遷站和儀器更換對(duì)阿拉山口風(fēng)速資料的影響分析

孫 蕾，伏曉慧，張金柱

（1.阿拉山口氣象局，新疆 阿拉山口833418；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

氣候資料能客觀、科學(xué)地反映當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r和當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，由于氣象臺(tái)站站址的搬遷、儀器的更換及其他特殊原因都會(huì)造成氣象資料序列的非均一性，不能準(zhǔn)確反應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鱗1]。均一的風(fēng)速序列是當(dāng)?shù)剌旊娋€路設(shè)計(jì)及風(fēng)能資源等項(xiàng)目開(kāi)發(fā)利用、評(píng)估的基礎(chǔ)[2]，阿拉山口的氣候特征就是大風(fēng)多，近年來(lái)多家風(fēng)電企業(yè)在阿拉山口建大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)群，因此對(duì)阿拉山口風(fēng)資料的均一性、代表性、連續(xù)性檢驗(yàn)很有必要。阿拉山口站1957年建站，到2010年54 a中共經(jīng)歷過(guò)5次遷站，前4次遷站均在原址附近艾比湖畔，海拔高度變動(dòng)較小，環(huán)境及地貌相似，最后一次遷站是在2001年，距原觀測(cè)場(chǎng)約1.7 km且海拔高度高出51.3 m，處于坡地，環(huán)境變化較大，本文選2001年遷站來(lái)分析對(duì)風(fēng)資料的影響。阿拉山口站1993年測(cè)風(fēng)儀由EL型更換為EN型，EL和EN型測(cè)風(fēng)儀室外感應(yīng)部分的原理和材質(zhì)相同，只是室內(nèi)的顯示結(jié)構(gòu)不同，所以不對(duì)其進(jìn)行分析,2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動(dòng)測(cè)風(fēng)儀，其材質(zhì)和工作原理與人工站EN型的完全不同，所以選2004年自動(dòng)與人工測(cè)風(fēng)儀對(duì)比觀測(cè)資料分析儀器變更對(duì)測(cè)站風(fēng)資料的影響。對(duì)阿拉山口站風(fēng)資料的連續(xù)性、代表性、比較性分析時(shí)所選對(duì)比站是精河站，因精河站處在阿拉山口站下游、垂直距離在100 km以?xún)?nèi)且屬同一個(gè)天氣影響區(qū)，并且精河站探測(cè)環(huán)境一直保持較好，只是1961和1962年在原觀測(cè)場(chǎng)附近作小幅變動(dòng)后再?zèng)]有遷移過(guò)[3]。另外博樂(lè)、溫泉、精河3站都是2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動(dòng)站，且距阿拉山口垂直距離都在200 km以?xún)?nèi)，通過(guò)阿拉山口與以上三站近30 a風(fēng)速序列比較，得到2004年儀器更換后各站風(fēng)速變化特征。

1 資料

按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定[4]：阿拉山口站2001年遷站時(shí)，對(duì)新、舊站 2000年7、10月和2001年1月3個(gè)月進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，所以選上述3個(gè)月日平均風(fēng)速對(duì)比觀測(cè)資料。選取2004年1—12月自動(dòng)站與人工站各月平均風(fēng)速和極大風(fēng)速平行對(duì)比觀測(cè)資料，以及阿拉山口站和精河站1957—2010年平均風(fēng)速資料，博樂(lè)、溫泉站1981—2010年平均風(fēng)速資料。

2 阿拉山口54 a風(fēng)速序列特征分析

2.1 年平均風(fēng)速序列M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

氣候突變是指在較短時(shí)間內(nèi)由一種相對(duì)較為穩(wěn)定的氣候狀態(tài)，過(guò)渡到另一種氣候狀態(tài)的變化，它是氣候系統(tǒng)非線性性質(zhì)的一種表現(xiàn)[5]。分析阿拉山口年平均風(fēng)速有無(wú)突變現(xiàn)象不僅對(duì)弄清風(fēng)異常的長(zhǎng)期變化規(guī)律非常重要，而且為預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)變化趨勢(shì)提供參考背景。

本文采用Mann-Kendall法（簡(jiǎn)稱(chēng)M-K方法）是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，來(lái)判斷氣候序列是否發(fā)生突變[6]，即在M-K突變檢測(cè)圖中，如果c1和c2在臨界值 1.96（α=0.05）之間有一個(gè)顯著的交點(diǎn)，且c1上升超過(guò)1.96，或c2下降低于-1.96，則認(rèn)為序列產(chǎn)生了突變，并且這個(gè)交點(diǎn)就是突變的開(kāi)始點(diǎn)，反之，則認(rèn)為沒(méi)有產(chǎn)生突變。使用此方法對(duì)阿拉山口站風(fēng)速序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，由圖1可看到c1和c2的交點(diǎn)在±1.96的置信區(qū)間，且曲線c1向正方向變化，c2向負(fù)方向變化，由此得到阿拉山口54 a平均風(fēng)速發(fā)生突變，突變點(diǎn)是c1和c2的交點(diǎn)即2004年，事實(shí)上也是2004年以后阿拉山口年平均風(fēng)速在迅速大幅減小，突變前年平均風(fēng)速5.9 m/s，突變后年平均風(fēng)速4.5 m/s。用同法分析對(duì)比站精河54 a平均風(fēng)速則沒(méi)有發(fā)生突變（圖略）。

圖1 阿拉山口1957—2010年平均風(fēng)速M(fèi)-K檢測(cè)曲線

2.2 年平均風(fēng)速序列的連續(xù)性、代表性分析

氣象要素觀測(cè)資料的代表性、準(zhǔn)確性、比較性決定其適用范圍和使用價(jià)值[7]。本文利用阿拉山口1957—2010年風(fēng)速累年均值統(tǒng)計(jì)，計(jì)算年平均風(fēng)速在該時(shí)期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)該時(shí)期以標(biāo)準(zhǔn)差為置信區(qū)間，考查1957—2010年間各年風(fēng)速均值（年值）以及累年均值是否在上述相應(yīng)的置信區(qū)間內(nèi)，用其結(jié)果分析阿拉山口年平均風(fēng)速的連續(xù)性[8]。另外利用精河站同期對(duì)應(yīng)的年平均風(fēng)速資料作相同統(tǒng)計(jì)、序列分析，兩站相互比較來(lái)考察阿拉山口站年平均風(fēng)速資料的比較性和代表性。

標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法如下：

式中，s為標(biāo)準(zhǔn)差，n為資料總年數(shù)，xi為歷年值為多年（1957—2010年）平均值。通過(guò)計(jì)算可以得到阿拉山口54 a平均風(fēng)速均值為5.9 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.6 m/s，那么標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間就是5.3～6.5 m/s之間。從圖2a中可以看到54 a中阿拉山口站是1957年和2004—2010年不在其標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間內(nèi)，連續(xù)累5 a均值線是2004—2010年不在標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明阿拉山口站風(fēng)速資料2004年以前連續(xù)性、代表性較好。從圖2a和2b比較可以看到阿拉山口和精河年平均風(fēng)速連續(xù)累5 a均值線在2003年之前波形變化基本相似，2003年之后精河站年平均風(fēng)速開(kāi)始持續(xù)上升，而阿拉山口站在持續(xù)下降，由此得出阿拉山口站2003年以前比較性較好。

圖2 1957—2010年阿拉山口（a）、精河站（b）風(fēng)速均值序列變化分析

3 遷站對(duì)阿拉山口風(fēng)速資料的影響分析

3.1 新、舊測(cè)站風(fēng)速方差是否有顯著差異分析

利用風(fēng)速方差顯著差異分析和風(fēng)速均值的差異顯著性檢驗(yàn)來(lái)分析2001年遷站對(duì)阿拉山口風(fēng)資料的影響。

在氣象變量中，年、月、旬、日平均風(fēng)速，定時(shí)風(fēng)速、都接近正態(tài)分布，對(duì)于來(lái)自?xún)蓚€(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)總體，假定：第1個(gè)樣本系從均值為，方差為的正態(tài)總體中隨機(jī)取出，第2個(gè)樣本取自另一個(gè)類(lèi)似的總體，相應(yīng)均值、方差分別為，取統(tǒng)計(jì)量

其中

表1 2001年遷站新、舊站對(duì)比觀測(cè)資料方差顯著差異分析結(jié)果

3.2 新、舊測(cè)站風(fēng)速均值的差異顯著性檢驗(yàn)

因新、舊站風(fēng)速方差無(wú)顯著差異，可以進(jìn)一步利用兩站風(fēng)速均值的差異顯著性檢驗(yàn)分析，得到新、舊測(cè)站風(fēng)速資料能否合并統(tǒng)計(jì)，方法是：對(duì)于來(lái)自新、舊測(cè)站兩個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)總體X～N（μ1），Y～N未知但相等，若檢驗(yàn) H0：μ1=μ2，

構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

從數(shù)學(xué)上可以證明統(tǒng)計(jì)量T服從n1+n2-2個(gè)自由度的t分布，如果|T|＞tα，則認(rèn)為兩個(gè)總體的平均數(shù)“有顯著性差異”，兩個(gè)樣本不能合并統(tǒng)計(jì)，反之則兩個(gè)樣本“無(wú)顯著性差異”可以合并統(tǒng)計(jì)[9]。

利用以上方法對(duì)新、舊站日平均風(fēng)速對(duì)比觀測(cè)值進(jìn)行檢驗(yàn)分析，得出：2000年7月日平均風(fēng)速T=0.397，2000年 10月 T=1.25，2001年 1月 T=0.263，當(dāng)給定信度0.05時(shí)，查tα=2.000，顯然上述T值均小于2.000，表明兩組觀測(cè)資料無(wú)顯著差異，新、舊站風(fēng)速資料可以合并統(tǒng)計(jì)。

綜合以上分析得出：新、舊站風(fēng)速方差無(wú)顯著差異，兩地觀測(cè)資料可以合并統(tǒng)計(jì)，遷站沒(méi)有對(duì)阿拉山口站風(fēng)速的連續(xù)性造成影響。

4 儀器變更對(duì)阿拉山口風(fēng)速的影響分析

4.1 自動(dòng)站與人工站各月平均風(fēng)速的對(duì)比差值分析

阿拉山口站2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動(dòng)站，其測(cè)風(fēng)儀采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器，具有慣性小、啟動(dòng)快、感應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，其材質(zhì)、采集數(shù)據(jù)原理和人工站EN型的完全不同[10]26-36。從表2可以看出2004年自動(dòng)站比人工站所測(cè)年平均風(fēng)速大0.4 m/s。整個(gè)冬季（12—2月）自動(dòng)站與人工站月平均風(fēng)速相差不大，初步分析冬季是阿拉山口站全年最寒冷、濕度較大、霜、霧形成最多的季節(jié)，所以導(dǎo)致風(fēng)感應(yīng)器易結(jié)霜再加上降雪等原因致使自動(dòng)站風(fēng)感應(yīng)器較輕、慣性小等特點(diǎn)受影響較大，所測(cè)風(fēng)速減小。

表2 阿拉山口2004年自動(dòng)站和人工站各月平均風(fēng)速差值/（m/s）

4.2 自動(dòng)站與人工站極大風(fēng)速的對(duì)比差值分析

從表3中可以看到自動(dòng)與人工極大風(fēng)速差值只有1月份是負(fù)值，自動(dòng)和人工在風(fēng)速越大時(shí)差值越大，說(shuō)明自動(dòng)站對(duì)極大風(fēng)的感應(yīng)比人工站靈敏。對(duì)2004年4、10月（大風(fēng)較多月）自動(dòng)站與人工站極大風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)行評(píng)估[10]133-142，極大風(fēng)速的誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別是1.42和1.36，月一致率分別是80%和87%，月粗差率是0.0%，極大風(fēng)向符合率分別是57%和52%。

通過(guò)以上對(duì)比分析得出:自動(dòng)站比人工站所測(cè)的年平均風(fēng)速大，除1月外其它各月自動(dòng)站所測(cè)月平均風(fēng)速和極大風(fēng)速均比人工站大，與2004年之后阿拉山口年平均風(fēng)速迅速減小相反，說(shuō)明，自動(dòng)站的更換不是造成年平均風(fēng)速序列突變的直接原因。

表3 2004年各月自動(dòng)站與人工站極大風(fēng)速差值/（m/s）

5 與鄰近其它3站年平均風(fēng)速的對(duì)比分析

從圖3可以看到與阿拉山口站相鄰的博樂(lè)、溫泉、精河3站在2004年以前年平均風(fēng)速圖的波形基本一致，但在2004年后其它3站年平均風(fēng)速值都在增大，而阿拉山口站2004年后年平均風(fēng)速則迅速大幅減少，波形與其它3站反相。說(shuō)明阿拉山口站年平均風(fēng)速值從2004年開(kāi)始與周邊對(duì)比站變化不一致。也就是說(shuō)，阿拉山口年平均風(fēng)速迅速減小并不是大范圍氣候變化的結(jié)果。

圖3 阿拉山口站與博樂(lè)、溫泉、精河站1981—2010年平均風(fēng)速

6 阿拉山口站2004年風(fēng)速突變?cè)虻某醪椒治?/h2>

阿拉山口2001年遷到現(xiàn)址時(shí)，僅在正西方向約1 km處有口岸委大樓一幢（5層），2004年之前測(cè)站周?chē)鷽](méi)有新建樓房及成片林帶。2004年開(kāi)始阿拉山口管委會(huì)在氣象站上風(fēng)方（西北方向）種植了多條東西和南北向交錯(cuò)的榆樹(shù)林防風(fēng)帶[11]，呈網(wǎng)格狀，總面積約6.1 hm2，2005年又繼續(xù)向西北方向沿邊境線種植防風(fēng)林約20 hm2。阿拉山口整個(gè)地勢(shì)是西北高東南低的坡地，全年盛行西北風(fēng)，氣象站正好處在疏透結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)坡。根據(jù)朱廷瞿的研究結(jié)論：在坡地林帶的背風(fēng)面有較大范圍的弱風(fēng)區(qū)，疏透結(jié)構(gòu)和透風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)面的弱風(fēng)區(qū)則更大，坡地背風(fēng)坡因氣流下沉輻散，風(fēng)速減弱，因此防風(fēng)范圍遠(yuǎn)大于迎風(fēng)坡[12]。由此可知，處在疏透結(jié)構(gòu)榆樹(shù)林防護(hù)帶背風(fēng)坡的阿拉山口站2004年后風(fēng)速的大幅度減小與大面積種植防護(hù)林有關(guān)。

7 小結(jié)和討論

阿拉山口站1957—2010年54 a平均風(fēng)速序列在2004年發(fā)生突變，突變后平均風(fēng)速迅速減小。2001年遷站沒(méi)有造成風(fēng)速的突變，且經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)新、舊站風(fēng)速方差無(wú)顯著差異，兩地風(fēng)速資料可以合并統(tǒng)計(jì)；2004年阿拉山口站更換自動(dòng)站測(cè)風(fēng)儀所測(cè)風(fēng)速比人工站大，風(fēng)速的突然變小不是儀器更換直接造成；從阿拉山口站與周邊臺(tái)站風(fēng)速序列對(duì)比中發(fā)現(xiàn)其它站都在2004年后風(fēng)速變大，只有阿拉山口站是迅速減小的，風(fēng)速的突然變小也不是單一由氣候變化直接造成。進(jìn)一步調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)速突變與2004—2005年阿拉山口地區(qū)在氣象站西北方向大面積種植防護(hù)林帶有關(guān)，其它原因有待進(jìn)一步探究。

致謝：衷心感謝新疆氣象信息中心王秋香老師的指導(dǎo)和幫助。

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