霸州市气象站迁站前后地温观测资料对比分析

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　　摘要：为了研究城市化进程对气象站旧站地温的影响，运用数理统计方法对河北省霸州市国家基本气象站新址和舊址2012年及前后5年0～320 cm地温平均值、差值进行对比分析，并对前后5年月平均地温进行了均值t检验。结果表明，迁站同期和迁站前后5年对比，两站址0～320 cm均表现为冬季和春季新址比旧址地温低，夏季和秋季新址比旧址地温高;两站址0～20 cm年平均地温日变化呈正弦曲线，40～320 cm四季日变化曲线较平缓;新址和旧址前后5年月平均地温资料大多数月份差值较小，资料连续性较好，但两站址地温差值变幅较大，且两站深层地温比地面及浅层差异显著，应订正后使用。
　　关键词：气象站;迁站;地温;对比分析;均值检验;霸州市
　　中图分类号：P412.1         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2019）05-0042-05
　　Abstract： In order to study the impact of the urbanization process on the ground temperature of old meteorological observation station， statistics were conducted to analyze and compare the average ground temperature and difference value over the depth of 0～320 cm in the same period and around five years in 2012 between the old and new meteorological observation stations of Bazhou city. Meanwhile， the t test was conducted with the monthly mean ground temperature. The results showed that the ground temperature（the depth spans from 0 cm to 320 cm） of the new site was lower than the older one in winter and spring， and the temperature was higher than the old site in summer and autumn. At both sites， the daily change curve of annual mean ground temperature was sinusoidal over the depth of 0～20 cm. The curve over the depth of 40～320 cm was relatively flat. For both sites， the differences of monthly mean temperature was small and the continuity was good. However， the fluctuations of the difference between the two sites were large. The difference of deeper ground temperature varied more significantly than the shallow layer temperature， it shouldn't be used until it's revised.
　　Key words： meteorological station; station moving; ground temperature; comparative analysis; mean test; Bazhou city
　　霸州市国家基本气象站地处河北省中北部，随着城市建设的发展，探测环境受到了严重影响，经国务院气象主管机构审批同意，该站于2012年1月迁至新址并正式开始业务运行。按照《地面气象观测规范》规定，霸州站于2012年1—12月在新址和旧址同时进行对比观测[1]，已在新址积累了5年以上的观测资料。笔者参与了“霸州市国家基本站迁站对比观测数据分析”的课题研究，初步探讨了观测的气温、相对湿度、风向风速、地面及深层地温等气象要素的差值及形成原因，得出霸州市国家基本气象站迁站前后气象要素存在明显差异[2]。本研究进一步对迁站前后同期及迁站前后5年0～320 cm地温观测资料做了更深入地对比分析，得出了站址迁移对各层地温时空分布的差异产生的影响，对该站新址和旧址地温观测资料的应用给出建议，以期为农业生产和合理利用地温信息提供可靠依据[3-7]。
　　1  资料与方法
　　1.1  资料来源
　　资料来自霸州市国家基本气象站新址和旧址，所用资料有2012年1—12月地面0 cm月平均地温、平均最高地温、平均最低地温、极端最高地温、极端最低地温;浅层5～20 cm地温;深层40～320 cm地温;旧址2008—2012年和新址2012—2016年0～320 cm地温观测资料。资料序列完整。
　　旧址位于霸州市城西贾庄北，1956年10月建站。地理位置116°23′19″E、39°06′41″N，海拔高度9.0 m。由于城市建设的发展，周围环境已不能满足《地面气象观测规范》中对气象观测站周围环境要求，观测环境评分仅为60.7分。
　　新址位于霸州市南孟镇安家营村西，位于旧址偏北方向，距离旧址6 390 m，地理位置116°23′34″E、39°10′07″N，海拔高度8.9 m。站址四面都是基本农田，作物为小麦等低矮作物。周围没有高大的建筑，无污染源和干扰源，净空环境良好，完全符合气象探测环境保护的要求[8]。 　　1.2  分析原则
　　1）比较气象站新址和旧址同期即2012年月平均地温、月平均最高地溫、月平均最低地温，极端最高地温、极端最低地温;5～20 cm浅层地温;40～320 cm深层地温。研究中所提到的新址和旧址的数据差值均为新址数据减旧址数据。
　　2）比较气象站新址和旧址同期2012年平均逐时0～320 cm地温，分析两站址地温差异的日变化规律和垂直变化特征。
　　3）比较气象站新址和旧址前后5年月平均  0～320 cm地温差值变化规律。
　　4）判断气象站新址和旧址前后5年月平均地温差异是否显著，以确定两站址的地温资料是否可以合并统计。
　　2  结果与分析
　　2.1  迁站同期新址和旧址0～320 cm地温月变化比较
　　2.1.1  0 cm地温  由表1、表2可知，霸州市国家基本气象站新址和旧址2012年0 cm地温月、年各项平均值差值存在一定规律。两站址地温年差值幅度呈现最高地温大于最低地温大于平均地温的规律，且最高地温差值为正，最低地温和平均地温差值为负，偏低幅度不大。从季节来看，一般为冬季、春季差值为负，夏季、秋季差值为正，说明新址比旧址升温和降温幅度更为明显。就差值幅度来看，差值为正的月份一般出现在10月，而差值为负的月份一般出现在冬季12月和1月。
　　由表2可知，霸州市国家基本气象站新址和旧址0 cm月极端最高地温各月差值相差较大且不稳定，1月、3—7月为负值，幅度为-6.7～-1.0 ℃;2月、8—12月为正值，11月相差最多，为12.9 ℃。0 cm月极端最低地温各月差值相对极端最高地温来说要稳定的多，1—4月、11—12月差值为负，幅度为-3.2～ -0.2 ℃，12月最为明显。5—10月差值为正，偏高幅度为0.3～2.4 ℃。从极值出现日期来看，极端最高地温新址和旧址有6个月是一致的，而极端最低地温吻合度达到9个月，说明极端最高地温的变化幅度比极端最低地温要剧烈。
　　2.1.2  浅层、深层地温  从图1可以看出，霸州市国家基本气象站新址和旧址冬季（12月、1月、2月）差值为负，夏季（6月、7月、8月）差值为正，春、秋两季为正负交替的季节。从图1a可以看出，5～20 cm地温春季两站址差值由负值转为正值的日期和秋季两站址差值由正值转为负值的日期都是随着深度增加而提前。从图1b可以看出，40～320 cm地温春秋两季两站址差值转换的规律与浅层地温正好相反，说明40 cm深度是一个中间过渡层，起对称轴的作用，这一层新址较旧址升温和降温的时间比其他各层都有所提前。从各层差值的幅度来看，除320 cm外，其他各深度均为变化幅度随深度的增加而增大，说明越到深层新址地温升幅和降幅较旧址越大，160 cm地温的变幅最大为3.0 ℃，出现在1月，夏季最大变幅为2.2 ℃，出现在7月，冬季变幅大于夏季，说明新址降温比升温更强烈。320 cm升幅和降幅均低于160 cm。其中1—4月5～20 cm的地温变幅略有波动，1月10 cm地温比其他各层变幅大，20 cm变幅小，特别是3—4月5～20 cm的升温幅度较为不稳定，而此时正值春播时期，要格外关注地温的变化，地温过低或过高都可能对农业生产造成不利影响。
　　2.2  迁站同期新址和旧址0～320 cm逐时年平均地温日变化
　　图2是霸州市国家基本气象站新址和旧址2012年0～40 cm年平均地温日变化曲线，可以看出两站址各层地温的日变化曲线基本相似，均呈正弦曲线，峰、谷点出现时间随着土壤深度的加深出现延迟现象，各月峰、谷值出现时间同样也是随着土壤深度的加深而推迟。但是需要说明的是，新址40 cm的日变化规律与0～20 cm相同;而旧址40 cm地温更接近于80～320 cm变化规律，即没有明显的峰、谷值，日变化曲线比较平缓。从新址和旧址两站址的差值分析，两站址的年平均差值幅度0～20 cm表层和浅层地温表现为波浪式，随着温度升高即在峰值区域表现差值为正;而随着温度的下降即在谷值区则差值为负，以0 cm和5 cm表现最为明显，随着深度的加深差值的幅度变小。从图2也可以看出，10～20 cm新址和旧址变化曲线越来越接近于重合。40 cm地温旧址的变化比较平缓，而新址略有波动，但新址和旧址的差值逐时均为负值，这与80～320 cm的差值变化规律是一致的，即地温日变化趋于平缓;40～320 cm逐时差异不甚明显，差值幅度却随着深度增加而变大，且差值均为负值;40 cm差值白天段最大，夜间段最小;80～320 cm差值比较稳定，不论白天还是夜间均为320 cm>80 cm>160 cm（图3），说明越到深层新址和旧址的地温变化趋势越稳定。
　　2.3  迁站前后5年新址和旧址0～320 cm地温差值分析
　　从图4可以看出，霸州市国家基本气象站迁站前后5年新址和旧址0～20 cm和40～320 cm月平均地温差值分布比迁站同期两站址各月地温平均差值变化幅度减小。具体表现为，冬季新址地温普遍低于旧址，春季3—5月开始升温，由浅层向深层逐渐传递直至两站址差值转为正值，夏季新址地温普遍高于旧址，秋季10月开始随着降温各层逐渐转为新址地温低于旧址。由图4a可知，5月深层地温新址均已升温至高于旧址，而浅层却又出现了低于旧址的情况。经分析5月浅层地温出现这种特殊情况很可能是由于气温和降水的原因引起，即浅层地温与降水存在着负相关，与平均气温存在着正相关。统计得知，迁站后5年即2012—2016年5月降水总量为129.9 mm，平均气温为21.6 ℃;而迁站前5年即2008—2012年5月降水总量只有87.4 mm，平均气温为21.9 ℃。这与笔者前期研究[9]得出的结论是一致的。
　　从垂直深度差值变幅来看，即除320 cm外，其他大多数月份都表现为5～160 cm地温随着深度的增加变幅越来越大的趋势，说明越到深层新址地温升幅和降幅都比旧址要强烈，160 cm地温的变幅达到最大;从图4b可以看出，320 cm的差值变化曲线较其他各层平滑，且峰谷值均落后其他层，说明320 cm深度的地温不容易受其他因素影响，不论是在新址还是旧址随季节的变化较平稳。 　　2.4  均值显著性检验
　　t检验常用于样本含量较小（例如n<30），总体标准差σ未知的正态分布资料。它是用t分布理论来推论差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著[10]。要判断霸州市国家基本气象站新址和旧址在迁站前后5年1—12月月平均地温差异是否显著，以确定两站址的地温资料是否可以合并统计，对新址和旧址在迁站前后5年1—12月月平均地温做均值显著性检验。检验结果如表3所示，给定信度α=0.05，若P<0.05则存在显著差异。
　　由表3可知，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm，P均小于0.05，说明新址和旧址均存在显著差异，不能做合并统计。其他月份各层及年平均地温没有显著差异，资料可以合并统计。进而得知，深层地温比地面和浅层差异显著。
　　3  小结与讨论
　　1）霸州市国家基本气象站新址和旧址迁站同期即2012年月、年平均地温差值均为冬季和春季为负，夏季和秋季为正。0 cm地温年差值幅度呈现最高地温大于最低地温大于平均地温的规律，且最高地温差值为正，最低地温和平均地温差值为负;极端最高地温比最低地温变化剧烈，差值变幅不稳定。40 cm深度属于过渡层，40 cm以下的各层即80～160 cm地温随着深度的增加两站址差值变幅增大，160 cm层的地温变幅最大，且冬季变幅大于夏季，320 cm地温升幅和降幅均低于160 cm。40 cm以上各层即5～20 cm地温变幅波动较大，特别是3—4月升温幅度较为不稳定。
　　2）霸州市国家基本气象站新址和旧址0～20 cm年平均地温日变化均呈正弦曲线，在峰值区为正温差，在谷值区则为负温差，以0 cm和5 cm表现最明显;随着土壤深度增加极值出现时间延后，且地温日变化趋于平缓，40～320 cm逐时差异不明显，差值幅度却随着深度增加变大。不论是从地面向下传导热量还是从深层向上传导热量，新址都比旧址表现活跃，升温和降温的速度快。
　　3）霸州市国家基本气象站迁站前后5年新址和旧址0～320 cm月平均地温差值分布比迁站同期两站址各月地温平均差值变化幅度减小。冬季新址地温普遍低于旧址，春季开始升温由浅层向深层逐渐传递直至两站址差值转为正值，夏季新址地温普遍高于旧址，秋季随着降温各层逐渐转为差值为负。且浅层地温与降水存在着负相关，与平均气温存在着正相关。
　　4）霸州市国家基本气象站新址和旧址地温均值显著性差异检验表明，1月40～320 cm，2月、7月、8月80～320 cm，3月、6月、9月160～320 cm，4月320 cm，5月160 cm，12月40～160 cm地温资料存在显著差异，不能做合并统计。进而得知，深层地温比地面和浅层差异更为显著。
　　综上所述，由于迁站新址和旧址周围环境和土壤性质等因素的不同，造成两站址地温资料存在差异，为了使旧站历年地温资料记录更具准确性、连续性和代表性，建议使用前应对霸州市国家基本气象站近10年存在显著差异的记录做订正。其次，经研究可知，3—5月浅层地温变化波动较大，而此时正值播种时节，气象部门要密切关注地温的变化，为农业生产做好服务。深层地温较地面和浅层差异更为显著的原因除了周围环境和土壤性质的不同之外，还有待继续深入探讨。
　　參考文献：
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