甘肅省碌曲氣象站遷站前后氣象資料對比分析

王雅萍，韓海濤，金紅梅

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州 730000)

0 引言

均一的氣象資料是研究氣候變化的基礎，但實際工作中有諸多非氣候因素導致氣象觀測資料非均一性，例如氣象觀測臺站的遷移和環(huán)境變化、觀測儀器的變更、觀測方法和規(guī)范規(guī)定的升級等，影響了氣象資料的準確性、代表性和比較性[1]。通過對氣象臺站歷史沿革信息的分析，可以為訂正氣候資料序列提供參考依據(jù)，有學者以中國氣象臺站遷移狀況為基礎，采用T檢驗方法和標準正態(tài)檢驗差值法等，分析了臺站遷移對中國年平均溫度序列均一性的影響[2-4]。有學者對比了不同的均一性檢驗方法的適用性情況[5-8]，并對降水序列和氣溫序列進行了均一性檢測和訂正[9，10]。

隨著城市化進程的加快，很多氣象臺站的觀測環(huán)境已不符合觀測要求，對氣象觀測記錄的三性產(chǎn)生影響，因而很多氣象臺站陸續(xù)開展遷移工作。對遷站前后的觀測資料進行差異分析及對遷站前后的資料序列進行均一性檢驗和訂正是必要的[11-14]；遷站前后觀測資料差異的研究多集中于對氣溫、相對濕度和風3個要素的對比分析。甘肅省自2010年陸續(xù)對不符合探測環(huán)境要求的臺站進行遷移[15，16]，其中碌曲國家氣象觀測站于2014年進行了遷站，并在2014年與舊址進行平行對比觀測，目前新址運行已超過5 a。文章對碌曲站遷站前后觀測數(shù)據(jù)進行分析。

1 觀測數(shù)據(jù)及計算方法

1.1 站址環(huán)境

甘肅省碌曲國家氣象觀測站舊址始建于1973-01-01，自2000年以來其周圍的建筑影響了氣象臺站的正常觀測，造成日照、風向、風速和氣溫觀測記錄失真，其氣象觀測環(huán)境評估只有64.2分。舊址觀測的氣象資料已不能準確反映當?shù)氐奶鞖夂蜌夂蛱攸c，因此于2014年進行了站址遷移。新址氣象探測環(huán)境評分95.5分，符合氣象探測環(huán)境保護的要求，位于碌曲縣城東北方(102°30′08″E，34°35′33″N，觀測場海拔高度3，190.6 m)，距舊址(102°30′00″E，34°35′00″N，觀測場海拔高度3，105.7 m)1.6 km；其地形地貌與舊址初建站時相似，處于同一氣候區(qū)。

1.2 觀測數(shù)據(jù)

文章對氣溫、相對濕度、2 min平均風向風速和降水量4個觀測要素進行分析。平行對比觀測選取碌曲新址和舊址2014-01-01—2014-12-31共計1 a的觀測數(shù)據(jù)；選取舊址1995—2014年共計20 a、新址2014—2018年共計5 a的數(shù)據(jù)進行差異性估計和檢驗；以上數(shù)據(jù)資料序列完整性均屬于同一類[17]。

1.3 統(tǒng)計方法

1.3.1 獨立樣本T檢驗

采用平均差值和標準差衡量碌曲站新舊址2014年平行觀測期間的數(shù)據(jù)差異。將舊址1995—2014年的數(shù)據(jù)作為序列1，新址2014—2018年的數(shù)據(jù)作為序列2，比較新舊站址2個數(shù)列總體均值的差異，即進行小樣本獨立樣本雙側T檢驗，假設兩個序列的均值相等，檢驗統(tǒng)計量T：

H0：(x1-x2)=0

(1)

(2)

式中，

(3)

自由度為ν，則

(4)

ν取最接近的整數(shù)。

1.3.2 配對樣本T檢驗

選取遷站前后各5 a的數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的按月配對數(shù)據(jù)可以檢驗新舊站址氣象要素月均值的差異，即選取舊址2010—2014年的月均值資料以及新址2014—2018年的月均值資料進行小樣本配對T檢驗。同樣地假設兩個序列均值相等，檢驗統(tǒng)計量T：

(5)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 新舊站址觀測要素差異

通過對比遷站前后各5 a的日平均氣溫、相對濕度、2 min平均風速的月均值和降水量月合計的逐月變化，及二者差值(新址要素值減去舊址要素值，下同)的逐月變化可發(fā)現(xiàn)，遷站后氣溫總體略低于遷站前，但在冬季相反，差異最大為-1.4 ℃，出現(xiàn)在6月，最小為0.1 ℃，出現(xiàn)在1月；相對濕度遷站后整體高于遷站前；遷站后風速明顯增大；遷站前后降水量在夏季有較大差異，除7月份有明顯的負差值外(-32.4 mm)，其他各月遷站后月降水總量整體大于遷站前，最大值出現(xiàn)在8月，為39.9 mm。由此可見，遷站前后環(huán)境的變化對風速的影響最大，其次是夏季降水。

計算2014年平行觀測期間新舊站址各要素差值的平均值和標準差：平均氣溫和最低氣溫的差值接近，最高氣溫的差值絕對值要大于平均氣溫和最低氣溫約0.4 ℃，其標準差也是平均氣溫和最低氣溫的2倍，說明對白天的影響要大于夜間；新舊址相對濕度在夏季的差異大于冬季；同上述遷站前后各5 a要素的變化趨勢類似，新舊址風速差異明顯，降水量基本持平。

2.2 T檢驗

獨立樣本T檢驗結果表明，與遷站前20 a的數(shù)據(jù)相比，遷站后5 a各月的數(shù)據(jù)在不同要素上表現(xiàn)出不同的差異狀況：1)無論假設方差相等與否，平均氣溫在5月和6月表現(xiàn)為差異顯著，其余各月及年平均氣溫均未表現(xiàn)出明顯差異，與2.1節(jié)結論一致；2)相對濕度整體表現(xiàn)為差異不顯著，除9月份在方差不相等的假設下表現(xiàn)為差異顯著；3)2 min平均風速整體上表現(xiàn)為差異極顯著，僅11月在方差不相等的情況下差異不顯著；4)各月降水量和年總降水量在遷站前后均無明顯差異。配對樣本T檢驗更直觀，2 min平均風速差異極顯著；與獨立樣本T檢驗不同的是遷站前后各5 a數(shù)據(jù)的平均氣溫整體表現(xiàn)為差異顯著；相對濕度和降水量則未檢驗出差異。

從以上誤差分析和檢驗可看到，方差齊性的檢驗是必要的，方差相等與否的假設會影響檢驗結果；獨立樣本T檢驗和配對樣本T檢驗在檢驗結果上總體一致，但對氣溫的差異檢驗中存在不一致。在各要素中，無論是從差值和標準差，還是從檢驗結果來看，2 min平均風速在遷站前后的明顯差異是無疑的，文章將對新舊址風的差異情況進行進一步分析。

2.3 新舊址風的差異分析

表1列出了2014年平行對比觀測期間新舊站址的2 min平均風向相符情況。當2 min平均風速值大于0.2 m/s時統(tǒng)計風向相符率，當新址與舊址2 min平均風向角度差值小于22.5°時認為二者相符，風向相符率即相符次數(shù)與對比總次數(shù)的比值。

表1 新舊站址2014年2 min平均風向相符率

統(tǒng)計遷站前后各5 a的2 min平均風向在16個方位出現(xiàn)的頻率并制作風向玫瑰圖：無論是2014年平行觀測期間，還是遷站前后各5 a的2 min平均風向出現(xiàn)頻率，均表現(xiàn)出較大程度不一致，相符率低。新舊站址環(huán)境的不同對風向風速均有影響，風的資料序列出現(xiàn)明顯的不連續(xù)。圖1統(tǒng)計了遷站前后各5 a中每個月的大風日數(shù)總和及月平均極大風速。當極大風速≥17.0 m/s時記錄當日出現(xiàn)大風現(xiàn)象，該日為1個大風日數(shù)。新址觀測環(huán)境開闊，位于山頂，不僅造成了舊址風向風速明顯差異，風速的量級更是變化顯著：舊址很少出現(xiàn)大風現(xiàn)象，5 a共計11日出現(xiàn)大風，而新址大風頻發(fā)，5 a共計有372個大風日數(shù)；統(tǒng)計各月平均極大風速，新址為舊址的2倍左右；舊址2010—2014年歷史極大風速為19.9 m/s，風向為WSW，新址2014—2018年歷史極大風速為37.8 m/s，風向為WNW。

圖1 遷站前后各5 a的大風日數(shù)及平均極大風速

舊站遷址后周圍環(huán)境由“市區(qū)、河谷”變?yōu)榱恕班l(xiāng)村、山頂”，觀測站由被周圍建筑物環(huán)抱變?yōu)樵谄教归_闊的山頂。因此，風的前后變化如此劇烈，一方面是由于舊址城市化的影響，另一方面則是由于新舊址所處的地形差異大所致。

2.4 新舊址溫度差異分析

利用1月、4月、7月和10月的平均氣溫分別代表冬季、春季、夏季和秋季，分析4個季節(jié)新舊站址的氣溫日變化情況：新舊站址氣溫日變化一致，新址平均氣溫各時次低于舊址；春秋兩季差異最大，冬季最??；白天升溫后二者的差值大于夜間。同時通過對比碌曲站1995—2014年共計20 a舊址氣溫年平均值，和2014—2018年共計5 a新址氣溫年平均值變化趨勢：舊址過去20 a氣溫年平均值整體呈現(xiàn)上升趨勢，并且每5 a出現(xiàn)1個起伏周期變化，這種趨勢在2014年使用新址觀測數(shù)據(jù)后整體降低約1.1 ℃，產(chǎn)生不連續(xù)點。除新舊站址海拔高度差的影響外，下墊面的性質(zhì)不同也造成了二者氣溫的差異，這種差異在春秋季節(jié)表現(xiàn)明顯，白天的差異大于夜間。

3 結束語

文章通過對比碌曲站遷站前后各觀測要素的差異得出：碌曲站遷站對風要素的觀測影響最大，其次為氣溫，對相對濕度和降水量的觀測無明顯影響。上述結論無論是從差值分析還是從T檢驗來看，都需要累積更多的資料來進一步驗證。