基于區(qū)域站與國家站觀測的氣溫、降水相關(guān)性分析

汪文烈，韋瑋，馬林

(安徽省銅陵市氣象局，安徽 銅陵 244000)

氣候理論研究和氣象科技服務(wù)都需要大量的臺站觀測資料，但我國現(xiàn)有國家級觀測站(簡稱國家站)基本上依據(jù)行政區(qū)劃分布，存在氣象觀測站點布局不合理現(xiàn)狀。為此，從2001年開始，國家啟動了自動氣象站的布局建設(shè)。區(qū)域自動氣象站(簡稱區(qū)域站)是我國近年來大量布設(shè)的地面自動觀測系統(tǒng)，是我國綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分[1]。它大多安裝在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村等偏遠(yuǎn)地區(qū)，能獲取國家站空白區(qū)域的氣象資料。不僅提高了對中小尺度天氣系統(tǒng)和短時效災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力，也為各級政府指揮應(yīng)對各種氣象災(zāi)害提供了重要的決策依據(jù)[2]。但對于區(qū)域站的研究，大多在于設(shè)備故障、數(shù)據(jù)質(zhì)控及其應(yīng)用等方面[3-5]，對于其觀測資料本身與區(qū)域內(nèi)國家站觀測資料之間的相關(guān)性、代表性，卻少有研究。

銅陵地區(qū)位于長江中下游，兼具暖溫帶和亞熱帶氣候特征，是全國多暴雨區(qū)之一[6]。筆者以全市2個國家級觀測站和轄區(qū)內(nèi)25個區(qū)域自動站的10 a(2006—2015年)日級氣溫、降水資料為鑒，按年、季序列進(jìn)行平均降水的時空相關(guān)性分析，以期為區(qū)域站的選址建設(shè)、資料應(yīng)用等提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本文資料取自經(jīng)安徽省氣象局氣候中心質(zhì)控的全市轄區(qū)內(nèi)所有國家站和區(qū)域站10 a(2006—2015年)逐日降水觀測資料。銅陵地區(qū)共設(shè)有2個國家級氣象觀測站，分別為銅陵站和樅陽站；49個區(qū)域自動氣象觀測站，其中2006年之前投入使用的共25個(具備測量氣溫功能的有7個)。文中將2個國家站(銅陵站和樅陽站)氣溫、降水資料的均值稱作國家站，將25個(氣溫為7個)區(qū)域站均值稱作區(qū)域站。

1.2 方法

將3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分別劃定為春、夏、秋、冬，對資料按年、季的序列進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計、相關(guān)分析及顯著性檢驗。

相關(guān)函數(shù)的計算參照岑思弦等[7-8]給出的公式，任意兩點標(biāo)準(zhǔn)化偏差積的平均即為這兩點之間的相關(guān)函數(shù)：

(1)

式中，

f′(A)和Df(A)表示要素f在A點的偏差和方差，f′(B)和Df(B)表示要素f在B點的偏差和方差。

2 氣溫相關(guān)性特征分析

2.1 年際相關(guān)特征

銅陵地區(qū)國家站近10 a年平均氣溫為16.97 ℃(銅陵站年均氣溫為17.06 ℃，樅陽站年均氣溫為16.89 ℃)，區(qū)域站年平均氣溫為16.74。其變化趨勢如圖1，可以看出，區(qū)域站的年均氣溫變化趨勢較國家站更為平緩，樅陽站2010年前后氣溫年際變化較大。表1為國家站與區(qū)域站氣溫相關(guān)系數(shù)分析，并經(jīng)α=0.05的顯著性檢驗。由表1可知，區(qū)域單站與國家站的年平均氣溫相關(guān)度極高，全部顯著相關(guān)；與銅陵站相關(guān)的站點約占86%，而與樅陽站相關(guān)的站點則僅有14%。

2.2 季際相關(guān)特征

圖2為銅陵地區(qū)近10 a國家站與區(qū)域站季際平均氣溫變化趨勢，可以看出，區(qū)域站的季際平均氣溫變化趨勢與國家站變化整體相對一致。銅陵站2014年之后春季平均氣溫明顯偏低，秋、冬季節(jié)平均氣溫明顯偏高。表2為其相關(guān)分析，并經(jīng)α=0.05的顯著性檢驗。可見，銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站之間，夏、冬季節(jié)氣溫相關(guān)度較高，而春、秋季節(jié)不相關(guān)。

圖1 銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站年際 平均氣溫變化趨勢

站點區(qū)域站I7152I7153I7154I7753I7754I7755I7757國家站0.84*0.76*0.78*0.9**0.86*0.82*0.82*0.84*銅陵站0.9**0.84*-0.9**0.9**0.9**0.9**0.9**樅陽站0.7*-0.79*0.81*----

注：*為顯著相關(guān)；**為極顯著相關(guān)；-為不相關(guān)。表2～3同。

圖2 銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站季際平均氣溫變化趨勢

站點春季夏季秋冬季國家站與區(qū)域站-0.84**-0.99**銅陵站與區(qū)域站-0.82**-0.94**樅陽站與區(qū)域站-0.82**-0.99**

銅陵地區(qū)國家站春季平均氣溫為15.58 ℃(季際平均氣溫銅陵站為15.31 ℃，樅陽站為15.84 ℃)，區(qū)域站春季平均氣溫為17.03 ℃。各區(qū)域單站春季平均氣溫與國家站及銅陵、樅陽本站相關(guān)均不顯著。

銅陵地區(qū)國家站夏季平均氣溫為27.16 ℃(季際平均氣溫銅陵站為27.14 ℃，樅陽站為27.18 ℃)，區(qū)域站夏季平均氣溫為27.42 ℃。各區(qū)域單站夏季平均氣溫與國家站及銅陵、樅陽本站相關(guān)度均極高。

銅陵地區(qū)國家站秋季平均氣溫為18.57 ℃(銅陵站季際平均氣溫為18.99 ℃，樅陽站季際平均氣溫為18.16 ℃)，區(qū)域站秋季平均氣溫為18.13 ℃。各區(qū)域單站秋季平均氣溫與國家站及銅陵、樅陽本站相關(guān)性均不顯著。

銅陵地區(qū)國家站冬季平均氣溫為5.42 ℃(銅陵站季際平均氣溫為5.7 ℃，樅陽站季際平均氣溫為5.15 ℃)，區(qū)域站冬季平均氣溫量為5.24 ℃。各區(qū)域單站冬季平均氣溫與國家站及銅陵、樅陽本站相關(guān)性極為顯著。

3 降水相關(guān)性特征分析

3.1 年際相關(guān)特征

銅陵地區(qū)國家站近10 a年的平均降水量為1 380.21 mm(年均降水量銅陵站為1 395.49 mm，樅陽站為1 364.93 mm)，區(qū)域站年平均降水量為1 278.41 mm。由圖3可以看出，區(qū)域站的年均降水變化趨勢與國家站變化整體相對一致，平均降水量略偏少，變化曲線較為平緩。表3為國家站與區(qū)域站降水相關(guān)系數(shù)分析，并經(jīng)α=0.05的顯著性檢驗。由表可知，國家站與區(qū)域站之間的年均降水相關(guān)性極為顯著，且優(yōu)于銅陵、樅陽本站與區(qū)域站之間的相關(guān)度。但國家站與各區(qū)域單站的年平均降水相關(guān)性卻并不顯著。統(tǒng)計得知，年平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站僅有8個，約占32%(與銅陵站顯著相關(guān)的有6個，與樅陽站顯著相關(guān)的有4個)。另外，國家站與區(qū)域站、各區(qū)域單站之間的暴雨日數(shù)相關(guān)性普遍不顯著，本文對其也不再深入討論。

圖3 銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站年際平均 降水變化趨勢

站點年平均降水量相關(guān)性年平均暴雨日數(shù)相關(guān)性國家站與區(qū)域站0.98**-銅陵站與區(qū)域站0.76*-樅陽站與區(qū)域站0.95**-

3.2 季際相關(guān)特征

圖4為銅陵地區(qū)近10 a國家站與區(qū)域站季際平均降水變化趨勢，可以看出，區(qū)域站季平均降水量偏少，其中春季、冬季變化尤為明顯。表4則為其相關(guān)分析，并經(jīng)α=0.05的顯著性檢驗。顯而易見，銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站之間的季際降水相關(guān)性極為顯著，其中，以夏季相關(guān)度為最優(yōu)。

表4 銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站季際平均 降水量相關(guān)關(guān)系

銅陵地區(qū)國家站春季平均降水為123.94 mm(季際平均降水量銅陵站為119.47 mm，樅陽站為128.41 mm)，區(qū)域站春季平均降水量為106.07 mm。春季平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站有14個，約占56%(與銅陵站顯著相關(guān)的有13個，與樅陽站顯著相關(guān)的有14個)。

銅陵地區(qū)國家站夏季平均降水為200.21 mm(季際平均降水量銅陵站為197.12 mm，樅陽站為203.3 mm)，區(qū)域站夏季平均降水量為181.3 mm。夏季平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站有21個，約占84%(與銅陵站顯著相關(guān)的有21個，與樅陽站顯著相關(guān)的有15個)。

圖4 銅陵地區(qū)國家站與區(qū)域站季際平均降水量變化趨勢

銅陵地區(qū)國家站秋季平均降水為72.26 mm(季際平均降水量銅陵站為76.73 mm，樅陽站為67.8 mm)，區(qū)域站秋季平均降水量為70.6 mm。秋季平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站有11個，約占44%(與銅陵站顯著相關(guān)的有8個，與樅陽站顯著相關(guān)的有14個)。

銅陵地區(qū)國家站冬季平均降水為64.27 mm(季際平均降水量銅陵站為69.6 mm，樅陽站為58.94 mm)，區(qū)域站冬季平均降水量為52.79 mm。春季平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站有15個，約占60%(與銅陵站顯著相關(guān)的有12個，與樅陽站顯著相關(guān)的有14個)。

4 討論

銅陵地區(qū)區(qū)域站的年均氣溫變化趨勢較國家站更為平緩，區(qū)域單站與國家站的年平均氣溫相關(guān)度極高，為全部顯著相關(guān)，與銅陵站相關(guān)的站點約占86%，而與樅陽站相關(guān)的站點則僅有14%。區(qū)域站與國家站之間，夏、冬季節(jié)氣溫相關(guān)度較高，而春、秋季節(jié)相關(guān)卻不顯著。區(qū)域站的年均降水量略偏少，與國家站之間的年均降水相關(guān)性極為顯著，且優(yōu)于銅陵、樅陽本站與區(qū)域站之間的相關(guān)度。但國家站與各區(qū)域單站的年平均降水相關(guān)性卻并不顯著，年平均降水量與國家站顯著相關(guān)的區(qū)域單站僅有8個，約占32%(與銅陵站顯著相關(guān)的有6個，與樅陽站顯著相關(guān)的有4個)。另外，國家站與區(qū)域站、各區(qū)域單站之間的暴雨日數(shù)相關(guān)性普遍不顯著。區(qū)域站季平均降水量偏少，其中春季、冬季變化尤為明顯，與國家站之間的季際降水相關(guān)性極為顯著，其中，以夏季相關(guān)度為最優(yōu)。

可見，銅陵地區(qū)區(qū)域站的探測數(shù)據(jù)整體上具有一定的代表性，可與國家站觀測資料一起應(yīng)用于全市的氣候分析等工作中。區(qū)域單站的氣溫相關(guān)性具有明顯季節(jié)性，降水量相關(guān)性則較為分散，這與區(qū)域單站的站點位置、環(huán)境以及站點的維護(hù)等息息相關(guān)。近年來，銅陵市對區(qū)域站進(jìn)行了優(yōu)化，如增加部分區(qū)域單站的氣溫觀測、遷移部分站點等。隨著站點優(yōu)化的不斷推進(jìn)和資料的進(jìn)一步積累，區(qū)域站在區(qū)域氣象監(jiān)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)等工作中的作用將會愈發(fā)顯現(xiàn)。