我国西北干燥区地面气象站观测环境代表性思考.pdf
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1、沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology研究论文第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月全球和区域气候变化监测及研究要求高质量的气候观测网络和历史、实时观测数据。但是,目前的中国和全球气候观测系统,以及建立在这些系统基础上的历史和实时数据,还存在诸多问题1。这些问题主要包括观测站网的空间覆盖度不足,大部分地区早期观测数据缺乏,多数现有站点对区域气候和大尺度气候变化的代表性欠缺,以及频繁迁站和更换仪器等引起的历史数据非均一性等2。上述问题是造成地面气候变化监测与研究结论不确定性的主要原因。就站点历史观测数据对大尺度气候变化特征描述的代表性而言,目前人
2、们十分关注地面气温序列中的城市化影响偏差。采用客观方法确定参考站网的研究证实,在中国大陆各类国家级台站过去几十年的地面气温资料序列中,存在明显的城市化影响正偏差,即包含着显著的局地人为变暖偏差3-6。但是,在先前的研究中也发现,在我国西北干燥区城市化对国家站和城市站地面气温序列影响偏差存在明显的特殊性,即:城市化过程不仅没有造成城市台站地面气温上升,反而引起年和暖季平均气温下降,与国内其他地区绝大部分台站截然不同3,7。这一现象在河西走廊和北疆地区尤为明显。在上述文献中,对这一特殊现象做过初步讨论,但对其具体原因,还缺乏第一手资料和深入分析。针对研究中发现的这一异常现象,以及其他相关研究中揭示
3、出的地面观测站代表性及资料序列质量和非均一性问题,2021 年 6 月 26 日7 月 4 日,我国西北干燥区地面气象站观测环境代表性思考任国玉1,2,任玉玉1,张颖娴1,张太西3,张思齐1,2,薛晓颖1,2,叶殿秀1,颉卫华1,3,吴秀兰3,曹华4,农丽娟1(1.国家气候中心,气候研究开放实验室,北京 100081;2.中国地质大学环境学院大气科学系,湖北武汉 430074;3.新疆气候中心,新疆乌鲁木齐 830002;4.酒泉市气象局,甘肃酒泉 736299)摘要:气候观测环境代表性和观测资料质量是开展大尺度气候变化监测和研究的前提。为了解我国干燥区气象观测环境变化和台站代表性,对河西走廊
4、和北疆 9 个国家级气象站观测环境开展了调研。结合先前研究结果,从气候变化监测和研究的视角,提出了针对西北干燥区地面观测站代表性问题的几点思考。目前我国西北地区气象站地面观测,对于干燥区的城市和绿洲区域气候及其变化,具有较高的代表性,但对更广大的荒漠和半荒漠背景气候及其变化,代表性仍显不足。早期研究中指出的北疆等地区城镇站地面气温序列负向城市化影响,应与观测场周围局地甚至区域尺度绿洲扩大有直接联系,较难反映绿洲以外干燥区地带性气温变化。针对地面观测环境调研发现的问题及其思考,提出几点建议,希望对未来国家基准气候站网设计和建设提供一定参考。关键词:观测环境;资料;西北;干燥区;气候变化;绿洲化;
5、城市化中图分类号:P468.021文献标识码:A文章编号:1002-0799(2023)04-0169-07收稿日期:2022-06-08;修回日期:2022-09-30基金项目:国家重点研发计划专项“全球变化及应对”项目“小冰期以来东亚季风区极端气候变化及机制研究”(2018YFA0605603)作者简介:任国玉(1958),男,研究员,主要从事气候变化监测、检测、归因研究。E-mail:任国玉,任玉玉,张颖娴,等.我国西北干燥区地面气象站观测环境代表性思考J.沙漠与绿洲气象,2023,17(4):169-175.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.04.0
6、23开放科学(资源服务)标识码(OSID):169研究论文研究论文沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月对河西走廊和北疆地区部分气象站进行了实地考察,包括在早期研究中发现地面气温序列中城市化影响出现负值的台站,调查评价了台站沿革、观测场周围环境变化以及自动与人工观测数据的一致性等问题。此次考察调研共走访 9 个站,包括 5 个国家基准气候站,3 个国家基本气象站,1 个国家一般气象站。本次考察调研增进了对我国西北干燥区部分基层观测站局地环境、观测环境时间演化过程以及自动观测与人工值守观测差异的了解,初步解答
7、了过去在气候变化研究中遇到的若干疑惑,提出了对我国新一代地面观测系统及气候变化监测、研究中存在问题的进一步思考。1台站观测环境及其变化此次调研重点在于了解当前和过去观测场周围环境情况,以及过去站址周边环境随时间演化情况,为理解不同级别国家站周围多个空间尺度上环境演化及其对观测记录影响提供第一手资料。1.1国家基准气候站1.1.1酒泉站1934 年建站,但早期观测记录缺失或不连续,需进一步发掘和数字化。1957 年 7 月 1 日至今,观测场坐落于酒泉市果园乡小坝沟村(乡村)。该站位于甘肃河西走廊酒泉市郊区,远离市中心,周边多为农田,临近的道路交通流量不大,观测环境总体较好(图 1)。观测场北侧
8、约 80 m 为办公室,1982 年建成,为 1 层建筑。办公用房位于冬季盛行风上风向,且距观测场较近,根据对其他地区观测场附近微环境影响的对比分析8,判断其对地面气温等要素观测可能具有一定影响,需要今后进一步评估。观测场外周边的裸地,已灌溉种植植物。图 1 酒泉国家基准气候站周边环境(N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW 为西北向)2003 年 1 月 1 日起自动气象站投入业务运行。2003 年 9 月沙尘暴观测场建成投入使用。2014 年采用自动仪器代替人工观测能见度,记录到 2014 年至今沙尘暴次数明显减少;基层观测人员
9、反映,记录的沙尘暴频次减少,可能同仪器自动判别方法存在局限性有关。1.1.2敦煌站1951 年建站于县政府东花厅,1954 年 1 月 1 日迁至敦煌市东城门外山危乡西河槽子乡村。敦煌自1937 年 4 月 28 日有地面气象观测,但早期资料缺失,需发掘和数字化。该站 1987 年前为国家基本站,后升级为国家基准气候站。目前,敦煌站西北侧 100 m 左右为气象办公楼,2015 年建成;西北方向更远处可见 78 层居民楼,在 2010 年前后建成;南边正在建设新的高层建筑。和酒泉站一样,观测场内保持与区域自然荒漠植被景观一致,但观测场周围种植大面积乔木和草本植物,显示出绿洲特征。2021 年观
10、测场外植被覆盖面积仍有增加。2001 年建成自动气象站,2003 年 1 月 1 日自动站投入业务运行,承担二级辐射、酸雨和沙尘暴观测任务。以前台站所在地为戈壁滩,由于城市发展,目前观测场周围建有居民区,但 100 m 内仍较为空旷。2014 年采用自动仪器代替人工观测能见度,沙尘暴日数自 2014 年明显偏少,雾霾日数增多,可能也同仪器测量自动判别标准有关。1.1.3乌兰乌苏站乌兰乌苏站 1953 年建成运行,位于天山北麓干燥区农业绿洲内,承担多项农业气象观测,观测场内保持自然荒漠景观条件,周边均为各类农业试验田。观测场周围无高大建筑,对绿洲气候观测来说环境总体良好。1.1.4乌苏站1953
11、 年建站。1996 年至今位于乌苏市友好路,属于市中心地带,周边为军队驻地,北侧 100 m 建有多栋 5 层和 1 层(平房)建筑,多为 20 世纪 90 年代建成;东南侧 100 m 外有军队训练设施,东侧100 m 外有部分 1 层建筑;在观测场附近的西北方向,2009 年前为戈壁荒漠自然景观,如今已建为公园;2016 年乌苏站对观测场进行改造,增加了绿植(图 2)。乌苏市于 2009 年设立开发区,城市绿化提速,植被覆盖面积增大。图 2乌苏国家基准气候站周边环境(N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW 为西北向)1701.1
12、.5阿勒泰站建站于 1954 年,观测场位于承化阿魏滩;1975年 11 月 1 日迁至阿勒泰市“阿魏滩、机场”(距原址600 m)。1990 年前后,在观测场北侧 100 m 左右建成 2 层办公建筑。该站处于机场管制区,周边开发受限,始终保持相对良好的观测环境(图 3)。2003 年 9月开始运行自动气象站观测。阿勒泰气象站远离市中心,观测环境的代表性较好,建站以来其观测环境没有太大改变,迁站只有1 次,且迁站距离短(约1 km),根据其他台站气温资料均一性研究经验,初步判断其对气温等敏感要素观测记录连续性影响不大。但是,数百米外生长有小片自然(间歇性河流河床)乔木林,与本底环境条件下的半
13、荒漠植被不同。图 3阿勒泰国家基准气候站周边环境(N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW 为西北向)1.2其他国家级气象站1.2.1乌鲁木齐站国家基本气象站。1960 年 11 月 1 日由乌鲁木齐市老满城地段迁至西郊小地窝堡民航机场;1976年 1 月 1 日由小地窝堡民航机场迁至乌鲁木齐市幸福路 27 号;2000 年 1 月 1 日迁到建国路 97 号。该站目前位于乌鲁木齐市区一低矮的台地上,周边建筑较多(图 4),计划近期再次搬迁。观测场内近自然半荒漠植被,但观测场周围绿化和建筑面积大。图 4乌鲁木齐国家基本气象站周边环境(
14、N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW 为西北向)2003 年 1 月 1 日自动气象站正式投入业务试运行;2003 年 1 月增加沙尘暴 B 类站预警观测;2005 年 7 月新增土壤湿度自动监测设备。1.2.2福海站国家基本气象站。1957 年建站于福海县城“东北郊外”;1978 年 1 月 1 日迁至县城“东郊”;1994 年10 月 1 日从“东郊”迁到人民东路 325 号;2016 年迁至县城“西郊”。2016 年迁址后,人民东路老站改为三要素自动站,并根据道路施工需要向北推进了30 m,2020 年底该自动站周边开始有加
15、油站等基础设施,西侧在 1990 年左右建成 45 层建筑,2010 年后周边开始大规模建设,已建成体育场、市民活动中心等设施。“西郊”新站址周边环境与阿勒泰站相近,观测场内保持地带性半荒漠状态,但外侧有较浓密植被。福海站在 2010 年前曾被选为参考气温站9,用于评估附近其他台站城市化对地面气温变化趋势估算的影响。当时周边 2 km 范围内建成区面积比例尚小,但后来观测环境逐渐恶化,最后一次迁站前的观测点附近,本身已受到较明显城镇化影响10。1.2.3富蕴站国家基本气象站。1955 年建站于可可托海三道桥;1961 年 1 月 1 日迁至县城二次河新城“西郊外”;1979 年 1 月 1 日
16、迁至县城“西郊”,迁站原因是旧站址靠近河道,受洪涝影响较大;1985 年再度迁至富蕴县西大街市区,2011 年起在观测场周边建成多栋 7 层建筑(图 5a);2017 年 1 月 1 日迁至额尔齐斯镇锦绣路 22 号(图 5b)。可可托海三道桥和二次河新城西郊外 2 个位置,目前已无观测设施,县城西大街市区目前保留自动站观测。ab图 5富蕴县气象观测场 2017 年迁站前周边环境(a,西大街市区,东北向)和富蕴县国家基本气象站2017 年迁站后(当前)周边环境(b,额尔齐斯镇锦绣路 22 号)(N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW
17、 为西北向)任国玉等:我国西北干燥区地面气象站观测环境代表性思考171研究论文研究论文沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology第 17 卷 第 4 期2023 年 8 月2003 年 9 月开始安装自动观测仪器;2004 年 1月 1 日自动站正式运行。目前站址位于郊区,周边环境较为空旷,无高大建筑群和耕地,受附近人为活动影响弱。站址三面环山,视野开阔,不论是观测场内部,还是外部可视范围内,植被和地表覆盖大体一致,较好地代表了半荒漠和荒漠山麓自然景观。1.2.4石河子站国家一般气象站。始建于 1952 年,1954 年迁至石河子农业研究院院内。目前观测
18、场周围为农业耕地和教学居民区。1990 年前后在石河子气象站和乌兰乌苏气象站之间建有发电厂,是否对地面观测带来一定影响,需要今后加以评估。石河子站周边为农业试验田,但试验田为狭长形状,站址位于试验田偏北段落。观测场三面均有建筑,西侧大约 60 m 处为气象办公楼,东侧不足 100 m为家属楼和部分低矮建筑,在东北和西侧各有一高大烟囱(图 6)。与乌鲁木齐等站一样,场内保持自然半荒漠景观,但场外植物覆盖茂密,为另一个典型的绿洲内城镇测站。图 6石河子国家一般气象站周边环境(N 为北向,NE 为东北向,E 为东向,SE 为东南向,S 为南向,SW 为西南向,W 为西向,NW 为西北向)2问题与思考
19、2.1观测环境变化总体特征针对各站的调研结果,受所在地区城市化和绿洲发展的影响,大部分气象站点周围中尺度到区域尺度观测环境发生了很大变化,部分气象观测场周围微观(微、小尺度)环境改变也已明显影响到地面观测的代表性(图 7)。这是西北干燥区国家级气象台站观测环境面临的共性问题。为减少周边城市建筑物的影响,一些站点由城区迁至当时的“郊区”,尽管一般仍在绿洲区域,但迁站还是可以造成气温等观测资料序列中的非均一性。2003 年前后人工站改自动站,也带来了多个气候要素和天气现象观测序列的非均一性。同时发现,几乎所有台站均缺少对微、小、中尺度观测环境变化的记录,例如,观测场周边大范围植树种草、绿洲和灌溉面
20、积扩大、城镇发展等改变局地到区域尺度下垫面性质的人类活动过程,站史沿革基本没有记录,但是这些土地利用和土地覆盖变化可能会深刻影响局地气温、相对湿度、风速、甚至降水等要素渐变过程。本次调研的 9 个站,以及北疆没有调研的其他台站,几乎都位于山麓或山前绿洲内,大部分位于绿洲中的城市里或附近。在准噶尔盆地内部,南疆的塔里木盆地内部,以及新疆中部的天山山区,观测站极为稀少,对大范围地带性的荒漠、半荒漠和非地带性的山地区域气候观测的代表性,显然不足。2.2台站观测环境变化的可能影响在先前的工作中,发现城市化对区域性地面气温变化趋势的影响,一般是造成明显的正偏差,即城市化致使台站观测的地面气温逐渐上升,导
21、致区域平均地面气温变化趋势估算出现了正的偏差;全国平均来看,20 世纪 50 年代以来,在国家基准气候站和基本气象站网观测数据中,此正偏差高于28%3,11。但是,研究也发现,河西走廊和北疆等西北地区若干台站,出现了相反的计算结果,即城市化致使部分国家站地面气温出现下降趋势,夏季负偏差更为明显3,6-7。对于西北干燥区这种负的城市化影响偏差,推测可能与台站附近城市化伴随着绿洲化的影响有关。大部分西北干燥区的城市台站,都经历着逐渐的城市化过程。这种趋势和全球陆地干燥、半干燥区所经历的快速城市化过程是一致的12。在城市发展中,城区及其观测场周围植被覆盖呈增加趋势。这种情况在河西走廊和北疆各站观测场
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