環(huán)境變化對淖毛湖氣象站氣候資料的影響

楊艷玲，楊 霰，劉 穎，肖金梅，錢文新

（1.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000；2.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；4.葉城縣氣象局，新疆 葉城 844900）

氣候資料的代表性是天氣預報和氣候變化研究的重要基礎(chǔ)，但氣候資料中包含著許多影響人類活動的大氣環(huán)境信息，若利用包含有非氣候因素變化的氣候序列來進行氣候分析，就可能會導致矛盾的結(jié)論[1-2]。諸多學者采用均一性檢驗、線性突變檢驗、EOF 分解等方法分析、研究了臺站遷移對氣溫、降水等氣象要素資料序列的影響[3-10]，為獲取長序列氣象觀測資料提供科學依據(jù)；李慶祥等[11]認為，臺站遷移是造成氣象資料序列非均一性的主要因素。氣象要素的觀測受城市化的影響程度與城市建筑物構(gòu)成、周圍地形等關(guān)系密切，陳沈斌等[12]發(fā)現(xiàn)，城市化對北京觀象臺氣溫記錄的影響約為0.21 ℃/33 a，推斷市中心二環(huán)路以內(nèi)有更強烈的影響。周雅清等[13]通過分析華北地區(qū)255 個一般站和國家基本、基準站1961—2000 年的實測資料，發(fā)現(xiàn)平均氣溫、最低氣溫變化趨勢中城市熱島效應加強因素的影響明顯。卞韜等[14]采用城鄉(xiāng)對比法對石家莊1972—2012年城市站和4 個鄉(xiāng)村站地面風速資料進行分析研究，發(fā)現(xiàn)石家莊站年和季節(jié)平均地面風速和平均10 min 最大風速的長期下降趨勢，主要是由城市化因素引起。劉衛(wèi)平等[15]利用1961—2015 年庫爾勒站和參考站的氣候資料分析，發(fā)現(xiàn)庫爾勒城市化對年平均氣溫、相對濕度的影響較為顯著，分別為0.17 ℃/10 a 和-1.20%/10 a。

淖毛湖鎮(zhèn)隸屬于伊吾縣，其礦產(chǎn)資源豐富，是自治區(qū)級工業(yè)園區(qū)，使得這座新型工業(yè)化城市帶動了當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展，但卻使得淖毛湖鎮(zhèn)環(huán)境發(fā)生變化，氣象觀測環(huán)境因此受到影響。本文選取淖毛湖站作為研究對象，分析環(huán)境變化對淖毛湖站氣象資料序列的影響，以期為揭示該區(qū)域氣候變化的規(guī)律提供科學有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 概況與資料方法

1.1 概況及觀測環(huán)境簡述

淖毛湖位于新疆東天山與阿爾泰山之間的溝底湖盆地，三面環(huán)山，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水量少，年氣溫變化大，多大風、沙塵天氣。淖毛湖氣象站始建于1960 年1 月1 日，站址位于淖毛湖鄉(xiāng)政府附近（94°59 ′E，43°47 ′N，觀測場海拔高度500.0 m）；1980 年遷至淖毛湖鎮(zhèn)二校南戈壁（95°08′E，43°46′N，海拔高度為479.0 m）。近年來，城鎮(zhèn)化建設(shè)規(guī)劃及其快速發(fā)展，加劇并直接影響到氣象探測環(huán)境的變化；經(jīng)協(xié)商后將淖毛湖氣象站擬平移至距舊觀測場30 m 直線距離處，兩者同處一個氣候區(qū)，且符合氣象探測環(huán)境要求。

1.2 對比站的選取及資料方法

建立對比站序列和檢驗序列是分析研究長序列氣候資料的均一性檢驗的關(guān)鍵。新疆地形復雜、臺站稀疏，本文所選的對比站（即哈密、庫米什站）在淖毛湖站舊觀測場周邊半徑為590 km 范圍內(nèi)，雖不能滿足國家規(guī)定的300 km 范圍內(nèi)的要求，但所選兩站僅用來與淖毛湖站進行觀測資料區(qū)域一致性和均一性分析，且相關(guān)遷站報告已通過中國氣象局審核；選取伊吾作為背景站分析環(huán)境變化對氣象資料的影響。對比站和背景站基本情況見表1，其資料的時間序列均達50 a 以上，完整性較好；庫米什、伊吾未遷過站，哈密站曾在1963 年遷過站。為保證資料一致性，以最晚遷站時間1963 年為起始年，終止年為2020 年。資料選取時將對比的觀測資料求平均形成對比站的資料序列，對氣溫、相對濕度、風速、降水量等要素序列進行對比分析。本文所用數(shù)據(jù)資料由新疆氣象局信息中心提供，且通過嚴格質(zhì)量控制，未做任何插補延長處理。

表1 淖毛湖站與對比站基本信息

為更好地反映環(huán)境變化對氣候資料序列的影響，運用△TuR=△Tu-△TR計算環(huán)境變化的影響[22-24]，其中，△Tu表示所選的受環(huán)境變化影響的淖毛湖氣象資料的趨勢變化率，△TR表示氣候變化背景場的對比站（伊吾）氣象資料的趨勢變化率。環(huán)境變化影響在臺站氣象資料趨勢變化中所占的比率，用Eu表示，表達式為：

因此，E有3 種情況：當△Tu＞△TR時，E＞0，表明環(huán)境變化影響為增加；當△Tu=△TR時，E=0，表明環(huán)境變化影響為0；當△Tu＜△TR時，E＜0，表明環(huán)境變化影響為減小。這里將E＞100%的情況視同E=100%。同樣，將E＜-100%的情況視同E=-100%。

2 結(jié)果分析

2.1 觀測資料區(qū)域一致性分析

淖毛湖站自1980 年遷至淖毛湖鎮(zhèn)二校南戈壁，觀測場周邊地理環(huán)境與原址相近，但海拔高度有變化，故導致遷站前后氣溫序列發(fā)生偏差（圖1a）。目前，淖毛湖鎮(zhèn)已被列為自治區(qū)新型工業(yè)化城鎮(zhèn)一體化30 個重點示范鎮(zhèn)之一，新型工業(yè)化發(fā)展較快，周邊高層建筑逐年增多，使該站探測環(huán)境影響在2008年以后日益凸顯。將淖毛湖站自建站以來的年平均氣溫分別以1980、2008 年為節(jié)點分成3 段，即1963—1979、1980—2007、2008—2020 年，分別計算與兩個參考站相應時段年平均氣溫的差值平均值，并進行前后對比分析。結(jié)果表明：淖毛湖站氣溫受遷站、環(huán)境變化影響明顯；1980—2007 年遷站所帶來的誤差可使氣溫平均升高0.55 ℃左右，2008 年以后環(huán)境變化所帶來的誤差，使氣溫平均升高0.4 ℃左右（表2）。

表2 淖毛湖站與對比站1980、2008 年前后氣溫差值平均值

年降水量差值序列（圖1b）呈波動變化，淖毛湖站與對比站的年降水量差值均為負，說明淖毛湖站降水量小于對比站，隨時間變化的一致性較差。

淖毛湖站與對比站的年平均相對濕度差值（圖1c），從20 世紀60 年代初期到90 年代中期呈下降趨勢；1980 年遷站后，相對濕度產(chǎn)生明顯的波動，到1996 年差值較大且呈減小趨勢。淖毛湖站與對比站年平均相對濕度差值下降趨勢與平均氣溫差值上升趨勢相對應，由于環(huán)境變化，氣溫升高，相對濕度下降。1996 年至今差值減小，呈上升趨勢。由于遷站，淖毛湖站的年平均相對濕度與對比站的差值變化顯著。

淖毛湖站與對比站的年平均風速差值隨時間變化總體呈波動變化（圖1d）。20 世紀60 年代初—70年代初呈上升趨勢，70 年代初至現(xiàn)在總體呈下降趨勢，表明淖毛湖站的風速相對于對比站呈減小趨勢。80 年代中期差值呈跳躍上升趨勢，與遷站有關(guān)。2003 年淖毛湖站對觀測任務進行了調(diào)整，由3 次夜間不守班調(diào)整為4 次夜間守班氣象觀測任務，使風速產(chǎn)生了變化。建站—2002 年，平均風速為4.4 m/s；觀測業(yè)務調(diào)整后，平均風速為3.5 m/s。2008 年由于臺站周邊高層建筑物陸續(xù)興建，探測環(huán)境受到影響，采集的數(shù)據(jù)亦受到較大的影響，年平均風速僅為3.3 m/s。淖毛湖站的年平均風速與對比站變化的不一致性愈發(fā)明顯。

2.2 趨勢比較

淖毛湖站與對比站的氣溫均呈上升趨勢（圖2a），增溫速率分別為0.44 ℃/10 a、0.23 ℃/10 a，由此可得：前者增溫速率大于后者，兩者氣溫的區(qū)域一致性差。淖毛湖站與對比站年降水序列的線性趨勢（圖2b）分別為2.92 mm/10 a 和3.19 mm/10 a，趨勢差距較大，兩者降水的區(qū)域一致性差。淖毛湖站與對比站相對濕度隨時間略呈增長趨勢（圖2c），增濕速率分別為0.17%/10 a、0.46%/10 a，后者的增濕速率大于前者，表明兩者相對濕度的區(qū)域一致性差。淖毛湖站與對比站的風速隨時間分別以0.33（m·s-1）/10 a、0.15（m·s-1）/10 a 的速率減?。▓D2d），前者風速下降的速率大于后者，表明兩者風速的區(qū)域一致性越來越差。

圖2 淖毛湖站與對比站各要素年序列及其趨勢（a 為年平均氣溫，b 為年降水量，c 為年平均相對濕度，d 為年平均風速）

差值分析和趨勢分析的結(jié)果表明，因受環(huán)境等因素的影響，淖毛湖站的氣溫、降水、相對濕度和風速資料的區(qū)域一致性均較差。綜上，淖毛湖站觀測資料的區(qū)域一致性較差。

2.3 觀測序列均一性分析

基于淖毛湖站詳細的歷史沿革記錄、儀器變更、臺站環(huán)境變化的影響等可能引起序列非均一的時間點為假設(shè)的斷點，符合正態(tài)分布的氣溫和濕度資料采用差值序列進行檢驗，符合非正態(tài)分布的降水、風速資料則采用比值序列進行檢驗；采用T檢驗方法（顯著性水平0.05），對淖毛湖站1963 年以來的平均氣溫、降水量、相對濕度和平均風速的年值序列進行均一性檢驗。

由圖3 可知，淖毛湖站4 個要素均存在斷點，平均氣溫、相對濕度和平均風速各有3 個斷點，降水量有2 個斷點。該站4 個要素的斷點主要發(fā)生在1966、1969、1980、2003 和2008 年，可從以下事件中找到某種對應關(guān)系：1966 年遷站造成了氣溫不連續(xù)；1969 年風觀測儀器由維爾德風壓器更換為EL型電接風向風速器，造成風速不連續(xù)；1980 年遷站造成了氣溫、相對濕度不連續(xù)；2003 年觀測任務調(diào)整和儀器更換造成了相對濕度、風速、降水量不連續(xù)；2008 年周邊環(huán)境變化造成了氣溫、相對濕度、風速和降水量不連續(xù)。

圖3 淖毛湖站各要素T 檢驗結(jié)果（a 為氣溫，b 為相對濕度，c 為降水量，d 為風速）

結(jié)合表3 和區(qū)域一致性分析可知，淖毛湖鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展導致探測環(huán)境的變化是造成淖毛湖站觀測資料不連續(xù)的主要原因。

表3 淖毛湖站存在變化的時間節(jié)點及原因

2.4 環(huán)境變化對氣象資料序列的影響分析

環(huán)境變化對于淖毛湖站平均氣溫變化趨勢的影響年、四季均為正貢獻（表4），表明環(huán)境變化影響加速了該區(qū)域變暖趨勢。平均氣溫環(huán)境變化影響年值為0.15 ℃/10 a，秋季最大，為0.23 ℃/10 a，夏季和冬季為0.13 ℃/10 a，春季為0.08 ℃/10 a；除冬季外，年、春、夏、秋季的變化趨勢均通過0.01 的顯著性檢驗。環(huán)境變化影響極顯著，其中秋季的環(huán)境變化影響相對較強，春季最弱；平均氣溫環(huán)境變化影響貢獻率為34%，秋季最大為51%，冬季為46%，春季僅為16%。

表4 淖毛湖站4 個要素變化趨勢的環(huán)境變化影響和環(huán)境變化影響的貢獻率

環(huán)境變化對淖毛湖氣象站平均風速變化趨勢的影響年、四季均為負貢獻，平均風速的變化影響為-0.16（m·s-1）/10 a，通過了0.01 的顯著性檢驗，環(huán)境變化影響貢獻率年值為48%，表明該年平均風速減小趨勢主要是由環(huán)境變化影響造成的。春、夏、秋、冬平均風速減小的影響變化分別為-0.31（m·s-1）/10 a、-0.14（m·s-1）/10 a（夏、秋季一樣）、-0.09（m·s-1）/10 a，均通過0.01 的顯著性檢驗。春季的環(huán)境變化影響相對較強，其次夏、秋季，冬季相對較弱；環(huán)境變化貢獻率分別為68%、38%、45%和47%，與年平均風速一致。

環(huán)境變化對年平均相對濕度變化趨勢的影響年、四季均為負貢獻，表明環(huán)境變化影響減弱了相對濕度增濕的趨勢。年相對濕度環(huán)境變化影響為-0.63%/10 a，秋季為-1.06%/10 a，冬季為-0.42%/10 a，春季僅為-0.21%/10 a，其中年、夏季、秋季通過了0.01 的顯著性檢驗。年平均相對濕度環(huán)境變化貢獻以負貢獻為主，年、春、夏、秋季貢獻率均達100%，除夏季為正貢獻外，其余均為負貢獻。

環(huán)境變化對降水量變化趨勢的影響年、春季、秋季為負貢獻，夏、冬季為正貢獻，降水量的環(huán)境變化影響年值為-3.33 mm/10 a，春季為-2.21 mm/10 a，通過了0.05 的顯著性檢驗，秋季為-1.26 mm/10 a，最小為冬季0.03 mm/10 a。降水量環(huán)境變化影響貢獻率次序不同，冬季大于夏季。

3 結(jié)論與討論

（1）淖毛湖站與對比站的氣溫均呈上升趨勢，前者的增溫速率大于后者；兩者的降水序列的線性趨勢分別為2.92 mm/10 a、3.19 mm/10 a；兩者的增濕速率分別為0.17%/10 a、0.46%/10 a；兩者的風速隨時間變化均為減小趨勢，減小速率分別為0.33（m·s-1）/10 a、0.15（m·s-1）/10 a。通過區(qū)域一致性分析得出：淖毛湖站與對比站的氣溫、風速、相對濕度、降水量均隨時間推移差值逐漸增大，兩者的區(qū)域一致性越來越差。

（2）年值序列均一性檢驗結(jié)果表明，淖毛湖站平均氣溫、降水量、平均相對濕度和平均風速4 個氣象要素均存在斷點，平均氣溫、平均相對濕度和平均風速各有3 個斷點，降水量有2 個斷點。淖毛湖環(huán)境變化使長序列氣候資料產(chǎn)生斷點，在資料使用時應引起重視；氣溫、風速受環(huán)境變化影響較明顯，尤其是風速。

（3）長序列的資料對比分析表明，淖毛湖站環(huán)境變化對于平均氣溫變化趨勢的影響年、四季均為正貢獻，可見環(huán)境變化影響加速了變暖趨勢；平均風速變化趨勢的影響年、四季均為負貢獻；平均相對濕度變化趨勢的影響年、四季均為負貢獻，表明環(huán)境變化影響減弱了相對濕度增濕的趨勢；降水量變化趨勢的影響年、春季、秋季為負貢獻，夏、冬季為正貢獻。

（4）淖毛湖鎮(zhèn)短短十幾年發(fā)展成為伊吾縣第一經(jīng)濟大鎮(zhèn)，經(jīng)濟總量占伊吾縣的80%左右，生產(chǎn)總值、流動人口等因素對該區(qū)域氣象要素產(chǎn)生的影響有待進一步深入研究。