北京怀柔站地面气温资料均一化及其对气候趋势分析的影响

张雷 任国玉 周雅清 任玉玉

国家气候中心

1. 选题背景及研究意义

(IPCC,2007)

站址迁移、仪器变更等人为因素，使台站观测记录出现不连续现象，造成了气候资料序列的非均一性。然而，只有利用均一的长序列气候资料才能准确地检测气候变化。

2.1 资料

2. 资料与方法

本研究采用北京地区 3 个气象站日最高、最低气温资料，资料来源于国家气象信息中心。资料选用时段为 1960 ～ 2008 年，一些台站存在少量的缺测现象，但不影响资料的可靠性。

气象台站基本信息

台站号 站名 经度(°E)

纬度(°N)

海拔 (m)

开始记录年份 迁站情况 台站类型 常住人口 (10

3)

54419 怀柔 116.62 40.37 76 1959 1964 年 8 月 1 日 一般站 74.6

1996 年 7 月 1 日54421 上甸子 117.12 40.65 293 1958 1988 年 1 月 1 日 一般站 山区54597 霞云岭 115.72 39.72 408 1959 一般站 山区

乡村参考站的选取，综合参考了初子莹（ 2005 ）和周雅清等（ 2005）的方法，确定上甸子和霞云岭 2 个站位乡村站参考站。其中怀柔和上甸子站有过迁站经历，上甸子站仅在 1988 年 1 月有过 1 次迁移，水平距离变化不超过 150 米，高度增加约 20m ，台站站址空间位置变化很小。怀柔站有 2 次迁址记录，台站的空间位置及周围环境变化较大。

1

2

3

1

2

3

怀柔站的站址（ 1 为 1964 年前的站址， 2 为 1964 年到 1996 年的站址， 3 为 1996 年后的站址）

怀柔站的迁站过程

2.2 资料的均一性检验

采用滑动 t 检验方法对有迁站经历的怀柔和上甸子站的最高、最低气温序列进行均一性检验，如资料存在非均一性就必须进行订正。

1. 由各单站月最高、最低气温的时间序列 T ，建立各单站逐月的气温变化序列

2. 计算待检站和两个参考站逐月气温变化序列的相关系数，利用相关系数 的平方作为权重建立参考站气温变化序列 ，反算得到参考序列 T'

3. 以该月目标序列与参考序列的差值序列在不连续点前后 5 年的差值作为月补偿值，如果不连续点前后资料不足 5 年，则取最长年份计算差值。然后将月补偿值线性插值到每日，得到日订正值 Ta

4. 进行非均一化订正后的值为 其中 Tda 表示订正后的日资料， Td 表示订正前的日资料， Ta 表示日订正值

。

2.3 怀柔站气温资料的均一化订正

jijiji

TTdt

dT,,1

,

'

dt

dT

dt

dT

'

,

',

',1

jijiji dt

dTTT

adda TTT

2.4 城市化影响分析

1. 城市化影响 (ΔTur) 的表达式为： ΔTur = Tu - Tr 其中， Tu 为城市站气温的变化趋势 ， Tr 为参考站气温的变化趋势 。

2. 城市化影响贡献率（ Eu ）的表达式为： 实际中，多数情况 0≤Eu≤100% ，但少数情况下Eu 可能为负值或超过100%，说明可能存在某种尚未认清的局地因子影响。

00

00 100100

u

ru

u

uru T

TT

T

TE

台站迁移引起的气温序列非均一性及其订正后对线性趋势影响

3.结果分析3.1 怀柔气象站资料的非均一性检验

-9

-6

-3

0

3

6

9

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-9

-6

-3

0

3

6

9

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-6

-3

0

3

6

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-6

-3

0

3

6

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

(a)

滑动t统计量

怀柔站最低（ a ）、最高（ b ）气温滑动 t统计量曲线（黑实线为 a=0.01显著性水平临界值）

(b)

怀柔站年最低、最高气温滑动 t统计量的曲线，序列长度 n=49 ，子序列长度 n1=n2=3 。对比历史沿革资料验证怀柔站日最低、最高气温在 1964 、 1996 年附近存在不连续点，因此对怀柔站资料的订正是必要的。对上甸子站进行的检验并未发现显著性断点，没有进行订正。

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

3. 5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Day日数

1964 mi ni mum temperature最低气温 1964 maxi mum temperature最高气温

1996 mi ni mum temperature最低气温 1996 maxi mum temperature最高气温

怀柔站日最低、最高气温均一化订正值 ( 单位：℃ )

气温订正值（单位：℃）

订正后的怀柔站年最低气温整体下降 1.377℃，年最高气温下降 0.271℃，最低气温的订正幅度明显大于最高气温。说明怀柔站在市区时，受城市化影响气温较高，且出现了“非对称”现象，即最低气温较最高气温受城市化影响更严重。 1996 年怀柔站从市区迁到乡村，最低气温的订正值存在明显的季节差异，冬季的订正值最大，夏季的订正值最小；最高气温夏季订正值最小，秋、春季较大。

怀柔站订正前、订正后和参考序列的年最低、最高气温（单位：℃），黑实线为趋势线

3

4

5

6

7

8

9

1960 1970 1980 1990 2000 2010

(a)最低气温 minimum temperature

14

15

16

17

18

19

20

1960 1970 1980 1990 2000 2010

（b）最高气温 maximum temperature

订正前 Before correction 订正后 After correction 参考序列 Reference series

气温（单位：℃）

3.2 怀柔站订正前、后和参考序列

订正前无论是最低气温还是最高气温的城市化影响均很小分别为 -0.004 /10a ℃、 -0.035 /10a℃ ，订正后城市化影响变得很大为 0.388 /10a℃ 、 0.096 /10a℃ ，订正后城市化影响都增大，且最低气温城市化影响增加更明显。

怀柔站最低、最高气温订正前后的城市化影响（单位：℃ /10a ）及城市化影响贡献率（单位：％）

　 订正前 订正后 差值

最高气温 怀柔站 0.204 0.335 0.131

城市化影响 -0.035 0.096 0.131

城市化影响贡献率（％） -16.9 28.8 45.7

最低气温 怀柔站 -0.006 0.385 0.391

城市化影响 -0.004 0.388 0.392

城市化影响贡献率（％） 56.5 100.8 44.3

3.3 怀柔站最低、最高气温订正前后的城市化影响

最高、最低气温的城市化影响贡献率订正前为 -16.9％、 56.5％，订正后增加到 28.8％、 100.8％。

（ 1 ）订正后的怀柔站年最低气温整体下降 1.377℃，年最高气温下降 0.271℃，最低气温的订正幅度明显大于最高气温。说明怀柔站在市区时，受城市化影响气温较高，且出现了“非对称”现象，即最低气温较最高气温受城市化影响更严重。

（ 2 ） 1996 年怀柔站从市区迁到乡村，最低气温的订正值存在明显的季节差异，冬季的订正值最大，夏季的订正值最小；最高气温夏季订正值最小，秋、春季较大。

（ 3 ）订正前无论是最高气温还是最低气温的城市化影响均很小分别为 -0.035℃/10a、 -0.004℃/10a，订正后城市化影响变得很大为 0.096℃/10a、 0.388℃/10a，订正后城市化影响都增大，且最低气温城市化影响增加更明显。最高、最低气温的城市化影响贡献率订正前为 -16.9％、 56.5％，订正后增加到 28.8％、 100.8％。

4.结论

1. 订正前后最低气温趋势的变化较最高气温更加明显，表现出明显的“不对称性”，说明最低气温受环境变化的影响更加敏感。

2. 订正过程一方面解决了资料的不均一性问题，另一方面恢复了城市化对最高、最低气温的影响，尤其是对最低气温的影响更加明显。这说明，在订正了由于迁站引起的非均一性偏差以后，进一步对资料序列中的城市化影响进行订正是十分必要的。

5.讨论

敬请各位专家老师批评指正！

1. 选题背景及研究意义2. 资料与方法 2.1 资料 2.2 资料的均一性检验 2.3 怀柔站气温资料的均一化订正 2.4 城市化对极端气温指数的影响3.结果分析 3.1 怀柔站资料的非均一性检验 3.2 城市化对北京站极端气温指数的影响4.结论5.讨论

1.1 研究意义和内容

技术路线

计算单站极端气温指数的阈值

建立单站季、年极端气温指数的距平序列

计算乡村站极端气温指数距平区域平均序列的线性趋势并检验其显著性

计算城市化对极端气温指数变化的影响并检验其显著性

计算城市化因素对极端气温指数变化的贡献率

怀柔、上甸子、霞云岭 3 个气象站日最高、最低气温

计算北京站极端气温指数距平序列的线性趋势并检验其显著性

建立乡村站极端气温指数距平的区域平均序列

北京站极端气温指数的距平序列

怀柔站资料中存在显著的非均一性，由于日资料订正工作的复杂性，需要进一步研究，因此将怀柔站从乡村参考站中剔除。利用 5 个乡村参考站，分析城市化对北京站极端气温指数趋势变化的影响。

2.4 城市化对极端气温指数的影响

怀柔站址考察

年极端

气温指

数距

平（d或℃

）

北京站（红）和乡村站参考站（蓝）年极端气温指数距平

3.3 城市化对北京站极端气温指数的影响

　 订正前 订正后 差值

最低气温 均值 6.683 5.306 -1.377

方差 0.339 0.577 0.238

最高气温 均值 17.561 17.290 -0.271

方差 0.542 0.629 0.087

怀柔站年平均最低、最高气温订正前后的均值（单位：℃ /10a ）和方差（单位： ( /10a)℃2 ）

2.4 城市化影响分析

00

00 100100

u

ru

u

uru T

TT

T

TE

台站迁移引起的气温序列非均一性及其订正后对线性趋势影响示意（任国玉等， 2010 ）