蕭山站遷站觀測資料對比評估

馬鳳華 耿迪 劉學軍 鐘已承

(1.蕭山區(qū)氣象局,浙江 杭州 311201；2.陽城縣氣象局,山西 晉城 048100)

0 引 言

蕭山國家一般氣象站始建于1954年5月1日,站址位于蕭山縣城東長山公社山末址鄉(xiāng)村。1996年1月1日搬遷至北干街道柳橋社區(qū)北干山“山腰”。長期以來,由于觀測場北側緊鄰山坡,西西北到東北方向有山脈遮擋,觀測場向外拓展空間受限,無法滿足現(xiàn)代氣象觀測業(yè)務發(fā)展需要。經(jīng)中國氣象局批準同意,2016年1月1日遷移至新址,按照地面氣象觀測規(guī)范[1]和遷站規(guī)范[8]規(guī)定,臺站搬遷需要進行為期一年的對比觀測。國內已有許多文獻[2～7]對遷站觀測資料進行了對比分析,提出遷站是產生氣候資料序列非均一性現(xiàn)象的最主要的原因之一。由于地理環(huán)境的不同和海拔的變化,使得蕭山國家一般氣象站新、舊站址相關氣象要素數(shù)據(jù)產生差異。為了研究新址的氣象資料是否具有延續(xù)性和代表性,本文利用蕭山站2016年新、舊址的氣象要素觀測值,采用差值標準差、降水累計相對差值、風向相符率、顯著性檢驗等分析方法,進行對比分析,尋找差異,并分析其產生的原因。

1 資料和方法

1.1 新、舊站址環(huán)境狀況對比

舊址位于蕭山城東北干山山腰,地理位置120°17′11″E、30°10′38″N,觀測場海拔為44.3 m,1996年1月1日正式啟用,西西北到東北方向有山脈阻擋,對日照和風有一些影響,觀測場北面緊鄰山坡,西—北—東周圍10 m范圍內有高于1 m的植物和樹木。新址位于舊址西北方向的北干山山頂,距離舊址198 m,地理位置120°17′03″E、30°10′40″N,觀測場海拔為96.5 m,周邊空曠,無高大障礙物遮擋,受城市等特定環(huán)境影響小。新、舊址的觀測儀器均為DZZ5型自動氣象站,軟件均為臺站地面綜合觀測業(yè)務軟件,簡稱ISOS。

1.2 資料來源

對比分析數(shù)據(jù)使用2016年1—12月蕭山站新址和舊址的逐日觀測資料,差異顯著性檢驗使用1996—2015年舊址和2016年新址的觀測資料。對比分析評估時,若新址或舊址觀測資料有缺測,對應的對比資料作缺測處理。

1.3 統(tǒng)計方法

1.3.1 差值及差值標準差

分別計算新、舊站址之間的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日平均相對濕度、日平均風速的差值,并統(tǒng)計求取月、年差值平均值和差值標準差。差值平均值、差值的標準差計算公式分別為:

(1)

(2)

式中xi為新、舊站址第i次要素觀測值的差值,n為樣本容量。

1.3.2 降水量累計相對差值

降水量累計相對差值反應了兩站降水總體差異情況。采用以下公式計算:

(3)

(3)式中,Ai為舊址第i次觀測降水量,xi為新舊址第i次降水量觀測值的差值；n為總降水次數(shù)。

1.3.3 風向相符率統(tǒng)計

只有觀測風速大于0.2 m/s時,才統(tǒng)計風向相符率。新址與舊址風向角度差小于22.5°,即認為兩者相符。采用以下公式計算:

(4)

1.3.4 顯著性檢驗

利用舊址近20 a的觀測要素數(shù)據(jù)月(年)平均值序列,對新址平行觀測期的月(年)平均值進行顯著性檢驗。采用以下公式計算:

假設x0為平行觀測期的某要素月(年)平均值,假定樣本容量為n月(年),這n年觀測的相應要素月(年)平均值的樣本序列為x1,x2,…,xi,…,xn,統(tǒng)計量

(5)

在顯著水平a為0.05(0.01),自由度為n時,當|t|>ta,則表示平均值x0與其它年份平均值差異顯著。

2 新、舊站址各氣象要素差值分析

2.1 差值及差值標準差

分別計算新址與舊址之間的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日平均相對濕度、日平均風速的差值,并統(tǒng)計求取1—12月、年差值平均值(見表1)和差值標準差(見表2)。在表1中,差值為正,代表新址的要素值高于舊址,反之,代表新址的要素值低于舊址。

表1 蕭山站新址與舊址各要素月(年)差值平均值表

表2 蕭山站新址與舊址各要素月(年)差值標準差σ

2.2 氣溫差異分析

經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)新、舊站址的氣溫存在著較大的差異。由表1可看出,新、舊站址平均氣溫的差值年平均為-0.4 ℃,即新址的年平均氣溫比舊址低0.4 ℃。1—12月的月平均氣溫偏差在-0.2～-0.5 ℃之間,其中1月、3月和8—12月差值為-0.4～-0.5 ℃,2月和4—7月差值為-0.2～-0.3 ℃,7月差值最小為-0.2 ℃,這說明新、舊址的月平均氣溫在春、夏季節(jié)偏差較小,秋、冬季節(jié)偏差較大。

新、舊址最高氣溫的年平均差值為-0.8 ℃,即新址最高氣溫的年平均值比舊址低0.8 ℃,相比于平均氣溫和最低氣溫,新舊址的最高氣溫相差較大。新、舊址最高氣溫的月平均差值在-0.4～-1.1 ℃之間,其中1—3月、8—12月的差值在-0.7～-1.1 ℃之間,其余月份差值在-0.4～-0.6 ℃之間,這同樣說明了新、舊址的最高氣溫在春、夏季節(jié)偏差小,秋、冬季節(jié)偏差大。

最低氣溫差值年平均為-0.2 ℃,相比于平均氣溫和最高氣溫,新舊址的最低氣溫相差較小。新、舊址最低氣溫的月平均差值在-0.1～-0.4 ℃之間,其中1月份新、舊址最低氣溫差值最大,為-0.4 ℃,其次為9、10、11月,差值均為-0.3 ℃。這也說明了新、舊址最低氣溫在春、夏季節(jié)偏差小,秋、冬季節(jié)偏差大的特征,但新、舊址最低氣溫偏差的季節(jié)特征不如平均氣溫和最高氣溫明顯。

由表2月(年)氣溫差值標準差表明,平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫數(shù)據(jù)離散程度較小,數(shù)據(jù)波動小比較穩(wěn)定。經(jīng)過對比,2016年新、舊兩站的極端氣溫出現(xiàn)時間完全吻合,其中極端最高氣溫均出現(xiàn)在7月26日,極端最低氣溫均出現(xiàn)在1月25日；分析新、舊站平均氣溫隨時間的變化趨勢(圖1),兩者同樣具有極高的吻合度。

圖1 2016年新、舊址平均氣溫的逐月分布圖

2.3 相對濕度差異分析

由表1可見,新址全年各月相對濕度均大于舊址,新址年平均相對濕度比舊址高3%。2月、7月新、舊址的相對濕度月差值相對較小,9—12月是相對濕度差值較大的月份,其中10月份新舊址相對濕度差值為6%,為一年中相對濕度差值最大的月份。由表2可看出,月(年)相對濕度差值標準差較大,數(shù)據(jù)波動較大。但兩站相對濕度在時間序列分布上呈現(xiàn)出高度一致性(圖2)。

圖2 2016年新、舊址平均相對濕度的逐月分布圖

2.4 降水量差異分析

2.4.1 降水量差值分析

從表1可看出,2016年新址的年降水量比舊址偏多110.3 mm,除2月份的降水量月差值為負值外,其余各月均為正值,這說明了只有2月份降水量新址少于舊址,其余各月份降水量新址均多于舊址。新舊址在4—6月和9—11月的降水量差異較大,差值在8.6～31.4 mm之間,1—3月、7—8月和12月差異相對較小,在-3.4～4.9 mm之間。3月份的降水量差值最小,為0.7 mm,代表3月新、舊址的降水量最接近。9月份差值為31.4 mm,是一年中降水量差值最大的月份。通過統(tǒng)計,2016年新址的雨日比舊址偏少22 d。

由表2可看出,降水差值標準差較氣溫大,數(shù)據(jù)離散程度相對不穩(wěn)定,波動較大。

2.4.2 降水量累計相對差值分析

計算2016年的逐月降水量和年降水量的累計相對差值,發(fā)現(xiàn)新、舊址的年降水量累計相對差值為7%,說明新舊站址間降水量的總量差異較大。由圖3可知:除2月份新址降水量少于舊址外,其余各月均大于舊址,3月、7月差異最小為1%,9月最大為16%,全年只有5個月(1月、3月、6—8月)累計相對差值小于等于4%。

圖3 2016年新、舊址的降水量累計相對差值的逐月分布圖

2.5 風速、風向差異分析

2.5.1 風速差異分析

由表1可知,新、舊站址平均風速差值年平均為2.0 m/s,月平均差值在1.3～2.7 m/s之間,其中4—7月的平均風速差值在1.3～1.9 m/s之間,1—3月、8—12月在2.0～2.7 m/s之間,這說明2016年1—12月新址的平均風速均大于舊址,新、舊址在春、夏季的風速相差較小,秋冬季相差大。通過計算平均風速日差值,發(fā)現(xiàn)平均風速日差值最大為7.0 m/s、最小-0.2 m/s,2016年期間新址只有兩天的平均風速較舊址偏小,其余均偏大,這說明新址的風速基本上大于舊址的風速,只有非常少數(shù)的情況下舊址的風速大于新址,這與新舊址的地理位置有關,舊址北側緊鄰山坡,西西北到東北方向有山脈遮擋,新址在山脈頂部的平地上。風向為西西北到東北方向時,舊址受山脈阻擋,因此風速會比新址小。

通過表2可以看出,平均風速差值標準差較大,數(shù)據(jù)離散程度相對不穩(wěn)定,波動較大。2016年最大風速差值的年平均為3.6 m/s、月平均在3.0～4.6 m/s之間,日差值最大10.4 m/s、最小-0.7 m/s,新址全年只有一天較舊址偏小,其余均偏大；2016年極大風速差值年平均為3.5 m/s、月平均在2.8～4.4 m/s之間、日差值最大23.4 m/s、最小-0.8 m/s,新址全年有5 d較舊址偏小,其余均偏大。由圖4可見,新、舊站址風速差異較大,新址平均風速、最大風速、極大風速差值平均都明顯大于舊址,平均風速差值、最大風速差值和極大風速差值的最大值均出現(xiàn)在10月,并且發(fā)現(xiàn)風速越大差值越大,當出現(xiàn)大風天氣現(xiàn)象時,差異尤為顯著；新址全年出現(xiàn)大風日數(shù)為15 d,而舊址全年未出現(xiàn)大風天氣。新址全年靜風出現(xiàn)回數(shù)為8,而舊址為112。

圖4 新、舊址風速差值的逐月分布圖

2.5.2 風向差異分析

表3是新、舊址的最多風向頻率風向相符率統(tǒng)計表,可以看出新、舊址在1—12月和年最多風向及頻率均相差較大。1月、8月和10月新、舊址的最多風向比較接近,相差一個方位,4月最多風向差異最大,相差8個方位。新址年最多風向N,舊址年最多風向WSW,相差5個方位。據(jù)統(tǒng)計年風向頻率除WNW相同外,其余各風向及靜風都存在差異,其中N、WSW和NNW差別較大(圖略)。新址與舊址年風向相符率只有42.5%,最大相符率在8月為53.2%,最小相符率在2月為36.5%,可見兩站風向一致性較差。

2.6 顯著性檢驗

為了進一步了解遷站對觀測數(shù)據(jù)連續(xù)性的影響,對新址2016年和舊址近20 a(1996—2015年)的觀測資料進行均值差異T檢驗,置信區(qū)間的置信度為95%,顯著性水平0.05(顯著性水平為0.05的標準值為2.086)(表4)。

表3 新、舊站址的最多風向頻率風向相符率統(tǒng)計表

表4 新、舊址各氣象要素的T檢驗

結果顯示年平均氣溫、年降水量、年平均相對濕度,通過了T檢驗,年平均風速未通過,表明平均氣溫、降水量和平均相對濕度連續(xù)性較好,平均風速連續(xù)性相對較差。

由月平均值檢驗結果可知:12月平均氣溫數(shù)據(jù)有顯著性差異,其它月份數(shù)據(jù)顯著性差異較小,連續(xù)性較好；4月、5月的降水量差異較顯著,其次是9月和1月,其余月份的降水量差異不顯著；平均相對濕度除2月、10月、11月顯著外,其它月份的差異均不顯著；平均風速除7月不顯著外,其他月份的差異均較顯著,年平均風速的差異也較顯著。

3 結果分析

利用蕭山站站址遷移對比期(2016年1月1日至12月31日)新、舊址的氣溫、降水、相對濕度、風向、風速等氣象要素的逐日觀測數(shù)據(jù),采用差值標準差、降水累計相對差值、風向相符率、顯著性檢驗等統(tǒng)計分析方法,對以上要素進行對比分析,結果表明:

1)受海拔高度和周圍地理環(huán)境差異的影響,2016年1—12月新址的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均低于舊址,其年平均差值分別為-0.4 ℃、-0.8 ℃、-0.2 ℃,最高氣溫差異最大。但各類氣溫的差異具有一致的季節(jié)變化特征,均在春、夏季節(jié)比較接近,秋、冬季節(jié)相差較大。新、舊址的極端最高氣溫和最低氣溫的出現(xiàn)日期完全一致,平均氣溫隨時間變化趨勢吻合。

2)2016年1—12月新址的月平均相對濕度均大于舊址,新址年平均相對濕度比舊址高3%,其中9—12月相差較大。但兩者隨時間的變化趨勢基本一致。

3)2016年新址的年降水量比舊址偏多110.3 mm,但雨日比舊址偏少22 d。新、舊址年降水量的累計相對差值為7%。從降水量的差值、差值標準差及累計相對差值來看,新舊址的降水量觀測數(shù)據(jù)差異較大,主要體現(xiàn)在4—6月和9—11月,而1—3月、7—8月和12月差異相對較小。從日、月降水分析認為,導致降水差異大的原因:一是地理位置不同,舊址海拔低,春夏時節(jié),副高北抬,南來暖濕空氣受山脈阻擋抬升,溫度下降幅度小,水汽凝結少,降水量相對偏少；而新址海拔高,暖濕空氣在被迫抬升過程中水汽凝結量多于舊址,造成新站降水多于舊站；秋冬多西北氣流,加之副高南撤,新站海拔高,曖濕空氣爬山冷卻凝結致山頂多雨,而舊站位于新站東南方向,海拔低,兩站水平相距只有198 m,受氣流越山后下沉,云滴蒸發(fā)加大影響,造成舊站降水偏少。二是地理環(huán)境不同,新舊站址所處地理環(huán)境不同,風向和風速出現(xiàn)了較大差異,因而對水汽輸送形成影響；三是季節(jié)影響,4—6月、9—11月局地對流性降水較多,反應了降水的局地性特征。

4)2016年新址的平均風速、最大風速、極大風速均比舊址偏大,年平均差值分別為2.0、3.6、3.5 m/s,其中春、夏季風速相差較小,秋、冬季相差大,差值最大值均出現(xiàn)在10月。新站大風日數(shù)多于舊站、靜風出現(xiàn)次數(shù)少于舊站。兩站風向出現(xiàn)的一致性較差,2016年的風向相符率僅為42.5%,新址年最多風向為北風(N),舊址年最多風向是西西南(WSW),相差5個方位。主要原因是舊址的西西北到東北方向有連續(xù)障礙物阻擋,形成了“避風港”；而新址地勢開闊,氣象觀測環(huán)境良好,全年各月風向出現(xiàn)頻率符合季風氣候特征,避免了舊站受山地屏障的影響,測得的風速風向更能代表本地氣候特征。

5)顯著性檢驗結果表明,新、舊址的平均氣溫、平均相對濕度和降水量與舊址近20 a的觀測數(shù)據(jù)差異不顯著,各要素隨時間變化趨勢的一致性較好,根據(jù)其相對固定的數(shù)據(jù)差異,可在氣候分析和應用中延續(xù)使用；受特殊地理環(huán)境影響,新、舊站風要素差別較大,延續(xù)性使用價值不大,可根據(jù)不同的應用需求,分別統(tǒng)計分析使用,新站風要素更具有代表性。

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