福海水文站氣象要素對比分析

王 強(qiáng)

（阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰836500）

1 測站概況

福海水文站位于烏倫古河流域，于1956年建站投運(yùn)，作為流域基本代表站，福海水文站氣象觀測要素主要包括氣溫、降水、水面蒸發(fā)等，所使用的觀測儀器及觀測技術(shù)要求與氣象部門完全一致。福海水文站原氣象觀測場（以下稱“舊測站”）位于烏倫古河流域下游克孜賽水庫管理區(qū)內(nèi)，高程1064.5 m；福海水文站于2017年9月在烏倫古河流域上游出山口新站址附近新建起氣象測站（以下稱“新測站”），海拔高程1121.8 m，新舊測站直線距離7.8 km，海拔高差57.3 km，新測站建成觀測的同時舊測站仍持續(xù)運(yùn)行。選擇福海水文站新舊測站2018年1月、4月、7月的氣溫、降水、蒸發(fā)等同期氣象資料進(jìn)行對比分析的依據(jù)。

2 氣溫的對比分析

2.1 氣溫觀測資料

福海水文站新舊測站2018年1月、4月、7月氣溫觀測結(jié)果見表1，所選擇的觀測月份分別是冬季、春季和夏季的代表月份。

表1 福海水文站新舊測站氣溫觀測結(jié)果 單位：℃

根據(jù)觀測結(jié)果，1月、4月、7月舊測站平均氣溫觀測結(jié)果均比新測站高出0.2℃～0.9℃，其中，1月和4月平均氣溫舊測站偏高1.0℃，7月平均氣溫舊測站偏高0.8℃，表明新舊測站氣溫觀測值存在明顯的正溫差。從城市熱島效應(yīng)［1］的角度考慮，可以認(rèn)為，冬季和春季城市熱島效應(yīng)最為明顯，夏季次之。福海水文站新舊測站距離較近，地形地貌大致相同，通過分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致兩測站氣溫差異的原因主要包括：①不同地區(qū)地表面熱力性質(zhì)不同，靠近城市的區(qū)域吸熱多、散失慢，而靠近郊區(qū)的測站吸熱少、散失快；②靠近城市的區(qū)域人為排放的熱量更多；③城市大氣污染嚴(yán)重，氣溶膠顆粒較多，可以在一定程度上發(fā)揮“保溫”作用。

1月、4月、7月舊測站月極端最高和最低氣溫比新測站平均偏高0.5℃和2.6℃，根據(jù)各月氣溫極端值的較差發(fā)現(xiàn)，若1月、4月、7月新舊測站月極端最高氣溫基本持平，則舊測站月極端最低氣溫高于新測站，這表明新測站氣溫的日較差大于舊測站并非特殊現(xiàn)象。

2.2 氣溫日變化趨勢

根據(jù)對2018年1月、4月、7月內(nèi)24h月平均氣溫變化曲線的分析表明，新舊測站氣溫差一般出現(xiàn)在20：00～次日7：00的無日照夜間時段，夜間大氣層比白天穩(wěn)定，風(fēng)速小，所以大氣污染物大多覆蓋于城市上空，對城區(qū)熱量擴(kuò)散有一定的阻礙和保溫作用，導(dǎo)致新舊測站溫差增大。而日間大氣層穩(wěn)定性差，風(fēng)速也比夜間大，熱量會迅速擴(kuò)散，減小區(qū)域溫差。由于最低和最高氣溫通常出現(xiàn)在夜間和白天，所以1月、4月、7月最低氣溫差值最大，平均氣溫次之，最高氣溫差最小。

2.3 差異影響的顯著性

年月旬日平均氣溫、定時氣溫和氣溫最高最低值均接近正態(tài)分布，假設(shè)第1個樣本系從均值方差的總體中取值，第2個樣本系從均值y、方差σ22的總體中取值。則統(tǒng)計量為F=通過表達(dá)式可以看出，當(dāng)統(tǒng)計量F取值很大或很小，均表明σ12和σ22存在差異，根據(jù)1月、4月、7月氣溫資料可以得出統(tǒng)計量F的結(jié)果和接受區(qū)間，見表2。

表2 統(tǒng)計量F的結(jié)果和接受區(qū)間

根據(jù)表2分析結(jié)果，統(tǒng)計量F的取值全部落在接受區(qū)間內(nèi)，所以新舊測站氣溫值無顯著差異。

雖然福海水文站新舊氣象測站因城市熱島效應(yīng)的存在而1月、4月、7月氣溫存在一定差異，但兩測站氣溫變化趨勢高度一致，見圖1。根據(jù)福海水文站新舊氣象測站1月日平均氣溫為例，進(jìn)行其取值相關(guān)性的計算以及自變量和因變量之間是否存在直線關(guān)系的顯著性檢驗，如果有，則進(jìn)一步進(jìn)行直線回歸分析。

圖1 新舊測站1月、4月、7月氣溫變化趨勢

2.4 相關(guān)與回歸分析

根據(jù)福海水文站新舊氣象測站的樣本資料，以新測站資料為自變量，以舊測站修正后的資料為因變量，采用積差方法［2］可以得出各要素的相關(guān)系數(shù)和線性回歸方程（表2），并應(yīng)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的檢驗，此處以1月平均日氣溫為例，進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的t檢驗，公式如下：

其中r表示根據(jù)樣本資料所得出的相關(guān)系數(shù)，n表示樣本個數(shù)，將表3中的各要素相關(guān)系數(shù)取值帶入式（1）便可得出，t值為23.5687。在給定信度α取0.05，自由度為n-2的情況下，查t分布數(shù)值表得tα為2.054，可見t＞tα，表明自變量和因變量之間存在線性關(guān)系。采用同樣方法對4月和7月月平均氣溫、極端氣溫等進(jìn)行t檢驗，結(jié)果表明，自變量和因變量之間均存在線性關(guān)系。

表3 各要素的相關(guān)系數(shù)和線性回歸方程

通過福海水文站新舊測站各要素的相關(guān)系數(shù)和線性回歸方程的分析表明，兩測站之間日氣溫的相關(guān)系數(shù)取值反應(yīng)出兩地氣溫變化趨勢的一致性，且呈正相關(guān)關(guān)系，并能通過α=0.05的顯著性檢驗。通過比較1月、4月、7月日氣溫相關(guān)系數(shù)的取值發(fā)現(xiàn)，各月日最高氣溫相關(guān)性最大，日平均氣溫次之，日最低氣溫相關(guān)性最小。由于舊測站存在較為明顯的熱島效應(yīng)，舊測站氣溫資料失真的可能性較大，遷站前后的資料已不能合并統(tǒng)計，在舊測站氣溫資料使用前必須進(jìn)行訂正。

3 降水和蒸發(fā)的對比分析

根據(jù)表4和表5中對新舊測站降水量和蒸發(fā)量同期特征值的統(tǒng)計可以看出，位于流域上游的新測站的降水量在大多數(shù)月份都比下游的舊測站降水量大，這也符合隨高程升高降水量增大的變動趨勢。

表4 新舊測站降水與蒸發(fā)同期月平均統(tǒng)計

表5 新舊測站降水與蒸發(fā)同期特征值統(tǒng)計

3.1 降水對比分析

采用積差方法以新測站資料為自變量，以舊測站修正后的資料為因變量，并與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個離差相乘來計算兩變量之間的相關(guān)系數(shù)。得出新舊測站日降水量相關(guān)系數(shù)r為0.9178，線性回歸方程為：y=0.7398+1.1327x。新舊測站月降水量相關(guān)系數(shù)r為0.7956，線性回歸方程為：y=11.118+0.9169x。

3.2 蒸發(fā)對比分析

由表4和表5對新舊測站蒸發(fā)同期月平均值的統(tǒng)計與比較可知，大多數(shù)月份都未出現(xiàn)水面蒸發(fā)量隨高程升高而降低的變動趨勢，究其原因主要在于地形因素的影響，福海水文站新氣象測站位于流域上游出山口，地形地勢較為特殊，風(fēng)速較大，同時在氣溫、濕度、輻射等諸多氣象要素的影響下導(dǎo)致蒸發(fā)量較高。采用積差方法所得到的新舊測站日蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)取值為0.8986，線性回歸方程為y=1.0213+1.0943x；新舊測站月蒸發(fā)量相關(guān)系數(shù)為0.8688，線性回歸方程為y=32.937+1.1367x。

在新舊測站所觀測到的氣溫、降水和蒸發(fā)等氣象要素中，僅有氣溫日變化趨勢和年變化趨勢趨于一致，降水和蒸發(fā)的日變化趨勢和年變化趨勢存在一定差異，究其原因主要在于測站所處位置的地形地貌特征影響：舊測站主要位于流域下游克孜賽水庫管理區(qū)，地形地勢平臺，風(fēng)力風(fēng)速變化不大，所以降水和蒸發(fā)較為穩(wěn)定且無較大起伏；而上游的新測站位于流域上游出山口，地形地勢復(fù)雜而特殊，風(fēng)速大，在氣溫、濕度、輻射等諸多氣象要素較為多變的情況下導(dǎo)致降雨量和蒸發(fā)量均較高，其氣象要素的變化并不完全遵循常規(guī)性演變規(guī)律。

4 結(jié)論

本文通過對福海水文站新舊氣象測站氣溫、降水和蒸發(fā)等同期觀測資料的對比分析表明，兩測站氣溫變化趨勢高度一致，且舊測站存在較為明顯的熱島效應(yīng)，舊測站氣溫資料失真的可能性較大，遷站前后的資料已不能合并統(tǒng)計，在舊測站氣溫資料使用前必須進(jìn)行訂正。此外，地區(qū)氣象要素、地形地貌與地理位置對上游新測站和下游舊測站氣溫、降水和蒸發(fā)存在較大影響，在基本遵循隨區(qū)域自然地理條件差異而變化的一般規(guī)律的情況下，存在一定程度的反常。新舊測站各時期氣溫基本隨高程的升高而降低，且上游新測站大多月份平均氣溫比下游舊測站偏低，各月最大最小值出現(xiàn)日期相同；降水隨高程升高而逐漸增大，上游新測站大多數(shù)月份降水大于下游舊測站，且新舊測站個別時段降水量的增減變化不同步；蒸發(fā)量的變動并未遵循隨高程升高而減小的趨勢規(guī)律，且新測站多數(shù)月份蒸發(fā)量大于舊測站，出現(xiàn)這種反?，F(xiàn)象主要原因在于區(qū)域地形、地勢地貌及其他氣象要素等的綜合作用。