台站迁移对甘肃省气温记录均一性影响的检验

张天峰, 王位泰, 姜惠峰, 黄 斌, 焦美龄

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020;2.甘肃省庆阳市气象局,甘肃庆阳745000)

0 引言

随着全球变暖趋势越来越明显,气候变化研究已成为一个热点问题,气候变化研究建立在能够反映气候真实变化的均一性长序列数据的基础上。然而由于观测台站的迁移,周围环境的变化,观测方法和观测仪器的变更等常会使序列数据出现非均一性[1],观测台站的迁移、仪器变化等因素究竟对长序列气候数据产生多大影响,是中国气候资料研究工作者十分关心的问题,因此气候资料序列的非均一检验是必要的,近年来很多学者致力于气候资料的非均一性检验的研究[2-9]。

通常气候序列的突变,可以使用双相回归累积距平曲线、滑动 t检验、Cramer法、Yamamot法和Mann-Kendall检验等方法,对气象要素序列气候阶段性和突变进行分析和诊断[10]。这些诊断方法同时也被使用作为序列非均一性研究的方法[11,14],还有诸如被广泛使用的连续t检验、SNHT(标准正态检验)法、E2P技术、POTTER法[12-13],这些分析方法通常被作为客观检验分析方法。目前国外经常采用的一些客观检验方法:第一步为滤波,这样去除系统的气候可变性和变化;第二步应用一些随机性检验来通过或拒绝它的随机性或趋势的存在与否。

台站的时间序列的变化可能显示不均一性,但也可能仅显示局地气候的一个突变。为了把这两者分离,许多检验技术应用了临近台站的资料作为局地气候的显示器。在均一性检验工作中,直接利用临近台站的资料或利用台站资料发展一个参考序列在许多方法中得到应用。利用含有未知的非均一性的序列建立一个完全均一的参考序列是不可能的,但采用一些技术可以减小参考序列中潜在的不均一性。如对第一差分序列(FDi=Ti+1-Ti)作相关分析。

另外,主观调整在众多的检验调整方法中也是一个很重要的工具,因为它可以解决很多不能用客观分析实现的因子权重的因素。主观调整在台站资料的内部检查和当某种因素(比如元数据)的可信度变化时尤其有用[1]。

实际上,采用主观方法和客观方法相结合的研究方法,气候序列均一性检验研究的结果才能更加可靠和合理。文中采用主客观相结合的方法,对甘肃省部分因迁站造成的年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温序列的不均一性进行了初步分析。

1 资料来源

利用的资料均来源于甘肃省气象局信息中心气候资料室的环县(1957～2009年)、庆城(1960～2009年)、镇原(1958～2009年)、宁县(1958～2009年)、西峰(1952～2009年)、正宁(1959～2009年)等站的逐年平均气温、平均最高气温、平均最低气温序列。

6个迁移台站基本情况如表1所示。迁站后地理环境有较大变化的站有环县、镇原、宁县,相应的其海拔高度也发生了较大变化。西峰、正宁站地处平坦塬面,迁站后环境无明显变化,选为主要参考站。

表1 迁移站基本情况一览表

2 研究方法

年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温平滑了逐日观测数据和月平均数据的噪声但保留了各种因素造成的平均影响。采用主客观相结合的方法,对因迁站造成的气温序列不均一性进行分析。分析步骤如下:

(1)对6个台站均采用SNHT(标准正态检验)方法,对年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温序列的气候阶段性和突变进行分析和诊断。

(2)按照序列的阶段性特征分段设定参考站,分别计算检验站和参考站的第一差分序列(FDi=Ti+1-Ti)并作相关分析,根据站址变动时间段,构造差值参考序列,利用SNHT客观分析方法再进行突变分析。

(3)查对相应台站的元数据及历史沿革资料等信息,分析其与突变点的关系和内在原因等,区分哪些是气候变化的结果,哪些是台站迁移的结果,对迁站造成的非均一性做出初步判断,定量分析迁站造成的差异。

图1 甘肃省庆阳市6个站站址变化示意图

3 结果分析

3.1 间断点客观分析

采用SNHT法对6个台站从1952～2009年的间断点进行分析,结果见表2,可以看出,有些间断点一致,如1986年、1994年、1997年,对照分析各站气温曲线的演变,在1986年、1994年、1997年均有明显跃变,也就是说不论台站是否迁移,各站的气温变化趋势一致,这不仅与已有的气候变化分析研究成果一致,也与国内一些研究成果结论一致[15],表明这是气候变化造成的;有些不一致,如1968年、1972年、2004年,这些不一致的间断点是由于局地环境变化造成的。对气候变化造成的突变检测出来了,表明气候变化造成的气温突变较台站局地环境变化造成的气温变化更大。

表2 各站气温序列SNHT检验结果(突变点)

3.2 利用参考站作对比分析

分别计算各站的第一差分序列,再对检验站和参考站进行第一差分序列相关分析,选取相关性代表性较好的作为参考站,然后对参考站进行平均,消除局地变化带来的影响,再求取检验站与参考站平均的差值,进行客观检验分析。

参考站选取的原则,通过查看台站历史沿革,气象台站不同程度出现站址迁移的现象,台站站址变动后,可能造成资料的不均一性,为了选取相关性代表性较好的作为参考站,选取相应时段站址无变动的站作为参考站,也就是根据需要针对检验台站迁址时间不同选取不同的参考站。

对环县、镇原、庆城站,为了消除20世纪90年代后期气候明显变暖及参考站探测环境变化的影响,选取1958～1996年资料进行分析,选取的参考站为西峰、宁县、正宁站对应时段资料,这期间参考站站址无变动。

宁县站2004年迁址,选取1972～2009年资料进行分析,选取的参考站为庆城、环县、正宁、西峰站对应时段资料,消除了参考站庆城、环县站前期迁站带来的影响,选取4个站主要是为了增加未受探测环境变化影响的参考站的权重。

对检验站及相应参考站的资料第一差分序列计算相关系数,得出平均气温和最高气温相关系数均较高,接近或大于0.9,最低气温相关系数较小,为0.7～0.8。检验站与参考站平均值的相关系数为0.77～0.96。检验站与参考站平均气温、最高气温具有较好的相关性。

图2 环县、镇原、庆城与西峰、宁县、正宁参考站平均气温第一差分序列变化图

如图2所示,1968年环县、镇原站平均气温第一差分序列发生明显变化,表明1968年平均气温出现了明显不同变化,与站址迁移时间吻合。最高气温也有类似变化,最低气温特征不明显,图略。庆城1965年、1972年平均气温有变化,1972年不易区分,1965年原因不明。

图3 宁县站与庆城站、参考站最高气温第一差分序列变化图

如图3所示,2004年宁县站最高气温第一差分序列发生了明显变化,表明宁县站2004年最高气温出现了明显不同变化,与站址迁移时间吻合。但平均气温、最低气温变化不显著,图略。

使用SNHT法对检验站与参考站平均值的差值进行检验,从表3可知,较好的诊断出环县、镇原平均气温、最高气温、最低气温1968年的断点,宁县站平均气温、最高气温2004年的断点,均通过信度99%的显著性检验。庆城站除最高气温1977年断点外(原因不明),平均气温和最低气温未通过信度99%的显著性检验。

表3 检验站与参考站气温差值序列SNHT检验结果

3.3 利用元数据综合分析

利用台站元数据(气温序列和历史沿革等)进一步分析,通过查找相应时间点站址变化、仪器更换、观测方法变化等信息对气温观测资料影响的可能性,在排除这些可能引起非均一性的因素后,主要关注站址迁移的影响。考虑检验站和参考站气温序列变化的一致性,有无明显突变,以10年左右选取时间窗,分别对台站迁移前后资料进行年代际统计,结果见表4～5。

表4 环县、镇原站迁移前后平均气温年代际统计及差值比对结果

表5 台站迁移前后资料与参考站差值比对结果

由表4～5可见,环县站1968年迁站前后平均气温变化(相对于参考站,下同)0.8℃左右,最高气温变化2.4℃左右,最低气温变化0.56℃～0.68℃。镇原站1968年迁站前后平均气温变化1.0℃左右,最高气温变化2.63℃～2.71℃,最低气温变化0.4℃～0.57℃。庆城站1972年迁站前后平均气温、最高气温无明显变化,最低气温变化0.29℃～0.45℃。宁县站2004年迁站前后最低气温无明显变化,平均气温变化0.47℃～0.64℃,最高气温变化2.02℃～2.09℃。台站迁址对最高气温影响较大,平均气温次之,最低气温影响较小,这种变化结果与客观检验结果基本一致。

由此可见,环县、镇原是一种类型,平均气温、最高气温、最低气温变化很明显,而且是突变,表明存在明显的不均一性;宁县最高气温突变很明显,表明存在明显的不均一性,平均气温有变化;宁县最低气温,庆城平均气温、最高气温、最低气温变化不明显,无明显的不均一性。

4 结论与讨论

(1)使用主客观相结合的方法能够较好地检验气温序列的均一性。环县、镇原由于迁站对平均气温、最高气温、最低气温均一性均产生了明显影响。宁县站2004年迁站对最高气温均一性产生了明显影响,平均气温有影响,最低气温变化不明显。庆城站1972年迁站对平均气温、最高气温无明显影响,对最低气温略有影响。可以看出,新旧站址的地理环境差异显著且海拔高度差异过大 ,是迁站引起气温序列非均一性的主要原因。迁址后,气温序列较旧址存在偏高或偏低现象,这主要决定于两地的地理环境参数,其值对累年平均值有影响。在气候资料整编或研究气候变化时应对非均一性序列作订正,以保证研究区域气候变化数据的正确性。

(2)根据台站的历史沿革直接对所研究的台站的序列作订正,这往往是获取均一性资料的可靠途径。建议对台站的历史沿革资料进行统一收集整理归档。建立各测站元数据库,详细记载有关测站环境、迁站原因、仪器更换、气表-1的观测记录特殊备注等信息。

(3)迁站前后开展的对比观测是进行均一性订正的重要参考依据和参数。迁站后环境发生明显变化的台站,要利用对比观测资料对原址序列进行订正,建立现址均一化序列,同时也应在一段时期后,对现址序列进行订正,建立原址均一化序列,使用时根据需要选择使用。

(4)从庆城站的情况分析,地理环境、气候条件相似的台站迁移对气温资料的均一性无明显影响,特别是海拔高度和地理环境无明显变化的情况下,气温序列基本是均一的。在迁站时应尽可能选择新旧站址地理环境相似且海拔落差较小的站址,可减少气温序列的非均一性。

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