齊 浩，劉春艷，王 磊，馬庚雪

(天津市北辰區(qū)氣象局 天津300400)

0 引 言

日最低氣溫與日常生活有著密切的關系，是24h預報中比較重要的要素，影響最低氣溫值高低的因素很多，例如：夜間云量的多少、風向風速、冷暖平流、相對濕度、天氣現(xiàn)象等。隨著季節(jié)的不同，各要素對溫度的影響程度也各不相同。

北辰區(qū)南側緊鄰天津市中心城區(qū)，但是日最低溫度卻常存在不小的差異，不僅如此，與周邊其他地區(qū)相比，北辰地區(qū)日最低氣溫也存在差異，尤其常出現(xiàn)全市的最低值。部分預報員根據(jù)經驗認為這種情況一般出現(xiàn)在晴朗靜風的條件下，但沒有經過論證。這種情況造成北辰區(qū)日最低氣溫的預報準確率較低。

本文的研究目的，是通過研究近10年北辰地區(qū)日最低氣溫變化的特征以及與周邊地區(qū)相比出現(xiàn)明顯差異的規(guī)律，進一步指導預報，從而提高北辰地區(qū)日最低氣溫的預報準確率。

1 北辰地區(qū)日最低氣溫時間變化特征

為初步研究北辰區(qū)最低氣溫的特征，選取2006—2016年北辰國家一般氣象站(下稱“北辰本站”)日最低氣溫數(shù)據(jù)，得到北辰區(qū)日最低氣溫變化曲線。按照日常觀測和預報中總結的經驗，能夠發(fā)現(xiàn)北辰日最低氣溫的變化可能存在季節(jié)性差異，所以在研究中按照春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月)進行分類。

1.1 各月逐日最低氣溫變化

圖1羅列出1—12月日最低氣溫變化情況。按照季節(jié)分類來看，日最低氣溫的變化表現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)性差異，通過線性變化率能夠反映各月日最低氣溫的變化情況：

①春季，各月日最低氣溫呈上升趨勢，平均變化率為0.045℃/10a。

②夏秋兩季各月日最低氣溫變化均呈下降趨勢，平均變化速率分別為-0.014℃/10a和-0.037℃/10a。

③冬季各月變化趨勢相對平穩(wěn)。

1.2 各月旬平均最低氣溫變化

為進一步細化研究各月逐日最低氣溫的變化特征，明確各季節(jié)差異性，按照上、中、下三旬分別計算各月的旬平均最低氣溫，變化情況如圖2所示。

圖2 旬平均最低氣溫變化曲線Fig.2 Change curves of decadal-mean minimum air temperature

從圖2反映的情況看，與逐日最低氣溫變化的結論是比較一致的，根據(jù)旬平均最低氣溫變化曲線及線性趨勢，可以得到以下幾個細化的結論：

①7月和1月的溫度變化是最穩(wěn)定的，一方面這兩個月上、中、下旬的溫度基本持平，另一方面線性變化幅度較小。

②從各月上、中、下三旬溫度的大小關系來看，北辰地區(qū)日最低氣溫變化的過渡月份為8月和2月。自8月開始至12月，大小關系總體上看，上旬＞中旬＞下旬；自2月開始至6月，大小關系總體上看，上旬＞中旬＞下旬。

③考慮到季節(jié)內各月變化的相對一致性并且為方便下面的研究，在后續(xù)的研究中，將1月、4月、7月、10月作為冬、春、夏、秋四季的代表月份，以代表月份的特征來指代對應季節(jié)的特征變化。

2 北辰地區(qū)日最低氣溫空間變化特征

除北辰本站外，北辰地區(qū)建有區(qū)域自動站16個，本文選擇其中業(yè)務運行超過7年的10個區(qū)域站進行研究。

按照與北辰本站的距離范圍，對10個區(qū)域自動站進行分類統(tǒng)計，分類情況見表1。

表1 區(qū)域自動站分類情況Tab.1 The classification of regional weather stations

區(qū)域站數(shù)據(jù)選擇2009年4月至2017年1月的日最低氣溫數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)中的缺省值和異常數(shù)據(jù)進行質控處理，對應選取北辰2009月4月至2017年1月的日最低氣溫數(shù)據(jù)，計算得到各區(qū)域自動站與北辰本站的差值Dsta。

其中Tsta為區(qū)域站數(shù)據(jù)，T0為北辰本站數(shù)據(jù)。

根據(jù)上一節(jié)得到的結論，用1月、4月、7月和10月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月份，其統(tǒng)計結果能夠表征對應季節(jié)的特征。

1月、4月、7月、10月計算結果見圖3。

圖3 區(qū)域自動站與本站日最低氣溫差值分布圖Fig.3 The difference between the national general weather station and regional weather stations in Beichen

3 北辰地區(qū)日最低氣溫與周邊區(qū)域對比

3.1 對比統(tǒng)計結果

氣溫變化的空間差異主要受緯度、海拔高度、環(huán)境和其他氣象條件等因素影響。北辰地區(qū)日最低氣溫同周邊行政區(qū)相比，往往表現(xiàn)出比較特殊的變化情況，從緯度上講，北辰地區(qū)位于天津市的中部，卻往往出現(xiàn)遠低于北部地區(qū)或高于南部地區(qū)的日最低氣溫；從海拔高度上講，北辰地區(qū)地勢平坦，日最低氣溫時常低于北部山區(qū)。這些異常變化給北辰地區(qū)日最低氣溫的預報帶來了不小的麻煩，本文的研究重點也是通過研究其他氣象要素的變化情況定性的研究這些要素對日最低氣溫的影響。

選擇北辰本站2006—2016的日最低氣溫數(shù)據(jù)和周邊國家站的對應數(shù)據(jù)進行研究。表2是北辰本站(以下簡稱“北辰”)同天津市國家一般氣象站(以下簡稱“市區(qū)”)、西青國家基本氣象站(以下簡稱“西青”)、武清國家一般氣象站(以下簡稱“武清”)、東麗國家一般氣象站(以下簡稱“東麗”)和寶坻國家基本氣象站(以下簡稱“寶坻”)的對比統(tǒng)計結果(其他行政區(qū)域因為海陸差異、距離較遠、海拔差異等原因不做對比統(tǒng)計)。

統(tǒng)計量包括標準差(表征兩組序列的固有差異)、差平均(表征兩組序列的整體差異)和相對標準差，計

算公式如下：

其中Tn為相應周邊站的日最低氣溫，T0為北辰本站的日最低氣溫，k為選取樣本的總天數(shù)。

從與5個周邊區(qū)的對比結果看，北辰地區(qū)與周邊區(qū)的固有差異均在1～2℃的范圍內，整體差異除寶坻日最低氣溫低于北辰外，其余4個區(qū)日最低氣溫均高于北辰，整體差異最小的是武清，最大的是市區(qū)。但從相對標準差的結果來看，與北辰日最低氣溫差異更穩(wěn)定的是市區(qū)。在進一步研究中，為了能夠得到更加長期穩(wěn)定的參考，選擇市區(qū)和寶坻的日最低氣溫作為對比數(shù)據(jù)。

分別來看表2中四季的對比結果，當相對標準差偏高時，說明該季節(jié)北辰氣溫易與該地區(qū)出現(xiàn)較大的偏差。對于日最低氣溫高于北辰的4個區(qū)，春季明顯高于其他季節(jié)，市區(qū)、西青、武清的結果均為春季相對標準差明顯高于其他季節(jié)，夏季次之，秋冬季結果相近。

表2 北辰本站與周邊國家站的對比統(tǒng)計結果Tab.2 The comparison of Beichen national general weather station and other national weather stations nearby

如上述研究結果所反映出的特征，除距離北辰較遠的寶坻(56km)外，其余4個臺站分別位于北辰本站的南、西南、東南、西北方向，距離均在20km左右(市區(qū)19km、西青19km、武清22km、東麗24km)，這說明北辰地區(qū)日最低氣溫主要表現(xiàn)出低于周邊區(qū)域的特征，在該范圍內并非與緯度呈明顯的反比關系，在周邊環(huán)境、海拔高度相對接近的情況下，可以考慮局地天氣系統(tǒng)影響下的其他氣象要素，如風向風速、云量、相對濕度等對北辰區(qū)日最低氣溫的影響。

在日常氣溫的觀測和預報中，業(yè)務人員發(fā)現(xiàn)北辰地區(qū)，尤其是北辰本站，常出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏低或偏高值。例如日最低氣溫低于位于北部的寶坻地區(qū)，或高于城市化更高的天津市區(qū)。這樣的異常值給預報帶來了極大的挑戰(zhàn)。

3.2 異常值的定義和選擇

根據(jù)研究結果，北辰本站的日最低氣溫變化與市區(qū)和寶坻的差異是相對穩(wěn)定的，并且整體上低于市區(qū)、高于寶坻，因此利用2006—2016年市區(qū)和寶坻的日最低氣溫作為參照，對相應時段北辰本站的日最低氣溫異常值進行篩選，仍按照季節(jié)分別研究。

將日最低氣溫低于寶坻并且遠低于市區(qū)的值定義為北辰本站日最低氣溫異常偏低值；將日最低氣溫高于市區(qū)并且遠高于寶坻的值定義為北辰本站日最低氣溫異常偏低值。遠高于和遠低于則以標準差作為指標，即異常偏低值的選取標準為T北辰-T寶坻＜0，并且T北辰-T市區(qū)＜-3?STD ；異常偏高值的選取標準為：T北辰-T市區(qū)＞0并且T北辰-T寶坻＞3?STD 。其中STD為兩臺站對應季節(jié)日最低氣溫的標準差結果。

3.3 其他氣象要素與日最低氣溫異常值的關系

本文對于北辰本站氣溫異常值影響要素的研究內容主要為氣象條件，其他影響因素暫不討論。

從統(tǒng)計結果可以得出以下結論：

①異常值數(shù)量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。4月份異常值總數(shù)最多(39個)，偏低值個數(shù)(17個)少于偏高值個數(shù)(22個)；1月份異常值總數(shù)次之(27個)，低值個數(shù)(26個)遠遠多于異常偏高值(1個)；10月份異常值總數(shù)最少(8個)，偏低值個數(shù)(6個)多于偏高值(2個)；7月份次之(11個)，偏低值個數(shù)(7個)多于異常偏高值(4個)?？偟膩碚f，從異常值的個數(shù)上來看，春冬兩季明顯多于夏秋兩季，而異常偏低值明顯多于異常偏高值，以冬季尤其明顯。

②依照經驗，靜風、晴天往往有利于出現(xiàn)較低的日最低氣溫。但是從統(tǒng)計結果來看，北辰區(qū)日最低氣溫異常值與云量和夜間最大風速及兩地夜間最大風速差并未表現(xiàn)出明顯的對應關系，并不能作為北辰地區(qū)日最低氣溫異常偏低或偏高的預報。

③北辰區(qū)日最低氣溫異常值與北辰地區(qū)與市區(qū)、寶坻地區(qū)的夜間最大相對濕度的差值有密切的聯(lián)系。當北辰地區(qū)夜間最大相對濕度顯著高于市區(qū)和寶坻地區(qū)時，易出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏低值；反之，當北辰地區(qū)夜間最大相對濕度顯著低于市區(qū)和寶坻地區(qū)時，易出現(xiàn)日最低氣溫的異常偏高值。

3.4 日最低氣溫與夜間最大相對濕度的相關性

北辰地區(qū)日最低氣溫的異常值，包括異常偏低值和異常偏高值，和北辰與寶坻、市區(qū)的夜間最大相對濕度表現(xiàn)出了比較好的對應關系，為進一步分析日最低氣溫與最大濕度之間的關系，計算有關統(tǒng)計量間的相關性系數(shù)，結果見表3。

從表3可以看到，日最低氣溫和夜間最大相對濕度多個統(tǒng)計量間的相關性系數(shù)值存在顯著的差異，其中日最低氣溫差與對應的夜間最大相對濕度差的相關性要好于其他統(tǒng)計量，北辰日最低氣溫與北辰地區(qū)夜間最大相對濕度相關性較差。由此可知，北辰地區(qū)日最低氣溫的變化與本地夜間最大相對濕度無關，但相比于其他地區(qū)的日最低氣溫差值，與對應夜間最大相對濕度的差值呈一定的反相關。

表3 統(tǒng)計量間的相關性系數(shù)Tab.3 The correlation coefficients of the statistics

4 結 論

通過本文的研究，我們可以得到：北辰本站近十年來日最低氣溫的變化趨勢以及表現(xiàn)出的明顯季節(jié)性差異；通過與北辰地區(qū)區(qū)域站日最低氣溫的比較可以發(fā)現(xiàn)，北辰本站日最低氣溫存在明顯的局地性特征，并且低于絕大多數(shù)區(qū)域站；北辰本站與周邊地區(qū)國家級自動站的日最低氣溫差異值(標準差、差平均和相對標準差)；以寶坻和市區(qū)的數(shù)值作為參照，北辰地區(qū)與上述兩地的日最低氣溫差和夜間最大相對濕度存在反相關關系，并且北辰地區(qū)日最低氣溫異常值個數(shù)存在明顯的季節(jié)性差異。

根據(jù)上述結論，可以在進行北辰地區(qū)日最低氣溫預報時，對應不同季節(jié)充分考慮夜間最大相對濕度的影響，并且在格點預報時考慮北辰地區(qū)日最低氣溫變化的局地性特征。