探测环境改变对新疆吐鲁番地区辐射观测的影响分析

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摘要：选取新疆维吾尔自治区吐鲁番站近30年（1985-2014年）总辐射量、日照时间资料，将其与乌鲁木齐、焉耆两站同期资料进行对比分析，并使用SPSS和R软件对年度资料进行了均一性检验。结果表明，因探测环境遭受严重破坏，吐鲁番观测站辐射量、日照时间资料与两参照观测站辐射量、日照时间资料相比一致性较差，其中1992、2010年总辐射量资料发生了不连续变化，2010年日照时间资料发生了不连续变化（未通过0.01显著水平检验）；月值自2010年起每年1-3月、9-12月总辐射量、日照时间资料均发生了不连续变化（未通过0.01显著水平检验）。探究其原因，是因吐鲁番站观测场正南方和西南方密集重叠的高层建筑，秋冬季随着太阳高度角的变化遮蔽了整个观测场所致。

关键词：探测环境；辐射；日照；影响；新疆维吾尔自治区吐鲁番

中图分类号：P422.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5483-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.012

Impact Analysis of the Detection Environment Change on the Observation of Irradiance in Turpan，Xinjiang

QIN Rong1，YAO Zuo-xin1，YANG Yan-ling2，JING Li-hong3，YANG Xian4，WANG Xiu-qin5，XING Zhi-fang2

（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi 830002，China；2.Meteorological Bureau of Hami Prefecture，Hami 839000，Xinjiang，China；3.Meteorological Bureau of Tacheng Prefecture， Tacheng 834700， Xinjiang， China； 4.Meteorological Bureau of Urumqi City， Urumqi 830002， China； 5.Meteorological Bureau of Xinjiang， Urumqi 830002， China）

Abstract： The data of total radiation and sunshine duration of Turpan meteorological observatory in Xinjiang Uygur autonomous region in last 30 years（1985-2014） were selected for a comparative analysis with the data of Urumqi and Yanqi meteorological observatory of the same period，and the SPSS and the R analysis software were used for the homogeneity test of annual data. The results showed that，the data of radiation and sunshine duration of Turpan meteorological observatory and that of the comparative meteorological observatories had poor coherence as the detection environment having been severely damaged. Of which，the total radiation data occurred uncontinuous changes in 1992 and 2010 and the sunshine duration data occurred uncontinuous change in 2010（failing to pass the significance level test at α=0.01）. Since 2010，the data of total radiation and sunshine duration of every month from January to March and September to December has occurred uncontinuous changes（failing to pass the significance level test at α=0.01）. The explanation is that the clusters of high-rise buildings in south and southwest of Turpan observation site overshadow the whole observation site with the changes of sun elevation angles in autumn and winter.

Key words： detection environment； radiation； sunshine； impact； Turpan of Xinjiang Aygur autonomous region

氣候资料是进行气候变化研究及气候预测的基础[1-4]，气候资料除携带区域气候变化自身的因素外，还携带许多大气环境信息，其中包括城市化和土地利用等人为影响因素[5-12]，以及台站迁徙、仪器变更及资料处理过程中所采用的方式变更等因素，这些均可使单站气候资料携带有非均一的信息[13-22]，这些非气候变化的因素可能会导致气候资料序列研究产生矛盾的结论。因此，近年来很多权威学者对于减少气候资料的非均一性做了大量的研究工作。从20世纪末开始，随着中国经济的高速发展，大量气象台站被城市包围，或成为城市中心区域，其观测的气候资料已经不能真实的代表大气状况；为使气候资料具有代表性，中国气象局对大量已严重城市化的台站进行了迁徙，而关于城市化对气候资料的影响和站址搬迁前后资料的对比分析多见于对其单一分析的研究[1-22]。吐鲁番站是世界上海拔最低的盆地气象站，由于台站四周环境恶化，不仅导致温度、湿度、风等资料的连续性受到直接影响，而且对辐射及日照资料的观测也产生了巨大影响，而以往分析的结果表明探测环境变劣很少会波及到辐射资料，虽然辐射还受到大气透明度、云、降水、湿度等诸多因素的影响，对吐鲁番地区而言，冬、春季少云，降水偏少，在大气透明度极好的情况下，观测场四周高大障碍物的出现对所观测的辐射资料带来了一定的影响。本研究利用新疆维吾尔自治区吐鲁番国家站与同期乌鲁木齐、焉耆2个相邻站的总辐射量、日照资料进行对比分析，用一元线性回归方法进行区域一致性和均一性分析，找出非均一性的年、月，同时找出影响总辐射量、日照观测资料非均一性变化的根本原因，对断点资料进行插补订正，为气象服务及科研工作提供直接有效的服务。

1 台站探测环境情况及资料选取

1.1 观测站基本情况

吐鲁番辐射站始建于1960年2月，站址位于吐鲁番市老城东门外（东经89°14′，北纬42°58′），观测场海拔高度30.0 m；1992年7月1日由人工观测改为自动观测；1994年起大规模兴建楼房，至2009年以后，在观测场直线距离90 m的东南方至西南方分别建成数栋高层建筑，最高仰角达38.4°，探测环境遭到严重破坏（图1），2013年环境评估仅得61.4分。目前恶劣的环境状态已使得观测站所获取的资料将完全失去代表性、准确性、比较性气象资料的要求。

1.2 资料选取与方法

为了分析城市化对吐鲁番站辐射量观测资料的影响，选取乌鲁木齐、焉耆2个站为参考观测站，参考观测站选择的标准是：第一，与吐鲁番距离较近，即属于同一气候大区；第二，参考站观测资料序列与吐鲁番站平行年代长，且未迁过站；第三，参考观测站多年来探测环境变化小。

为保证资料的一致性，采用吐鲁番站、参考观测站最近30年（1985-2014年）的总辐射量、日照时间资料进行对比分析，并对1985-2009年辐射量、日照资料进行相关性检验，检验结果除吐鲁番与乌鲁木齐辐射资料相关性不够显著外，其他资料相关性均显著。所用资料来源于新疆气象信息中心，且滤去了气候变化的影响因素，只携带环境变化的影响因素。

采用一元线性回归方法进行区域一致性和均一性分析，同时对吐鲁番站1985-2009年和2010-2015年的资料进行区域一致性分析，并对各要素进行t检验[23]和F检验[24]，用以分析资料的均一性变化。

2 结果与分析

2.1 总辐射量、日照时间的变化

2.1.1 总辐射量、日照时间年变化趋势 利用回归分析方法建立吐鲁番站与乌鲁木齐站、焉耆站总辐射量和日照时间随时间序列的一元线性回归方程，对其变化趋势进行分析（图2）。

图2a是吐鲁番与乌鲁木齐、焉耆站1985-2014年总辐射量资料变化趋势。由图2a可见，乌鲁木齐站由于辐射仪器老化，造成2012年总辐射值异常偏低。1985-2009年期间吐鲁番站总辐射变化趋势介于乌鲁木齐与焉耆站之间，高于乌鲁木齐站；2009年以后吐鲁番站总辐射量资料随时间变化趋势与参考站相反，总辐射量以-78.44 MJ/（m2·10年）的速率显著减小，乌鲁木齐、焉耆站以132.73、52.98 MJ/（m2·10年）的速率显著增加。

图2b是吐鲁番与乌鲁木齐、焉耆站1985-2014年日照时间变化趋势图。由图2b可见，1985-2003年吐鲁番站日照时间变化趋势均高于乌鲁木齐站，与焉耆站基本同步，2004年呈现出不规律下降趋势，2009年以后日照时间下降极为显著，并以-124.43 h/10年的速率显著减小，其降幅跌破历史平均值且低于2个参考站，线性趋势的差异随时间推移在不断增大，而同期乌鲁木齐、焉耆两站表现为显著增加趋势，其倾向率分别为163.57、88.94 h/10年，表明吐鲁番站与乌鲁木齐、焉耆站区域一致性越来越差，且吐鲁番站日照时间减少速率明显大于总辐射量减少速率，原因在于总辐射量是指水平面上，天空2π立体角内所接收到的太阳直接辐射量和散射辐射量之和，具有一定的区域性；而日照时间则是太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2的那段时间总和。

2.1.2 总辐射量、日照时间月变化 分别绘制了1985-2009年（25年）、2010-2014年（5年）各月平均总辐射量、月平均日照時间分布图（图3）。由图3可知，4-9月两者基本同步，10-12月与1-3月差值呈逐步分离状态。结合实况记录进行分析发现，自2010年9月起每天正午12：00后日照时间逐步减小，直至11月18日至翌年1月27日前后（平均70 d）12：00后日照记录均为0.0 h；从理论上分析，北半球每年9月23日（秋分）前后，日照时间随之缩短，至12月22日（冬至）前后，北半球日照时间最短。随后日照时间由最短开始慢慢延长，至翌年3月21日（春分）左右，日照时间延长。由此结合图1，从吐鲁番站日照时间原始记录分析发现，2009年以后，每年的9月23日至翌年3月21日期间，观测场正南方和西南方密集重叠的高层建筑从正午12：00之后，随着太阳高度角的逐步减小，逐渐将整个观测场遮蔽，12月22日冬至过后随着太阳高度角增大，观测场遮蔽面积逐步增大。受太阳活动及台站周边探测环境影响导致每年11月18日至翌年1月27日前后近70 d时间正午12：00后无任何日照记录。其他冬半年资料也随着太阳高度角的减小或增大采集到与实际大气状况完全不符的数据（查询该时段的云量、湿度、降水、视尘现象发现，仅低云量对总辐射量及日照有些影响）。可以判定自2010年起整个冬半年所观测的总辐射量和日照时间资料不能真实代表当时的天空状况。

2.1.3 总辐射量、日照时间季变化 根据对总辐射量、日照时间实况资料及站址探测环境改变年代综合分析，将1985-2014年分为1985-2003、2004-2014年（第一种断点方式，辐射仪器换型，探测环境改变，但不是很明显）与1985-2009、2010-2014年（第二种断点方式，探测环境受到严重破坏）2个断点，重点分析2种断点方式下2个时段总辐射量、日照时间平均值差值，结果（表1）表明，吐鲁番站总辐射量、日照时间平均值差值表现出十分明显的时间性和季节性变化特点。

从表1可以看出，春季除第二种断点方式总辐射量差值偏大外（12.81 MJ/m2），其他差值相对偏小；夏季总辐射量差值为负值（-8.16 MJ/m2），与近几年夏季短时对流天气频发有直接关系。秋、冬季总辐射量差值和日照时间差值都表现出异常偏大，且第二种断点方式的总辐射量差值和日照时间差值均在40.00 MJ/m2和40.00 h以上，从侧面反映出2003年之后探测环境就在逐步恶化，到2009年后环境变劣发展到巅峰状态（66.66 h），进一步证明了台站观测环境的改变对辐射量和日照时间观测值的影响是完全一致的。另外，从表1也可以看出，夏季因太阳高度角大对平均值差值影响相对较小，而秋、冬季随着太阳高度角的逐渐减小，导致秋冬季差值明显增大，春季次之，主要原因是观测站东南至西南方向密集重叠的高层建筑严重阻挡了阳光照射，从而导致总辐射量、日照时间迅速减小，使资料序列发生了不连续变化。

2.2 资料序列均一性分析

2.2.1 总辐射量、日照时间年值均一性 在对气象资料均一性研究中，发现许多气象资料非均一性是由于观测站位置的迁徙、周围环境的改变、观测仪器和安装方法的更新等所造成的。特别是随着城市化的加速，新的观测设备的采用，这一情况就更为突出[8]。对吐鲁番站1985年以来观测资料的年月值序列进行均一性分析，首先采用最大F检验[24]，对年辐射量和年日照时间进行检验，检验出在95%的显著性水平下，年辐射量数据在2010年存在显著的跳变点，而年日照时间在2011年存在显著跳变点；虽然在1992年辐射仪器存在仪器换型，但通过检验发现，该时间点并没有检测出显著的趋势拐点，这可能和PMFT方法的检验特点有关，在检验过程中，该变化被要素本身历史变化趋势的演变所掩盖。应用t检验方法[23]（显著水平为0.01）对其年值序列分别进行检验，结果发现两种检验方法都表现出2010年以后，观测场四周相继建成多处商业楼和高层住宅楼，观测站环境变劣达到巅峰，使吐鲁番站年总辐射量、日照时间资料产生了拐点；另外，由于辐射仪器1992年7月由人工观测改为自动观测，也使年总辐射量资料产生了拐点，但不是很明显，两种检验结果都显示出2010年以后有断点，具体见图4。

2.2.2 总辐射量、日照时间月值均一性 采用t检验和F检验，对吐鲁番站1985-2009年观测资料的平均值和2010-2014年观测资料的平均值进行显著性检验，以显著性水平达到0.01作为通过检验的标准，检验要素包括总辐射量、日照时间月值，检验结果见表2。由表2可见，检验年份内1-3月、9-12月未通过0.01的显著性水平检验，仅4-8月通过了显著性水平检验；各要素的月值差异显著，秋末及整个冬季影响极其明显，全年各月仅有42%通过了显著性检验，比较而言，年值从2009年以后总辐射量资料不能连续使用，月值2009年后1-3月、9-12月总辐射量资料不能连续使用，仅4-8月数据可连续使用。

2.3 影响辐射量的主要气象要素变化

利用倾向趋势法[23]对吐鲁番四季云量、日照时间变化趋势及其显著性进行分析，结果见表3；利用相关分析法[23]分析总辐射量、日照时间与各气象要素间的相关关系，并对影响总辐射量、日照时间变化的原因进行初步分析，结果见表4。

2.3.1 云量、相对湿度、降水量的变化趋势 由表3可知，吐鲁番近30年总云量、相对湿度呈不同程度的减少趋势，以年最为明显，减幅分别为2.00成/10年、25.04个百分点/10年（P<0.01），四季减幅分别为0.20～0.71成/10年、5.00～6.60个百分点/10年。近30年四季和年低云量呈不同程度的增加趋势，冬季增幅最小，增幅为0.01成/10年；年增幅最为明显，增幅为1.37成/10年（P<0.01）。从1985-2014年降水量的气候倾向率来看，除冬季以0.63 mm/10年的速度增加外，其他季节和年降水量呈不同程度的减少趋势，以年降水量最为明显，减幅为1.47 mm/10年。

2.3.2 云量、相对湿度、降水量与日照时间、总辐射量的相关性 从吐鲁番四季、年日照时间与云量、相对湿度和降水量的线性相关系数分析结果（表4）来看，除年日照时间与总云量呈正相关外，四季日照时间与总云量呈负相关，尤其是春、夏季较显著。年、春季、夏季、秋季日照时间与低云量呈显著负相关，尤其是年、秋季达到极显著水平。年、季日照时间与相对湿度、降水量关系不大。总辐射量除与年总云量、年和秋季低云量呈显著负相关外，与其他指标关系均不大。

2.3.3 日照时间、总辐射量减少的主要原因 根据以上分析，大部分季节总辐射量、日照时间与云量、相对湿度和降水量均表现为负相关，年日照时间除与低云量为极显著的负相关关系外，与总云量、相对湿度和降水量均呈正相关；年总辐射量与相对湿度呈正相关，与云量、降水量呈较明显的负相关。从表3和表4来看，近30年总云量、相对湿度和降水量均呈减少趋势，只有低云量呈增加趋势，这说明吐鲁番站总辐射量、日照时间减少与低云量的增加也有一定关系。

4 结论

1）吐鲁番站总辐射量、日照时间资料与参照站相比一致性较差，1992、2010年，总辐射量、日照时间在显著性水平0.01的条件下资料发生了不連续；2010年起，除4-8月外，其他月份的总辐射量、日照时间资料在显著性水平0.01的条件下未通过检验，即资料发生了不连续。

2）2010年至今，总辐射量、日照时间资料每年11月18日至翌年1月27日前后（平均70 d）每天正午12：00以后日照时间均为0.00 h，主要原因是太阳高度角的变化及探测环境变化导致整个午后观测场全部被障碍物遮蔽所致；而次要原因为低云量呈增加趋势，秋季增幅为0.46成/10年（P<0.01），冬季增幅为0.01成/10年，年增幅为1.37成/10年（P<0.01）。

3）城市化对年变化影响最为显著，四季表现及影响各不相同，秋末至整个冬季表现最为显著。

4）吐鲁番站年值资料自2009年以后总辐射量、日照时间资料不能连续使用；月值资料2009年后1-3月、9-12月总辐射量、日照时间资料不能连续使用，仅4-8月资料可连续使用。

5）对检验出的断点资料要进行插补订正，方可为各行各业气象服务及科研工作提供直接有效的服务。

参考文献：

[1] 高晓容，李庆祥，董文杰.五台山站历史气候资料的均一性分析[J].气象科技，2008，36（1）：112-118.

[2] 鞠晓慧，屠其璞，李庆祥.我国太阳总辐射月总量资料的均一性检验及订正[J].南京气象学院学报，2006，29（3）：336-341.

[3] 江志红，黄 群，李庆祥.近50年中国降水序列均一性检验与订正研究[J].气候与环境研究，2008，13（1）：67-74.

[4] 王秋香，周昊楠，陈晓燕.单站资料均一性对本地气候资料趋势结果的影响[J].沙漠与绿州气象，2010，4（4）：1-5.

[5] 郑玉萍，李景林，赵书琴，等.乌鲁木齐近48a城市化进程对降水的影响[J].干旱区地理，2011，34（3）：442-448.

[6] 潘竟虎，李宝娟.基于空间PCA的兰州市热环境人文驱动因素分析[J].干旱区地理，2011，34（4）：662-669.

[7] 张 健，章新平，王晓云，等.北京地区气温多尺度分析和热岛效应[J].干旱区地理，2010，33（1）：51-58.

[8] 李景林，郑玉萍，赵书琴，等.乌鲁木齐及昌吉两城市发展对日照时数的影响分析[J].干旱区地理，2009，32（4）：519-526.

[9] 程胜龙，王乃昂.近70年来兰州城市气温的变化[J].干旱区地理，2004，27（4）：558-563.

[10] 车慧正，张小曳，李 杨，等.近50年来城市化对西安局地气候影响的研究[J].干旱区地理，2006，29（1）：53-58.

[11] 司 鹏，李庆祥，轩春怡.城市化对北京气温变化的贡献分析[J].自然災害学报，2009，18（4）：138-144.

[12] 翟盘茂，任福民.中国近四十年最高最低温度变化[J].气象学报，2997，55（4）：418-429.

[13] 张晓平，周春珍，郝传静，等.平阴国家气象站迁移对比观测资料差异分析[J].山东气象，2009，29（3）：29-31.

[14] 王秋香，李庆祥，周昊楠，等.中国降水序列均一性研究及对比分析[J].气象，2012，38（11）：1420-1428.

[15] 周吴楠，陈晓燕，王秋香.昌吉站迁站对温压降水要素影响的分析[J].沙漠与绿州气象，2010，4（5）：40-43.

[16] 王 颖，刘小宁.自动站与人工观测气温的对比分析[J].应用气象学报，2002，13（6）：741-748.

[17] 任芝花，冯明农，张洪政，等.自动与人工观测降雨量的差异及相关性[J].应用气象学报，2007，18（3）：358-363.

[18] 袁云贵，宋彦棠.都匀市气象局迁站对比观测各气象要素差异分析[J].贵州气象，2008，32（2）：31-33.

[19] 苑 跃，赵晓莉，王小兰，等.自动与人工观测风速和风向的差异分析[J].气象，2011，37（4）：490-496.

[20] 沈 艳，任芝花，王 颖，等.我国自动与人工蒸发量观测资料的对比分析[J].应用气象学报，2008，19（4）：463-470.

[21] 曹丽娟，肖苏君.内蒙古自动站与人工观测数据差异对比分析[J].气象与环境学报，2010，26（5）：64-68.

[22] 王 颖，刘小宁，鞠晓慧.自动观测与人工观测差异的初步分析[J].应用气象学报，2007，18（6）：849-855.

[23] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象科学出版社，2000.27-28.

[24] 曹丽娟，鞠晓慧，刘小宁.PMFT方法对我国年平均风速的均一性检验[J].气象，2010，36（10）：52-56.

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