張?zhí)旆? 王位泰, 姜惠峰, 黃 斌, 焦美齡

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅蘭州730020;2.甘肅省慶陽市氣象局,甘肅慶陽745000)

0 引言

隨著全球變暖趨勢越來越明顯,氣候變化研究已成為一個熱點問題,氣候變化研究建立在能夠反映氣候真實變化的均一性長序列數(shù)據(jù)的基礎上。然而由于觀測臺站的遷移,周圍環(huán)境的變化,觀測方法和觀測儀器的變更等常會使序列數(shù)據(jù)出現(xiàn)非均一性[1],觀測臺站的遷移、儀器變化等因素究竟對長序列氣候數(shù)據(jù)產生多大影響,是中國氣候資料研究工作者十分關心的問題,因此氣候資料序列的非均一檢驗是必要的,近年來很多學者致力于氣候資料的非均一性檢驗的研究[2-9]。

通常氣候序列的突變,可以使用雙相回歸累積距平曲線、滑動 t檢驗、Cramer法、Yamamot法和Mann-Kendall檢驗等方法,對氣象要素序列氣候階段性和突變進行分析和診斷[10]。這些診斷方法同時也被使用作為序列非均一性研究的方法[11,14],還有諸如被廣泛使用的連續(xù)t檢驗、SNHT(標準正態(tài)檢驗)法、E2P技術、POTTER法[12-13],這些分析方法通常被作為客觀檢驗分析方法。目前國外經(jīng)常采用的一些客觀檢驗方法:第一步為濾波,這樣去除系統(tǒng)的氣候可變性和變化;第二步應用一些隨機性檢驗來通過或拒絕它的隨機性或趨勢的存在與否。

臺站的時間序列的變化可能顯示不均一性,但也可能僅顯示局地氣候的一個突變。為了把這兩者分離,許多檢驗技術應用了臨近臺站的資料作為局地氣候的顯示器。在均一性檢驗工作中,直接利用臨近臺站的資料或利用臺站資料發(fā)展一個參考序列在許多方法中得到應用。利用含有未知的非均一性的序列建立一個完全均一的參考序列是不可能的,但采用一些技術可以減小參考序列中潛在的不均一性。如對第一差分序列(FDi=Ti+1-Ti)作相關分析。

另外,主觀調整在眾多的檢驗調整方法中也是一個很重要的工具,因為它可以解決很多不能用客觀分析實現(xiàn)的因子權重的因素。主觀調整在臺站資料的內部檢查和當某種因素(比如元數(shù)據(jù))的可信度變化時尤其有用[1]。

實際上,采用主觀方法和客觀方法相結合的研究方法,氣候序列均一性檢驗研究的結果才能更加可靠和合理。文中采用主客觀相結合的方法,對甘肅省部分因遷站造成的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫序列的不均一性進行了初步分析。

1 資料來源

利用的資料均來源于甘肅省氣象局信息中心氣候資料室的環(huán)縣(1957～2009年)、慶城(1960～2009年)、鎮(zhèn)原(1958～2009年)、寧縣(1958～2009年)、西峰(1952～2009年)、正寧(1959～2009年)等站的逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫序列。

6個遷移臺站基本情況如表1所示。遷站后地理環(huán)境有較大變化的站有環(huán)縣、鎮(zhèn)原、寧縣,相應的其海拔高度也發(fā)生了較大變化。西峰、正寧站地處平坦塬面,遷站后環(huán)境無明顯變化,選為主要參考站。

表1 遷移站基本情況一覽表

2 研究方法

年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫平滑了逐日觀測數(shù)據(jù)和月平均數(shù)據(jù)的噪聲但保留了各種因素造成的平均影響。采用主客觀相結合的方法,對因遷站造成的氣溫序列不均一性進行分析。分析步驟如下:

(1)對6個臺站均采用SNHT(標準正態(tài)檢驗)方法,對年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫序列的氣候階段性和突變進行分析和診斷。

(2)按照序列的階段性特征分段設定參考站,分別計算檢驗站和參考站的第一差分序列(FDi=Ti+1-Ti)并作相關分析,根據(jù)站址變動時間段,構造差值參考序列,利用SNHT客觀分析方法再進行突變分析。

(3)查對相應臺站的元數(shù)據(jù)及歷史沿革資料等信息,分析其與突變點的關系和內在原因等,區(qū)分哪些是氣候變化的結果,哪些是臺站遷移的結果,對遷站造成的非均一性做出初步判斷,定量分析遷站造成的差異。

圖1 甘肅省慶陽市6個站站址變化示意圖

3 結果分析

3.1 間斷點客觀分析

采用SNHT法對6個臺站從1952～2009年的間斷點進行分析,結果見表2,可以看出,有些間斷點一致,如1986年、1994年、1997年,對照分析各站氣溫曲線的演變,在1986年、1994年、1997年均有明顯躍變,也就是說不論臺站是否遷移,各站的氣溫變化趨勢一致,這不僅與已有的氣候變化分析研究成果一致,也與國內一些研究成果結論一致[15],表明這是氣候變化造成的;有些不一致,如1968年、1972年、2004年,這些不一致的間斷點是由于局地環(huán)境變化造成的。對氣候變化造成的突變檢測出來了,表明氣候變化造成的氣溫突變較臺站局地環(huán)境變化造成的氣溫變化更大。

表2 各站氣溫序列SNHT檢驗結果(突變點)

3.2 利用參考站作對比分析

分別計算各站的第一差分序列,再對檢驗站和參考站進行第一差分序列相關分析,選取相關性代表性較好的作為參考站,然后對參考站進行平均,消除局地變化帶來的影響,再求取檢驗站與參考站平均的差值,進行客觀檢驗分析。

參考站選取的原則,通過查看臺站歷史沿革,氣象臺站不同程度出現(xiàn)站址遷移的現(xiàn)象,臺站站址變動后,可能造成資料的不均一性,為了選取相關性代表性較好的作為參考站,選取相應時段站址無變動的站作為參考站,也就是根據(jù)需要針對檢驗臺站遷址時間不同選取不同的參考站。

對環(huán)縣、鎮(zhèn)原、慶城站,為了消除20世紀90年代后期氣候明顯變暖及參考站探測環(huán)境變化的影響,選取1958～1996年資料進行分析,選取的參考站為西峰、寧縣、正寧站對應時段資料,這期間參考站站址無變動。

寧縣站2004年遷址,選取1972～2009年資料進行分析,選取的參考站為慶城、環(huán)縣、正寧、西峰站對應時段資料,消除了參考站慶城、環(huán)縣站前期遷站帶來的影響,選取4個站主要是為了增加未受探測環(huán)境變化影響的參考站的權重。

對檢驗站及相應參考站的資料第一差分序列計算相關系數(shù),得出平均氣溫和最高氣溫相關系數(shù)均較高,接近或大于0.9,最低氣溫相關系數(shù)較小,為0.7～0.8。檢驗站與參考站平均值的相關系數(shù)為0.77～0.96。檢驗站與參考站平均氣溫、最高氣溫具有較好的相關性。

圖2 環(huán)縣、鎮(zhèn)原、慶城與西峰、寧縣、正寧參考站平均氣溫第一差分序列變化圖

如圖2所示,1968年環(huán)縣、鎮(zhèn)原站平均氣溫第一差分序列發(fā)生明顯變化,表明1968年平均氣溫出現(xiàn)了明顯不同變化,與站址遷移時間吻合。最高氣溫也有類似變化,最低氣溫特征不明顯,圖略。慶城1965年、1972年平均氣溫有變化,1972年不易區(qū)分,1965年原因不明。

圖3 寧縣站與慶城站、參考站最高氣溫第一差分序列變化圖

如圖3所示,2004年寧縣站最高氣溫第一差分序列發(fā)生了明顯變化,表明寧縣站2004年最高氣溫出現(xiàn)了明顯不同變化,與站址遷移時間吻合。但平均氣溫、最低氣溫變化不顯著,圖略。

使用SNHT法對檢驗站與參考站平均值的差值進行檢驗,從表3可知,較好的診斷出環(huán)縣、鎮(zhèn)原平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫1968年的斷點,寧縣站平均氣溫、最高氣溫2004年的斷點,均通過信度99%的顯著性檢驗。慶城站除最高氣溫1977年斷點外(原因不明),平均氣溫和最低氣溫未通過信度99%的顯著性檢驗。

表3 檢驗站與參考站氣溫差值序列SNHT檢驗結果

3.3 利用元數(shù)據(jù)綜合分析

利用臺站元數(shù)據(jù)(氣溫序列和歷史沿革等)進一步分析,通過查找相應時間點站址變化、儀器更換、觀測方法變化等信息對氣溫觀測資料影響的可能性,在排除這些可能引起非均一性的因素后,主要關注站址遷移的影響。考慮檢驗站和參考站氣溫序列變化的一致性,有無明顯突變,以10年左右選取時間窗,分別對臺站遷移前后資料進行年代際統(tǒng)計,結果見表4～5。

表4 環(huán)縣、鎮(zhèn)原站遷移前后平均氣溫年代際統(tǒng)計及差值比對結果

表5 臺站遷移前后資料與參考站差值比對結果

由表4～5可見,環(huán)縣站1968年遷站前后平均氣溫變化(相對于參考站,下同)0.8℃左右,最高氣溫變化2.4℃左右,最低氣溫變化0.56℃～0.68℃。鎮(zhèn)原站1968年遷站前后平均氣溫變化1.0℃左右,最高氣溫變化2.63℃～2.71℃,最低氣溫變化0.4℃～0.57℃。慶城站1972年遷站前后平均氣溫、最高氣溫無明顯變化,最低氣溫變化0.29℃～0.45℃。寧縣站2004年遷站前后最低氣溫無明顯變化,平均氣溫變化0.47℃～0.64℃,最高氣溫變化2.02℃～2.09℃。臺站遷址對最高氣溫影響較大,平均氣溫次之,最低氣溫影響較小,這種變化結果與客觀檢驗結果基本一致。

由此可見,環(huán)縣、鎮(zhèn)原是一種類型,平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化很明顯,而且是突變,表明存在明顯的不均一性;寧縣最高氣溫突變很明顯,表明存在明顯的不均一性,平均氣溫有變化;寧縣最低氣溫,慶城平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化不明顯,無明顯的不均一性。

4 結論與討論

(1)使用主客觀相結合的方法能夠較好地檢驗氣溫序列的均一性。環(huán)縣、鎮(zhèn)原由于遷站對平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均一性均產生了明顯影響。寧縣站2004年遷站對最高氣溫均一性產生了明顯影響,平均氣溫有影響,最低氣溫變化不明顯。慶城站1972年遷站對平均氣溫、最高氣溫無明顯影響,對最低氣溫略有影響?？梢钥闯?新舊站址的地理環(huán)境差異顯著且海拔高度差異過大 ,是遷站引起氣溫序列非均一性的主要原因。遷址后,氣溫序列較舊址存在偏高或偏低現(xiàn)象,這主要決定于兩地的地理環(huán)境參數(shù),其值對累年平均值有影響。在氣候資料整編或研究氣候變化時應對非均一性序列作訂正,以保證研究區(qū)域氣候變化數(shù)據(jù)的正確性。

(2)根據(jù)臺站的歷史沿革直接對所研究的臺站的序列作訂正,這往往是獲取均一性資料的可靠途徑。建議對臺站的歷史沿革資料進行統(tǒng)一收集整理歸檔。建立各測站元數(shù)據(jù)庫,詳細記載有關測站環(huán)境、遷站原因、儀器更換、氣表-1的觀測記錄特殊備注等信息。

(3)遷站前后開展的對比觀測是進行均一性訂正的重要參考依據(jù)和參數(shù)。遷站后環(huán)境發(fā)生明顯變化的臺站,要利用對比觀測資料對原址序列進行訂正,建立現(xiàn)址均一化序列,同時也應在一段時期后,對現(xiàn)址序列進行訂正,建立原址均一化序列,使用時根據(jù)需要選擇使用。

(4)從慶城站的情況分析,地理環(huán)境、氣候條件相似的臺站遷移對氣溫資料的均一性無明顯影響,特別是海拔高度和地理環(huán)境無明顯變化的情況下,氣溫序列基本是均一的。在遷站時應盡可能選擇新舊站址地理環(huán)境相似且海拔落差較小的站址,可減少氣溫序列的非均一性。

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