探测环境变化对即墨气象要素的影响

宋丙欣，付业理，孟 楠

(1.山东省即墨市气象局，山东即墨 266200;2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东青岛 266003)



探测环境变化对即墨气象要素的影响

宋丙欣1，2，付业理1，2，孟 楠1，2

(1.山东省即墨市气象局，山东即墨 266200;2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，山东青岛 266003)

采用平均差值分析、相符率分析等方法，对即墨市国家一般气象站旧站1985～2014年气象要素进行纵向变化分析，对2014年台站搬迁过程中新、旧站的同期气象资料进行横向对比，查找要素差异，系统分析探测环境变化对主要气象要素的影响。结果表明，1985～2014年探测环境改变，引起旧站气温升高，风速显著减小，主导风向存在年际突变，年降水量比新站明显偏少。在各要素变化过程中，城镇化引起的探测环境改变是造成气温、风向、风速等要素改变的主要因素，站址变迁引起的探测环境改变与降水量的变化密切相关。因此加强气象探测环境保护，保持台站长期稳定，对保证气象要素的连续性、代表性、准确性十分重要。

城镇化；探测环境；气象要素；观测资料；对比分析

随着社会经济的快速发展和城镇化进程的加快，即墨气象观测站周围建筑物的逐渐增多，气象探测环境受到不同程度的破坏，对气象要素的影响很大。为获取可代表真实大气气候背景的气象观测数据，2013年即墨市国家一般气象站启动搬迁工作，2014年1月1日～12月31日完成对比气象观测。目前，国内张掖、五华等气象观测站均已完成资料对比分析[1-2]，秦皇岛、围场、日照等气象站探讨了探测环境变化对气象要素的影响[3-5]。为科学地评价即墨迁站前后气象要素的变化，笔者选取1985～2014年旧站气象观测资料和2014年新站对比观测资料，查找气温、风向、风速、降水等主要气象要素的差异，分析城镇化过程中探测环境变化对气象要素的影响，为天气预报、气候分析、气象服务和城市规划提供重要依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 即墨国家一般气象站1959年建站，原站址位于即墨市经济开发区南关街84号(120°28′ E、36°23′ N)。建站之初，观测场周边地势开阔，四周为一般农田，有少数居民住房，地形为平原，地势平坦，土壤质地为壤土。随着我国改革开放的推进、城镇化的发展，特别是1995年以来，台站周围城镇化发展迅速，民宅、楼房、公路逐渐取代了农田。到2004年台站四周城镇化基本完成，农田完全被公路和建筑物取代。2013年，根据即墨市政府统一规划，观测场四周相继开工建设多个高层住宅楼，气象探测环境难以维持，台站搬迁工作正式启动。新站位于即墨市马山国家级自然保护区内(120°23′ E、36°24′ N)，马山主体东南，地势北高南低，地势差7.5 m左右，四周为一般农田、草地、林地，土壤质地为沙壤土，规定范围内无污染源，周围没有高大建筑，净空环境良好，为绿色保护区，符合气象探测环境要求。对比来看，新站地形、地貌、土壤、植被与1994年前旧站相似，海拔高度相差21.6 m，距离7 600 m。

1.2 资料选取和分析方法 选取即墨旧站1985～2014年气象资料和新站2014年1～12月对比观测数据，采用平均差值分析、风向相符率分析等统计方法，对气温、降水量、风向、风速等气象要素进行对比，查找气象要素差异，分析探测环境变化对气象要素的影响。

2 结果与分析

2.1 探测环境变化对气温的影响 从图1可以看出，1985～2014年即墨旧站年平均气温呈上升趋势，特别是1995～2004年气温升高更显著。气温的升高固然与全球变暖有关，也与城镇化引起旧站周围的探测环境的变化密切相关[4，6-7]。根据2001年IPCC第3次最新评估报告显示，19世纪末～20世纪末全球平均气温上升(0.6±0.2)℃，可知气候变暖幅度为0.04～0.08 ℃/10 a。查阅《即墨市统计年鉴2013》获知，1995～2005年是台站周围城镇化迅猛发展时期，即墨市城市规模从12.4 km2迅速扩大至42.7 km2。期间旧站周围的农田被兴起的民宅、楼房、公路等所取代，城市和郊区产生了显著的热岛效应。根据旧站统计资料显示，1995～2004年平均气温(13.37 ℃)比1985～1994年增高0.96 ℃，去除气候变暖影响，约升高了0.90 ℃，可见探测环境改变引起的城市热岛效应主导了期间的温度升高。2005年旧站周围城镇化完成后，城市热岛效应对气温的影响量基本固定不变，气温变化趋于缓和，根据旧站气象资料统计，2005～2014年平均气温(13.44 ℃)与1995～2004年基本持平，略高0.07 ℃，处于气候变暖影响范围，可见期间气温上升主要受气候变暖影响。

图1 1985～2014年旧站年平均气温变化Fig.1 The change of average temperature in old stations during 1985-2014

从新、旧站2014年同期平均气温较差(表1)来看，新、旧站年平均气温持平，月平均气温各有升降，其中新站3～9月(以下称夏半年)平均气温比旧站偏低，幅度为0～0.5 ℃；1～2和10～12月(以下称冬半年)新站平均气温比旧站偏高，偏高的幅度为0～0.7 ℃。新站较旧站的月平均最高气温差值和月平均最低气温差值分别为0～0.5和0～1.0 ℃，年平均最高气温、最低气温较差分别为-0.1、0.2 ℃。新、旧站温度差异的主要原因是台站搬迁导致两站的海拔高度和下垫面性质不同造成。气温差异受海拔高度的影响明显，一般来说，海拔每升高100 m，气温降低约0.6 ℃，新站海拔高度47.8 m，旧站海拔高度26.2 m，海拔高度引起的气温差值约为0.13 ℃[8]。同时，下垫面的性质不同对气温，尤其是最高、最低气温的影响也较为显著，绿地、林地对夏季最高气温降温和对冬季最低气温升温有明显效应。2014年1～12月旧站四周拆迁，原先的民房、楼房逐渐拆除，台站周围重新为裸露土地代替，而新站周围主要为草地、林地，下垫面性质明显不同。资料统计显示，新站比旧站平均气温冬半年偏高、夏半年偏低，年平均最高气温偏低，年平均最低气温偏高，新站下垫面绿色植物对温度的调节作用在新、旧站同期气温比较中较好体现。新站与观测环境改善后旧站的年平均气温的一致性也表明探测环境保护对温度探测十分重要。

2.2 探测环境变化对降水量的影响 根据旧站降水量资料统计，1985～1994年平均降水量为696.8 mm，1995～2004年为709.8 mm，2005～2014年为699.4 mm，与1985～2014年平均降水量(702.0 mm)差距不明显。从图2来看，1985～2014年旧站各年降水量围绕平均值702.0 mm上下震荡，其中降水量最大1 039.5 mm，出现在1985年，最少480.9 mm，出现在1988年。1985～2014年旧站观测场位置未变，四周观测环境变化对雨量器未造成遮蔽影响，以此推断，旧站降水量的年际振荡主要为气候变化引起。

2014年新、旧站同期降水量对比(表2)显示，新站4～10月累计降水量比旧站偏多15.4%，差异明显。其中5～9月新站与旧站降水量差异较大，4和10月旧站与新站降水比较接近。造成降水差异的原因：一是5～9月降水性质上发生了变化，对流阵性降水增多，降水的局地性比较明显；二是新站区域受马山地形抬升影响更容易产生降水。

表1 新站与旧站2014年同期平均气温较差

Table 1 Difference of average temperature in 2014 in new and old stations ℃

图2 1985～2014年旧站降水量年际变化Fig.2 Annual variation of precipitation in old station during 1985-2014

2.3 探测环境变化对风速的影响 根据旧站风速统计资料，2005～2014年平均风速2.1 m/s，较1985～1994年减少0.3 m/s，较1995～2004年减少0.5 m/s。从图3来看，旧站风速在城镇化过程中呈减小趋势。这与城镇化过程中台站周围建筑物越来越多，导致下垫面的粗糙程度增大，阻碍空气水平流动是密切相关的。其中1997～2003年风速增大，与台站盛行风向两侧城镇化速度快、高层建筑阻挡形成的狭管效应密切相关。1997～2003年风速也呈递减趋势，这主要是台站四周城镇化进程在跟进、狭管效应逐年降低引起的。至2004年，台站四周城镇化基本完成，年平均风速趋于稳定，并随着城镇规模的扩大缓降。

图3 1985～2014年旧站年平均风速变化Fig.3 The change of annual average wind speed in old stations during 1985-2014

根据新、旧站同期探测资料统计，新站2014年年平均风速2.8 m/s，比旧站偏高0.8 m/s。由图4可知，新站各月平均风速比旧站明显偏大，偏大幅度为0.2～1.5 m/s。造成两者风速差异的主要原因是由于新、旧站探测环境差异引起的，旧站外围密集的建筑物对空气水平流动产生较明显的阻碍效应，从而减小风速；新站四周空旷，无明显障碍物，观测环境保持自然状态，空气流动通畅，能够真实地反映出空气的运动状态。由此可见，城镇化过程中台站四周建筑物增加，增大了下垫面的粗糙程度，阻碍了空气的水平流动，减小了风速。

图4 2014年新、旧站月平均风速对比Fig.4 Contrast of average wind speed in new，old stations in 2014

2.4 探测环境变化对风向的影响 由表3可知，1985～2002年即墨市主导风向为SW风，2003年后为SSW替代，主导风向的变化主要是气候变化原因引起的。2008、2011、2014年年最多风向突变，突变的主要因素与旧城改造有关，分片改造过程中，整片拆除、拆矮建高，台站四周建筑物布局的动态变化，扰动了空气流动的方向。

只有观测风速>0.5 m/s时，才统计风向相符率[相符率=(相符次数/有效总次数)×100%]，新站与旧站风向角度差<22.5°，即认为两者相符[9]。统计新、旧站2014年同期2 min风向相符率和新、旧站各风向频率对比(图5)发现，新、旧站全年的风向符合率为53.8%，其中1～7月为55.4%～67.2%，8～12月为30.4%～49.4%，风向一致性差。新站年最多风向为SSW，与2003年以来即墨主导风向SSW一致，而旧站最多风向为ENE，与主导风向背离。风向差异受台站周围探测环境影响较大，新站四周空旷，无遮挡，风向代表性较好；而旧站外四周为建筑物包围，部分区域处于拆旧、建新动态变化中，建筑物布局的变化对空气水平流动方向产生扰动，对风向影响较大。

表3 1985～2014年旧站最多风向统计

图5 新、旧站各风向频率对比Fig.5 Contrast of wind direction frequency of new and old stations

3 结论

(1)城镇化引起的台站探测环境改变产生的城市热岛效应与气温变化有正相关影响，是即墨旧站1995～2004年气温显著升高的直接原因。

(2)城镇化引起的探测环境变化，密集的建筑物，增大了下垫面的粗糙程度，对空气水平流动有明显的阻碍作用，风速随城市规模的扩大呈逐年减小趋势。城镇化过程中台站四周建筑物布局的变化，扰动了空气水平流动方向，对主导风向年际突变有重要影响。

(3)气候变化是影响年降水量震荡的主导因素，但因城市发展台站搬迁引起的探测环境改变是新、旧站降水量差异的直接原因。

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Effects of Detection Environment Change on Meteorological Elements in Jimo

SONG Bing-xin1,2, FU Ye-li1,2, MENG Nan1,2

(1.Jimo Meteorological Bureau, Jimo, Shandong 266200;2.Qingdao Engineering Technology Research Center for Meteorological Disaster Prevention,Qingdao,Shandong 266003)

Using mean difference analysis, coincidence rate analysis, the changes of meteorological elements in general stations of Jimo City during 1985-2014 were analyzed, meteorological data in the same period of the new and old stations in 2014 were compared to find differences among elements, effects of detection environment on main meteorological elements were studied. The results showed that due to the change of detection environment, temperature of old stations increased, wind speed significantly decreased, predominant wind direction existed annual mutation, annual precipitation was less than new stations obviously. The change of detection environment caused by urbanization was main factor influencing temperature, wind direction, wind direction, while station site change was closely related with precipitation. So it is very important to strengthen the protection of meteorological sounding environment and maintain the long-term stability of the station, which can guarantee the continuity, representation and accuracy of the meteorological elements.

Urbanization; Detection environment; Meteorological elements; Observation data; Comparative analysis

青岛市气象局课题研究项目(2015qdqxd09)。作者简介 宋丙欣(1977-)，男，山东即墨人，工程师，从事气象服务工作。

2016-08-17

S 161

A

0517-6611(2016)28-0176-03