王雅萍，韓海濤，金紅梅

(甘肅省氣象信息與技術(shù)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(chǔ)，但實(shí)際工作中有諸多非氣候因素導(dǎo)致氣象觀測(cè)資料非均一性，例如氣象觀測(cè)臺(tái)站的遷移和環(huán)境變化、觀測(cè)儀器的變更、觀測(cè)方法和規(guī)范規(guī)定的升級(jí)等，影響了氣象資料的準(zhǔn)確性、代表性和比較性[1]。通過對(duì)氣象臺(tái)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(xué)者以中國(guó)氣象臺(tái)站遷移狀況為基礎(chǔ)，采用T檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)差值法等，分析了臺(tái)站遷移對(duì)中國(guó)年平均溫度序列均一性的影響[2-4]。有學(xué)者對(duì)比了不同的均一性檢驗(yàn)方法的適用性情況[5-8]，并對(duì)降水序列和氣溫序列進(jìn)行了均一性檢測(cè)和訂正[9，10]。

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

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

1.1 站址環(huán)境

甘肅省碌曲國(guó)家氣象觀測(cè)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(tái)站的正常觀測(cè)，造成日照、風(fēng)向、風(fēng)速和氣溫觀測(cè)記錄失真，其氣象觀測(cè)環(huán)境評(píng)估只有64.2分。舊址觀測(cè)的氣象資料已不能準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)氐奶鞖夂蜌夂蛱攸c(diǎn)，因此于2014年進(jìn)行了站址遷移。新址氣象探測(cè)環(huán)境評(píng)分95.5分，符合氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)的要求，位于碌曲縣城東北方(102°30′08″E，34°35′33″N，觀測(cè)場(chǎng)海拔高度3，190.6 m)，距舊址(102°30′00″E，34°35′00″N，觀測(cè)場(chǎng)海拔高度3，105.7 m)1.6 km；其地形地貌與舊址初建站時(shí)相似，處于同一氣候區(qū)。

1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

文章對(duì)氣溫、相對(duì)濕度、2 min平均風(fēng)向風(fēng)速和降水量4個(gè)觀測(cè)要素進(jìn)行分析。平行對(duì)比觀測(cè)選取碌曲新址和舊址2014-01-01—2014-12-31共計(jì)1 a的觀測(cè)數(shù)據(jù)；選取舊址1995—2014年共計(jì)20 a、新址2014—2018年共計(jì)5 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性估計(jì)和檢驗(yàn)；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(jì)方法

1.3.1 獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

采用平均差值和標(biāo)準(zhǔn)差衡量碌曲站新舊址2014年平行觀測(cè)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(gè)數(shù)列總體均值的差異，即進(jìn)行小樣本獨(dú)立樣本雙側(cè)T檢驗(yàn)，假設(shè)兩個(gè)序列的均值相等，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(duì)樣本T檢驗(yàn)

選取遷站前后各5 a的數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的按月配對(duì)數(shù)據(jù)可以檢驗(yàn)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(jìn)行小樣本配對(duì)T檢驗(yàn)。同樣地假設(shè)兩個(gè)序列均值相等，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T：

(5)

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 新舊站址觀測(cè)要素差異

通過對(duì)比遷站前后各5 a的日平均氣溫、相對(duì)濕度、2 min平均風(fēng)速的月均值和降水量月合計(jì)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(duì)濕度遷站后整體高于遷站前；遷站后風(fēng)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(fù)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(duì)風(fēng)速的影響最大，其次是夏季降水。

計(jì)算2014年平行觀測(cè)期間新舊站址各要素差值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差：平均氣溫和最低氣溫的差值接近，最高氣溫的差值絕對(duì)值要大于平均氣溫和最低氣溫約0.4 ℃，其標(biāo)準(zhǔn)差也是平均氣溫和最低氣溫的2倍，說明對(duì)白天的影響要大于夜間；新舊址相對(duì)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(shì)類似，新舊址風(fēng)速差異明顯，降水量基本持平。

2.2 T檢驗(yàn)

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)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(shè)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(jié)論一致；2)相對(duì)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(shè)下表現(xiàn)為差異顯著；3)2 min平均風(fēng)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(duì)樣本T檢驗(yàn)更直觀，2 min平均風(fēng)速差異極顯著；與獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)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(duì)濕度和降水量則未檢驗(yàn)出差異。

從以上誤差分析和檢驗(yàn)可看到，方差齊性的檢驗(yàn)是必要的，方差相等與否的假設(shè)會(huì)影響檢驗(yàn)結(jié)果；獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)和配對(duì)樣本T檢驗(yàn)在檢驗(yàn)結(jié)果上總體一致，但對(duì)氣溫的差異檢驗(yàn)中存在不一致。在各要素中，無論是從差值和標(biāo)準(zhǔn)差，還是從檢驗(yàn)結(jié)果來看，2 min平均風(fēng)速在遷站前后的明顯差異是無疑的，文章將對(duì)新舊址風(fēng)的差異情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 新舊址風(fēng)的差異分析

表1列出了2014年平行對(duì)比觀測(cè)期間新舊站址的2 min平均風(fēng)向相符情況。當(dāng)2 min平均風(fēng)速值大于0.2 m/s時(shí)統(tǒng)計(jì)風(fēng)向相符率，當(dāng)新址與舊址2 min平均風(fēng)向角度差值小于22.5°時(shí)認(rèn)為二者相符，風(fēng)向相符率即相符次數(shù)與對(duì)比總次數(shù)的比值。

表1 新舊站址2014年2 min平均風(fēng)向相符率

統(tǒng)計(jì)遷站前后各5 a的2 min平均風(fēng)向在16個(gè)方位出現(xiàn)的頻率并制作風(fēng)向玫瑰圖：無論是2014年平行觀測(cè)期間，還是遷站前后各5 a的2 min平均風(fēng)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(duì)風(fēng)向風(fēng)速均有影響，風(fēng)的資料序列出現(xiàn)明顯的不連續(xù)。圖1統(tǒng)計(jì)了遷站前后各5 a中每個(gè)月的大風(fēng)日數(shù)總和及月平均極大風(fēng)速。當(dāng)極大風(fēng)速≥17.0 m/s時(shí)記錄當(dāng)日出現(xiàn)大風(fēng)現(xiàn)象，該日為1個(gè)大風(fēng)日數(shù)。新址觀測(cè)環(huán)境開闊，位于山頂，不僅造成了舊址風(fēng)向風(fēng)速明顯差異，風(fēng)速的量級(jí)更是變化顯著：舊址很少出現(xiàn)大風(fēng)現(xiàn)象，5 a共計(jì)11日出現(xiàn)大風(fēng)，而新址大風(fēng)頻發(fā)，5 a共計(jì)有372個(gè)大風(fēng)日數(shù)；統(tǒng)計(jì)各月平均極大風(fēng)速，新址為舊址的2倍左右；舊址2010—2014年歷史極大風(fēng)速為19.9 m/s，風(fēng)向?yàn)閃SW，新址2014—2018年歷史極大風(fēng)速為37.8 m/s，風(fēng)向?yàn)閃NW。

圖1 遷站前后各5 a的大風(fēng)日數(shù)及平均極大風(fēng)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(cè)站由被周圍建筑物環(huán)抱變?yōu)樵谄教归_闊的山頂。因此，風(fēng)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(gè)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(shí)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(shí)通過對(duì)比碌曲站1995—2014年共計(jì)20 a舊址氣溫年平均值，和2014—2018年共計(jì)5 a新址氣溫年平均值變化趨勢(shì)：舊址過去20 a氣溫年平均值整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且每5 a出現(xiàn)1個(gè)起伏周期變化，這種趨勢(shì)在2014年使用新址觀測(cè)數(shù)據(jù)后整體降低約1.1 ℃，產(chǎn)生不連續(xù)點(diǎn)。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(jié)束語(yǔ)

文章通過對(duì)比碌曲站遷站前后各觀測(cè)要素的差異得出：碌曲站遷站對(duì)風(fēng)要素的觀測(cè)影響最大，其次為氣溫，對(duì)相對(duì)濕度和降水量的觀測(cè)無明顯影響。上述結(jié)論無論是從差值分析還是從T檢驗(yàn)來看，都需要累積更多的資料來進(jìn)一步驗(yàn)證。