环境变化对淖毛湖气象站气候资料的影响

杨艳玲，杨 霰，刘 颖，肖金梅，钱文新

（1.哈密市气象局，新疆 哈密 839000；2.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；3.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002；4.叶城县气象局，新疆 叶城 844900）

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，但气候资料中包含着许多影响人类活动的大气环境信息，若利用包含有非气候因素变化的气候序列来进行气候分析，就可能会导致矛盾的结论[1-2]。诸多学者采用均一性检验、线性突变检验、EOF 分解等方法分析、研究了台站迁移对气温、降水等气象要素资料序列的影响[3-10]，为获取长序列气象观测资料提供科学依据；李庆祥等[11]认为，台站迁移是造成气象资料序列非均一性的主要因素。气象要素的观测受城市化的影响程度与城市建筑物构成、周围地形等关系密切，陈沈斌等[12]发现，城市化对北京观象台气温记录的影响约为0.21 ℃/33 a，推断市中心二环路以内有更强烈的影响。周雅清等[13]通过分析华北地区255 个一般站和国家基本、基准站1961—2000 年的实测资料，发现平均气温、最低气温变化趋势中城市热岛效应加强因素的影响明显。卞韬等[14]采用城乡对比法对石家庄1972—2012年城市站和4 个乡村站地面风速资料进行分析研究，发现石家庄站年和季节平均地面风速和平均10 min 最大风速的长期下降趋势，主要是由城市化因素引起。刘卫平等[15]利用1961—2015 年库尔勒站和参考站的气候资料分析，发现库尔勒城市化对年平均气温、相对湿度的影响较为显著，分别为0.17 ℃/10 a 和-1.20%/10 a。

淖毛湖镇隶属于伊吾县，其矿产资源丰富，是自治区级工业园区，使得这座新型工业化城市带动了当地经济的快速发展，但却使得淖毛湖镇环境发生变化，气象观测环境因此受到影响。本文选取淖毛湖站作为研究对象，分析环境变化对淖毛湖站气象资料序列的影响，以期为揭示该区域气候变化的规律提供科学有效的数据支撑。

1 概况与资料方法

1.1 概况及观测环境简述

淖毛湖位于新疆东天山与阿尔泰山之间的沟底湖盆地，三面环山，属于典型的温带大陆性干旱气候，降水量少，年气温变化大，多大风、沙尘天气。淖毛湖气象站始建于1960 年1 月1 日，站址位于淖毛湖乡政府附近（94°59 ′E，43°47 ′N，观测场海拔高度500.0 m）；1980 年迁至淖毛湖镇二校南戈壁（95°08′E，43°46′N，海拔高度为479.0 m）。近年来，城镇化建设规划及其快速发展，加剧并直接影响到气象探测环境的变化；经协商后将淖毛湖气象站拟平移至距旧观测场30 m 直线距离处，两者同处一个气候区，且符合气象探测环境要求。

1.2 对比站的选取及资料方法

建立对比站序列和检验序列是分析研究长序列气候资料的均一性检验的关键。新疆地形复杂、台站稀疏，本文所选的对比站（即哈密、库米什站）在淖毛湖站旧观测场周边半径为590 km 范围内，虽不能满足国家规定的300 km 范围内的要求，但所选两站仅用来与淖毛湖站进行观测资料区域一致性和均一性分析，且相关迁站报告已通过中国气象局审核；选取伊吾作为背景站分析环境变化对气象资料的影响。对比站和背景站基本情况见表1，其资料的时间序列均达50 a 以上，完整性较好；库米什、伊吾未迁过站，哈密站曾在1963 年迁过站。为保证资料一致性，以最晚迁站时间1963 年为起始年，终止年为2020 年。资料选取时将对比的观测资料求平均形成对比站的资料序列，对气温、相对湿度、风速、降水量等要素序列进行对比分析。本文所用数据资料由新疆气象局信息中心提供，且通过严格质量控制，未做任何插补延长处理。

表1 淖毛湖站与对比站基本信息

为更好地反映环境变化对气候资料序列的影响，运用△TuR=△Tu-△TR计算环境变化的影响[22-24]，其中，△Tu表示所选的受环境变化影响的淖毛湖气象资料的趋势变化率，△TR表示气候变化背景场的对比站（伊吾）气象资料的趋势变化率。环境变化影响在台站气象资料趋势变化中所占的比率，用Eu表示，表达式为：

因此，E有3 种情况：当△Tu＞△TR时，E＞0，表明环境变化影响为增加；当△Tu=△TR时，E=0，表明环境变化影响为0；当△Tu＜△TR时，E＜0，表明环境变化影响为减小。这里将E＞100%的情况视同E=100%。同样，将E＜-100%的情况视同E=-100%。

2 结果分析

2.1 观测资料区域一致性分析

淖毛湖站自1980 年迁至淖毛湖镇二校南戈壁，观测场周边地理环境与原址相近，但海拔高度有变化，故导致迁站前后气温序列发生偏差（图1a）。目前，淖毛湖镇已被列为自治区新型工业化城镇一体化30 个重点示范镇之一，新型工业化发展较快，周边高层建筑逐年增多，使该站探测环境影响在2008年以后日益凸显。将淖毛湖站自建站以来的年平均气温分别以1980、2008 年为节点分成3 段，即1963—1979、1980—2007、2008—2020 年，分别计算与两个参考站相应时段年平均气温的差值平均值，并进行前后对比分析。结果表明：淖毛湖站气温受迁站、环境变化影响明显；1980—2007 年迁站所带来的误差可使气温平均升高0.55 ℃左右，2008 年以后环境变化所带来的误差，使气温平均升高0.4 ℃左右（表2）。

表2 淖毛湖站与对比站1980、2008 年前后气温差值平均值

年降水量差值序列（图1b）呈波动变化，淖毛湖站与对比站的年降水量差值均为负，说明淖毛湖站降水量小于对比站，随时间变化的一致性较差。

淖毛湖站与对比站的年平均相对湿度差值（图1c），从20 世纪60 年代初期到90 年代中期呈下降趋势；1980 年迁站后，相对湿度产生明显的波动，到1996 年差值较大且呈减小趋势。淖毛湖站与对比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，由于环境变化，气温升高，相对湿度下降。1996 年至今差值减小，呈上升趋势。由于迁站，淖毛湖站的年平均相对湿度与对比站的差值变化显著。

淖毛湖站与对比站的年平均风速差值随时间变化总体呈波动变化（图1d）。20 世纪60 年代初—70年代初呈上升趋势，70 年代初至现在总体呈下降趋势，表明淖毛湖站的风速相对于对比站呈减小趋势。80 年代中期差值呈跳跃上升趋势，与迁站有关。2003 年淖毛湖站对观测任务进行了调整，由3 次夜间不守班调整为4 次夜间守班气象观测任务，使风速产生了变化。建站—2002 年，平均风速为4.4 m/s；观测业务调整后，平均风速为3.5 m/s。2008 年由于台站周边高层建筑物陆续兴建，探测环境受到影响，采集的数据亦受到较大的影响，年平均风速仅为3.3 m/s。淖毛湖站的年平均风速与对比站变化的不一致性愈发明显。

2.2 趋势比较

淖毛湖站与对比站的气温均呈上升趋势（图2a），增温速率分别为0.44 ℃/10 a、0.23 ℃/10 a，由此可得：前者增温速率大于后者，两者气温的区域一致性差。淖毛湖站与对比站年降水序列的线性趋势（图2b）分别为2.92 mm/10 a 和3.19 mm/10 a，趋势差距较大，两者降水的区域一致性差。淖毛湖站与对比站相对湿度随时间略呈增长趋势（图2c），增湿速率分别为0.17%/10 a、0.46%/10 a，后者的增湿速率大于前者，表明两者相对湿度的区域一致性差。淖毛湖站与对比站的风速随时间分别以0.33（m·s-1）/10 a、0.15（m·s-1）/10 a 的速率减小（图2d），前者风速下降的速率大于后者，表明两者风速的区域一致性越来越差。

图2 淖毛湖站与对比站各要素年序列及其趋势（a 为年平均气温，b 为年降水量，c 为年平均相对湿度，d 为年平均风速）

差值分析和趋势分析的结果表明，因受环境等因素的影响，淖毛湖站的气温、降水、相对湿度和风速资料的区域一致性均较差。综上，淖毛湖站观测资料的区域一致性较差。

2.3 观测序列均一性分析

基于淖毛湖站详细的历史沿革记录、仪器变更、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，符合正态分布的气温和湿度资料采用差值序列进行检验，符合非正态分布的降水、风速资料则采用比值序列进行检验；采用T检验方法（显著性水平0.05），对淖毛湖站1963 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，淖毛湖站4 个要素均存在断点，平均气温、相对湿度和平均风速各有3 个断点，降水量有2 个断点。该站4 个要素的断点主要发生在1966、1969、1980、2003 和2008 年，可从以下事件中找到某种对应关系：1966 年迁站造成了气温不连续；1969 年风观测仪器由维尔德风压器更换为EL型电接风向风速器，造成风速不连续；1980 年迁站造成了气温、相对湿度不连续；2003 年观测任务调整和仪器更换造成了相对湿度、风速、降水量不连续；2008 年周边环境变化造成了气温、相对湿度、风速和降水量不连续。

图3 淖毛湖站各要素T 检验结果（a 为气温，b 为相对湿度，c 为降水量，d 为风速）

结合表3 和区域一致性分析可知，淖毛湖镇的经济发展导致探测环境的变化是造成淖毛湖站观测资料不连续的主要原因。

表3 淖毛湖站存在变化的时间节点及原因

2.4 环境变化对气象资料序列的影响分析

环境变化对于淖毛湖站平均气温变化趋势的影响年、四季均为正贡献（表4），表明环境变化影响加速了该区域变暖趋势。平均气温环境变化影响年值为0.15 ℃/10 a，秋季最大，为0.23 ℃/10 a，夏季和冬季为0.13 ℃/10 a，春季为0.08 ℃/10 a；除冬季外，年、春、夏、秋季的变化趋势均通过0.01 的显著性检验。环境变化影响极显著，其中秋季的环境变化影响相对较强，春季最弱；平均气温环境变化影响贡献率为34%，秋季最大为51%，冬季为46%，春季仅为16%。

表4 淖毛湖站4 个要素变化趋势的环境变化影响和环境变化影响的贡献率

环境变化对淖毛湖气象站平均风速变化趋势的影响年、四季均为负贡献，平均风速的变化影响为-0.16（m·s-1）/10 a，通过了0.01 的显著性检验，环境变化影响贡献率年值为48%，表明该年平均风速减小趋势主要是由环境变化影响造成的。春、夏、秋、冬平均风速减小的影响变化分别为-0.31（m·s-1）/10 a、-0.14（m·s-1）/10 a（夏、秋季一样）、-0.09（m·s-1）/10 a，均通过0.01 的显著性检验。春季的环境变化影响相对较强，其次夏、秋季，冬季相对较弱；环境变化贡献率分别为68%、38%、45%和47%，与年平均风速一致。

环境变化对年平均相对湿度变化趋势的影响年、四季均为负贡献，表明环境变化影响减弱了相对湿度增湿的趋势。年相对湿度环境变化影响为-0.63%/10 a，秋季为-1.06%/10 a，冬季为-0.42%/10 a，春季仅为-0.21%/10 a，其中年、夏季、秋季通过了0.01 的显著性检验。年平均相对湿度环境变化贡献以负贡献为主，年、春、夏、秋季贡献率均达100%，除夏季为正贡献外，其余均为负贡献。

环境变化对降水量变化趋势的影响年、春季、秋季为负贡献，夏、冬季为正贡献，降水量的环境变化影响年值为-3.33 mm/10 a，春季为-2.21 mm/10 a，通过了0.05 的显著性检验，秋季为-1.26 mm/10 a，最小为冬季0.03 mm/10 a。降水量环境变化影响贡献率次序不同，冬季大于夏季。

3 结论与讨论

（1）淖毛湖站与对比站的气温均呈上升趋势，前者的增温速率大于后者；两者的降水序列的线性趋势分别为2.92 mm/10 a、3.19 mm/10 a；两者的增湿速率分别为0.17%/10 a、0.46%/10 a；两者的风速随时间变化均为减小趋势，减小速率分别为0.33（m·s-1）/10 a、0.15（m·s-1）/10 a。通过区域一致性分析得出：淖毛湖站与对比站的气温、风速、相对湿度、降水量均随时间推移差值逐渐增大，两者的区域一致性越来越差。

（2）年值序列均一性检验结果表明，淖毛湖站平均气温、降水量、平均相对湿度和平均风速4 个气象要素均存在断点，平均气温、平均相对湿度和平均风速各有3 个断点，降水量有2 个断点。淖毛湖环境变化使长序列气候资料产生断点，在资料使用时应引起重视；气温、风速受环境变化影响较明显，尤其是风速。

（3）长序列的资料对比分析表明，淖毛湖站环境变化对于平均气温变化趋势的影响年、四季均为正贡献，可见环境变化影响加速了变暖趋势；平均风速变化趋势的影响年、四季均为负贡献；平均相对湿度变化趋势的影响年、四季均为负贡献，表明环境变化影响减弱了相对湿度增湿的趋势；降水量变化趋势的影响年、春季、秋季为负贡献，夏、冬季为正贡献。

（4）淖毛湖镇短短十几年发展成为伊吾县第一经济大镇，经济总量占伊吾县的80%左右，生产总值、流动人口等因素对该区域气象要素产生的影响有待进一步深入研究。