库尔勒城市化对气象要素的影响分析

刘卫平，古丽格娜，王秋香*，张凤杰，胡义成，张 静，秦 榕

（1.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.民航新疆空中交通管理局阿克苏空管站，新疆 阿克苏843000）

气候资料的代表性是天气预报和气候变化研究的重要基础，为了使气候资料具有代表性，中国气象局对大量已经严重受城市化影响的台站进行了搬迁[1-3]。众多学者就城市化以及迁站对观测资料的影响进行了深入的研究[4-6]，李庆祥等认为，台站迁移是造成气象资料序列非均一性的最主要因素[7]；气象要素的观测受城市化的影响程度与城市的大小、建筑物构成、周围地形、以及气象台站所在地理位置等关系密切[8]。从20世纪70年代开始尤其是90年代以来，随着新疆经济快速发展，众多气象观测站从建站初期的荒漠、戈壁、郊区迅速被城市、高层建筑包围，获取的气象资料已不具备代表性和准确性，一些台站因探测环境受到严重破坏而被迫搬迁，王秋香等[9-12]对气象站站址搬迁对观测资料的影响进行了研究，这些研究多集中在北疆和极端干旱的东疆地区。库尔勒市是古丝绸之路的咽喉之地，是连接南北疆重要的交通枢纽，近年来，随着公路和铁路的贯通，带动城市化扩张，使当地气象观测环境受到了很大的影响。本文选取南北疆交通枢纽库尔勒站作为研究对象，分析城市化、站址搬迁对库尔勒站观测资料序列的影响，以便对气象观测资料序列包含的信息有更清楚的认识，为科研部门和业务单位更准确地把握气候序列的变化规律提供依据。

1 研究区概况和资料方法

1.1 研究区概况及观测环境简述

库尔勒市地处西北干旱区，位于天山南麓塔里木盆地东北边缘，是古丝绸之路中道的咽喉之地和西域文化的发源地之一，作为巴音郭楞蒙古自治州的首府是政治、经济、文化中心，是南北疆重要的交通枢纽和物资集散地。它南接尉犁，北连焉耆、和静，是新疆第二大城市，为自治区实施“北乌南库”发展的重点区域，2008年被列为全国重点发展的47个中等城市之一[13]。

库尔勒国家基本气象站建于1958年7月1日（86°08′E，41°45′N，观测场海拔高度 931.5 m），建站时四面为荒漠戈壁，气象探测环境良好。由于库尔勒地处连接南北疆的咽喉要道，数十年来公路和铁路建设带动城市快速发展，观测站周边陆续出现建筑物，尤其是从20世纪80年代末期开始，在距观测场正北和西北方陆续建设了多栋高层建筑物，使探测环境遭到严重破坏，严重影响气象资料的代表性，导致观测站搬迁。新址地处库尔勒市什力克乡力龙农场柳林村，距离旧址 19.6 km（85°49′E，41°44′N，观测场海拔高度903.0 m），台站迁徙前后海拔高差28.5 m，新址属平原地貌，地势平坦，有稀疏地表植物生长及少量树木，下垫面为沙壤土（图1）。迁站前后的探测环境差异较大。

图1 库尔勒气象站新旧站位置

1.2 资料方法

分析城市化对资料的影响，首先需要分析库尔勒站资料的区域一致性，一般用差值法进行分析。即选取城市化影响较小的参考站（代表了大范围气候变化的影响）与库尔勒站气象资料做差值，差值滤去了气候变化对资料的影响。由于南疆地区气象台站稀疏，库尔勒周边台站不多，地形复杂，综合考虑库尔勒站旧址周边的实际情况，选取同处于暖温带气候区内、海拔高度相差不大、探测环境较好的和硕、若羌和库米什作为参考站。若羌、和硕和库米什（隶属于托克逊县）均为县级或县级以下城市，地处边疆，城市规模较小，城市化发展较慢，这些站点的观测资料受城市化影响较小，因此与处于南北疆交通要道、受石油基地影响城市迅速发展的库尔勒进行比较，能更好地反映出城市化对库尔勒站气象观测要素的影响。

为了保证资料一致，以最晚建站（和硕，1960年）时间为起始年，终止年一致，因此选取1961—2015年观测资料，将参考站观测资料求平均，形成参考站序列，与库尔勒站气温、降水量、风速和相对湿度资料序列进行对比分析。选用1965—1990年每5 a和1991—2015年每年的人口和地区生产总值（GDP）数据与对应年份的气温等要素进行相关分析。本文所用气象资料由新疆气象信息中心提供，且通过严格的质量检验，人口和地区生产总值数据摘自《新疆五十年（1995—2005）》[14]和《新疆统计年鉴》[15]。

表1 库尔勒站与参考站基本信息

差值法的具体做法是，用参考序列与库尔勒站资料形成差值序列，即库尔勒站序列-参考序列，差值序列滤去了气候变化的影响，只携带环境变化的影响因素。为了更加清晰地说明城市化影响的变化趋势，分析差值及差值序列的11 a滑动平均值变化规律。为了分析库尔勒站长序列资料的连续性，依据影响库尔勒站资料变化的时间点，对各要素进行T检验。除此之外，计算变化趋势时，采用一元线性方程对观测资料序列进行拟合[16-17]，即：y=a+bt，其回归系数b反映了趋势变化，即：

为更好地反映城市化对气候资料序列的影响，运用△TuR=△Tu-△TR计算城市化的影响[18-19]，其中△Tu表示所选的受城市化影响的库尔勒站气象资料的趋势变化率，△TR表示气候变化背景场的参考站气象资料的趋势变化率。差值如为正值即表明城市化对气象资料造成增加贡献，反之则为减弱贡献。

2 观测资料序列区域一致性分析

由库尔勒站与参考站年平均气温差值及11 a滑动平均值（图2）可以看出，年平均气温差值均为正值且呈现上下波动趋势，总体来说，库尔勒站的年平均气温高于参考站。差值自1961—1986年呈波动上升，变化范围在+1.03℃以内；1986—1997年，气温差值有所下降，下降幅度达0.8℃；1997年以后，库尔勒站与参考站的年平均气温差值波动上升加速，幅度达1.2℃。

库尔勒站与参考站的年降水量差值在1990年前后变化明显，1990年之前差值基本为正（图2b），说明库尔勒站降水量大于参考站，而1990年之后差值为负，说明库尔勒站降水量小于参考站，随时间变化一致性较差。

图2 库尔勒站与参考站年平均气温、降水量、相对湿度、风速差值及11 a滑动平均值

从20世纪60年代到80年代初期，库尔勒站与参考站的年平均相对湿度差值随时间变化逐步减小（图2c）；20世纪80年代到90年代初，略有增势，90年代末开始处于下降趋势且差值为负，说明库尔勒站与参考站的年平均相对湿度差值随时间变化呈波动变化。库尔勒站与参考站年平均相对湿度差值下降趋势与平均气温差值上升趋势相对应，由于城市化的发展，气温的升高，相对湿度受气温的影响较大而出现下降趋势，反之亦然。由此可见，城市化可使库尔勒站与参考站的年平均相对湿度序列一致性变差。

库尔勒站与参考站的年平均风速差值存在明显的波动（图2d），在20世纪60年代末70年代初和80年代中后期波动变化比较明显，前一次由仪器换型引起，后一次则与城市的发展和周边探测环境改变有关，库尔勒站旧址受城市化影响较大，与参考站的一致性较差。

3 观测资料序列均一性检验

根据库尔勒站详实的历史沿革记录、台站环境变化的影响等可能引起序列非均一的时间点为假设的断点，采用T检验方法（显著性水平0.05），对库尔勒站1961年以来的平均气温、降水量、相对湿度和平均风速的年值序列进行均一性检验。

由图3可知，库尔勒站4个要素均存在断点，分别为风速4个，气温2个，相对湿度2个，降水量1个。风速断点出现在1968、1981、1997年和2005年，其中1968年和2005年是由仪器换型和观测方式的改变引起；气温断点出现在1985年和1997年；相对湿度出现在1981年和1999年；年降水量断点出现在1991年。另外，为检测新旧址资料的连续性，将新址1 a的观测资料与旧址资料序列进行T检验结果显示，断点最多的是最低气温，月值与年值全都差异显著；相对湿度仅1月存在断点；降水量和风速没有断点，连续性较好。由此可知，新址资料与旧址资料降水、风速、相对湿度连续性较好，资料可以连续使用。气温受城市化影响较其他要素明显，最低气温受城市化影响尤为显著。

库尔勒气象站无迁站史，结合表2和区域一致性分析可知，库尔勒的城市发展导致探测环境变化是造成库尔勒站观测资料不连续的主要原因。

4 城市化对气象资料序列的影响分析

通过上述资料序列均一性检验、区域一致性和对比分析，结合表3和图2可知，年平均气温的增温速率库尔勒明显大于参考站，库尔勒城市化对年平均气温的影响为0.17℃/10 a左右，差值为正表明城市化对气温的影响为增温。库尔勒站与参考站气温差值分别在1986年前和1996年后呈现2次增长，第一次是1979年库尔勒建市、1982年南疆铁路通车至库尔勒，使城镇人口迅速增加、城市建设加快，气温进入了第一个上升期（1961—1986年）；1994年库尔勒开始建设新兴的石油化工城市、新疆第二大城市和南疆的经济贸易中心，又使城市加速发展，气温1996年之后进入第二次迅速上升期。库尔勒城市化对相对湿度的影响为-1.20%/10 a，20世纪60年代初到70年代中期差值为正，90年代末开始处于下降趋势且差值为负，由于城市化的发展，气温升高，降水量减少，相对湿度随城市的发展逐渐变小。库尔勒城市化对风速的影响为-0.12（m/s）/10 a，风速逐渐变小，风速的变化受局地小气候和下垫面状况的影响较显著。降水量差值在1990年前后变化明显，1990年之前差值基本为正，而1990年之后差值为负，库尔勒站的年降水量差值整体呈现减少趋势。

图 3 库尔勒站年平均气温（a）、降水量（b）、相对湿度（c）、风速（d）T 检验结果

表2 库尔勒站存在变化的时间节点及原因

表3 库尔勒、参考站各要素变化趋势系数和城市化影响

目前，库尔勒市已成为南疆交通枢纽和物资集散地[20-21]，库尔勒站也由建站时的荒漠戈壁变成观测场被城市包围的气象站（图4）。为了更好地研究城市化对库尔勒气象要素的影响，计算气温等气象要素与库尔勒市人口数、地区生产总值的相关系数（表4）。气温与人口、地区生产总值的相关系数通过了0.01的显著性水平检验，说明气温与人口、地区生产总值等城市化指标存在显著的正相关，城市化对气温的增温效果明显。相对湿度与人口、地区生产总值的相关系数通过0.05的显著性水平检验，相关系数为负，说明相对湿度与人口、地区生产总值等城市化指标存在显著的负相关。风速与人口相关系数通过了0.05的显著性水平检验、与地区生产总值未通过显著性检验，相关系数为负，说明城市人口增加使住房增多从而使风速减小，风速与地区生产总值等城市化指标相关性不明显。降水量与人口、地区生产总值的相关系数均未通过显著性检验，说明降水量与人口、地区生产总值的相关关系不明显。

图4 库尔勒气象站探测环境全景（a为1983年观测场全景，b为2013年观测场全景）

表4 库尔勒站气温等气象要素与人口、地区生产总值相关分析

5 结论与讨论

（1）区域一致性分析结果表明，气温等4种要素均随时间推移差值逐渐增大，说明库尔勒站与参考站的区域一致性越来越差。其中，年平均气温库尔勒高于参考站，气温差值从建站至20世纪80年代中期呈波动上升期，1997年之后开始加速上升，增幅达1.2℃。相对湿度在对应时段内呈现相反变化，由于城市化的发展，气温的升高，相对湿度差值受气温的影响较大而出现下降趋势。降水量1990年之前差值基本为正，库尔勒站降水量大于参考站，而1990年之后差值为负。风速差值存在明显的波动，在20世纪60年代末70年代初和80年代中后期波动变化比较明显。

（2）年值序列均一性检验结果表明，气温等4个气象要素均存在断点，分别为风速4个断点，气温2个断点，相对湿度2个断点，降水量1个断点，库尔勒城市化使长序列气候资料产生断点，在资料使用时应引起重视。新旧站1年对比观测资料均一性检验断点最多的是最低气温，月值与年值全都差异显著；相对湿度仅1月存在断点；降水量和风速没有断点。降水、风速、相对湿度连续性较好，迁站后资料可以连续使用，气温受城市化影响较明显，最低气温受城市化影响尤为显著。

（3）库尔勒市建立、州府迁入、南疆铁路建成通车、塔里木石油、天然气的勘探开发为库尔勒经济腾飞带来了机遇，促使库尔勒城市化进程加快，城市的快速发展必然会对气象资料序列产生影响。库尔勒城市化对平均气温、相对湿度、风速的影响分别为0.17℃/10 a、-1.20%/10 a 、-0.12（m·s-1）/10 a，气温与人口、地区生产总值存在显著的正相关，说明城市化对气温的增温作用显著，该结果与周雅清[19]等认为城市化对平均气温和最低气温趋势产生了明显影响相一致。相对湿度与人口、地区生产总值存在显著的负相关关系，与郑祚芳[22]等认为城市化发展使得相对湿度下降，北京城市干岛效应与城市化率（城市人口占总人口数比率）之间具有显著高相关性的观点相一致。风速与人口、地区生产总值存在负相关关系，因其易受下垫面粗糙程度、周边建筑物的影响，因此与地区生产总值相关性不明显。降水量与人口、地区生产总值的相关关系不明显，引起风速和降水量发生变化的原因有待进一步研究。