【毕业学位论文】（Word原稿）城市化对北京气象站极端气温指数趋势变化的影响-气象学

硕士 学位论文 城市化对北京 气象站 极端气温指数 趋势 变化的影响 研 究 生： 指 导 教 师： 副教授、 研究员 专 业 名 称： 气象学 研 究 方 向： 气候变化 学 院： 农学院 2011 年 5 月 on of 009 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 （保密的学位论文在解密后应遵守此协议） 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 I 目录 摘 要 . 1 . 3 第一章 前 言 . 5 题的背景 . 5 题意义 . 7 内外研究现状 . 7 第二章 材料与方法 . 11 料均一化处理案例分析 . 11 料 . 11 法 . 12 市化对北京站极端气温的影响 . 13 料 . 13 法 . 14 第三章 结果与分析 . 17 料均一化处理的案例分析 . 17 柔站日最高、最低气温资料的均一化检验 . 17 柔站日最高、最低气温资料订正前后的对比 . 17 柔站日最高、最低气温资料城市化影响分析 . 20 结 . 20 市化对北京站日最高、最低气温和日较差的影响 . 22 京站和乡村站日最高、最低气温和日较差的变化趋势 . 22 京站日最高、最低气温和日较差的城市化影响分析 . 23 小结 . 25 市化对北京站极端气温指数 的影响 . 28 京站和乡村站极端气温指数的变化趋势 . 28 京站极端气温指数的城市化影响分析 . 30 小结 . 31 第四章 讨论和结论 . 33 论 . 33 论 . 35 参考文献 . 37 致谢 . 41 攻读硕士学位期间发表文章 . 42 1 3 5 5 he of 7 7 11 11 11 12 of of 13 13 14 17 17 he s 17 17 of 20 20 of 22 he of 22 of 23 25 he of 28 he of 28 of 30 31 33 33 35 37 41 42 沈阳农业大学硕士学位论文 1 摘 要 无论气候变化的监测和检测，还是气候变化的原因判别，都离不开 可靠的长序列地面气温观测资料。目前，城市化的影响已经成为陆地区域地面气温观测资料中系统误差的最主要来源之一。在我国的气候变化研究领域 中 所用的基础资料一般来自于国家基本气象站和基准气候站（本文简称国家站）。已有的区域研究表明，这个观测网的地面气温资料序列，在很大程度上受到了城市热岛效应加强因素的影响，存在较大的系统偏差。因此，如何在正确评价国家站地面气温序列变化趋势当中城市化的影响，已经成为我国地面气温变化研究中的关键科学问题。 本文 进一步分析了 城市化因素对基于日最高、最低气温极端气温指数变化 趋势 的影响。 利用附近 2 个乡村参考站资料，对北京怀柔站 1960 2008 年地面日最高、最低气温资料序列进行了非均一性检验和订正，并比较分析了城市化因素对订正前后气温序列趋势变化的影响。结果表明： 怀柔站 2 次迁站均造成了气温资料的显著不连续点，其中1996 年 7 月从城区迁到北部乡村引起的平均最低气温突然下降更明显；以当前站址观测为基准进行均一化订正后，怀柔站年平均最低气温序列均值整体下降了 左右，年平均最高气温序列均值下降 左右，最低气温的订正幅 度大于最高气温；最低气温各季节间的订正值存在明显的差异，冬季的订正值最大，夏季的订正值最小；均一化 订正前，怀柔年平均地面最高、最低气温序列中的城市化影响很弱， /10a，但均一化订正后城市化对其影响有所增加， /10a，其中平均最低气温序列中的城市化影响增加尤其明显，城市化影响贡献率由订正前的 升到 100；怀柔站平均最高、最低气温序列的均一化订正，在解决了资料非均一性问题的同时，也在很大程度上恢复了城市化的影响。 利用 5 个乡村气象站和北京 气象站 （ 简称 北京站） 1960 2008 年日最高、最低气温资料， 比较 分析了北京地区城市和乡村极端气温指数年、季节的 时间 变化以及城市化对北京站各极端气温指数趋势变化的影响。结果表明： 1960 2008 年北京站霜冻日数、冷夜日数、冷昼日数和平均日较差均显著减少，暖夜日数、暖昼日数、平均最高气温和平均最低气温均显著上升，这些指数的趋势变化 全部 通过了 著性水平检验，其中霜冻日数、冷夜日数、暖夜日数、平均最低气温、平均气温日较差等与最低气温有关的极端气温指数比冷昼日数、暖昼日数、平均最高 气温等基于最高气温记录的极端气温指 摘要 2 数变化趋势更明显 ； 城市化因素已致使北京站 1960 2008 年期间霜冻日数、冷夜日数和平均气温日较差显著减少，暖夜日数和平均最低气温显著增加，这些与最低气温有关的极端气温指数序列 ，其 城市化影响都通过了 著性水平检验 。在北京站的 霜冻日数、冷夜日数和平均气温日较差 长期减少趋势中，城市化影响 分别 达到 0a、0a 和 10a ，而在北京站 暖夜日数和平均最低气温 增加趋势中，城市化影响 分别 为 0a 和 10a 。在 所有与最低气温有关的年平均极端气温指数的趋势变化中， 城市化影响贡献率均达到 100%，即观测到的趋势变化完全是由城市化因素造成的。城市化 致使 四季北京站冷夜日数、平均气温日较差均显著减少，暖夜日数、平均最低气温均显著增加，其中平均最低气温和平均气温日较差序列 中 的城市化影响在冬季最大，暖夜日数序列 中 的城市化影响在夏季最显著。 关键词：均一性 ;日最高最低气温 ;城市化影响 ;极端气温指数 ;气候变化 ;怀柔站 ;北京站 沈阳农业大学硕士学位论文 3 on is of so in is by as by A of in is of on of on 960 008, on of is of It to in . In in in by to of on - /10a of /10a. of on is As a to of on 00 to 言 4 to on on to on 960 008. on on as in a of a of on of to at of to of 00%, by to TR at on of of TR in on of of in It is to to on 5 第一章 前 言 题的背景 均一的气候要素时间序列是指仅包含气候变异性和气候趋势信息的时间序列。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趋势，也就是说，气候资料的均一性是研究气候变化的前提条件。然而，由于站址迁移、仪器变更、观测时次变化、观测者的习惯差异以及站址周围环境的突然改变等人为因素，台站地面气 温、气压和风速等气候要素观测记录常会出现不连续现象，造成气候资料序列的非均一性，为气候变化检测和归因工作带来一定偏差。因此，探讨气候资料的均一性检验和订正方法，并对非均一的气候资料序列进行合理的订正，是气候变化研究中非常重要的基础性工作。 许多研究者根据本国的具体情况，采用数学方法和台站元数据相结合的办法，对各国的气候数据进行了均一性检验和订正研究 (et 991)，并将成果应用于本地区的气候变化监测和检测研究中。例如，针对美国的 S 面气温数据，研究者分别订正了序列中由于观测时次变化、观测仪器变更和台站位置改变等因素造成的非均一问题 (et 996; et 002)；加拿大研究者利用多元线性回归方法分别检验了年平 均最高气温和最低气温资料序列的非均一性，并进行了相应的订正 (et 006)。此外，澳大利亚、奥地利、芬兰、新西兰和太平洋群岛、挪威以及瑞典等国都利用适合本国的方法如 验、乙检验、 法、 法、二位相回归、多元线性 回归法等研究了本国或本地区地面气候数据的均一性问题 (et 006)。 近年来，国内不少学者在中国气候数据的均一化订正方面也做了很多研究 (翟盘茂，潘晓华 ,2003； 003； 王翠花等， 2003；张宁等， 2008；丁一汇等， 2007；丁一汇等， 2008； 谢庄、曹鸿兴 ,1996； et 001)，为我国均一化气候数据集的开发和应用奠定了基础。宋超辉等对我国部分台站年平均地面气温序列进行了均一性研究(丁一汇、任国玉 ,2008)；李庆祥等利用二相回归 模式、极大似然模式、多元线性回归模式等方法对中国东南部地区年平均最高、最低气温序列进行了均一性检验和订正，发现最低气温序列中存在着更多的不连续点 (谢庄、曹鸿兴 ,1996)；严中伟等讨论了北京、上海两站的平均气温和平均最高、最低气温序列非均一性对于估算两地温度变化趋势的影前言 6 响 (et 001)。但是，目前国内外学者对于地面日值序列的非均一性检验和订正研究尚未成熟，对于利用均一化订正前、后的日值序列分析一个台站或一个地区地面气温变化特征是否存在显著差异，以及如果存在这种差异，其原因是什么，还没有认识 清楚。为此，本文利用北京地区 2 个参考气象站资料，对北京怀柔站近 49 年日最高、最低气温资料进行了均一化检验和订正，并进一步分析了订正前、后气温序列的长期变化趋势，对比分析了订正前、后气温序列中存在的城市化影响偏差。 极端天气气候事件频率和强度的变化受到科学界、政府部门和公众的极大关注。 (1991)的研究表明，美国和前苏联地区的平均最低气温在过去几十年有明显的上升趋势，平均高温气温的变化区域性较强，大范围看无明显的变化趋势； 996)指出，澳大利亚平均最低气温呈上升趋势，而平均最高气 温的变化趋势则很弱； (2002)和 (2006)对极端气候事件指标进行了研究，结果表明在近 50年全球陆地区域夏季暖夜 频次 显著增加，冬季 冷夜频次和霜冻日数 显著减少。 对中国地区的研究表明，近几十年全国平均最高气温略有增加，而最低气温显著升高，气温日较差显著减小 (翟盘茂等， 2003； et 2003)，且在各个季节中冬季最低气温上升最明显 (王翠花等， 2003； 张宁等， 2008)；中国北方夜间气温极端偏低的日数显著趋于变少，白天气温极端偏高的日数有所增多，日最低气温小 于 0 的日数显著减少 (丁一汇 、 任国玉 ,2007；丁一汇 、 任国玉 ,2008)； ()谢庄等 人 (1996)指出， 1940 1990年北京地区最低气温明显上升，最高气温反而下降，结果导致日较差减少； 2001)发现 1940 1970年北京地区极端冷事件频率在减少，极端暖事件频率在增加。 早先的研究还发现，城市热岛效应等因素对于美国、中国等地区城市附近气象台站观测到的地面平均气温趋势变化具有明显的影响 (et 1989； 赵宗慈 ,1991； 林学椿 、 于淑秋 , 2005; 林学椿等， 2005；初子莹 、任国玉， 2005； 周雅清、任国玉， 2005)。在华北地区，由于受城市化影响国家基准气候站和基本气象站网观测的年平均地面气温上升幅度非常明显，城市化对全部增温趋势的贡献率达到了 周雅清，任国玉，2005)。城市化因素对北京地区国家基准气候站和基本气象站年平均气温变化的影响更加显著 (初子莹、任国玉， 2005)。 由于迄今大多数研究中所用各类极端气温指数均由日最高和最低气温记录导出，上述研究结果暗示，城市化对全球陆地区域地面极端气温指数变化趋势 可能 具有明显 的 影响 19。但到目前为止，这个问题还没有 引 起足够重视 ，对于单站和区域尺度极端气温变沈阳农业大学硕士学位论文 7 化序列中的城市化影响分析还很少，尤其没有对国家基准气候站和基本气象站观测的极端气温事件 频率 变化趋势进行 过 系统评价。最近，周雅清等 人 (2005)利用华北地区 255个气象站资料，分析了 1961 2000年城市化对各类气象台站平均最高和最低气温变化趋势的影响，发现国家基本、基准站观测的年平均最低气温上升趋势中，城市化造成的增温为 ，对全部增温的贡献率达 从一个较大区域尺度上证明了 最低气温观测记录中存在着 十分 明显的城市化影响。 此外，季崇萍等人 (2006)发现北京市夜间热岛强度明显大于日间，暗示北京站记录到的夜间最低气温上升可能在一定程度上是城市热岛强度增加的结果。 因此，有必要在早先研究的基础上，进一步 分析评价 城市化因素对单站和区域平均的极端气温指数变化趋势可能产生的影响。 本文根据北京地区 5 个乡村气象站和北京站最近 49 年日最高、最低气温资料 ， 计算分析北京站和乡村站平均的年、季极端气温指数的变化趋势，并对北京站各极端气温指数的城市化影响及城市化影响贡献率进行定量估计。 题意义 有不少学者对我国国家站记录的地面平均气温变化中城市化影响进行了研究。这 些研究发现，城市化对我国国家台站地面气温变化趋势有显著影响，不能忽视。但是，现有的研究主要集中在城市化对平均气温影