陜北沙漠邊緣區風速均一性檢驗及其重現期計算

趙曉萌,毛明策,雷楊娜,白水成,張文靜

(1.陜西省氣候中心,西安 710014；2.陜西省氣象局,西安 710014)

陜北沙漠邊緣區風速均一性檢驗及其重現期計算

趙曉萌1,毛明策1,雷楊娜1,白水成2,張文靜1

(1.陜西省氣候中心,西安 710014；2.陜西省氣象局,西安 710014)

以陜北沙漠邊緣區6個氣象站自建站至2013年的年平均風速和最大風速序列為研究對象,分析了各序列的線性傾向趨勢,采用t-檢驗法以及對臺站歷史沿革的詳查,對各站點風速序列進行均一性檢驗,并對非均一序列應用方差法和比值法等數理方法進行訂正,分析了重現期最大風速變化和序列的頻率分布。結果表明：陜北沙漠邊緣區各氣象站年最大風速全部呈顯著遞減趨勢；定邊站、靖邊站、橫山站和榆陽區站年平均風速于2003—2004年間分別出現了間斷,并且與其更換測風儀器時間同步；訂正后年最大風速在間斷點后較原始序列都有較大幅度的增大,定邊站訂正前、后年最大風速主要分布區間增大,主要集中在(18,22]m/s區間；訂正的序列與原始序列的50年一遇風速差別不大,但是在大型工程設計和工程氣象專題評估時,應考慮適合工程應用的氣象站測風資料和訂正方法。

最大風速；均一性檢驗；重現期；陜北沙漠邊緣區

由于觀測站探測環境變化、探測儀器變更等原因,對長期氣象數據序列帶來一定的不均一性,國內外許多學者對氣象要素序列均一性檢驗和非均一性序列訂正方法做了大量研究[1-4],我國學者關于氣溫、降水、風速等要素的均一性檢驗做了分析研究[5-7],并對不同的氣象要素提出了多種檢驗方法,但主要是針對氣象數據序列自身的統計分析,很少涉及到均一性訂正前后工程氣象參數的變化。研究在工程設計中是否需要進行資料訂正及如何訂正,是工程氣象需要考慮的重要內容。本文以陜北沙漠邊緣區各氣象站自建站至2013年的年平均風速、最大風速為研究對象,分析各序列的線性傾向趨勢,采用t-檢驗法以及對臺站歷史沿革的詳查,判斷各站點序列的均一性和序列訂正的必要性,對比不同非均一訂正方法,分別計算訂正前、后重現期風速,并分析訂正前、后序列的頻率分布,探討在風工程應用中,根據需要進行風速訂正的必要性。

1 研究區域、資料和方法

本文研究區域位于毛烏素沙漠南邊緣的定邊、靖邊、橫山、神木、榆陽區和府谷6個縣,屬溫帶大陸性季風氣候區,年平均溫度8.8℃,年平均降水量為391.5mm,年平均風速2.4m/s,是陜西降水最少的地區[8]。風速資料采用研究區內各氣象站(如圖1)自建站至2013年的年平均風速、最大風速,其中平均風速起始年份除靖邊為1966年外,其余站均為1961年,最大風速起始年份定邊為1974年,府谷為1980年,榆陽和神木均為1971年,靖邊和橫山分別為1973年和1972年。

圖1 研究區域地形及氣象站分布

年平均風速是逐年振動很小的氣象要素,檢驗其逐年平均記錄,更容易檢查出由于臺站遷移、周圍環境變化引起的非均一[9]。因此,年平均風速均一性檢驗不僅可對風要素質量評估,也為測風儀器換型提供參考[1]。年平均風速序列非均一的間斷點檢驗方法采用t-檢驗,判斷兩組數據的均值是否有顯著差異[10]。年最大風速非均一性序列訂正采用方差訂正法[11-12]和比值訂正法。

2 年最大風速特征及年平均風速間斷點

2.1 最大風速線性傾向估計

由于研究區域面積相對較小,站點分布均勻,對年最大風速進行線性擬合,得到線性變化趨勢,并采用t-檢驗方法檢驗趨勢變化的顯著性水平。由圖2可以看出,研究區內各氣象站年最大風速全部呈顯著遞減趨勢,其中定邊站年最大風速減小最顯著,線性趨勢率,為-2.61m/(s ·10a),府谷站和榆陽站線性趨勢率分別為-0.41m/(s·10a)和-0.53m/(s·10a),通過了α=0.05的顯著性檢驗,其他三站線性趨勢率為-1.09～-1.70m/(s·10a),通過了α =0.01顯著性檢驗。因此,陜北沙漠邊緣區地面年最大風速呈現顯著的減小趨勢。

2.2 年平均風速序列的間斷點

年平均風速的差異顯著性采用兩組樣本平均值顯著差異的t-檢驗。通過檢驗,得到定邊、榆陽區站、靖邊站和橫山站分別在2003年左右以后的序列與自有觀測以來的序列出現顯著差異,具有不均一性。根據陜西省氣象臺站歷史沿革資料得知,陜北沙漠邊緣區臺站的自動氣象站分別于2003年、2004年初正式投入運行,更換儀器之前,普遍使用EL型風速儀。通過差異性分析發現,府谷和神木未間斷,而定邊、榆陽、靖邊和橫山年平均風速序列分別于更換自動站的年份出現了間斷(表1)。

表1 陜北沙漠邊緣區年平均風速序列間斷點t檢驗

2.3 年最大風速序列訂正

對于非均一序列,訂正方法未統一,可選用較為通用的比值法,即首先計算間斷點前平均值與間斷點后平均值的比值,將間斷后的序列乘以該比值得到新序列。訂正還可選用方差法。方差“表示隨機變量取值關于均值的偏離程度”,它反映序列的離散程度,由于城市化發展影響改變了最大風速序列的均一性或一致性,使其均值與方差都發生變化,通過對最大風速序列不同時段的均值與方差的研究來訂正風速序列,使訂正后的風速序列滿足均一性檢驗[11]。方差法要求序列呈正態分布,而定邊、榆陽區、靖邊和橫山四站的年最大風速序列呈正態分布,因此分別采用比值法和方差法進行訂正。

圖2 陜北沙漠邊緣區年最大風速序列及線性趨勢 (直線為趨勢線；虛線為5年滑動平均)

從圖3可以看出,定邊站1974—2003年年最大風速的平均值為18.6m/s,而2004—2013年的平均值為14.2m/s,差異顯著,通過比值法訂正后,消除了年最大風速序列中的不均勻現象。通過方差法和比值法訂正后的序列如圖3所示。

圖3 方差法和比值法訂正前后定邊站年最大風速對比 (直線為平均值)

3 年最大風速訂正前后的頻率分布及重現期風速

3.1 訂正前后的頻率分布

為了比較訂正前、后年最大風速的分布特征和關于分布密度函數假設檢驗,計算定邊站訂正前、后風速頻率分布發生的變化,對數據進行分組,計算定邊站原始序列及兩種訂正方法訂正后的密度曲線。如圖4所示,訂正前,定邊站近40年年最大風速主要分布在(12,18]m/s區間,經過方差法和比值法訂正后,定邊站年最大風速主要分布較為集中,主要在(18,22]m/s區間。經過訂正,年最大風速的頻率分布發生了變化,且主要集中分布的風速增大。

圖4 定邊站年最大風速訂正前、后頻率分布

3.2 訂正前后50年一遇最大風速

采用極值I型的概率分布,分別計算定邊、靖邊、橫山和榆陽區站年最大風速原始序列和訂正序列的50年一遇風速。如表2,經過比值法訂正,定邊站50年一遇風速減小0.1m/s,榆陽區站減小0.4m/s,其他各站訂正結果較原始序列偏大；經過方差法訂正,各站訂正序列計算結果均比原始序列計算結果偏大,其中榆陽區站偏大5.4%。總體來看,雖然年最大風速具有一定的隨機性,但通過原始序列和兩種訂正方法訂正后的序列計算出的50年一遇風速相差不大。

表2 各站年最大風速訂正前后的重現期風速

4 結論與討論

本文以陜北沙漠邊緣6站自建站以來年平均風速、最大風速為研究對象,選擇t-檢驗方法對年平均風速序列進行檢驗,并對比臺站歷史沿革分析序列間斷點,分別采用方差法和比值法對發生間斷的序列進行訂正,分析訂正前、后重現期風速變化和頻率分布,主要結論如下。

(1)陜北沙漠邊緣區各氣象站年最大風速全部呈顯著遞減趨勢,并通過α=0.05的顯著性檢驗。定邊站、靖邊站、橫山站和榆陽區站年平均風速于2003—2004年分別出現了間斷,并且與其更換測風儀器時間同步。

(2)利用方差法和比值法分別對年最大風速進行訂正,年最大風速在間斷點后較原始序列都有較大幅度的增大,定邊站訂正前、后年最大風速主要分布區間增大,主要集中在(18,22] m/s區間。

(3)經過訂正的序列與原始序列的50年一遇風速差別不大,但是在大型工程設計和工程氣象專題評估時,應考慮適合工程應用的氣象站測風資料和訂正方法。

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：A

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1006-4354(2015)04-0027-04

2014-11-05

趙曉萌(1985—),女,陜西西安人,碩士,工程師,從事氣候變化和氣候可行性論證。

陜西省氣象局科技創新基金計劃項目(2014M-6)