福海水文站气象要素对比分析

王 强

（阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰836500）

1 测站概况

福海水文站位于乌伦古河流域，于1956年建站投运，作为流域基本代表站，福海水文站气象观测要素主要包括气温、降水、水面蒸发等，所使用的观测仪器及观测技术要求与气象部门完全一致。福海水文站原气象观测场（以下称“旧测站”）位于乌伦古河流域下游克孜赛水库管理区内，高程1064.5 m；福海水文站于2017年9月在乌伦古河流域上游出山口新站址附近新建起气象测站（以下称“新测站”），海拔高程1121.8 m，新旧测站直线距离7.8 km，海拔高差57.3 km，新测站建成观测的同时旧测站仍持续运行。选择福海水文站新旧测站2018年1月、4月、7月的气温、降水、蒸发等同期气象资料进行对比分析的依据。

2 气温的对比分析

2.1 气温观测资料

福海水文站新旧测站2018年1月、4月、7月气温观测结果见表1，所选择的观测月份分别是冬季、春季和夏季的代表月份。

表1 福海水文站新旧测站气温观测结果 单位：℃

根据观测结果，1月、4月、7月旧测站平均气温观测结果均比新测站高出0.2℃～0.9℃，其中，1月和4月平均气温旧测站偏高1.0℃，7月平均气温旧测站偏高0.8℃，表明新旧测站气温观测值存在明显的正温差。从城市热岛效应［1］的角度考虑，可以认为，冬季和春季城市热岛效应最为明显，夏季次之。福海水文站新旧测站距离较近，地形地貌大致相同，通过分析发现，导致两测站气温差异的原因主要包括：①不同地区地表面热力性质不同，靠近城市的区域吸热多、散失慢，而靠近郊区的测站吸热少、散失快；②靠近城市的区域人为排放的热量更多；③城市大气污染严重，气溶胶颗粒较多，可以在一定程度上发挥“保温”作用。

1月、4月、7月旧测站月极端最高和最低气温比新测站平均偏高0.5℃和2.6℃，根据各月气温极端值的较差发现，若1月、4月、7月新旧测站月极端最高气温基本持平，则旧测站月极端最低气温高于新测站，这表明新测站气温的日较差大于旧测站并非特殊现象。

2.2 气温日变化趋势

根据对2018年1月、4月、7月内24h月平均气温变化曲线的分析表明，新旧测站气温差一般出现在20：00～次日7：00的无日照夜间时段，夜间大气层比白天稳定，风速小，所以大气污染物大多覆盖于城市上空，对城区热量扩散有一定的阻碍和保温作用，导致新旧测站温差增大。而日间大气层稳定性差，风速也比夜间大，热量会迅速扩散，减小区域温差。由于最低和最高气温通常出现在夜间和白天，所以1月、4月、7月最低气温差值最大，平均气温次之，最高气温差最小。

2.3 差异影响的显著性

年月旬日平均气温、定时气温和气温最高最低值均接近正态分布，假设第1个样本系从均值方差的总体中取值，第2个样本系从均值y、方差σ22的总体中取值。则统计量为F=通过表达式可以看出，当统计量F取值很大或很小，均表明σ12和σ22存在差异，根据1月、4月、7月气温资料可以得出统计量F的结果和接受区间，见表2。

表2 统计量F的结果和接受区间

根据表2分析结果，统计量F的取值全部落在接受区间内，所以新旧测站气温值无显著差异。

虽然福海水文站新旧气象测站因城市热岛效应的存在而1月、4月、7月气温存在一定差异，但两测站气温变化趋势高度一致，见图1。根据福海水文站新旧气象测站1月日平均气温为例，进行其取值相关性的计算以及自变量和因变量之间是否存在直线关系的显著性检验，如果有，则进一步进行直线回归分析。

图1 新旧测站1月、4月、7月气温变化趋势

2.4 相关与回归分析

根据福海水文站新旧气象测站的样本资料，以新测站资料为自变量，以旧测站修正后的资料为因变量，采用积差方法［2］可以得出各要素的相关系数和线性回归方程（表2），并应进行相关系数的检验，此处以1月平均日气温为例，进行相关系数的t检验，公式如下：

其中r表示根据样本资料所得出的相关系数，n表示样本个数，将表3中的各要素相关系数取值带入式（1）便可得出，t值为23.5687。在给定信度α取0.05，自由度为n-2的情况下，查t分布数值表得tα为2.054，可见t＞tα，表明自变量和因变量之间存在线性关系。采用同样方法对4月和7月月平均气温、极端气温等进行t检验，结果表明，自变量和因变量之间均存在线性关系。

表3 各要素的相关系数和线性回归方程

通过福海水文站新旧测站各要素的相关系数和线性回归方程的分析表明，两测站之间日气温的相关系数取值反应出两地气温变化趋势的一致性，且呈正相关关系，并能通过α=0.05的显著性检验。通过比较1月、4月、7月日气温相关系数的取值发现，各月日最高气温相关性最大，日平均气温次之，日最低气温相关性最小。由于旧测站存在较为明显的热岛效应，旧测站气温资料失真的可能性较大，迁站前后的资料已不能合并统计，在旧测站气温资料使用前必须进行订正。

3 降水和蒸发的对比分析

根据表4和表5中对新旧测站降水量和蒸发量同期特征值的统计可以看出，位于流域上游的新测站的降水量在大多数月份都比下游的旧测站降水量大，这也符合随高程升高降水量增大的变动趋势。

表4 新旧测站降水与蒸发同期月平均统计

表5 新旧测站降水与蒸发同期特征值统计

3.1 降水对比分析

采用积差方法以新测站资料为自变量，以旧测站修正后的资料为因变量，并与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来计算两变量之间的相关系数。得出新旧测站日降水量相关系数r为0.9178，线性回归方程为：y=0.7398+1.1327x。新旧测站月降水量相关系数r为0.7956，线性回归方程为：y=11.118+0.9169x。

3.2 蒸发对比分析

由表4和表5对新旧测站蒸发同期月平均值的统计与比较可知，大多数月份都未出现水面蒸发量随高程升高而降低的变动趋势，究其原因主要在于地形因素的影响，福海水文站新气象测站位于流域上游出山口，地形地势较为特殊，风速较大，同时在气温、湿度、辐射等诸多气象要素的影响下导致蒸发量较高。采用积差方法所得到的新旧测站日蒸发量的相关系数取值为0.8986，线性回归方程为y=1.0213+1.0943x；新旧测站月蒸发量相关系数为0.8688，线性回归方程为y=32.937+1.1367x。

在新旧测站所观测到的气温、降水和蒸发等气象要素中，仅有气温日变化趋势和年变化趋势趋于一致，降水和蒸发的日变化趋势和年变化趋势存在一定差异，究其原因主要在于测站所处位置的地形地貌特征影响：旧测站主要位于流域下游克孜赛水库管理区，地形地势平台，风力风速变化不大，所以降水和蒸发较为稳定且无较大起伏；而上游的新测站位于流域上游出山口，地形地势复杂而特殊，风速大，在气温、湿度、辐射等诸多气象要素较为多变的情况下导致降雨量和蒸发量均较高，其气象要素的变化并不完全遵循常规性演变规律。

4 结论

本文通过对福海水文站新旧气象测站气温、降水和蒸发等同期观测资料的对比分析表明，两测站气温变化趋势高度一致，且旧测站存在较为明显的热岛效应，旧测站气温资料失真的可能性较大，迁站前后的资料已不能合并统计，在旧测站气温资料使用前必须进行订正。此外，地区气象要素、地形地貌与地理位置对上游新测站和下游旧测站气温、降水和蒸发存在较大影响，在基本遵循随区域自然地理条件差异而变化的一般规律的情况下，存在一定程度的反常。新旧测站各时期气温基本随高程的升高而降低，且上游新测站大多月份平均气温比下游旧测站偏低，各月最大最小值出现日期相同；降水随高程升高而逐渐增大，上游新测站大多数月份降水大于下游旧测站，且新旧测站个别时段降水量的增减变化不同步；蒸发量的变动并未遵循随高程升高而减小的趋势规律，且新测站多数月份蒸发量大于旧测站，出现这种反常现象主要原因在于区域地形、地势地貌及其他气象要素等的综合作用。