萬(wàn)盛城市站與國(guó)家站氣象要素對(duì)比

劉冬，何佳玥，周燕秋

（1.重慶市萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局，重慶 400800；2.重慶市萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)自然災(zāi)害預(yù)警預(yù)防辦公室，重慶 400800）

萬(wàn)盛國(guó)家氣象觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱國(guó)家站）始建于1966年。隨城市化的推進(jìn)，原萬(wàn)盛國(guó)家氣象觀測(cè)站站址周邊已完全城市化，測(cè)場(chǎng)環(huán)境已不能滿足規(guī)范要求。2015年1月1日，萬(wàn)盛國(guó)家氣象觀測(cè)站搬遷至萬(wàn)東鎮(zhèn)五和村窯罐場(chǎng)社，舊站則變成城市觀測(cè)站繼續(xù)擔(dān)負(fù)常規(guī)氣象觀測(cè)任務(wù)。新站址海拔高度599.9m，比舊站高273.4m，與舊站直線距離約7000m，且測(cè)場(chǎng)環(huán)境改變較大。為了解站址遷移前后觀測(cè)資料序列因地理位置、尤其是海拔高度和周圍環(huán)境不同而形成的兩站氣象要素差異，本文對(duì)萬(wàn)盛2015年1月—2017年12月城市站與遷站后國(guó)家站的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上嘗試對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，以期向正確使用遷站前后觀測(cè)資料提供參考和幫助。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

研究所用資料來(lái)自萬(wàn)盛經(jīng)開區(qū)氣象局，選取2015年1月—2017年12月萬(wàn)盛經(jīng)開區(qū)國(guó)家站與城市站的氣溫（日平均氣溫、日最高和最低氣溫、月極端最高和最低氣溫）、氣壓（日平均氣壓、日最高和最低氣壓、月極端最高和最低氣壓）、相對(duì)濕度（日平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度）、日累積降水量、風(fēng)向風(fēng)速（小時(shí)風(fēng)向風(fēng)速、日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速、月極大風(fēng)速）等觀測(cè)。相關(guān)要素的統(tǒng)計(jì)方法參見表1，新舊站基本情況見表2。

表1 相關(guān)要素名稱及對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)方法

日最高、最低氣溫 逐日最高、最低氣溫月極端最高、最低氣溫 逐月最高、最低氣溫日平均氣壓 逐日02/08/14/20時(shí)氣壓平均日最高、最低氣壓 逐日最高、最低氣壓月極端最高、最低氣壓 逐月最高、最低氣壓日平均相對(duì)濕度 逐日02/08/14/20時(shí)相對(duì)濕度平均日最小相對(duì)濕度 逐日最小相對(duì)濕度日累積降水 逐日20～次日20時(shí)累積降水量小時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速 逐小時(shí)10分鐘平均風(fēng)向、風(fēng)速日平均風(fēng)速 逐日平均風(fēng)速月極大風(fēng)速 逐月極大風(fēng)速

1.2 分析方法

1.2.1 對(duì)比差值

設(shè)Ui為第i次國(guó)家站觀測(cè)值， Ai為第i次城市站觀測(cè)值，則第i次的對(duì)比差值為：Xi=Ui-Ai。兩站數(shù)據(jù)的觀測(cè)次數(shù)為n， 則平均對(duì)比差值為：

對(duì)比差值直接反映了兩站要素的絕對(duì)偏差。

1.2.2 相對(duì)偏差

計(jì)算公式為：（國(guó)家站觀測(cè)-城市站觀測(cè)）/城市站觀測(cè) *100%?？梢泽w現(xiàn)國(guó)家站與城市站觀測(cè)的相對(duì)偏差程度。

1.2.3 資料u檢驗(yàn)

u檢驗(yàn)是在大樣本（樣本數(shù)n ＞30）的情況下，檢驗(yàn)隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望是否等于某一已知值的一種假設(shè)檢驗(yàn)方法[1]。檢驗(yàn)步驟如下：（1）建立假設(shè)H0:μ1=μ2，確定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)α；（2）選定檢驗(yàn)方法，計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量μ值；（3）按照給定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)u檢驗(yàn)臨界值表，確定臨界值μα；（4）作出推斷結(jié)論。當(dāng)判斷兩個(gè)獨(dú)立樣本的數(shù)學(xué)期望是否具有明顯差異時(shí)：

表2 萬(wàn)盛經(jīng)開區(qū)城市站與國(guó)家站地址比較

1.2.4 一元回歸訂正

為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，利用最小二乘法將國(guó)家站氣象要素訂正到城市站。國(guó)家站氣象要素為x，城市站氣象要素為y，訂正的基本公式為：

2 國(guó)家站和城市站氣象要素對(duì)比分析

2.1 氣溫對(duì)比

圖1所示為萬(wàn)盛國(guó)家站和城市站2015年—2017年平均氣溫對(duì)比差值的逐月變化。圖1中可以看出，國(guó)家站的日平均氣溫低于城市站，差值在-1.78℃附近波動(dòng)變化，無(wú)明顯峰值或低值。國(guó)家站與城市站的日平均最高溫度的最大溫差發(fā)生在7月，為-3.24℃，12全年最小，為-2.14℃，其余月份差值差異較小。國(guó)家站與城市站的日平均最低溫度的最大差值出現(xiàn)在12月為-1.77℃，最小差值出現(xiàn)在7月，為-0.79℃。從圖2中可以看出，國(guó)家站與城市站極端最高氣溫和極端最低氣溫差值的月變化明顯。月極端最高氣溫的最大差值發(fā)生在7月，為-3.73℃，最小差值發(fā)生在11月，為-2.37℃，總體來(lái)看7、8月相差較大，其余月份相差相對(duì)較小。月極端最低氣溫的最大差值發(fā)生在3月，為-2.0℃，最小差值發(fā)生在2月，為-0.3℃，總體來(lái)看3、9、11月相差較大，其余月份相差相對(duì)較小。

從不同按季節(jié)來(lái)對(duì)比，國(guó)家站與城市站15～17年各季節(jié)無(wú)明顯差異；日平均最高氣溫夏季溫差大，冬季溫差??；平均最低氣溫冬季溫差大，夏季溫差小。

綜合來(lái)看，各項(xiàng)氣溫指標(biāo)都表明國(guó)家站比城市站的氣溫低。兩站的海拔高度，周圍環(huán)境以及下墊面的差異可能是在造成兩站溫差的主要原因[2-3]。氣溫隨海拔高度的升高而降低， 因海拔高度變化造成的溫度差異可按平均溫度垂直遞減率0.65℃/100m[4]來(lái)估算，海拔高度上升273.4m，氣溫下降約為-1.78℃，這一數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在差異，說(shuō)明兩站氣溫的偏差不僅僅是由海拔高度變化引起的。城市熱島效應(yīng)可能是造成國(guó)家站的氣溫低于城市站的原因；另外國(guó)家站下墊面主要是土壤和巖石，城市站下墊面多是水泥和瀝青，直接影響地表熱容量和吸熱率，兩站觀測(cè)偏差也可能受下墊面差異的影響。

圖1 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站平均溫度、 平均最高溫度、平均最低溫度對(duì)比差值

圖2 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站，極端最高溫度、極端最低溫度對(duì)比差值

2.2 氣壓對(duì)比

圖3給出了萬(wàn)盛國(guó)家站和城市站2015年—2017年平均氣壓對(duì)比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國(guó)家站的月平均氣壓低于城市站，呈雙峰結(jié)構(gòu)，峰值發(fā)生在2月和7月，分別為-30.79hPa和-29.58hPa；最大偏差出現(xiàn)在12月為32.09hPa。綜合各月來(lái)看，國(guó)家站與城市站月平均最高氣壓和月平均最低氣壓差值變化趨勢(shì)均和國(guó)家站與城市站月平均氣壓差值變化趨勢(shì)基本一致。從圖4可看出，城市站與國(guó)家站極端最高氣壓差值在-35.73～-25.07hPa之間，極端最低氣壓差值在-31.97～-27.03hPa之間。

表3 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站降水量對(duì)比（mm）及百分誤差（%）

從不同按季節(jié)來(lái)對(duì)比，國(guó)家站與城市站月平均氣壓、月平均最高氣壓、月平均最低氣壓在各季節(jié)均呈現(xiàn)出夏季差值小，冬季差值大的特點(diǎn)。

綜合來(lái)看，各項(xiàng)氣壓指標(biāo)都表明國(guó)家站比城市站的氣壓低。本站氣壓隨著海拔高度的升高而降低，國(guó)家站比城市站海拔高度升高了273.4m。在近地面層中，氣壓隨海拔高度的變化可根據(jù)拉普拉斯氣壓高度差簡(jiǎn)化訂正公式Δp=-ΔH/8來(lái)計(jì)算，計(jì)算可知Δp=-34.18hPa，與實(shí)測(cè)差值較接近?？紤]兩站設(shè)備之間的系統(tǒng)誤差也會(huì)對(duì)兩站的氣壓差值造成一定影響[5]，因此兩站的海拔高度可能是在造成兩站氣壓差值的主要原因[6-7]。

圖3 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站，平均氣壓、平均最高氣壓、平均最低氣壓對(duì)比差值

圖4 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站，極端最高氣壓、極端最低氣壓對(duì)比差值

2.3 相對(duì)濕度對(duì)比

圖5給出了盛國(guó)家站和城市站2015年—2017年平均相對(duì)濕度對(duì)比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國(guó)家站的日平均相對(duì)濕度均高于城市站，差值在0.68～6.80%之間，8～11月差值較大，其余月份差值較小。結(jié)合月最小相對(duì)濕度來(lái)看，國(guó)家站與城市站的最小相對(duì)濕度差值在5.11～11.29%之間，6～11月差值較大，差值變化趨勢(shì)與平均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致。

從不同按季節(jié)來(lái)對(duì)比，春季相對(duì)濕度對(duì)比差值是1.78%，夏季是4.99%、秋季是6.20%，冬季是2.41%，秋季差值為四季中最大。

相對(duì)濕度的差值主要受測(cè)站周圍環(huán)境和下墊面性質(zhì)影響，相同環(huán)境條件下、氣溫增高會(huì)引起相對(duì)濕度降低。國(guó)家站在郊外山上，城市站在城市，植被覆蓋率不同，植被的蒸騰作用使得新站的相對(duì)濕度增大。此外，城市站位于城市，受城市熱島效應(yīng)影響，氣溫略有升高，濕度也會(huì)降低[8-9]。

圖5 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度對(duì)比差值

2.4 降水量對(duì)比

由于降水要素較其他要素特殊，采用相對(duì)偏差的方法對(duì)月降水量值進(jìn)一步對(duì)比。表2 給出了15～17 年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站平均月累積降水的相對(duì)偏差。從表中可以看出，國(guó)家站與城市站降水量差值范圍在-12.9～30.6mm之間，相對(duì)偏差范圍在-11～32.0%之間。2、6、7、8、11月國(guó)家站降水量多于城市站，其余月份國(guó)家站降水量少于城市站。主汛期6～8月國(guó)家站降水量普遍多于城市站。

再按季節(jié)對(duì)日降水量差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)春季差值范圍在-7.3～-1.9mm之間，夏季在10.0～30.6mm之間，秋季在-12.9～6.7mm之間，冬季在-2.5～3.1mm之間，可見，在降水日數(shù)中兩站日降水量差異較大。綜合全年來(lái)看，降水量百分誤差較大值發(fā)生在夏季，說(shuō)明夏季降水區(qū)域差距大，體現(xiàn)了降水的局地性特點(diǎn)。

2.5 風(fēng)向風(fēng)速對(duì)比

圖6給出了盛國(guó)家站和城市站2015年—2017年平均風(fēng)速對(duì)比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國(guó)家站的平均風(fēng)速均高于城市站，差值在0.8～1.3m/s之間，2～4月和7月差值較大，其余月份差值較小。國(guó)家站與城市站的最大風(fēng)速差值分別在1.7～2.9m/s之間，極大風(fēng)速差值在1.9～3.2m/s之間。最大風(fēng)速和極大風(fēng)速差值均是在2～4月和8月差值較大，其余月份差值較小。平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和極大風(fēng)速新舊站的差值變化趨勢(shì)基本一致。

進(jìn)一步按季節(jié)對(duì)比，平均風(fēng)速、最大風(fēng)速差值春季分別為1.2m/s、2.7m/s，夏季分別為1.0m/s、2.6m/s，秋季分別為0.8m/s、1.9m/s，冬季分別為1.0m/s、2.4m/s，從季節(jié)上看兩站平均風(fēng)速、最大風(fēng)速差值無(wú)明顯變化。

從表4中可以看出，城市站（2015年—2017年）基本上以ESE風(fēng)為主，國(guó)家站（2015年—2017年）基本上以NNE風(fēng)為主。國(guó)家站位于郊外山上，四周開闊，障礙物少，風(fēng)速受到地面的摩擦力影響相對(duì)要少，城市站位于城市內(nèi)，周圍建筑物多，風(fēng)速受到地面的摩擦力影響相對(duì)較大，國(guó)家站風(fēng)速高于城市站可能是由于測(cè)場(chǎng)周邊環(huán)境的不同所導(dǎo)致。

圖6 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速對(duì)比差值

表4 2015年—2017年萬(wàn)盛國(guó)家站與城市站月最多風(fēng)向資料

2.6 氣象要素u檢驗(yàn)

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的中心極限定理，當(dāng)樣本量n逐漸增大時(shí)（通常要求n≥30），無(wú)論總體分布如何，樣本均值的概率分布都將近似服從正態(tài)分布，且其分布的期望值等于總體均值μ，方差等于總體方差的1/n[10]。表5是氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量對(duì)比觀測(cè)資料u檢驗(yàn)結(jié)果，其中u檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量數(shù)值1.96是按照0.05的顯著性水平查u界值表得到。表5中可以看出，在α=0.05的顯著性水平下，降水量這一氣象要素國(guó)家站和城市站之間不存在顯著差異，其余氣象要素國(guó)家站和城市站之間均存在顯著差異，說(shuō)明遷站對(duì)于各氣溫要素、各氣壓要素、各相對(duì)濕度要素影響較大，對(duì)降水量要素影響較小。

表5 氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量對(duì)比觀測(cè)資料u檢驗(yàn)

表6 氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量月序列資料u檢驗(yàn)

表7 平均溫度、平均濕度、平均氣壓相關(guān)系數(shù)和訂正方程

為進(jìn)一步了解站址遷移對(duì)各氣象要素的影響，對(duì)各氣象要素按月進(jìn)行檢驗(yàn)。2015—2017年各氣象要素月序列資料日均值的樣本數(shù)范圍是85（2月）到93，同樣適用于u檢驗(yàn)方法。表6中可以看出，按月序列進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，各氣溫要素、各氣壓要素、最小相對(duì)濕度兩站之間仍然具有明顯差異，降水量?jī)烧局g不存在顯著差異。兩站相對(duì)濕度在2～5月不存在顯著差異，其余月份仍存在顯著差異，這一結(jié)論與三年對(duì)比觀測(cè)資料u檢驗(yàn)有細(xì)微差異?？傮w來(lái)看，站址遷移對(duì)于各氣溫要素、各氣壓要素、相對(duì)濕度影響較大，對(duì)降水量影響較小，月份差異不明顯，對(duì)最小相對(duì)濕度在2～5月影響較小，在其余月份影響較大，但整體月份差異仍較小。

3 氣象要素訂正

由于國(guó)家站和城市站的觀測(cè)資料有明顯的差異，為保證氣象要素資料的連續(xù)性，本文利用國(guó)家站與城市站溫度、氣壓、濕度的日均值，采用一元線性回歸方程對(duì)國(guó)家站的平均溫度、平均濕度、平均氣壓逐月進(jìn)行訂正，應(yīng)用最小二乘法計(jì)算出方程系數(shù)，相關(guān)系數(shù)及訂正方程如表7所示。其中x 為國(guó)家站月平均值，y為訂正后得到的城市站月平均值，相關(guān)系數(shù)越大，訂正效果越好，從表7中可以看出，一元線性回歸對(duì)平均溫度、平均氣壓的訂正效果較平均濕度較好。

4 小結(jié)

本文通過2015年—2017年國(guó)家站和城市站的氣象觀測(cè)資料對(duì)兩站之間的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、日累積降水量、風(fēng)向風(fēng)速等要素進(jìn)行了對(duì)比分析，并利用最小二乘法對(duì)氣溫、氣壓、相對(duì)濕度進(jìn)行了訂正，得到了以下主要結(jié)論：

對(duì)比差值中，月平均氣溫國(guó)家站低于城市站，最大溫差出現(xiàn)在7月，最小溫差出現(xiàn)在1月；國(guó)家站與城市站極端最高氣溫和極端最低氣溫差值的月變化明顯，最大溫差出現(xiàn)在7月，最小溫差出現(xiàn)在11月；極端最低氣溫的最大溫差出現(xiàn)在3月，最小溫差出現(xiàn)在2月。國(guó)家站和城市站的月平均氣壓呈現(xiàn)雙峰型，峰值出現(xiàn)在2月和7月。國(guó)家站的月平均相對(duì)濕度均高于城市站，8-11月差值較大，其余月份差值較小。除2、6、7、8、11月國(guó)家站降水量多于城市站，其余月份國(guó)家站降水量少于城市站，其中主汛期6～8月國(guó)家站降水量普遍多于城市站。國(guó)家站的平均風(fēng)速均高于城市站，2-4月和7月差值較大，其余月份差值較小，城市站主導(dǎo)風(fēng)以ESE為主，國(guó)家站以NNE風(fēng)為主。

站址遷移對(duì)各氣溫要素、各氣壓要素、各相對(duì)濕度要素年均值影響較大，對(duì)降水量年均值影響較小。其中，站址遷移對(duì)各氣溫要素、各氣壓要素、最小相對(duì)濕度月均值都影響較大，月差異較小，對(duì)降水量月均值都影響較小，月差異較小。站址遷移對(duì)相對(duì)濕度2-5月均值影響較小，其余月份影響較大。

采用一元回歸對(duì)國(guó)家站平均氣溫、平均氣壓月均值訂正的效果較好。