根据天气预报、气象信息、气候分析、科学研究和气象服务的需求, 由于在近地面层的气象要素存在着空间分布的不均匀性和时间变化上的脉动性, 地面气象观测必须具有“三性”, 即代表性、准确性、比较性[1]。观测场是获取地面气象资料的主要地点, 根据地面气象观测的代表性要求, 地面气象观测场应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点的地方, 避免地形、建筑等周围环境影响。近年来, 随着城市的建设和经济的发展, 许多地方的地面观测气象探测环境遭受了严重破坏, 直接影响了该地区地面气象资料的准确性和代表性, 影响了地面气象业务质量、气候变化分析、天气预报和气象服务工作。
马山国家气象观测站属国家一般气象站, 区站号为59230, 旧址所处地理位置为东经108°10′00″、北纬23°43′00″, 拔海168.0 m。由于经济发展, 周围建筑物逐年增加, 人口活动日益密集, 气象站所在的区域由郊区变成了闹市, 2014年观测探测环境评估得分为56.2分, 已不具备地面气象观测要求的条件。为了保证气象观测资料的准确性、代表性和比较性, 2014年马山新建观测场于旧址西北方约5 km处的马山县白山镇合作社区伏塞岭 (东经108°07′00″, 北纬23°43′00″, 观测场拔海高度219.0 m) , 新旧站拔海高度差为51 m, 探测环境评估得分99分, 于2015年1月1日开展对比观测任务。
采用的资料为2015年1—12月马山站新、旧站址同期气压 (月平均本站气压) 进行对比, 采用差值统计方法, 由新站观测值减旧站观测值求得1-12月平均差值, 并计算其标准差。
图1显示2015年1-12月份新旧址月平均气压对比差值在5.5~6.2 h Pa, 年平均差值为-5.8 h Pa, 夏天差值最大, 冬季最小, 计算其标准差约为0.2[2], 离散度很小。
由于在近地面层中, 气压随海拔高度的变化, 本站气压随拔海高度的升高而降低。根据拉普拉斯气压高度差简化订正公式AP=-AH/8来计算[3], 新、旧站址气压表的海拔高度差为51.0 m, 运用该公式计算得AP=-6.375 h Pa, 与实测对比差值较接近。因此, 本站气压产生差异的主要原因是迁站后海拔高度升高导致气压降低。
采用的资料为2015年1—12月马山站新、旧站址同期气温 (月平均气温、月最高和最低气温) 观测资料。
根据图2显示, 1—12月新、旧站观测对比差值为-0.6~-1.4℃, 2月差值最小, 8月差值最大, 年平均差值为1.0℃, 计算其标准差值约为1, 偏离度小。
根据近地面层的气温随海拔高度变化以0.65℃/100 m来计算[3], 新址观测场比旧站址观测场的拔海高度高51m, 计算得气温下降约0.33℃。分析上述结果与所统计的实测差值有差异, 说明迁站后地面观测场拔海高度升高是新址气温较旧址偏低的部分原因, 还有其他原因引起了新址气温较旧址偏低。
经分析, 新、旧址所处区域内的下垫面性质、周围环境和城市的热岛效应等原因也是导致新、旧站气温差异的原因之一。首先, 新站观测场周围多为植被覆盖, 绿地的有辐射冷冷却降温的作用;旧站周围下垫面多为水泥, 热容量和导热率很大, 地处城区的旧站下垫面储热量显著高于地处郊区的新站, 白天城区储热量多, 夜晚地面降温比郊区慢, 通过地-气热交换, 城区气温仍比郊区高, 导致两站气温的偏差, 所以下垫面性质不同, 也是导致新、旧站气温差异的原因之一。其次, 由于旧站址位于县城中心, 随着城镇化的发展, 气象观测场四周的土地纳入城镇建设规划用地, 周围建筑物逐年增加, 同时人类活动频繁, 居民生活、交通运输所排放出的CO2等温室气体直接使大气升温, 热岛效应导致观测的地面气温升高, 而新站址位于开阔的山顶, 人迹罕至, 人类活动影响较小, 周围环境导热散热快, 因此周围地理环境和城市的热岛效应也是造成新、旧站气温差异的原因[4]。
采用的资料为2015年马山站新、旧站址同期降水量 (月总降水量) 观测资料。采用差值统计方法, 由新站观测值减旧站观测值得1—12月各要素的差值。
根据图3显示, 2015年1—12月新、旧站观测降水量对比差值为-43.7~15.5 mm, 平均差值为-14.7 mm, 年差值为-176.3 mm, 新址年总降雨量比旧址偏少7.7%。
新、旧站址降水量有轻微的差别, 主要是两地距离约有5 km, 空间位置不一, 由于地区不同, 所受的太阳辐射及下垫面的不同, 在某一瞬间、某一短时间内的大气状态有所不同, 造成降水时间及降水量的差异。降水量的差异还受两站址不同的区域性天气系统影响[5]。
采用的资料为2015年马山站新、旧站址同期风向风速观测资料。新址年最多风向为ESE, 年平均风速为1.8 m/s, 极大风速为31.6 m/s;旧址最多风向为NW, 年平均风速为1.0 m/s, 极大风速为11.5 m/s。
有上述数据对比分析, 迁站后, 风向发生了很大的变化, 风速明显增大。分析认为, 海拔高度不同、周围障碍物影响地面观测风向风速的主要原因。在一定范围内, 风速随拔海高度的升高而增大, 新站址海拔高度较旧站址高51.0 m, 而且地处山顶, 周围无遮挡物, 故风速明显高于旧站址。而且旧站址周围建筑密集, 每一座建筑物都阻挡气流, 并在其背风面形成湍流, 造成新旧站风向、风速发生明显变化[4]。
由上述分析, 海拔高度、下垫面性质、周围环境等发生变化, 是造成新、旧站各气象要素产生差异的主要原因。迁站能使地面观测数据更具有代表性, 同时由于地理环境的改变, 导致气压、气温、风向风速等数据的连续性受到影响, 在气候统计、天气预报、气象服务时, 有必要进行订正, 特别是历年气温平均值, 新址数据偏低1.0℃左右, 影响较大, 可以利用气温随海拔高度变化的规律订正新址数据, 以减少迁站后观测场高度变化对气温连续性观测的影响。
摘要：采用2015年马山国家气象站新旧址对比观测的气压、气温、降水量、风向风速等观测资料分析探测环境变化对气象数据准确性、代表性和比较性的影响, 发现海拔高度、下垫面性质、周围环境则是造成各要素数据差异的主要原因。搬迁气象站可以改善气象探测环境, 使新站气象资料更加符合观测资料的代表性要求, 同时, 也会使地面气象观测数据的连续性变差。
关键词：对比观测,资料分析,差值,探测环境
[1] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社, 2003.
[2] 盛骤.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社, 2008.
[3] 寿邵文, 朱乾根, 林锦瑞, 等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社, 2000.
[4] 丘平珠, 程爱珍, 黄理.广西南宁自动气象站与人工气象站观测资料对比评估[J].广西气象, 2004, 25 (2) :30-32.
[5] 周淑贞.气象学与气候学[M].北京:高等教育出版社, 1997
[6] 秦大河.气象探测环境和设施保护办法[M].北京:气象出版社, 2004.
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