濟南市不同地形背景下最高氣溫的差異性分析

張立文，車軍輝，黃燕玲，趙勇，慈航

(1. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800； 2. 山東省氣象科學(xué)研究所，山東 濟南 250031)

濟南市不同地形背景下最高氣溫的差異性分析

張立文1，車軍輝2，黃燕玲1，趙勇1，慈航1

(1. 棗莊市氣象局，山東 棗莊 277800； 2. 山東省氣象科學(xué)研究所，山東 濟南 250031)

利用濟南市1個國家級氣象觀測站和5個區(qū)域氣象觀測站2010—2014年逐小時氣溫觀測資料，從分位數(shù)、相關(guān)性、一致性、正態(tài)性和周期性等方面，分析了城區(qū)、城郊以及不同海拔山區(qū)等不同地形背景下最高氣溫相關(guān)統(tǒng)計值的區(qū)域及季節(jié)差異性。結(jié)果表明：6個站點最高氣溫分位數(shù)統(tǒng)計值(高值、低值、中位數(shù)和四分位數(shù))存在一定的站點間差異，其中不同海拔站點間差異較為顯著，而相同海拔城區(qū)、城郊以及山區(qū)各測站之間的差異則相對較小，且這種站點間的區(qū)域差異在夏季表現(xiàn)得最為明顯；城區(qū)間各站最高氣溫的相關(guān)性較強，而山區(qū)測站與其他各站間的相關(guān)性則相對較弱，這種相關(guān)性在春、秋季明顯高于冬、夏季；站點間最高氣溫的頻率分布以及周期振蕩特征基本一致，各站最高氣溫在6—7月均存在一個顯著的準(zhǔn)單周振蕩周期。

地形； 最高氣溫； 差異性分析

引言

氣溫是表征氣候系統(tǒng)的重要指標(biāo)，不僅影響生態(tài)環(huán)境，也與人們的日常生活緊密聯(lián)系。因此，日最高、最低氣溫及平均氣溫的變化特征引起了廣泛的關(guān)注和重視[1-3]。

日最高氣溫是天氣和氣候的基本特征之一。受天氣系統(tǒng)、地形屬性、城市熱島效應(yīng)等多個因素影響，同一氣候區(qū)的最高氣溫也存在一定的差異。近年來，許多中外學(xué)者對城市熱島效應(yīng)問題進行了討論，尤其是城市和郊區(qū)在氣溫方面的差異對比已經(jīng)相當(dāng)成熟[4-6]，這些學(xué)者的結(jié)論均表明城市化對氣溫的影響較為顯著，且具有明顯的階段性和季節(jié)性。此外，對北京、上海、武漢、深圳等地區(qū)的研究均發(fā)現(xiàn)顯著的城市熱島增溫[7-10]。

濟南是山東省省會，城市發(fā)展迅速，其下墊面既有城市郊區(qū)背景，也有南部山區(qū)地形因素。截至2016年11月底，濟南建設(shè)完成了75個區(qū)域自動氣象站，為濟南城市氣候的精細化研究帶來了可能。朱家其等[8]利用上海城區(qū)自動氣象站觀測資料和郊區(qū)氣象站資料，分析了上海城區(qū)氣溫變化及城市熱島特征。胡文志等[11]根據(jù)香港城郊代表站點逐小時資料，對比分析了城郊站點的氣溫和相對濕度差異的變化特征。李興榮等[10]基于深圳自動觀測站的資料，研究了深圳夏季典型晴天不同小氣候區(qū)的溫度、濕度及舒適度特征。從已有研究來看，基于自動氣象站資料分析區(qū)域多種下墊面下最高氣溫的差異性研究還不太多。

利用濟南市2010—2014年6個氣象站點逐小時氣溫觀測資料，通過分位數(shù)、一致性、相關(guān)性、正態(tài)性和周期性等分析參量，研究城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)不同地形屬性下最高氣溫相關(guān)統(tǒng)計值的區(qū)域差異，可為城市化效應(yīng)及地形屬性對濟南市最高氣溫的影響提供一些細致的信息，為提高精細化預(yù)報水平提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

利用高分辨率的區(qū)域自動站觀測資料研究分析不同地形屬性下最高氣溫的差異性，問題的關(guān)鍵在于如何選取有代表性的城市和郊區(qū)背景站點。根據(jù)濟南市地形分布特點(圖1)，充分考慮城市熱島效應(yīng)和山區(qū)地形屬性等因素影響，分別選取長清(簡稱為cq)、市政府(簡稱為sz)、市地震局(簡稱為dz)、西營鎮(zhèn)北(簡稱為xyb)、跑馬嶺(簡稱為pm)和濟南(簡稱為jn)6個代表站，其中濟南站，作為市區(qū)代表站；長清、市政府和市地震局三站，海拔高度100 m左右，自西向東橫穿濟南市區(qū)，分別代表西部城郊、市中心和東部城郊；同時市地震局與西營鎮(zhèn)北和跑馬嶺兩站，均位于東部城郊，從北向南海拔依次升高，分別為100 m、200 m和300 m左右。采用濟南地區(qū)上述6個自動氣象站2010年3月1日—2014年2月28日逐時觀測數(shù)據(jù)，共4 a，每日北京時正點觀測記錄。

圖1 濟南市觀測站地形圖Fig.1 Topographic map of observation station in Jinan City

1.2 方法

區(qū)域氣象觀測站觀測質(zhì)量參差不齊，做好區(qū)域氣象觀測站質(zhì)量控制，是應(yīng)用該資料開展研究的前提條件。本文選取“箱形圖識別異常值方法”，編寫相應(yīng)算法軟件，對所用站點逐時資料序列進行質(zhì)量控制，剔除異常值，在此基礎(chǔ)上推算出逐日最高氣溫。箱形圖可以用來觀察數(shù)據(jù)整體的分布情況，利用中位數(shù)、25%分位數(shù)、75%分位數(shù)、上邊界、下邊界等統(tǒng)計量來描述數(shù)據(jù)的整體分布情況。通過計算這些統(tǒng)計量，生成一個箱體圖，箱體包含了大部分的正常數(shù)據(jù)，而在箱體上邊界和下邊界之外的，就是異常數(shù)據(jù)。其中上下邊界的計算公式如下：

UpperLimit=Q3+1.5IQR=
75%分位數(shù)+(75%分位數(shù)-25%分位數(shù))×1.5

(1)

LowerLimit=Q1-1.5IQR=
25%分位數(shù)-(75%分位數(shù)-25%分位數(shù))×1.5

(2)

(1)、(2)式中：Q1表示下四分位數(shù)，即25%分位數(shù)；Q3為上四分位數(shù)，即75%分位數(shù)；IQR表示上下四分位差，系數(shù)1.5是一種經(jīng)過大量分析和經(jīng)驗積累起來的標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下不做調(diào)整。

站點間差異性主要從氣候統(tǒng)計值、相關(guān)性、一致性、正態(tài)性、周期性等不同方面開展分析，其中采用分位數(shù)作為氣候統(tǒng)計值差異分析參量，基于箱形圖方式開展站點間對比分析；相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)及Euclidean距離兩個參量；基于t檢驗開展要素一致性統(tǒng)計檢驗；正態(tài)性分析基于頻率直方圖開展；利用小波分析方法開展周期性分析。本文針對春、夏、秋、冬四季探討測站間差異性的季節(jié)演變特征，季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：春季選取3—5月，夏季選取6—8月，秋季選取9—11月，冬季選取當(dāng)年12月—次年2月。

2 結(jié)果分析

2.1 整體變化特征差異分析

從最高氣溫箱形圖的站點對比(圖2)可以看出：春、夏、秋、冬四季，各站間箱形圖所示的各項統(tǒng)計值(高值、低值、中位數(shù)和四分位數(shù))存在較大差異。結(jié)果表現(xiàn)為市政府站最高氣溫的各項統(tǒng)計值略高于濟南站和長清站，明顯高于其他三個站，且東部城郊一線自北向南伴隨著海拔高度的升高，各相關(guān)統(tǒng)計量值逐站減小，跑馬嶺站作為山區(qū)代表站各項數(shù)值顯著偏低。市區(qū)最高氣溫各項相關(guān)數(shù)值明顯高于山區(qū)和城郊，可能與城市熱島效應(yīng)有關(guān)。冉桂平等[12]利用1964—2006年濟南市逐日平均氣溫資料發(fā)現(xiàn)，濟南的城市熱島在空間分布上以市政府為中心呈環(huán)狀放射發(fā)展，且熱島強度在冬季最強，春、秋季次之，夏季最弱。

另外，濟南各站間最高氣溫箱形圖統(tǒng)計值的區(qū)域差異在夏季表現(xiàn)得最為明顯，這可能與夏季強烈的太陽輻射有關(guān)，能在一定程度上放大不同地形屬性對太陽輻射加熱的響應(yīng)。劉偉東等[7]在研究城市化對北京地區(qū)氣溫變化的影響時，指出城市化對日平均氣溫、最低氣溫的影響在秋季最大，對最高氣溫的影響則在夏季較為顯著，這與本文結(jié)論較為一致。

圖2 6站最高氣溫的箱形圖(a.冬季，b.春季，c.夏季，d.秋季)Fig.2 Box charts of maximum air temperature at six stations(a.winter,b.spring,c.summer,d.autumn)

2.2 不同站點間相關(guān)性分析

從冬、春、夏和秋季6個站之間的最高氣溫相關(guān)系數(shù)(表1-4)分析，各站間相關(guān)系數(shù)均很高，達到90%以上，其中城區(qū)間各站點相關(guān)系數(shù)更高，均超過95%，而山區(qū)站與其他各站間的相關(guān)系數(shù)相對較小，最高氣溫相關(guān)系數(shù)存在一定的區(qū)域差異。此外，各站點之間最高氣溫相關(guān)系數(shù)也存在一定的季節(jié)差異，一般春、秋季節(jié)相關(guān)系數(shù)高于冬、夏季節(jié)。上述結(jié)果可能與季節(jié)性天氣過程的影響存在較為密切的關(guān)系，如夏季可能受到局地強對流過程的影響，而冬季則常常伴隨不同強度的冷空氣過程。

表1冬季6站最高氣溫的相關(guān)系數(shù)

Table 1 Correlation coefficients of maximum air temperature among six stations in winter

站點jncqszdzxybpmjn1.0000.9860.9870.9740.9690.935cq0.9861.0000.9860.9700.9540.918sz0.9870.9861.0000.9800.9490.913dz0.9740.9700.9801.0000.9470.907xyb0.9690.9540.9490.9471.0000.964pm0.9350.9180.9130.9070.9641.000

表2春季6站最高氣溫的相關(guān)系數(shù)

Table 2 Correlation coefficients of maximum air temperature among six stations in spring

站點jncqszdzxybpmjn1.0000.9960.9930.9910.9940.972cq0.9961.0000.9920.9890.9910.973sz0.9930.9921.0000.9910.9890.967dz0.9910.9890.9911.0000.9920.970xyb0.9940.9910.9890.9921.0000.977pm0.9720.9730.9670.9700.9771.000

表3夏季6站最高氣溫的相關(guān)系數(shù)

Table 3 Correlation coefficients of maximum air temperature among six stations in summer

站點jncqszdzxybpmjn1.0000.9790.9760.9700.9590.929cq0.9791.0000.9610.9530.9480.924sz0.9760.9611.0000.9640.9360.904dz0.9700.9530.9641.0000.9620.929xyb0.9590.9480.9360.9621.0000.954pm0.9290.9240.9040.9290.9541.000

表4秋季6站最高氣溫的相關(guān)系數(shù)

Table 4 Correlation coefficients of maximum air temperature among six stations in autumn

站點jncqszdzxybpmjn1.0000.9950.9950.9880.9920.967cq0.9951.0000.9930.9850.9900.967sz0.9950.9931.0000.9900.9880.961dz0.9880.9850.9901.0000.9850.956xyb0.9920.9900.9880.9851.0000.981pm0.9670.9670.9610.9560.9811.000

從6個站點的最高氣溫Euclidean距離站點分布(表5-8)發(fā)現(xiàn)，因距離和地形屬性的不同，各站間Euclidean距離存在明顯的差異，一般距離相近、地形屬性相同的站點間Euclidean距離比較小，而空間距離較遠、地形屬性差異明顯的測站間Euclidean距離數(shù)值比較大，如濟南站，冬季與同屬城區(qū)、海拔高度相近、空間距離相近的長清、市政府站的Euclidean距離數(shù)值較小，分別為15.7和17.8，而與東部城郊市地震局站Euclidean距離數(shù)值則為27.1，與較遠距離外、且位于山區(qū)中部的西營鎮(zhèn)北站Euclidean距離增大到44，與距離最遠、高程最高的山頂觀測站跑馬嶺站Euclidean距離最大達到81，明顯高于城區(qū)各站間Euclidean距離。此外，山區(qū)中距離相近站點間的Euclidean距離數(shù)值一般比城區(qū)間距離相近站點間的Euclidean距離數(shù)值偏大。但各站點間Euclidean距離數(shù)值的季節(jié)差異較小。Euclidean距離的站點對比特征表明各站間最高氣溫存在不同程度的差異性，差異的大小與地形屬性和站點距離等因素有關(guān)。

選取與濟南站相關(guān)系數(shù)最大、Eulidean距離較小的兩站(市政府和長清)與濟南站作一致性TS檢驗(表9)，其結(jié)果均未能通過一致性TS檢驗，說明各站間最高氣溫的差異較為顯著。

表5冬季6站最高氣溫的Euclidean距離

Table 5 Euclidean distance of maximum air temperature among six stations in winter

站點jncqszdzxybpmjn015.72717.76927.03844.04481.992cq15.727019.88927.02944.70481.245sz17.76919.889032.30455.90493.108dz27.03827.02932.304038.03972.138xyb44.04444.70455.90438.039045.554pm81.99281.24593.10872.13845.5540

表6春季6站最高氣溫的Euclidean距離

Table 6 Euclidean distance of maximum air temperature among six stations in spring

站點jncqszdzxybpmjn013.67821.49221.65043.94790.048cq13.678024.15524.18343.18687.659sz21.49224.155026.59857.892103.061dz21.65024.18326.598041.73587.511xyb43.94743.18657.89241.735053.372pm90.04887.659103.06187.51153.3720

表7夏季6站最高氣溫的Euclidean距離

Table 7 Euclidean distance of maximum air temperature among six stations in summer

站點jncqszdzxybpmjn013.48820.87419.18640.25295.616cq13.488024.42823.03740.72994.909sz20.87424.428029.05155.904110.716dz19.18623.03729.051033.89288.917xyb40.25240.72955.32333.892060.763pm95.61694.909110.71688.91760.7630

表8秋季6站最高氣溫的Euclidean距離

Table 8 Euclidean distance of maximum air temperature among six stations in autumn

秋季jncqszdzxybpmjn012.93418.21520.50038.89588.352cq12.934020.90922.85338.75287.467sz18.21520.909026.18652.354102.029dz20.50022.85326.186036.89885.584xyb38.89538.75252.35436.898053.754pm88.35287.467102.02985.58453.7540

表9最高氣溫的一致性TS檢驗

Table 9 TS test of consistency of maximum air temperature

成對差分均值標(biāo)準(zhǔn)差均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差差分的95%置信區(qū)間下限上限t(統(tǒng)計量)df(自由度)Sig(雙側(cè)假設(shè)檢驗P值)jn_sz-0.49720.74760.0377-0.5713-0.4231-13.1853920jn_cq0.15270.77950.03930.07540.23003.8833920

2.3 不同站點間正態(tài)性分布特征差異分析

從不同季節(jié)下6個站點最高氣溫的頻率分布特征(圖3)分析，不同觀測站最高氣溫的頻率分布差異較小，各站最高氣溫遵循較為一致的概率分布規(guī)律。但同一站點不同季節(jié)間的分布狀態(tài)差異性較大，冬季最高氣溫頻率直方圖分布與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)曲線分布擬合較好，夏季次之，而春季和秋季擬合度較差。對于適用于正態(tài)分布的數(shù)理統(tǒng)計方法而言，冬夏季的最高氣溫適用性應(yīng)高于春秋季。從最高氣溫K-S檢驗結(jié)果(圖略)來看，冬、春、夏、秋四季各站均未能通過正態(tài)性檢驗，說明最高氣溫的MOS預(yù)報可預(yù)報性較低。

2.4 周期性變化特征差異分析

選取濟南、西營鎮(zhèn)北及跑馬嶺站的夏季最高氣溫做小波分析(圖4)，3個站的最高氣溫周期分布狀態(tài)差異性并不顯著，一般6—7月最高氣溫存在一個顯著的準(zhǔn)單周(7 d左右)振蕩周期。此外，在較大尺度15～21 d (準(zhǔn)兩至三周)的周期震蕩也非常明顯，對于4 d以下小尺度來說，則有更多的溫度偏高期和偏低期的循環(huán)交替，但上述兩個周期未通過顯著性檢驗。

綜合分析表明，濟南區(qū)域6個站點最高氣溫相關(guān)統(tǒng)計量的站點差異主要體現(xiàn)在均值、中位數(shù)等“定量屬性”參量，而各站最高氣溫的頻率分布以及周期振蕩特征基本趨于一致，站點間差異性較小。說明在同一氣候區(qū)內(nèi)，各站點間最高氣溫的定性統(tǒng)計量分布特征較為相似。基于以上結(jié)論，在實際預(yù)報和研究方法選取過程中可以對不同站點的最高氣溫采取統(tǒng)一的統(tǒng)計方法進行處理，簡化多級數(shù)據(jù)處理程序，為發(fā)展集成預(yù)報方法奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1)分別代表城區(qū)、城郊以及不同海拔山區(qū)等不同地形屬性的6個站點最高氣溫分位數(shù)統(tǒng)計值(高值、低值、中位數(shù)和四分位數(shù))存在一定的站點間差異，其中不同海拔站點間差異較為顯著，而相同海拔城區(qū)、城郊以及山區(qū)各測站之間的差異則相對較小。同時站點間的區(qū)域差異在夏季表現(xiàn)得最為明顯。

2)城區(qū)間各站最高氣溫的相關(guān)性較強，而山區(qū)站與其他各站間的相關(guān)性則相對較弱。這種相關(guān)性還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，春秋季節(jié)明顯高于冬夏季節(jié)，可能原因是夏季多強對流天氣而冬季多冷空氣活動，受天氣過程影響，最高氣溫變化較為劇烈。

3)6個站點最高氣溫的頻率分布以及周期振蕩特征基本一致。其中，冬季最高氣溫頻率直方圖分布與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)曲線分布擬合較好，夏季次之，而春季和秋季擬合度較差，且各站最高氣溫在6—7月存在一個顯著的準(zhǔn)單周振蕩周期。

圖3 6個代表站冬、春、夏、秋季最高氣溫頻率直方圖(單位：%)Fig.3 Histograms of maximum air temperature frequency at six stations in winter,spring,summer and autumn(units:%)

圖4 濟南(a)、西營鎮(zhèn)北(b)和跑馬嶺(c)站夏季最高氣溫的小波分析(陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.4 The wavelet analysis of maximum air temperature at Jinan(a), Xiyingzhenbei(b), Paomaling (c)stations in summer (Shaded areas are significant at the 0.05 level)

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DifferenceanalysisofmaximumairtemperatureunderdifferentterrainbackgroundsinJinan

ZHANG Liwen1, CHE Junhui2, HUANG Yanling1, ZHAO Yong1, CI Hang1

(1.ZaozhuangMeteorologicalBureauofShangdongProvince,Zaozhuang277800,China; 2.ShandongInstituteofMeteorologicalSciences,Jinan250031,China)

Based on the hourly air temperature data from one national base station and five regional automatic stations in Jinan during 2010—2014, the regional and seasonal differences in the related statistics of maximum air temperature under different terrain backgrounds(including urban, suburban and mountainous areas with different elevations) are investigated from the aspects of quantile degree, correlation, consistency, normality and periodicity, etc. Results show that there are differences in quantile statistics(including high value, low value, median and quartile) of maximum air temperature among six stations. The differences are significant among stations with different elevations, the differences are small among stations at the same altitude(including urban, suburban and mountainous areas), and the regional differences among stations are most obvious in summer. The correlation of maximum temperature between different stations in the urban areas is strong, and the correlation between mountain stations and other stations is weak. The correlation in spring and autumn is obviously higher than that in winter and summer. The frequency distribution and periodic oscillation characteristics of maximum temperature among stations are basically the same, and the maximum air temperature of each station has a significant quasi-seven-day periodic oscillation from June to July.

terrain; maximum air temperature; difference analysis

張立文,車軍輝,黃燕玲,等.濟南市不同地形背景下最高氣溫的差異性分析[J].海洋氣象學(xué)報,2017,37(4):113-119.

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10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.013.(in Chinese)

P423

A

2096-3599(2017)04-0113-07

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.013

2017-01-17；

2017-08-03

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201106010)；山東省氣象局重點科研項目(2012sdqxz02)

張立文(1974—)，男，工程師，主要從事天氣預(yù)報管理工作，zlwzzq@126.com。