孫 瑋 林 文 劉祥金 張華琳 游立軍 鄭文君

(1.福建省氣象臺,福建 福州 350000;2.福建省氣象科學(xué)研究所,福建 福州 350000;3.福建省氣象信息中心,福建 福州 350000)

1 概述

福州高空氣象觀測站于1952年10月建站,位于福州市鼓樓區(qū)烏山路108號(市中心小山頂),緯度26°05′N,經(jīng)度119°17′E,與福州國家基準(zhǔn)氣候站同址,區(qū)站號均為58847。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,福州高空氣象觀測站所在的烏山風(fēng)景區(qū)保護(hù)和開發(fā)問題得到各級政府的高度重視,按照《福州歷史文化名城保護(hù)規(guī)劃》要求,烏山所有駐山單位應(yīng)逐步搬遷,實(shí)現(xiàn)“還山于民”。2018年,福州高空氣象觀測站遷往福州市倉山區(qū)建新鎮(zhèn)淮安山(市郊區(qū)小山頂),緯度26°06′N,經(jīng)度119°14′E,福州國家基準(zhǔn)氣候站仍保留在舊址,兩站相距約6km。為滿足高空探測需求,福州高空氣象觀測站新址建立了一個(gè)區(qū)域站(站號F1038),承擔(dān)了氣壓、氣溫、濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速等部分地面區(qū)域站氣象要素的觀測[1-2]。

因高空站遷站使其與國家基準(zhǔn)氣候站分離的情況較為罕見,58847站的氣象觀測數(shù)據(jù)能夠反映福州特別是福州城市中心的氣象要素特點(diǎn),而F1038站位于城市郊區(qū),其觀測數(shù)據(jù)能代表福州城郊的氣象要素特征,兩站氣象要素的對比可以為分析福州城市化發(fā)展對氣象要素的觀測影響提供一些參考[3-4]。同時(shí),由于58847站屬于國家基準(zhǔn)氣候站,有備份站以保障氣象業(yè)務(wù)在緊急情況下能夠正常運(yùn)行。而F1038站作為區(qū)域站,沒有備份站,并且區(qū)域站在保障方面仍存在一些問題[5]。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測時(shí),由于探測環(huán)境的改變會使兩站氣象要素出現(xiàn)不同[6],若是直接使用58847站數(shù)據(jù)代替則會出現(xiàn)一定誤差。若兩站氣象要素的變化具有一致性,那么后續(xù)可以通過大量同步觀測的氣象要素來對兩站資料進(jìn)行訂正,實(shí)現(xiàn)兩站觀測數(shù)據(jù)的互通。

本研究將通過對福州高空氣象觀測站舊址和新址兩地氣象站(58847站和F1038站)同步觀測的1年地面氣象數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對比,分析兩站氣象要素的相關(guān)性,并探討兩站出現(xiàn)差異的原因,為后續(xù)研究福州城市化影響及兩站數(shù)據(jù)訂正等工作提供參考。

2 站點(diǎn)情況及數(shù)據(jù)處理

2.1 站點(diǎn)情況

如圖1所示,福州高空氣象觀測站舊址(58847站)位于福州市中心,觀測場四周5km內(nèi)全部為建筑區(qū),5～10km為建筑區(qū)與水體共存,10～20km為山地和農(nóng)田。福州高空氣象觀測站新址(F1038站)周邊2km范圍內(nèi)用地主要為農(nóng)林用地、水域、綠地、居住用地、教育科研用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地等,觀測場位置在福州中心城區(qū)南臺島北部淮安山上,處于三江交匯地區(qū)。

圖1 58847和F1038站點(diǎn)位置及周邊環(huán)境示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文使用的資料為58847站和F1038站并行觀測的逐小時(shí)正點(diǎn)資料,起止時(shí)間為2020年12月1日21時(shí)至2021年11月30日20時(shí),包括氣壓、氣溫、相對濕度、降水量、風(fēng)向和風(fēng)速六個(gè)要素,風(fēng)向和風(fēng)速使用的是10min平均風(fēng)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集頻率均為1h,數(shù)據(jù)經(jīng)過福建省氣象信息中心質(zhì)量控制,可以直接使用。本文在計(jì)算日平均時(shí),若一天中缺測時(shí)次超過6次,則當(dāng)日平均按缺測處理。

3 氣象要素分析

3.1 氣壓

兩站間的氣壓變化具有很好的一致性,全年日平均氣壓相關(guān)系數(shù)為1.00(通過P<0.01置信度檢驗(yàn))。由于兩站所處海拔高度不同,F1038站海拔為110.9m,高于58847站的84.1m,因此,58847站氣壓始終高于F1038站。58847站與F1038站的月平均氣壓差值在2.7～3.8hPa,月平均最低氣壓差值在2.5～2.9hPa,月平均最高氣壓差值在2.8～3.0hPa,兩站的最低、最高氣壓出現(xiàn)月份一致,7月氣壓最低,12月氣壓最高(表1)。

表1 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月氣壓

3.2 氣溫

在觀測資料所顯示的一年中,全年兩站日平均氣溫相關(guān)系數(shù)為1.00(通過P<0.01置信度檢驗(yàn)),相關(guān)性強(qiáng)。除3月外,F1038站的月平均氣溫都低于58847站(表2)。一方面是因?yàn)镕1038站海拔較高,海拔越高,氣溫越低,另一方面是58847站位于市區(qū)中心,由于熱島效應(yīng)會使城區(qū)氣溫高于郊區(qū)[7]。兩站月平均氣溫差值在-0.3～0.6℃之間,溫差較小,月平均最低和最高氣溫差值分別為0.1～1.1℃和-0.2～0.9℃,最低、最高氣溫出現(xiàn)月份一致,分別在1月和7月。

表2 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月氣溫

3.3 濕度

58847站和F1038站相對濕度的變化趨勢一致,兩站全年日平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.95(通過P<0.01置信度檢驗(yàn)),相關(guān)性較好。兩站全年平均相對濕度分別為74.5%和74.2%,3月F1038站平均濕度比58847站高4.2%,5、6月F1038站比58847站分別低3.5%和3.8%,其余各月相對濕度大小相當(dāng),兩站最小相對濕度平均值均出現(xiàn)在1月(見表3)。

表3 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月平均相對濕度

3.4 降水量

全年兩站日總降水量的相關(guān)系數(shù)為0.92(通過P<0.01置信度檢驗(yàn)),相關(guān)性較好。由于兩站地理?xiàng)l件的不同,相對于氣壓和氣溫兩站降水量相關(guān)性會弱一些,特別是降水量大的時(shí)候,兩站差異會更大。圖2為58847站日總降水量(R58847)和F1038站日總降水量(RF1038)分布,其中降水量的分布有兩個(gè)偏差較大的點(diǎn)(圖中箭頭處),經(jīng)數(shù)據(jù)查找,分析表明偏差分別來自58847站2021年6月11日18—20時(shí)和F1038站2021年9月23日13—15時(shí)出現(xiàn)的局地性暴雨,這兩次暴雨發(fā)生時(shí)另一站點(diǎn)均無降水,因此兩站降水量出現(xiàn)差距較大的現(xiàn)象。

圖2 2020年12月至2021年11月58847站和

兩站降水量之間的季節(jié)變化規(guī)律較不明顯,第一季度降水集中在夜間,第二季度降水集中在日落前后,而第三、四季度無明顯規(guī)律,這兩個(gè)季度也是臺風(fēng)多發(fā)的時(shí)段,降水規(guī)律性不強(qiáng)。圖3為兩站降水量差值的日變化,可以看出,第四季度兩站降水量差值最小,第二、三季度在午后到夜間降水量出現(xiàn)較大差值。兩站降水量日變化在13—20時(shí)相差較大,且降水量大值也出現(xiàn)在這段時(shí)間,這可能是暴雨大多出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段,局地性的暴雨導(dǎo)致了兩站降水量出現(xiàn)較大差值。由于降水系統(tǒng)一般是自西向東移動,降水日變化的差異更可能是因?yàn)?8847站在F1038站的東面,降水出現(xiàn)了時(shí)間上的錯(cuò)位,降水更早出現(xiàn)在F1038站。5月和8月是全年降水量最高的兩個(gè)月,F1038站全年總降水量為1372.4mm,低于58847站的1440.1mm。

圖3 2020年12月至2021年11月58847站和

3.5 風(fēng)向和風(fēng)速

將風(fēng)向均等分為16個(gè)方位(例如,E方位表示78.75—101.25°的風(fēng)向,中心風(fēng)向?yàn)?0°),分別從風(fēng)頻(該站點(diǎn)某個(gè)方向出現(xiàn)風(fēng)的次數(shù)占全年次數(shù)的比例)相關(guān)系數(shù)和風(fēng)向一致率(見表4,表中相關(guān)系數(shù)均通過P<0.01置信度檢驗(yàn))對兩站風(fēng)向進(jìn)行分析。其中,風(fēng)頻相關(guān)性表示當(dāng)月兩站各方向風(fēng)頻之間的相關(guān)性,風(fēng)向一致率表示當(dāng)月在同一時(shí)段內(nèi)兩站間風(fēng)向的一致程度。在分析風(fēng)頻一致性時(shí)去除了兩站靜風(fēng)數(shù)據(jù),且若兩站風(fēng)向互相處于相鄰的兩個(gè)方位內(nèi),則將兩站風(fēng)向視為一致。例如,某一時(shí)刻58847站風(fēng)向?yàn)镹,F1038站風(fēng)向?yàn)镹E,此時(shí)認(rèn)為兩站風(fēng)向一致。兩站1—8月主要以SSE和WNW為主導(dǎo)風(fēng)向,9—12月主要以NE和WNW為主導(dǎo)風(fēng),兩站風(fēng)頻在7—8月相關(guān)性較差,其余月份風(fēng)頻相關(guān)性良好,這可能與7—8月出現(xiàn)的臺風(fēng)有關(guān),這段時(shí)間共有3個(gè)臺風(fēng)登陸我國,并且都影響了福建。

表4 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站各月的風(fēng)頻相關(guān)性及風(fēng)向一致率

風(fēng)向一致率可以判斷同一時(shí)刻兩站之間風(fēng)向的一致情況(見圖4,將圖中黑色斜線路徑上的風(fēng)向分布概率進(jìn)行積分即可得到風(fēng)向一致率),從表5可以看到兩站的風(fēng)向一致性在3—5月、10—12月較好,其余各月都比較差。這一方面由于使用的對比觀測資料較少,結(jié)論可能具有一定的偶然性,另一方面則與兩站的地理環(huán)境差異有關(guān)。地形對局地風(fēng)向有較大的影響,位于城區(qū)中心的58847站和處于三江口的F1038站都會受到山體、水體和城市效應(yīng)的影響。F1038站點(diǎn)所處位置海拔高,且三面環(huán)江,經(jīng)常形成小氣候,因此,風(fēng)向規(guī)律性較差。而風(fēng)頻則與環(huán)流背景有關(guān),受地形影響較小,風(fēng)頻相關(guān)性會比風(fēng)向一致率高。

(a)2020年12月(b)2021年1月(c)2021年2月

(d)2021年3月(e)2021年4月(f)2021年5月

(g)2021年6月(h)2021年7月(i)2021年8月

(j)2021年9月(k)2021年10月(l)2021年11月

表5為兩站月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表。F1038站在3月有12天存在數(shù)據(jù)缺測,不參與統(tǒng)計(jì),表中相關(guān)系數(shù)均通過P<0.01置信度檢驗(yàn)?？梢钥闯?1—5月、9—12月F1038站平均風(fēng)速較大,6—8月58847站平均風(fēng)速略大于F1038站,58847站與F1038站的全年平均風(fēng)速分別為1.67m/s和2.12m/s,相差較小。除6月外,F1038站的最大風(fēng)速更大,并且在4月、8—9月兩站最大風(fēng)速相差較大。58847站和F1038站的月最大風(fēng)速平均值分別為6.95m/s和7.58m/s,F1038站點(diǎn)四周相比于58847站更空曠,因此容易出現(xiàn)較大的風(fēng)速。通過對兩站各月風(fēng)速的相關(guān)性分析可以看到,1月、5月、8月兩站風(fēng)速相關(guān)性較差,其余各月相關(guān)系數(shù)均在0.7以上,全年風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.67(通過P<0.01置信度檢驗(yàn))。由于本文僅使用了1年的風(fēng)速數(shù)據(jù),結(jié)果偶然性可能較大,后續(xù)兩站風(fēng)速一致性的研究還需要更多數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析探討。

表5 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月風(fēng)速

4 結(jié)論

通過對兩站并行觀測2020年12月1日21時(shí)至2021年11月30日20時(shí)的逐小時(shí)正點(diǎn)資料分析,從兩站的氣壓、氣溫、濕度、降水量、風(fēng)向和風(fēng)速的對比可以看到,兩站氣壓、氣溫、濕度、降水量的相關(guān)性較好,全年相關(guān)系數(shù)分別為1.00、1.00、0.95、0.92,風(fēng)向和風(fēng)速會因局地天氣過程和受地形影響,使兩站出現(xiàn)差異。

①由于兩站的海拔高度不同,58847站點(diǎn)海拔高度低于F1038站,因此氣壓始終高于F1038站;海拔差異和城市熱島效應(yīng)使58847站平均氣溫高于F1038站,且在1—7月、12月58847站的氣溫日較差大于F1038站,其余月份則相反,兩站全年平均相對濕度差異較小。

②F1038站的全年降水量低于58847站,兩站降水量的季節(jié)變化規(guī)律較不明顯,局地性的暴雨會使兩站降水量出現(xiàn)較大差值。

③除7—8月外,兩站風(fēng)頻相關(guān)性較好,但兩站風(fēng)向一致性較差,出現(xiàn)差異的原因主要是地形及下墊面性質(zhì)不同導(dǎo)致。F1038站的月平均風(fēng)速除6—8月外,其余均大于58847站,月平均最大風(fēng)速和月最大風(fēng)速基本都是F1038站更大。