福州高空站新舊址地面氣象要素對比分析*

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,位于福州市鼓樓區烏山路108號(市中心小山頂),緯度26°05′N,經度119°17′E,與福州國家基準氣候站同址,區站號均為58847。隨著社會經濟的發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景區保護和開發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規劃》要求,烏山所有駐山單位應逐步搬遷,實現“還山于民”。2018年,福州高空氣象觀測站遷往福州市倉山區建新鎮淮安山(市郊區小山頂),緯度26°06′N,經度119°14′E,福州國家基準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區域站(站號F1038),承擔了氣壓、氣溫、濕度、降水量、風向、風速等部分地面區域站氣象要素的觀測[1-2]。

因高空站遷站使其與國家基準氣候站分離的情況較為罕見,58847站的氣象觀測數據能夠反映福州特別是福州城市中心的氣象要素特點,而F1038站位于城市郊區,其觀測數據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展對氣象要素的觀測影響提供一些參考[3-4]。同時,由于58847站屬于國家基準氣候站,有備份站以保障氣象業務在緊急情況下能夠正常運行。而F1038站作為區域站,沒有備份站,并且區域站在保障方面仍存在一些問題[5]。當數據出現缺測時,由于探測環境的改變會使兩站氣象要素出現不同[6],若是直接使用58847站數據代替則會出現一定誤差。若兩站氣象要素的變化具有一致性,那么后續可以通過大量同步觀測的氣象要素來對兩站資料進行訂正,實現兩站觀測數據的互通。

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年地面氣象數據資料進行對比,分析兩站氣象要素的相關性,并探討兩站出現差異的原因,為后續研究福州城市化影響及兩站數據訂正等工作提供參考。

2 站點情況及數據處理

2.1 站點情況

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內全部為建筑區,5～10km為建筑區與水體共存,10～20km為山地和農田。福州高空氣象觀測站新址(F1038站)周邊2km范圍內用地主要為農林用地、水域、綠地、居住用地、教育科研用地、商業服務業設施用地等,觀測場位置在福州中心城區南臺島北部淮安山上,處于三江交匯地區。

圖1 58847和F1038站點位置及周邊環境示意圖

2.2 數據處理

本文使用的資料為58847站和F1038站并行觀測的逐小時正點資料,起止時間為2020年12月1日21時至2021年11月30日20時,包括氣壓、氣溫、相對濕度、降水量、風向和風速六個要素,風向和風速使用的是10min平均風數據,數據采集頻率均為1h,數據經過福建省氣象信息中心質量控制,可以直接使用。本文在計算日平均時,若一天中缺測時次超過6次,則當日平均按缺測處理。

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系數為1.00(通過P<0.01置信度檢驗)。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系數為1.00(通過P<0.01置信度檢驗),相關性強。除3月外,F1038站的月平均氣溫都低于58847站(表2)。一方面是因為F1038站海拔較高,海拔越高,氣溫越低,另一方面是58847站位于市區中心,由于熱島效應會使城區氣溫高于郊區[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系數為0.95(通過P<0.01置信度檢驗),相關性較好。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,兩站最小相對濕度平均值均出現在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系數為0.92(通過P<0.01置信度檢驗),相關性較好。由于兩站地理條件的不同,相對于氣壓和氣溫兩站降水量相關性會弱一些,特別是降水量大的時候,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偏差較大的點(圖中箭頭處),經數據查找,分析表明偏差分別來自58847站2021年6月11日18—20時和F1038站2021年9月23日13—15時出現的局地性暴雨,這兩次暴雨發生時另一站點均無降水,因此兩站降水量出現差距較大的現象。

圖2 2020年12月至2021年11月58847站和

兩站降水量之間的季節變化規律較不明顯,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、四季度無明顯規律,這兩個季度也是臺風多發的時段,降水規律性不強。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較大差值。兩站降水量日變化在13—20時相差較大,且降水量大值也出現在這段時間,這可能是暴雨大多出現在這個時段,局地性的暴雨導致了兩站降水量出現較大差值。由于降水系統一般是自西向東移動,降水日變化的差異更可能是因為58847站在F1038站的東面,降水出現了時間上的錯位,降水更早出現在F1038站。5月和8月是全年降水量最高的兩個月,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 風向和風速

將風向均等分為16個方位(例如,E方位表示78.75—101.25°的風向,中心風向為90°),分別從風頻(該站點某個方向出現風的次數占全年次數的比例)相關系數和風向一致率(見表4,表中相關系數均通過P<0.01置信度檢驗)對兩站風向進行分析。其中,風頻相關性表示當月兩站各方向風頻之間的相關性,風向一致率表示當月在同一時段內兩站間風向的一致程度。在分析風頻一致性時去除了兩站靜風數據,且若兩站風向互相處于相鄰的兩個方位內,則將兩站風向視為一致。例如,某一時刻58847站風向為N,F1038站風向為NE,此時認為兩站風向一致。兩站1—8月主要以SSE和WNW為主導風向,9—12月主要以NE和WNW為主導風,兩站風頻在7—8月相關性較差,其余月份風頻相關性良好,這可能與7—8月出現的臺風有關,這段時間共有3個臺風登陸我國,并且都影響了福建。

表4 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站各月的風頻相關性及風向一致率

風向一致率可以判斷同一時刻兩站之間風向的一致情況(見圖4,將圖中黑色斜線路徑上的風向分布概率進行積分即可得到風向一致率),從表5可以看到兩站的風向一致性在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,結論可能具有一定的偶然性,另一方面則與兩站的地理環境差異有關。地形對局地風向有較大的影響,位于城區中心的58847站和處于三江口的F1038站都會受到山體、水體和城市效應的影響。F1038站點所處位置海拔高,且三面環江,經常形成小氣候,因此,風向規律性較差。而風頻則與環流背景有關,受地形影響較小,風頻相關性會比風向一致率高。

(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為兩站月平均風速統計表。F1038站在3月有12天存在數據缺測,不參與統計,表中相關系數均通過P<0.01置信度檢驗?？梢钥闯?1—5月、9—12月F1038站平均風速較大,6—8月58847站平均風速略大于F1038站,58847站與F1038站的全年平均風速分別為1.67m/s和2.12m/s,相差較小。除6月外,F1038站的最大風速更大,并且在4月、8—9月兩站最大風速相差較大。58847站和F1038站的月最大風速平均值分別為6.95m/s和7.58m/s,F1038站點四周相比于58847站更空曠,因此容易出現較大的風速。通過對兩站各月風速的相關性分析可以看到,1月、5月、8月兩站風速相關性較差,其余各月相關系數均在0.7以上,全年風速相關系數為0.67(通過P<0.01置信度檢驗)。由于本文僅使用了1年的風速數據,結果偶然性可能較大,后續兩站風速一致性的研究還需要更多數據來進行分析探討。

表5 2020年12月至2021年11月58847站和F1038站月風速

4 結論

通過對兩站并行觀測2020年12月1日21時至2021年11月30日20時的逐小時正點資料分析,從兩站的氣壓、氣溫、濕度、降水量、風向和風速的對比可以看到,兩站氣壓、氣溫、濕度、降水量的相關性較好,全年相關系數分別為1.00、1.00、0.95、0.92,風向和風速會因局地天氣過程和受地形影響,使兩站出現差異。

①由于兩站的海拔高度不同,58847站點海拔高度低于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,兩站降水量的季節變化規律較不明顯,局地性的暴雨會使兩站降水量出現較大差值。

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