冷湖地區(qū)氣象要素變化及其對(duì)天文觀測(cè)的影響

申燕玲，曾淑玲，肖宏斌，顏鵬程，沈曉燕

（1.青海省氣象科學(xué)研究所天氣氣候研究室，青海 西寧810001；2.中國(guó)人民解放軍93808部隊(duì)，甘肅 蘭州730020；3.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧810001；4.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020）

天文觀測(cè)臺(tái)的選址依賴(lài)于天文相關(guān)的氣候條件、地形地貌條件和后勤保障條件[1]，其中天文相關(guān)的氣候參數(shù)包括氣溫、溫差變化、相對(duì)濕度、云量、粉塵、風(fēng)速、晴夜數(shù)等[2-4]。除此之外，可觀測(cè)時(shí)間、大氣視寧度、天光背景亮度、大氣消光系數(shù)等參數(shù)也是天文觀測(cè)臺(tái)選址的重要依據(jù)[5]。世界著名的天文觀測(cè)臺(tái)有美國(guó)夏威夷島的莫納克亞天文臺(tái)（Mauna Kea Observatory，海拔4205 m）、美國(guó)亞利桑那州的帕瑞納天文臺(tái)（Paranal Observatory，海拔2635 m）、西班牙加納利群島的羅奎克·德·羅斯·穆察克斯天文臺(tái)（Roque de los Muchachos Observatory，海拔2396 m）、智利阿塔卡馬沙漠的基特峰國(guó)家天文臺(tái)（Kitt Peak National Observatory，海拔2096 m）、美國(guó)德克薩斯州的麥克唐納天文臺(tái)（McDonald Observatory，海拔2070 m）等，都選擇在觀測(cè)條件良好的高海拔地區(qū)。我國(guó)主要的天文觀測(cè)臺(tái)包括位于河北省的國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地、北京市的密云觀測(cè)站、云南省的云南天文臺(tái)麗江觀測(cè)站等[6]，觀測(cè)條件均較好。這些天文臺(tái)的興建，為天文科學(xué)研究取得了豐碩的觀測(cè)成果。

通過(guò)對(duì)天文觀測(cè)臺(tái)臺(tái)址氣候背景的研究發(fā)現(xiàn)，天文觀測(cè)臺(tái)選址要求云量較低、大氣湍流弱[7-8]、大氣透明度高、風(fēng)速較小、大氣相對(duì)濕度較弱、大氣中沙塵濃度低、日溫差小等[9-12]。其中影響天文觀測(cè)的主要?dú)庀笠蛩匕ǎ孩贉夭钐?，容易引起大氣層結(jié)不穩(wěn)定，造成局部湍流，從而降低觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量[13]；②云量過(guò)多、云層過(guò)低，阻礙天文觀測(cè)中紅外波段和毫米波段的電磁波的傳播[14-16]，影響天文觀測(cè)的觀測(cè)精度；③大氣中濕度、沙塵過(guò)大，一方面容易損毀天文觀測(cè)儀器的鏡面、濾光片，另一方面也增加了大氣被電擊穿從而損毀精密儀器的概率[17]，一般認(rèn)為大氣濕度的閾值不超過(guò)90%較適宜[5，18-19]。

我國(guó)青藏高原空氣稀薄、輻射強(qiáng)、日照時(shí)數(shù)多、氣溫低[20]，一定程度上符合開(kāi)展天文觀測(cè)活動(dòng)的條件。其中，位于青藏高原西北部、阿爾金山南麓、柴達(dá)木盆地北緣的冷湖地區(qū)屬于典型的高原大陸型氣候，平均海拔2800 m，年平均氣溫為3.00℃左右[21]，平均年降水量較小，顯著低于其他地區(qū)[22]，同時(shí)大氣中相對(duì)濕度低[23-24]，云量低、總云量主要以不到1成和不到5成為主[25]，沙塵日數(shù)較少[26]，適宜開(kāi)展天文觀測(cè)活動(dòng)。受全球變暖影響，近些年來(lái)，該地區(qū)的氣候變化呈現(xiàn)新的特征[27-30]，韓國(guó)軍[31]研究指出青藏高原中部地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且增溫趨勢(shì)要大于周邊地區(qū)，而西藏西南部到青海東北部的降水顯著增加，其余地區(qū)則呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)；李林等[32]指出青海北部柴達(dá)木盆地地區(qū)的是青藏高原氣候變化的敏感區(qū)；李曉東等[33]研究表明截止到2013年冷湖地區(qū)氣溫上升趨勢(shì)顯著（0.40℃/10 a）、日照時(shí)數(shù)減弱（趨勢(shì)約-90 h/10 a）、相對(duì)濕度增加（0.50%/10 a）的現(xiàn)象。因此，有必要在長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)資料基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究氣候增暖背景下，冷湖地區(qū)氣候是否持續(xù)發(fā)生變化，以明確該地區(qū)在未來(lái)承擔(dān)天文觀測(cè)任務(wù)的可行性。

基于此，從氣溫—降水、云量—日照時(shí)數(shù)、沙塵—大風(fēng)三個(gè)角度分析氣象條件對(duì)天文觀測(cè)的可能影響，首先分析冷湖地區(qū)觀測(cè)資料來(lái)源并評(píng)估主要?dú)庀髤?shù)是否具備完整性和代表性，進(jìn)而研究冷湖地區(qū)1961—2018年氣象觀測(cè)站資料中氣溫—降水、云量—日照時(shí)數(shù)、沙塵—大風(fēng)等與天文觀測(cè)直接相關(guān)的氣象要素的長(zhǎng)期變化特征，分析這些氣象要素的變化對(duì)天文觀測(cè)的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

所用資料為青海省氣象信息中心的1961—2018年冷湖氣象觀測(cè)站逐月資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、云量、平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、浮塵日數(shù)和揚(yáng)沙日數(shù)資料，另選用冷湖附近地區(qū)茫崖、大柴旦氣象觀測(cè)站作為對(duì)比站分析冷湖站點(diǎn)的代表性，研究中利用表征相關(guān)程度的散點(diǎn)圖、趨勢(shì)分析、滑動(dòng)t檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)冷湖地區(qū)氣候特征開(kāi)展分析。在分析風(fēng)速特征時(shí)，為消除儀器替換可能帶來(lái)的影響，資料選用1970年以后的資料。

為了分析冷湖站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和代表性，利用距離冷湖站較近的茫崖、大柴旦氣象觀測(cè)站資料作為參考，研究不同站點(diǎn)資料的一致率[34]，檢查數(shù)據(jù)一致情況。一致率的計(jì)算如式（1）、（2）。其中xi代表氣象要素的時(shí)間序列，對(duì)各氣象要素時(shí)間序列事先進(jìn)行逐月距平處理，sx代表序列的標(biāo)準(zhǔn)差，k為系數(shù)，一般情況取k=2，統(tǒng)計(jì)量ai表示序列中數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)差的k倍。對(duì)統(tǒng)計(jì)量ai進(jìn)行求和，可以知道序列中排除異常值后的數(shù)目b，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算與樣本量n的比值得到一致率Cr。

2 冷湖地區(qū)位置及觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性分析

圖1為冷湖地區(qū)地形及氣象觀測(cè)點(diǎn)分布，圖中散點(diǎn)分別代表冷湖（38°44′36″N，93°20′08″E，2770.8 m）、茫崖（38°14′59″N，90°51′07″E，2944.8 m）、大柴旦（37°51′08″N，95°21′10″E，3173.2 m）3個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的位置，其中，茫崖站點(diǎn)位于冷湖站點(diǎn)以西約200 km，大柴旦站點(diǎn)位于冷湖站點(diǎn)以東約200 km。圖2為3個(gè)站點(diǎn)各氣象要素資料的一致率檢查，當(dāng)k=2時(shí)（圖2a），氣溫（包括最高、最低氣溫）、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、云量、風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、浮塵（揚(yáng)沙）日數(shù)的一致率幾乎為100%，表明這些要素的數(shù)據(jù)分布均較為一致。降水的數(shù)據(jù)一致率約為60%，這主要是因?yàn)榻邓姆植家话悴粷M足正態(tài)分布，故計(jì)算冷湖站點(diǎn)降水與茫崖、大柴旦的相關(guān)系數(shù)（圖3a），分別為0.60和0.56（均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)），表明冷湖降水與茫崖、大柴旦一致性較好；同時(shí)考察不同站點(diǎn)不同等級(jí)累計(jì)降水日數(shù)，3個(gè)站的降水均主要分布在0.00～4.00mm（圖3b），且降水量越大、降水頻次越低時(shí)，3個(gè)站的降水分布一致。另外，為進(jìn)一步檢查數(shù)據(jù)的一致性，取k=1時(shí)重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2b），各氣象要素在站點(diǎn)間同樣不存在顯著差異性。以上分析結(jié)果表明：冷湖站氣象觀測(cè)資料完整性較好，與茫崖和大柴旦具有相同的分布特征。

圖1 冷湖地區(qū)海拔高度及氣象觀測(cè)站點(diǎn)位置

圖2 平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、云量、平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、浮塵日數(shù)、揚(yáng)沙日數(shù)數(shù)據(jù)一致率檢查

圖3 冷湖站點(diǎn)降水與茫崖、大柴旦站點(diǎn)降水的一致性分析

3 冷湖地區(qū)氣候特征分析

3.1 氣溫、降水特征分析

圖4a是冷湖地區(qū)平均氣溫逐年變化，淺藍(lán)色區(qū)域表示最低氣溫和最高氣溫的范圍，最低溫增加的趨勢(shì)為0.49℃/10 a，顯著高于最高氣溫增加的趨勢(shì)（0.18℃/10 a），而平均氣溫的增加趨勢(shì)介于二者之間，為0.25℃/10 a。從概率分布來(lái)看（圖4b），最低、最高氣溫的平均值分別為-5.31和11.88℃，而月平均氣溫的平均為3.04℃，表明冷湖地區(qū)近58 a來(lái)，氣溫較低。最高、最低氣溫差值（圖4c）平均為17.19℃，并且呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，減小趨勢(shì)為-0.32℃/10 a（通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)）。溫差與相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著地負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42（通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)），其中平均相對(duì)濕度為29.42%。考慮到空氣中濕度變化容易引起潛熱的變化，從而引起氣溫的變化，因此進(jìn)一步分析溫差變化與相對(duì)濕度之間的關(guān)系。利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法對(duì)氣溫進(jìn)行突變檢測(cè)（圖5），結(jié)果表明在1998年前后，氣溫發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后的氣溫顯著高于轉(zhuǎn)折前。并且轉(zhuǎn)折后氣溫差值由17.57℃減少為16.53℃，而相對(duì)濕度有所增加，轉(zhuǎn)折前為28.84%，轉(zhuǎn)折后為30.41%。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折以前的溫差與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.40，轉(zhuǎn)折之后相關(guān)系數(shù)降低至-0.35，表明溫差變化和相對(duì)濕度之間的相關(guān)關(guān)系變?nèi)酢?/p>

圖4 氣溫、相對(duì)濕度逐年變化及相互之間的相關(guān)關(guān)系

圖5 不同時(shí)段氣溫和相對(duì)濕度的關(guān)系特征

圖6為降水長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，冷湖地區(qū)平均年降水量為16.83 mm，呈現(xiàn)弱的增加趨勢(shì)（1.20mm/10 a），且存在一定的年代際變化特征，其中1960—1985年和1995—2018年兩個(gè)時(shí)段的降水偏多、1985—1995年降水偏少。從不同季節(jié)來(lái)看，冷湖地區(qū)降水主要集中在夏季，平均降水量為12.52 mm，占全年的74.87%，其次是春季（1.93 mm，10.52%），秋季和冬季降水最少，平均降水量為1.62和0.76 mm（占全年降水百分比分別為9.20%和5.41%）。不同季節(jié)降水在1995年前后呈現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，具體表現(xiàn)為夏季降水減少（趨勢(shì)為-0.45 mm/10 a）、秋季降水顯著增加（趨勢(shì)為0.79 mm/10 a），年代際轉(zhuǎn)折之前夏季和秋季平均降水分別為13.42、0.42 mm，轉(zhuǎn)折之后夏、秋季平均降水分別為11.25、3.30mm；冬季降水略有增加（趨勢(shì)為0.14 mm/10 a），而春季降水趨勢(shì)變化不明顯（趨勢(shì)為-0.06 mm/10 a）。從百分比來(lái)看，夏季降水由轉(zhuǎn)折之前的82.57%減少至63.96%，而秋季、冬季和春季降水占全年降水百分比則由3.54%、4.03%和9.87%增加至17.21%、7.38%和11.45%。

圖6 不同季節(jié)降水的逐年變化

綜上所述，冷湖地區(qū)年平均氣溫較低，為3.04℃，存在一定的增加趨勢(shì)（為0.25℃/10 a）；分析最高、最低氣溫的溫差和相對(duì)濕度關(guān)系發(fā)現(xiàn)二者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是在1998年年代際轉(zhuǎn)折之后，相關(guān)關(guān)系變?nèi)?。冷湖地區(qū)年降水量較少，為16.83 mm，且主要發(fā)生在夏季，為全年降水總量的74.87%，在1995年前后發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后夏季降水比例降至63.96%。冷湖地區(qū)整體氣溫偏低、降水量少，有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定，從而減少湍流對(duì)光線波前畸變帶來(lái)的影響，提升天文觀測(cè)質(zhì)量。

3.2 日照時(shí)間、云量特征分析

圖7為冷湖地區(qū)日照時(shí)間，該地區(qū)月平均日照時(shí)長(zhǎng)為286 h，超過(guò)大部分天文觀測(cè)臺(tái)的日照時(shí)數(shù)[39]，趨勢(shì)為-5.18 h/10 a?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)表明，1990年前后日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折前月平均日照時(shí)數(shù)為295 h，趨勢(shì)為-6.67 h/10 a，轉(zhuǎn)折之后月平均日照時(shí)數(shù)為277 h，趨勢(shì)為1.97 h/a。平均云量較低（4.69成），云量與日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.45（通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)）。云量在20世紀(jì)90年代末發(fā)生轉(zhuǎn)折，云量與日照時(shí)數(shù)在轉(zhuǎn)折之前相關(guān)系數(shù)為-0.62，轉(zhuǎn)折之后為-0.40，轉(zhuǎn)折后日照時(shí)數(shù)與云量的相關(guān)系數(shù)降低。總體來(lái)說(shuō)，冷湖地區(qū)的日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)、云量較低，20世紀(jì)90年代末發(fā)生年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后日數(shù)時(shí)數(shù)、云量都呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，但二者相關(guān)系數(shù)降低。低云量、長(zhǎng)日照時(shí)間，有利于天文觀測(cè)進(jìn)行。

圖7 云量和日照時(shí)數(shù)變化特征

3.3 平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、浮塵日數(shù)和揚(yáng)沙日數(shù)特征分析

冷湖地區(qū)風(fēng)速逐年變化（圖8a），平均風(fēng)速為3.89 m·s-1，長(zhǎng)期來(lái)看呈現(xiàn)弱的減小趨勢(shì)。1974年以前，風(fēng)速持續(xù)增加，之后持續(xù)減小到1980年，再次逐漸增大至1987年，1994年以后風(fēng)速變化幅度較小，其中轉(zhuǎn)折前的平均風(fēng)速為4.22 m·s-1，轉(zhuǎn)折后的平均風(fēng)速為3.55 m·s-1。平均風(fēng)速的變化與大風(fēng)日數(shù)（圖8b）的變化一致，1974—1994年的大風(fēng)日數(shù)年平均為76.14d，1994年以后減少至60.54 d。浮塵日數(shù)在1994年以后也呈減少的趨勢(shì)，年平均浮塵日數(shù)在轉(zhuǎn)折前為10.00d，轉(zhuǎn)折之后為1.17 d。但是揚(yáng)沙日數(shù)變化不顯著，在1998—2000年出現(xiàn)連續(xù)3 a的大值（平均揚(yáng)沙日數(shù)14 d），最多揚(yáng)沙日數(shù)達(dá)到16 d（2000年）；2015—2018年揚(yáng)沙日數(shù)也明顯較大，平均揚(yáng)沙日數(shù)為23.25d，最多揚(yáng)沙日數(shù)達(dá)到26 d（2016年）。圖9是逐月—逐年揚(yáng)沙日數(shù)散點(diǎn)圖，冷湖地區(qū)揚(yáng)沙四季都有，但主要發(fā)生在春季，平均2.49d，而1998—2000年揚(yáng)沙日數(shù)增加主要原因是春季揚(yáng)沙日數(shù)增多，增至7.33d，2015—2018年揚(yáng)沙日數(shù)所有季節(jié)均增加，其中春季、夏季增多最為顯著，為8.25和6.50d，另外秋季和冬季也增至4.00和4.50 d。

圖8 平均風(fēng)速（a）、大風(fēng)日數(shù)（b）、浮塵日數(shù)（c）、揚(yáng)沙日數(shù)（d）逐年變化，灰色虛線代表各氣象要素的平均值

圖9 揚(yáng)沙日數(shù)年變化特征（單位：d）

綜合來(lái)看，冷湖地區(qū)風(fēng)速平均在3.84 m·s-1左右，從長(zhǎng)期變化看呈現(xiàn)弱的負(fù)趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)90年代以后風(fēng)速波動(dòng)和大風(fēng)日數(shù)均趨于穩(wěn)定，浮塵天氣顯著減少，近幾十年幾乎為0 d。低沙塵、低風(fēng)速的大氣環(huán)境對(duì)于天文觀測(cè)儀器的損耗較少，適宜建立天文觀測(cè)站點(diǎn)。但值得注意的是，揚(yáng)沙天氣在近幾年有增加的趨勢(shì)，年揚(yáng)沙日數(shù)為20 d左右。

4 結(jié)論

利用冷湖地區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)的氣象資料，從氣溫—降水、云量—日照時(shí)數(shù)、沙塵—大風(fēng)3個(gè)方面，研究了氣象要素的年代際變化特征及對(duì)天文觀測(cè)的影響情況，得出以下結(jié)論：

（1）冷湖地區(qū)年平均氣溫為3.04℃左右，增溫趨勢(shì)為0.25℃/10 a，其中最低氣溫增溫趨勢(shì)高于最高氣溫增溫趨勢(shì)，二者的溫差逐漸縮??；溫差還與相對(duì)濕度存在顯著負(fù)相關(guān)。冷湖地區(qū)年降水量為16.83 mm左右，且降水主要發(fā)生在夏季，在1995年以后出現(xiàn)年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之后的夏季降水占比減少，分?jǐn)傊疗渌竟?jié)。低氣溫、降水有利于維持冷湖地區(qū)大氣層結(jié)穩(wěn)定，對(duì)流、湍流少發(fā)有利于提升觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（2）冷湖地區(qū)日照時(shí)數(shù)年平均為3432 h，在1990年前后出現(xiàn)“先減少、后增加”的年代際轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折之前年均日照時(shí)數(shù)逐漸減少、之后呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)；日照時(shí)數(shù)與云量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是在1990年以后，相關(guān)關(guān)系減弱。弱的云量和較多的日照時(shí)數(shù)表明冷湖地區(qū)擁有較長(zhǎng)的觀測(cè)窗口期，并且低云量也有助于電磁波的傳播、提升觀測(cè)精度。

（3）冷湖地區(qū)平均風(fēng)速約4 m·s-1，1994年以后平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)略有減弱，浮塵日數(shù)顯著減少，近幾十年，浮塵日數(shù)幾乎為0d，但是揚(yáng)沙日數(shù)在2015年以后呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中2015—2018年，平均揚(yáng)沙日數(shù)為20 d。較低的風(fēng)速、較低的浮沉（沙塵）有利于天文觀測(cè)的長(zhǎng)期維持，同時(shí)降低觀測(cè)儀器的損耗，能夠保持較高的天文觀測(cè)精度。

綜上所述，冷湖地區(qū)自1961年來(lái)，氣溫較低且溫差在逐漸減小，長(zhǎng)期保持低雨量、低相對(duì)濕度、云量少、低沙塵的氣候特征。在20世紀(jì)90年代前后，氣象要素發(fā)生年代際變化，氣溫略增加，降水在全年的分配發(fā)生變化，年平均風(fēng)速減小，由此引起的浮塵日數(shù)也減少，云量減少，日照時(shí)數(shù)增加，但仍然保持在較低的水平，有利于維持大氣層結(jié)穩(wěn)定，減少湍流的影響，同時(shí)較低的云量也有利于紅外波段、毫米波段電磁波的傳播，提升天文觀測(cè)的精度，而低風(fēng)沙的天氣則能夠顯著降低天文觀測(cè)儀器的損耗，增加使用壽命，這些氣象條件及長(zhǎng)期變化特征均表明冷湖地區(qū)是一個(gè)理想的天文觀測(cè)候選址點(diǎn)。