茫崖地区近地面层气温对高空温度的影响

张成毅，贾鹏翔

(青海省乌兰县气象局，青海 希里沟 817100)

引言

大气层温度变化是气候变化的重要组成部分。地面层是对流层大气的主要的直接热源，太阳辐射被地面吸收，地面增温，低层大气吸收地面辐射后，再通过辐射、对流、湍流等方式将热量传递给高层大气，地面层温度一定程度影响或决定着高空温度的变化，研究范围也逐步延伸到整个大气层，从地面气温单一要素的分析，拓展到高空温度变化的探索。

本文作者利用茫崖地区近30 a(1989～2018年)探空资料(选取08 h、20 h次500 hPa等压面的资料)和地面观测资料，运用气候统计学方法，分时次对地面、500 hPa温度进行分析，并进一步探讨它们之间的关系，以期能对该地区地面、500 hPa温度变化特征有一个初步的认识，这对茫崖地区制定区域发展政策、防灾减灾及生态建设均有一定的指导意义。

1 数据收集与整理

1.1 资料准备与整理

选取茫崖1989～2018年高空探测(08 h、20 h)500 hPa等压面、地面层(08 h、20 h)的月平均温度资料。在季节资料的分析中，按照气候统计分四季的方法，春季为3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12月至翌年2月。春、夏、秋采用1989～2018年观测资料，冬季采用12月至翌年～2月的观测记录进行统计整理，生成季、年的平均温度序列。

在以往的分析中，大多气象学者采用地面月平均(4次平均)数据，根据国家气象信息中心2012年8月发布的气候资料统计整编方法(地面)，日平均值由四次定时值(北京时间02、08、14、20 h)平均求得；月平均值由日平均值平均求得；年平均值由12个月平均值平均求得。在本文中，地面层温度分别用每日08、20 h气温值合计并求平均求得，高空温度分别用每日08 h、20 h500 hpa气温值合计并平均求得。在时间上与500 hPa温度的获取是基本同步的，因此更具有可对比性。

地面层气温平均值是每日08 h、20 h两个时段定时值合计并求平均而得，500 hPa的温度是测站垂直方向上的观测要素值之一，释放气球后10分钟左右(即07 h、19 h25分前后)高空瞬间温度，两者在时间上相差是基本同步的。

1.2 方法

通过使用气候倾向趋势分析、累积距平、Pearson相关性分析等方法，对地面、500 hPa各时次逐年、逐季、逐月平均气温变化特征进行分析，并分析它们之间的相关关系。

2 气温数据分析

2.1 08 h地面气温变化分析

08 h的地面气温在近30 a内，随着年份的增加，气温呈明显递增趋势(如图1)，与全国气温变暖的趋势是一致的，年平均气温增温率为0.61 ℃/10a，在0.001的水平检验下显著上升，表明茫崖地区08 h年平均气温上升明显，高于全国年平均气温倾向率0.22 ℃/10a[1]，与姜永见[2]等对江河源地区平均气温分析的结果大致相同。08 h地面气温累计距平 由图2可见，1989～1997年气温偏低，气温距平值以负值为主，1998～2019年气温偏高，距平值以正值为主；最高年平均气温为-0.3 ℃(2016年)；最低年平均气温为-3.1 ℃(1989年)，大致的突变时间在1997年左右。

图1 08 h地面气温年际变化

图2 08 h地面气温累积距平

2.2 20 h地面气温变化分析

由图3可见，1989～2019年20 h地面平均气温为7.9 ℃。近30 a内，随着年份的增加，气温呈明显递增趋势，年平均气温增温率为0.23 ℃/10a，小于08 h的气温倾向率，通过了0.1水平下检验显著上升，表明20 h平均气温上升趋势较为缓慢，低于08 h地面气温上升趋势。从累计距平图(图4)知，1989～1997年气温偏低，气温距平值以负值为主，1998～2018年气温偏高，气温距平值以正值为主；最高年平均气温为8.9 ℃(2016年)；最低年平均气温为6.5 ℃(1989年)，出现年份与08 h一致。大致突变时间在1997年左右。

图3 20 h地面气温年际变化

图4 20 h地面气温累积距平

2.3 08 h500 hPa气温变化分析

08 h500 hPa气温在近30 a内，气温呈递增趋势( 如图5)。年平均气温增温率为0.37 ℃/10a，受下垫面影响，气温上升趋势明显，增温率介于08 h地面气温和20 h地面气温之间。1989～2018年，平均气温为-15.3 ℃，最低值出现在1989年 ，最高值出现在2017年；由累积距平图6知，1989～1997年以前，距平值以负值为主，均值为-15.7 ℃，低于30 a平均值，气温偏低；1998～2014年，距平值有正有负，均值为-15.2 ℃，与30 a平均值基本持平；2014～2018年，距平值以正值为主，均值为-14.6 ℃，高于30 a平均值，500 hPa气温偏高。中间1998～2014年为过渡期，无明显突变。

图5 08 h500 hPa气温年际变化

图6 08 h500 hPa气温累积距平

2.4 20 h500 hPa气温变化分析

20 h500 hPa气温，由图7可见：在近30 a内，气温呈递增趋势，年平均气温增温率为0.28 ℃/10a，略低于08 h500 hPa气候增温率，气温上升趋势不明显。30 a来，气温上升了0.84 ℃。1989～2018年，年平均气温为-14.6 ℃，最低值出现在2000年，最高值则出现在2016年；由累积距平图8知，2005年以前，距平值以负值为主，平均值为-14.8 ℃，低于30 a平均值，气温偏低， 2006年以后，距平值以正值为主，均值为-14.3 ℃，高于30 a平均值，气温偏高，大致突变时间在2005年左右。

图7 20 h500 hPa气温年际变化

2.5 地面层气温和500 hPa气温的相关性分析

对流层主要是从地面获取热量，故气温随高度增加而降低，因所在地区、高度、季节等因素的不同，气温随高度的变化也有所不同。在茫崖地区，所探测的500 hPa等压面离地面只有2 700 m左右，500 hPa等压面和地面气温的变化同时受到地面长波辐射的影响，这种影响在每个时次(08 h次、20 h次)是不同的。

图8 20 h500 hPa气温累积距平

2.5.1 08 h相关性分析 图9为08 h地面和500 hPa的年平均气温变化曲线，从图中可以看出，除个别年份出现反相位变化趋势，地面和500 hPa气温变化曲线大致相似，30 a来，两者均呈现升高趋势，500 hPa的增温率不如地面大，地面增温率是500 hPa的近两倍。

通过对08 h地面、500 hPa气温的分析，两个变量有共变现象，为正相关，关系密切，其Pearson相关系数为r=0.724(p<0.01)，通过了显著性为99%的检验，说明地面在气温逐渐升高的同时，500 hPa气温也随之升高。

在08 h，地面平均气温在四季均呈现上升趋势，春夏秋冬四季平均气温增温率分别为0.63、0.75、0.65、0.40 ℃/10a(如表1)，气温变化有明显的季节性差异，夏季增温最显著，与全年增温变化相关性最强，相关系数为0.87，通过了0.001的显著性水平的检验；其次是春季，冬季增温率最小，地面气温四季的增温幅度表现为夏季﹥秋季﹥春季﹥冬季的气候特征；500 hPa的增温则主要集中在秋季，为0.81 ℃/10a，冬季最小，为0.07 ℃/10a，趋于缓慢降温的趋势。春夏秋地面年际变化与全年平均变化强相关，冬季由于数据序列差异，表现为弱相关，500 hPa四季年际变化与全年平均变化相关性较地面小；08 h夏季地面、500 hPa的相关性最好，Pearson相关系数r=0.77(p<0.01)，春秋冬基本一致，为r分别为0.55、0.59、0.59(p<0.01)。

表1 地面、500 hPa季度和年的气温变化倾向率及相关系数

图9 08 h地面和500 hPa的年平均气温变化曲线

在20 h，地面平均气温在四季亦均呈现上升趋势，但上升趋势较变缓慢，春夏秋冬四季平均气温增温率分别为0.40、0.24、0.08、0.08 ℃/10a，春季气温上升趋势最为明显，500 hPa气温呈上升趋势，夏季上升最为明显；春夏秋季地面年际变化与全年平均变化强相关，冬季由于数据序列差异，表现为弱相关，500 hPa春夏秋三季年际变化与全年平均变化相关性较强，冬季变化数据序列差异，表现为极弱相关，与08 h的结果相一致；20 h春季地面、500 hPa的相关性最好，Pearson相关系数r=0.76(p<0.01)，冬季相关性最差，为r=0.41(p<0.05)。

2.5.2 08 h地面、500 hPa气温月累计平均相关性分析 从平均气温月变化分析看(表2)，10月份的相关系数最小，r=0.13，其次是6、1月份，分别为r=0.27、0.42，9、8月份最高，分别为r=0.91、0.70。由08 h地面和500 hPa的气温月变化曲线看(图10)，曲线在12、1月较近(即气温差值最小)，7月份两曲线间隔较大(即气温差大)，地面月最高气温出现在7月份，500 hPa月最高气温出现在7～8月之间，最低气温则均出现在1月份。随着一年中气温的变化，08 h地面和500 hPa的气温差值也有规律的变化，变化范围在7.4～19.0 ℃之间。造成这种现象的主要原因是由辐射造成的，茫崖地区的冬季，凌晨近地面经常有辐射逆温层存在。因逆温层的存在，常出现地面气温接近或低于高空500 hPa气温的现象，此时500 hPa层的气温不会随地面气温的降低而降低，有时反会高于地面气温。但随着太阳的升起，地面开始吸收来自太阳的短波辐射而增温，并且自身以长波辐射的形式向外发射热量，大气吸收来自地面的长波辐射也逐渐增温，逆温层逐渐消失，500 hPa层的气温开始随着地面气温的升高而逐渐升高。

表2 08 h地面与500 hPa各月平均气温的相关系数

从地面、500 hPa近30 a间每月的线性变化趋势分析得出(如图11)，在08 h，地面气温在2、4、8、10、11月份的线性气温上升倾向率较大，其中8月份倾向率最大，为0.94 ℃/10a，3、5、6、7、9月份的气温倾向率变化通过了0.05的显著性水平检验；1、12月份地面气温上升倾向率变化不明显，12月份倾向率最小，为-0.01 ℃/10a，升温趋势不明显；而500 hPa的气温倾向率在4、5、7、8月份递增趋势，8月份的增温率最大，为1.30 ℃/10a，高于同期的地面气温倾向率，且通过了0.05的显著性水平检验。而在9、10、11、12月份倾向率出现递减的趋势，1、2、3、6、12月份气温升温趋势不明显，基本保持平稳，这种升温不明显现象，与500 hPa层离下垫面较近，受地面辐射大有关系。

图10 08 h地面、500 hPa气温月变化

2.5.3 20 h相关性分析 由图12知，20 h地面与500 hPa的气温变化曲线幅度大致相同，即500 hPa气温随地面气温的变化而变化，对两者进行相关性分析，两个变量有共变现象，为高度正相关，其Pearson相关系数为r=0.705(p<0.01)，这一数值略小于于08 h地面与500 hPa的相关系数(0.724)，通过了显著性为99%的检验，表明了20 h地面和500 hPa气温年际变化是相当一致的，即地面气温逐渐升高的同时，500 hPa气温也随之升高。30 a来，两者均呈现升高趋势，地面层增温率与500 hPa基本一致。

图11 08 h地面和500 hPa气温倾向率变化比较

从地面和500 hPa的季度和年的气温变化倾向率分析比较来看(表1)，在20 h，地面在春季的增温率最大，为0.40 ℃/10a，通过了0.01的显著性水平的检验，其次是夏季，秋季、冬季，则最小，为0.08 ℃/10a，与08 h升温趋势相比，有较大差距；500 hPa的增温主要是春季和夏季，分别为0.35℃/10a、0.44 ℃/10a，相当于或小于08 h冬季增温率，冬季为0.21 ℃/10a，秋季最小为0.11℃/10a。而在20 h，冬季地面和500 hPa数据相关性略小于08 h，其 Pearson相关系数r=0.705(p<0.01)。从两者的月平均变化来看(如图13)，两条曲线的变化大致相同，均呈单峰型，间隔距离相当(即气温差)，与08 h的变化趋势有所不同。近地面空气因吸收来自地面的长波辐射而升温，在日落前1～1.5h，辐射由正值转为负值，近地面空气开始失去热量而逐渐降温，这个时间段也正好是台站施放气球的时间，因此地面和500hPa气温差变化不大，范围在15.5～26.0℃之间，变化趋势基本一致，也符合温度随高度而递减的规律。

图12 20 h地面和500 hPa的年平均气温变化曲线

图13 20 h地面、500 hPa气温月变化

由图14知，在近30 a，20 h次地面和500 hPa每月的气温变化倾向率也不一样，地面在3、4、8月份气温上升倾向率较大，3月份的地面月平均气温上升最大，为0.64 ℃/10a，5、6、11月份则相对较小，9、12月甚至出现负值，分别为-0.15 ℃/10a、-0.12 ℃/10a；500 hPa层的月平均气温上升倾向率在3、7、8月份较大，8月份最大，为0.70 ℃/10a，而在5月份出现负倾向率，为-0.07 ℃/10a，即温度降低的现象，但这种降温现象不明显。

图14 20 h地面、500 hPa气温倾向率变化比较

3 主要研究结论

(1)在进一步细致分析地面气温与500 hPa气温相关的基础上，可利用地面气温场和500 hPa气温场互相进行插补。在实际业务应用中，当某一时次探空记录出现500 hPa气温层缺测或气温因信号变性无法判别时，可利用地面气温进行插补或判别。亦可以利用500 hPa温度场对瞬间温度值进行订正判别。

(2)近30 a来，地面和500 hPa气温在每个时段的增温率是不同的，地面气温增温率高于500 hPa，20 h的增温率小于08 h，各时段的增温率分别为：08 h地面温度0.66 ℃/10a、20 h地面温度0.29 ℃/10a、08 h500 hPa温度0.27 ℃/10a、20 h500 hPa温度0.28 ℃/10a。

(3)地面、500 hPa气温在两个时段均有共变现象，为正相关，关系密切，其Pearson相关系数都通过了显著性为99%的检验，在春季，因08 h段近地面辐射逆温层的存在，相关性稍差，地面四季平均气温均呈现上升趋势，夏季增温最显著，冬季增温最小，地面气温四季的增温幅度表现为夏季﹥秋季﹥春季﹥冬季的气候特征；500 hPa的增温则主要集中在秋季，冬季亦最小。08 h夏季地面和500 hPa的相关性最好。月平均气温线性趋势分析中，地面气温8月份的增温率最大，1月份最小；500 hPa气温也是8月份的增温率最大，2月份最小。

(4)20 h地面与500 hPa的气温变化曲线幅度大致相同，为高度正相关，地面气温在春季的增温率最大，秋、冬季则最小；500 hPa的增温主要是在夏季，秋季最小。地面和500 hPa每月的气温变化倾向率也不一样，但逐月增温趋势基本一致。

(5)在茫崖地区的近地面上空，冬季常有接地逆温层存在，该逆温层的强度、厚度以及风向、风速对500 hPa温度有直接的影响，其变化特征有待进一步研究。