庫爾勒氣象站遷站前后氣象要素特征及成因分析

夏雪梅，魏哲花，隆永蘭

（1.庫爾勒市氣象局，新疆 庫爾勒84100；2.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000）

由于站址變遷、觀測場周圍環境變化，一些氣象要素隨之發生變化，甚至導致氣象要素序列出現非均一性，關于臺站遷移前后資料的對比分析已有許多學者做過研究[1-9]。

庫爾勒國家基本氣象站舊址位于恰爾巴格鄉小瓦克村。隨著庫爾勒城市不斷發展擴大，庫爾勒氣象站觀測環境受到限制和嚴重影響，已不符合觀測規范要求。庫爾勒國家基本氣象站于2016年1月1日，遷至什力克鄉力龍農場柳林村（表1）。新站位于舊站以西，直線距離24.3 km。新站觀測場拔海高度比舊站低31.7 m。為了解庫爾勒國家基本氣象站遷移前后觀測資料序列的差異，對庫爾勒氣象站遷站前后的部分氣象要素差異及成因進行分析。

表1 庫爾勒新舊站址地理位置

1 資料與方法

1.1 資料選取

所用資料為庫爾勒市氣象站2016—2018年1—12月新、舊站同期氣溫、氣壓、相對濕度、風向風速及最多風向頻率。庫爾勒市氣象站長序列資料選取1961—2015年的舊站資料和2016—2018年的新站資料，尉犁氣象站和鐵干里克氣象站選取1978—2018年逐年逐月氣溫、濕度、氣壓、風等氣象要素。

1.2 方法

分別統計庫爾勒新舊站2016—2018年平均氣溫、平均最高、最低、平均相對濕度、平均風速、最大風速及最多風向等地面常規資料，求取新舊站3a差值平均（新站資料—舊站資料）和差值標準差[10-11]及風向頻率；為了分析新舊站氣象要素差異產生的原因，選擇尉犁縣氣象站、鐵干里克氣象站為參照站，通過相關分析來確定庫爾勒氣象站與尉犁氣象站、鐵干里克氣象站序列各氣象要素的變化是否一致；用t檢驗法分析新舊站資料的均一性[12]。

2 新、舊站觀測資料對比分析

2.1 溫、壓、濕要素差異分析

基于氣象要素差值、標準差，對庫爾勒新、舊氣象站2016—2018年溫度、氣壓、相對濕度差異進行分析。由圖1a可見，新、舊站平均氣溫和平均最低氣溫的年差值均為負，說明新站年平均氣溫、年平均最低氣溫低于舊站，其中年平均最低氣溫差異達4.1℃，年平均氣溫偏低2.1℃。由月際差值特征分析可見，平均氣溫、平均最低氣溫波動趨勢一致，即差異值表現出由冬到春漸減、由夏到冬漸增的特征。對比而言，年平均最高氣溫月際差異無特定趨勢。

從圖1b看，年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的差值標準差均較小，數據相對穩定；春末夏初和秋季平均最高氣溫差值標準差較大，數據相對不夠穩定；各月來看，6月平均氣溫和9月平均最低氣溫的差值標準差較大，數據相對不穩定。

由圖2a可見，平均氣壓、平均相對濕度各月差值均為正，說明新站年平均氣壓、年平均相對濕度均高于舊站，年平均差值分別為3.2 hPa、11%。從月際差異特征來看，新舊站平均氣壓在冬季差異略高于其他各季，平均相對濕度則有顯著的月際波動，夏秋兩季高于其它季節。

年平均氣壓差值標準差較小（圖2b），說明年氣壓數據相對穩定，但1月、3—4月、10月平均氣壓差值標準差比其他月份偏大。平均相對濕度各月差值標準差在0.82%～2.65%之間，數據相對穩定。

2.2 風向風速

經統計，風速年平均差值為正，表明新站風速大于舊站，年平均風速偏大0.2 m/s；各月對比發現（見圖3a），平均風速差值除6月、7月為負值外，其他各月風速差值均為正值，春秋季風速差值大于其它季節。月最大風速差值除12月為負外，其他各月最大風速差值為正，尤以4—9月差值最大（圖3b），達3.6～6.2 m/s，這與新站四周空曠、障礙物少、沒有建筑物遮擋這一環境密切相關。

圖1 庫爾勒新舊站氣溫要素差異分析

圖2 庫爾勒新舊站氣壓、相對濕度差異分析

由圖4可以看出，年風向頻率舊站ENE風向最高，次高為NE風向，新站E風向頻率最高，次高為ESE風向；從各月風向頻率看（表2），新站冬季以E、WSW、W風向頻率最高，春、秋季E風向頻率最高，次高為ESE風向，夏季ESE風向頻率最高，次高E風向；舊站除初夏NE風外，其余各季均ENE風向頻率最高；月最大風速頻率新址為E風向，舊址為ENE風向。上述分析表明新站、舊站風向變化不一致。分析其原因，庫爾勒地處塔里木盆地東北緣，北倚天山支脈庫魯克山和霍拉山，地勢北高南低，山勢西高東低。北方冷空氣常翻越霍拉山、順孔雀河河谷東灌進入，新站四周空曠，障礙物少，沒有建筑物遮擋，風向基本不受地形影響，舊站高層建筑對風形成了阻擋，風向偏轉。

圖3 庫爾勒新舊站平均風速差值（a）及最大風速差值（b）

圖4 庫爾勒新舊兩站年風向頻率分布

3 觀測資料均一性分析

3.1 庫爾勒站與參考站資料相關性及趨勢分析

分析庫爾勒新舊兩站要素差異的原因，首先選取參考站。按照屬于同一氣候區、序列平行年代長的標準選取了尉犁氣象站、鐵干里克氣象站兩站為參照站。由于尉犁氣象站1978年1月1日遷站，為了保證資料一致，且參照站在氣象要素成因分析時間段內再無遷站史，故氣象料均以1978年為初始年，終止年為2018年，通過相關分析來確定庫爾勒站舊站與參照站序列各氣象要素的變化是否一致。由表3可見，氣溫相關系數最大，氣壓次之。除了風速相關性較差外，氣溫、氣壓、濕度都通過了0.05的顯著性水平檢驗，表明參照站可作為后續分析所用。

表2 庫爾勒新站與舊站各月風向頻率/%

表3 庫爾勒站舊站與參考站各要素觀測序列（1978—2015年）的相關系數

為消除單站可能存在的觀測誤差，用尉犁氣象站、鐵干里克氣象站2個參照站觀測資料求平均形成參照序列，進行氣象要素趨勢變化分析。

1978—2015 年庫爾勒站舊站與參照站兩曲線變化趨勢一致（圖5a），但差距逐漸增大，說明庫爾勒站舊站氣溫上升比參照站快，站點所處地理環境的差異是造成此問題的主因。2016—2018年，庫爾勒站新站年平均氣溫明顯下降至低于參照站，這與庫爾勒站2016年1月1日由城區遷至郊區相對應，說明觀測環境的變化將直接影響氣溫觀測結果。

由圖5b可見，1978—2000年庫爾勒站舊站與參照站年平均相對濕度曲線變化趨勢一致，呈波動上升趨勢且兩曲線間的差距較小；2000—2015年庫爾勒站舊站與參照站年平均相對濕度呈明顯下降趨勢且差距逐漸增大，說明庫爾勒站舊站相對濕度減小速率明顯大于參照站。受遷站影響，2016—2018年庫爾勒站新站相對濕度大幅上升，這與新站年平均氣溫下降趨勢相對應。

由圖5c可見，1978—20世紀90年代初庫爾勒站舊站與參照站年平均風速曲線變化趨勢一致；90年代中期—2000年庫爾勒站舊站年平均風速呈增大趨勢，參照站平均風速繼續呈減少趨勢，分析表明這一時期庫爾勒站舊站2 min平均風速記錄自1992年起由人工觀測改為自動記錄，參照站四周種植的樹木初具規模，對風速的減弱產生了影響；2000—2015年，庫爾站舊站年平均風速呈減少趨勢，參照站年平均風速呈增大趨勢，分析發現，自2000年以來庫爾勒站四周開始陸續修建高樓，庫爾勒站觀測場東面、北面、南面均為住宅高樓，對風速的減弱產生了直接影響；2016—2018年年平均風速由降轉增，主要原因為遷站后新站址地勢平坦，四周無高大建筑物和透風的林帶遮擋，對風速的影響較小。氣象站周圍環境差異對風速觀測有直接影響。

年平均氣壓趨勢分析表明（圖5d），海拔高度的不同導致庫爾勒站與參照站年平均氣壓存在一定差異，但變化趨勢較為一致。但是，遷站導致2016—2018年期間庫爾勒站新站年平均氣壓呈大幅上升。

綜合年際各要素變化特征可明顯看出，庫爾勒氣象站溫、壓、濕各要素自2016年后發生明顯突變，表明氣象站址遷移帶來的測站環境變化直接導致了各觀測要素的觀測差異。

圖5 庫爾勒站與參照站年平均氣溫（a）、年平均相對濕度（b）、年平均風速（c）、年平均氣壓（d）變化曲線

3.2 新舊站資料t檢驗

應用t檢驗方法（顯著性水平0.05）對庫爾勒站的平均氣溫、平均相對濕度、平均氣壓和平均風速要素的年值序列進行均一性檢驗分析，因氣溫和濕度、氣壓資料符合正態分布故采用差值序列（庫爾勒站—參考站）進行檢驗，風速資料一般不符合正態分布故采用比值序列（庫爾勒站/參考站）進行檢驗。以1978—2015年為總體序列，與2016—2018年的序列進行t檢驗，結果表明（表4），年平均氣溫、平均濕度、平均氣壓通過顯著檢驗，說明新舊站上述要素存在顯著性差異。年平均風速序列采取了分段t檢驗，發現有1個間斷點，1992年出現斷點t＝2.793（｜t｜＞t0.05＝2.145）， 這是由于 1992 年風速由人工觀測改為自動記錄使風速產生了間斷點（圖6）；2000年以后庫爾勒站四周開始陸續修建高樓，檢測結果顯示風速變化不明顯；2016年庫爾勒站遷站，檢測表明遷站后庫爾勒新舊站平均風速變化不顯著，說明年平均風速資料連續。t檢驗表明，遷站使年平均氣溫、平均相對濕度、平均氣壓在2016年產生了斷點，但對年平均風速序列沒有產生明顯影響（圖6）。

圖6 庫爾勒站年平均氣溫（a）、相對濕度（b）、風速（c）、氣壓（d）t檢驗結果

表4 庫爾勒氣象站舊址與新址各要素t檢驗

4 結論

（1）庫爾勒新站的年平均氣溫和年平均最低氣溫比舊站分別偏低2.1、4.1℃，年平均最高氣溫新舊站持平；平均氣溫和最低氣溫各月、各季均是新站低于舊站，最高氣溫春季新站高于舊站；年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫差值標準差較小。

（2）年平均氣壓新站高于舊站，差值平均值為3.2 hPa；各月平均氣壓新站高于舊站，新舊站平均氣壓在冬季差異略高于其他各季；年平均氣壓標準差較小，說明年氣壓數據穩定；1月、3—4月、10月平均氣壓差值標準差比其他月份偏大，數據穩定性略差。

（3）新站比舊站濕潤，年平均相對濕度的差值平均值為11%；各月相對濕度差值平均值新站大于舊站，尤其以6—10月差值偏大較多；各月差值標準差在0.82%～2.65%之間。

（4）年平均風速新站比舊站偏大0.2 m/s；風速差值平均值除6月、7月新站小于舊站外，其他月份明顯大于舊站；春夏季風速大于其他季節；月最大風速除12月新站比舊站小外，其他各月最大風速均是新站較舊站偏大，尤以4—9月平均差值最大，在3.6～6.2 m/s之間。

（5）舊站ENE風向頻率最高，新站E風向頻率最高；新站冬季以E、WSW、W風向頻率最高，春秋季E風向頻率最高，夏季ESE風向頻率最高；舊站6月NE風向頻率最高，其余各季均ENE風向頻率最高；月最大風速頻率新址為E風向，舊址為ENE風向。

（6）t檢驗表明：年平均氣溫、平均濕度和年平均氣壓，遷站前后氣象資料有顯著差異，平均風速遷站前后氣象資料變化不突出。表明遷站后觀測要素與舊站觀測要素特征存在較大不一致性，為確保長時間分析序列的均一性，建議根據同期觀測資料建立訂正方程，對新站觀測要素進行逐一校正。

（7）選擇參照站對庫爾勒站溫、壓、濕、風要素年際變化趨勢進行對比分析表明，相較于氣候變暖大背景下的氣象要素變化而言，站址遷移對要素觀測結果的影響更為直接和顯著，站址變遷伴隨的地形地貌及城市、生態環境的改變能夠第一時間在氣象要素觀測結果中得到體現。