by the increasing values of the standard deviation of the noise (σ).(b) Plot produced by joint-detection,with joint-detected breakpoints (circled plus). (c) Plot produced by ACMANT detection,with ACMANT-detected breakpoints as dashed vertical black lines,and breakpoints corrected in previous procedures as light blue vertical lines圖1 五臺(tái)山站平均氣溫(TM)原始序列的均一性檢驗(yàn)結(jié)果。(a)五臺(tái)山站與其相鄰站序列的成對檢測結(jié)果;δT為差值序列值,+表示年度差值,藍(lán)色水平線表示階段平均氣溫,粗黑垂直實(shí)線表示檢測到的斷點(diǎn);各分圖以標(biāo)準(zhǔn)差(σ)自小至大為序。(b)聯(lián)合檢測結(jié)果,?表示檢測到的斷點(diǎn)。(c)為ACMANT檢測結(jié)果,粗黑垂直虛線為檢測到的斷點(diǎn),淡藍(lán)色垂直線表示已訂正斷點(diǎn)。在后兩個(gè)檢測結(jié)果中同時(shí)出現(xiàn)的黑、紅、藍(lán)三角形分別為成對檢測檢出的年、夏季和冬季斷點(diǎn)

1.2.2 均一化效果的分析和比較

采用標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)(CV)和Spearman相關(guān)系數(shù)等參數(shù)[25],對訂正前后數(shù)據(jù)序列和氣溫變化趨勢的一致性進(jìn)行分析,并對HOMER與RHtests均一化數(shù)據(jù)和氣溫變化趨勢的一致性進(jìn)行比較。同時(shí)采用“兩樣本斜率比較”法對線性趨勢是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異進(jìn)行檢驗(yàn)(檢驗(yàn)自由度df=n1+n2-4,當(dāng)|t|>tdf，0.05(雙側(cè))時(shí),差異顯著,否則為不顯著)。

2 結(jié)果與分析

2.1 HOMER方法的均一化效果

五臺(tái)山站、繁峙站和原平站的TM、TX和TN序列分別檢出了1個(gè)或2個(gè)斷點(diǎn)(表3)。1997年的這個(gè)斷點(diǎn)出現(xiàn)在五臺(tái)山站的3個(gè)氣溫序列之中,而1976年的這個(gè)斷點(diǎn)出現(xiàn)在繁峙站的3個(gè)氣溫序列之中,斷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間與這兩個(gè)站的遷址時(shí)間完全對應(yīng)。不同的是,遷址對五臺(tái)山站最高氣溫影響最大,對繁峙站最低氣溫影響最大。但是從另一方面看,原平站的斷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間卻并不與遷址時(shí)間吻合。除此之外,五臺(tái)山站的TM和TX序列均在1986年檢出了1個(gè)斷點(diǎn),定襄站的TN序列在1985年檢出了1個(gè)斷點(diǎn)。

表3 五臺(tái)山站及其3個(gè)相鄰站原始序列斷點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間與變化幅度

圖2a1-c1和 a2-c2所示分別為五臺(tái)山站TM、TX和TN原始時(shí)間序列與HOMER均一化時(shí)間序列。由此可見,HOMER均一化序列隨時(shí)間的變異程度遠(yuǎn)小于原始序列。總體來看,供試6個(gè)站點(diǎn)TM、TX和TN均一化序列的平均變異程度(12.9%,6.4%和42.7%)遠(yuǎn)小于原始序列的平均變異程度(33.3%,27.7%和50.9%)。與此同時(shí),從供試站點(diǎn)TM原始序列的Spearman相關(guān)系數(shù)(SCC)矩陣(表2左下角)與均一化序列的SCC矩陣(表4右上角)可以看出,TM均一化序列之間的相關(guān)性普遍較高。與此相似,供試站點(diǎn)TX(或TN)均一化序列之間的相關(guān)性同樣普遍高于其原始序列的相關(guān)性(SCC矩陣省略)。這些結(jié)果說明HOMER方法對氣溫序列的均一化效果非常明顯。

Fig.2 Time series of annual mean (a),annual mean maximum (b) and annual mean minimum temperature (c) for the Wutaishan station over the period 1961～2015. Raw data on the left,HOMER homogenized data in the middle and RHtests homogenized data on the right. CV is coefficient of variability圖2 五臺(tái)山站的年均氣溫(a)、年均最高氣溫(b)和年均最低氣溫(c)時(shí)間序列。左、中、右圖分別為原始序列、HOMER均一化序列和RHtests均一化序列。CV為變異系數(shù)

站名五臺(tái)山五臺(tái)縣豆村代縣繁峙原平定襄五臺(tái)山0.878*0.897*0.880*0.897*0.897*五臺(tái)縣豆村0.800*0.886*0.890*0.928*0.924*代縣0.812*0.916*0.980*0.962*0.964*繁峙0.822*0.893*0.982*0.952*0.957*原平0.816*0.746*0.905*0.917*0.962*定襄0.749*0.950*0.953*0.934*0.800*右上角和左下角分別為HOMER和Rhtests均一化序列之間的Spearman相關(guān)系數(shù)。*表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。

圖3所示為五臺(tái)山站及其相鄰站1961-2015年TM、TX和TN線性趨勢的空間分布格局。由此可見,原始數(shù)據(jù)序列長期趨勢的空間變異很大。而HOMER均一化序列長期趨勢的空間變異則明顯減小。這進(jìn)一步說明HOMER方法的均一化效果非常明顯。

2.2 與RHtests均一化數(shù)據(jù)的比較

根據(jù)CHHTD 1.0的均一化數(shù)據(jù),可知供試站點(diǎn)TM、TX和TN均一化序列隨時(shí)間的變異程度(圖2a3-c3)略小于HOMER的(圖2a2-c2)?？傮w來看,供試6個(gè)站點(diǎn)TM、TX和TN均一化序列的平均變異程度(12.4%,5.7%和34.3%)遠(yuǎn)小于原始序列的平均變異程度;同時(shí)略低于HOMER均一化時(shí)間序列的平均變異程度(參見上節(jié)所述)。

從TM均一化序列的SCC矩陣(表4左下角)可以看出,RHtests均一化序列之間的相關(guān)性普遍高于原始序列(表2左下角)。但是與HOMER相比,RHtests的多數(shù)SCC值較小(表4)。因此,其TM均一化序列的SCC平均值(0.866)小于HOMER的SCC平均值(0.924)。類似結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)于站點(diǎn)TX或TN均一化序列之間的SCC矩陣(略)。如圖3所示,與原始序列相比,HOMER和RHtests均一化序列長期趨勢的變異幅度均明顯減小。但是與HOMER的相比,RHtests均一化序列長期趨勢的變異幅度則較大。這些結(jié)果說明,HOMER方法的均一化效果總體上更為明顯。

Fig.3 Spatial distribution of the linear trends of annual mean (a),annual mean maximum (b) and annual mean minimum temperature (c) for the Wutaishan station and its neighboring stations over the period 1961-2015.Raw data trends on the left,HOMER homogenized data trends in the middle and RHtests homogenized data trends on the right.The triangle size indicates the magnitude of trend from the largest (1.645 ℃/10 a)to the smallest (0.077℃/10 a). CV is coefficient of variability.圖3 五臺(tái)山站及其相鄰站1961-2015年平均氣溫(a)、年平均最高(b)和最低氣溫(c)線性趨勢的空間分布左、中、右圖分別為原始序列、HOMER均一化序列和RHtests均一化序列的氣溫趨勢三角形表示升溫幅度,從最大的1.645 ℃/10 a到最小的0.077℃/10 a。CV為變異系數(shù)

3 討論

3.1 HOMER的檢驗(yàn)和訂正結(jié)果

已有研究[19]表明,五臺(tái)山站遷址對TM、TX和TN序列均一性的影響非常明顯,對TX序列的影響最為突出。采用HOMER方法得到的結(jié)論與此一致。不同之處是采用HOMER方法檢測到的TM、TX和TN序列的斷點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間均為1997年12月,不僅在年尺度是這樣,在春夏秋冬四季也是這樣(表3未列出)。與此同時(shí),采用HOMER方法還檢測到五臺(tái)山站的TM和TX序列在1986年有1個(gè)較小的斷點(diǎn)(表3)。由于HOMER系統(tǒng)的多參考序列、多方法集成分析優(yōu)勢,給辨別是否存在斷點(diǎn)提供了更為可靠和可利用信息,使1986年這樣的較小斷點(diǎn)得以發(fā)現(xiàn)和訂正。然而需要指出的是,這一斷點(diǎn)到底屬于人為因素所致抑或自然現(xiàn)象仍然是一個(gè)值得探討的問題。由于五臺(tái)山站是高山站,與其鄰近站點(diǎn)相比,該站點(diǎn)對全球氣候變化的反應(yīng)可能要敏感的多,將這一非連續(xù)點(diǎn)看作是自然現(xiàn)象或許更為合理。

3.2 回歸訂正法的局限性

表5 基于回歸訂正法的五臺(tái)山站1961-2015年的氣溫變化趨勢

從表面上看,采用回歸訂正法對五臺(tái)山站氣溫序列進(jìn)行訂正是一種簡便可行的方法,但是通過仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn),該方法存在不容忽視的缺陷。就方法本身而言,不僅需要對待檢站(五臺(tái)山站)氣候資料進(jìn)行均一性檢驗(yàn),也要對參考站(如原平站)氣候資料進(jìn)行均一性檢驗(yàn),以確認(rèn)后者的氣候資料是均一的,而之前研究[20-21]并沒有對參考站(原平站)氣候資料進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。更為重要的是,待檢站訂正序列的數(shù)值(y)不僅與回歸方程的擬合度密切相關(guān),同時(shí)與參考站的氣溫(x)是線性關(guān)系,x值越大,y值越大。在相關(guān)顯著性相同時(shí),待檢站訂正序列的氣溫便決定于參考站序列的氣溫。如表5所示,以代縣站為參考站時(shí)得到的五臺(tái)山站的氣溫升幅均較高,不僅與回歸方程(1)至(3)的相關(guān)系數(shù)較大有關(guān),同時(shí)與代縣站氣溫趨勢較大密切相關(guān)。從代縣站和五臺(tái)縣豆村站的氣溫趨勢大小(圖3中這兩個(gè)站的原始序列長期趨勢)可以很清楚地看出這一點(diǎn)。因此,采用回歸訂正法獲得的結(jié)果[20,21]不可能反映五臺(tái)山站的真實(shí)氣候變化情形。

3.3 五臺(tái)山站的氣溫趨勢

采用HOMER和RHtests方法均可改善氣溫序列的均一性,但是值得注意的是,根據(jù)這兩種方法得到的五臺(tái)山站氣溫趨勢卻明顯偏小。以HOMER的結(jié)果為例,其TM均一化序列的長期趨勢(0.166℃/10 a)小于山西高原的平均趨勢(0.240℃/10 a)[26],更小于黃土高原的平均趨勢(0.382℃/10 a)[27]。這意味著采用這兩種方法對五臺(tái)山站氣溫序列進(jìn)行均一化處理很可能存在校正值過大問題。究其原因,主要是由于該站的遷址時(shí)間發(fā)生在1998年。該年份是自1850年開始,當(dāng)時(shí)全球最暖的一年[28];加之,自1998年至今,全球氣溫基本呈持續(xù)走高態(tài)勢[28],導(dǎo)致五臺(tái)山站的自然升溫信號(hào)與站址遷移導(dǎo)致的升溫噪聲疊加在一起。而現(xiàn)有的均一化方法均不能在剔除噪聲的同時(shí)又保留信號(hào)。因此,無論是HOMER或RHtests方法均難免出現(xiàn)訂正值偏大問題。

為了解決這一特殊問題,本研究嘗試提出了新的氣溫直減率(Temperature Lapse Rate,TLR)訂正法。基本操作過程分三步:

(1)計(jì)算遷址之前目標(biāo)站(五臺(tái)山站)與參考站之間的海拔距離、氣溫差值,以獲得氣溫直減率;

(2)將氣溫直減率與目標(biāo)站遷址時(shí)的海拔下降距離相乘,以獲得氣溫訂正值;

(3)根據(jù)氣溫訂正值對目標(biāo)站遷址前的原始序列進(jìn)行訂正以獲得訂正序列,連同遷址后的原始序列形成訂正后的完整序列。

具體操作過程為:首先以相鄰站(即代縣、原平、定襄和五臺(tái)縣豆村4個(gè)站)為參考站,以目標(biāo)站遷站之前的海拔高度和參考站海拔高度為準(zhǔn),計(jì)算目標(biāo)站與各參考站之間的海拔距離(km)[注釋:因?yàn)樵秸居羞w址記錄,不同時(shí)段的海拔距離是不同的]。然后計(jì)算目標(biāo)站和每個(gè)參考站在目標(biāo)站遷址前(1961-1997年)每年的氣溫差值(℃);將各參考站每年的氣溫差值除以對應(yīng)的海拔距離以獲得氣溫直減率(℃/km)序列。隨之根據(jù)各氣溫直減率序列,求出其平均氣溫直減率序列。再根據(jù)平均氣溫直減率序列以及目標(biāo)站遷址時(shí)的海拔下降距離(0.687 5 km),以獲得某個(gè)氣溫要素自1961-1997年的訂正值。最后根據(jù)訂正值序列對原始序列進(jìn)行訂正以獲得訂正序列,連同1998-2015年原始序列形成校訂后的完整序列。

圖4所示為根據(jù)TLR訂正法得到的五臺(tái)山站TM、TX和TN的長期變化趨勢。由此可見,五臺(tái)山站1961～2015年的TM、TX和TN上升幅度大于5個(gè)相鄰站的HOMER均一化序列趨勢的平均升幅(0.161℃/10a、0.256℃/10a和0.272℃/10a),分別為后者的2.98倍、1.30倍和2.52倍。

Fig.4 Linear trends of annual mean,annual mean maximum and minimum temperatures (TM,TX and TN,respectively) for the Wutaishan station over the period 1961-2015 based on the temperature lapse rate (TLR) method.The y-axis presents the anomalies relative to the mean of the period 1961-1990.Dark cyan bar represents an anomaly. Significant trend at 0.05 level is shown in bold圖4 根據(jù)氣溫直減率(TLR)方法得到的五臺(tái)山站1961-2015年的年均氣溫(TM)、年均最高(TX)和最低氣溫(TN)線性趨勢?？v坐標(biāo)顯示相對于1961-1990年的氣溫距平。暗青色柱為距平值。暗紅色斜線為1961-2015年的趨勢線。粗黑體數(shù)字表示氣溫上升趨勢極顯著(P<0.01)

以平均氣溫直減率為基礎(chǔ)來確定氣溫訂正值,主要是因?yàn)閰⒖颊军c(diǎn)之間的氣溫直減率變化較大,以單個(gè)參考站氣溫直減率為基礎(chǔ)得到的五臺(tái)山站氣溫線性趨勢變異程度較大,TM、TX和TN長期趨勢的變異系數(shù)分別為1.8%,7.7%和8.2%。而以多個(gè)參考站平均氣溫直減率為基礎(chǔ)的五臺(tái)山站氣溫線性趨勢為這些參考站結(jié)果的算術(shù)平均值,具有較好的代表性和可靠性。

但是需要說明的是,采用TLR方法得到的五臺(tái)山站氣溫趨勢可能略微偏大。因?yàn)殡S著站址變化,氣溫不僅隨海拔下降而升高,同時(shí)隨站點(diǎn)南遷而升高。本研究將南遷影響忽略不計(jì),主要是由于站點(diǎn)南遷距離較小,同時(shí)是由于借助小范圍內(nèi)少數(shù)站點(diǎn)不可能獲得可靠的緯向氣溫直減率。以年平均氣溫為例,若采用我們先前得到的黃土高原年平均氣溫的緯向氣溫直減率(0.004 5℃/km)[29],將其與南遷距離(9.3 km)相乘,即可得到緯向訂正值為0.04℃。對五臺(tái)山站1961-1997年的已訂正序列再進(jìn)行緯向訂正,得到的整個(gè)研究期的氣溫趨勢為0.479(±0.054)[趨勢值±標(biāo)準(zhǔn)誤]℃/10 a?！皟蓸颖拘甭时容^”表明,此趨勢與未進(jìn)行緯向訂正的趨勢[0.485(±0.055)[趨勢值±標(biāo)準(zhǔn)誤]℃/10 a]沒有顯著差異[|t|=0.076,t106,0.05(雙側(cè))=2.0,|t|

4 結(jié)論

采用最近推出的HOMER方法對五臺(tái)山站及其5個(gè)相鄰站共6個(gè)站在1961-2015年的年均氣溫、年均最高和最低氣溫序列進(jìn)行了均一化檢驗(yàn)和訂正。根據(jù)變異系數(shù)和Spearman相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù),對訂正前后序列及其長期趨勢的一致性進(jìn)行了分析。

使用根據(jù)RHtests方法研制的均一化數(shù)據(jù)序列以及由此得出的站點(diǎn)長期趨勢數(shù)據(jù),對HOMER與RHtests方法的均一化效果進(jìn)行了比較研究,并且針對五臺(tái)山站的特殊情況,設(shè)計(jì)并采用氣溫直減率(TLR)訂正法對其氣溫序列進(jìn)行了均一化訂正和趨勢分析。結(jié)果表明,采用HOMER方法可以非常有效地改善氣溫序列的均一性。與原始序列相比,HOMER與RHtests方法均可明顯改善站點(diǎn)序列和長期趨勢的時(shí)空一致性。從均一化序列的時(shí)間一致性和相關(guān)性及其長期趨勢的空間一致性來看,HOMER方法的均一化效果總體上優(yōu)于RHtests方法。

采用TLR訂正法得到的五臺(tái)山站年均氣溫、年均最高和年均最低氣溫的長期趨勢分別為0.479℃/10 a、0.334℃/10 a和0.686℃/10 a,為5個(gè)相鄰站各氣溫要素平均水平的2.98倍、1.30倍和2.52倍,表明五臺(tái)山站具有非常明顯的海拔依賴性升溫特征。

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Homogenization of Surface Air Temperature Series of the Wutaishan Station and Its Neighboring Stations with HOMER

WANG Mengben1,WANG Qixiang2,FAN Xiaohui1

(1.Institute of Loess Plateau,Shanxi University,Taiyuan 030006,China;2.College of Environmental and Resource Sciences,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

The homogenized time series of surface air temperature with HOMER exhibit great improvement of consistency. Compared with the raw time series,the homogenized datasets with both HOMER and RHtests methods show a much higher temporal and spatial consistency. HOMER has high performance in terms of the improvement of network series consistency measured by using Spearman rank correlation coefficient between pairs of the homogenized series,and coefficient of variability within the linear trends of surface air temperature for all the stations tested in this study. However,the raw series of Wutaishan station are overcorrected by either HOMER or RHtests,because the relocation of this station occurred in 1998,the climate has been successively warmer globally since then,and the natural warming signal along with the global trend and the warming noise caused by the altitude decrease of the station were mixed together at this station during the sub-period 1998-2015,and the signal is not preserved when the detected breakpoint is corrected by either method. Therefore the temperature lapse rate (TLR) method has been developed in this study. Based on this new method,the linear trends of 0.479℃/10 a、0.334℃/10 a and 0.686℃/10 a are found in the mean,maximum and minimum annual mean air temperatures at Wutaishan station (at 2 208.3 m above sea level) over the period 1961-2015. The magnitudes of the trends are 2.98,1.30 and 2.52 times those of the averaged trends of all its 5 neighboring stations (at an average elevation of 902.7 m above sea level). This suggests that there is a clear signal of elevation-dependent warming at the Wutaishan station.

temperature;homogenization;HOMER;RHtests;temperature lapse rate method;elevation-dependent warming

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.03.031

2017-05-15；

2017-06-20

山西省科技重大專項(xiàng)(20121101009)

王孟本(1954-),男,博士,教授,主要從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail:mbwang@sxu.edu.cn

P467

A

0253-2395(2017)03-0628-11