北疆氣象站遷址氣溫均一性檢驗(yàn)與訂正

孔 婷，胡義成*，劉衛(wèi)平，周昊楠，李 金，陳夢嬌

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；3.伊犁州氣象局，新疆 伊寧 835000）

北疆面積只占新疆的23.4%，人口卻占49.6%，是新疆現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、信息、教育、科技的發(fā)達(dá)區(qū)域[1-2]。 由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，多數(shù)氣象站被城市包圍，氣象觀測環(huán)境被破壞，觀測資料受到影響而失去代表性。為此，新疆氣象局對城市化影響較大的臺站進(jìn)行了搬遷。 而氣象站搬遷又會導(dǎo)致觀測場環(huán)境發(fā)生變化（從城區(qū)到郊區(qū)或者農(nóng)村），使一部分氣候觀測資料產(chǎn)生斷點(diǎn)而不能連續(xù)使用。 新疆是中國天氣的上游地區(qū)，天氣氣候的變化直接影響下游地區(qū)，因此，無論是天氣氣候研究和大型工程項(xiàng)目，都需要準(zhǔn)確、長序列的氣候資料，而氣象站址變動會影響氣候資料的連續(xù)性。

國內(nèi)外學(xué)者針對氣象站遷址前后氣象要素觀測資料的對比分析以及針對氣溫資料均一性檢驗(yàn)和訂正的方法有很多[3-14]。 例如：采用均值分析、顯著性檢驗(yàn)等統(tǒng)計分析方法， 研究遷址前后氣象觀測資料差異以及成因[15-20]；采用T 檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)（SNHT）等方法進(jìn)行氣溫資料序列均一化檢驗(yàn)，選用差值法、一元線性回歸、逐步多元線性回歸等方法確立訂正方法，對新、舊址存在非均一性的氣溫資料進(jìn)行訂正[21-25]。

本文參考?xì)庀罂萍脊ぷ髡呓鼛啄甑难芯糠椒?，選取北疆呼圖壁、 精河以及吉木乃3 個氣象站的氣象資料，分析臺站遷移對觀測資料均一性的影響，利用新舊址對比資料對長序列觀測資料進(jìn)行訂正，以取得均一且能夠代表大范圍氣候狀況的長序列觀測資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于北疆， 天山以北， 準(zhǔn)格爾盆地邊緣，是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)（地理位置分布見圖1），屬于大陸性溫帶干旱氣候類型[29]。 其資料的代表性對于研究新疆天氣氣候狀況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。呼圖壁舊址（86°49′E，44°08′N，觀測場海拔高度522.1 m） 位于城市發(fā)展中心， 距觀測場約100 m 處為城市中心主干道； 新址位于縣城西南方與舊址間直線距離2.9 km，四周空曠平坦。 精河舊址（82°54′E，44°36′N，觀測場海拔高度318.6 m）東、北、西三面已被樓房和樹木包圍；新址位于舊址的西南面，四周為農(nóng)田與舊址間直線距離7 km。 吉木乃舊址（85°52′E，47°26′N，觀測場海拔高度984.1 m）位于縣城中心， 建筑群直接影響日照、 風(fēng)等探測記錄；新址位于舊址的北面，直線距離1.6 km，四周為農(nóng)田和少量楊樹。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

自20 世紀(jì)90 年代開始， 由于城市擴(kuò)容使得原本位于郊區(qū)的氣象站逐漸被城市包圍， 氣象觀測資料逐步發(fā)生改變，資料中攜帶有城市化的影響因子，比如城市化使氣溫逐步增高、風(fēng)速逐步減小，不能代表大范圍的氣候狀況。

2 研究資料與方法

選取北疆呼圖壁、 精河、 吉木乃3 個氣象站近20 a（1997—2017 年，其中2015 年的數(shù)據(jù)缺失）舊址連續(xù)觀測的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫進(jìn)行氣候資料的連續(xù)性研究。 同時， 選取2013—2017 年新舊址5 a 氣溫觀測資料進(jìn)行對比分析（吉木乃站2016 年遷址，只有2015—2017 年共3 a 的對比觀測數(shù)據(jù)）。 本文采用新址和舊址的差值（差值=新址值-舊址值）對比資料差異，用差值的標(biāo)準(zhǔn)差反映遷址前后觀測要素之間偏差離散程度，用T 檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)新舊資料是否連續(xù)， 用一元線性回歸法對資料進(jìn)行訂正[26-28]。

3 結(jié)果分析

3.1 遷址前后新舊址同期平均氣溫差值分析

分別計算吉木乃、呼圖壁、精河3 個氣象站3～5 a新舊址月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫差值（圖2）。吉木乃3 a 的月平均氣溫差值在-0.72～0.20 ℃之間，4—11 月差值絕對值較小，其中4 月最小；3 a 月平均最高氣溫差值在-1.53～0.01 ℃之間，4—10 月差值絕對值較小， 其中4 月最??；3 a 月平均最低氣溫差值在-0.80～0.20 ℃，4—10 月差值絕對值較小，其中4、7 月最小。 冬季月平均氣溫、月平均最高氣溫、 月平均最低氣溫新舊址差值較大，且均為負(fù)值，說明冬季吉木乃新址氣溫較舊址偏低較多。 呼圖壁5 a 月平均氣溫差值在-1.05～1.05 ℃，3—8、11 月差值絕對值較小，其中5、6 月最??；5 a 月平均最高氣溫差值在-0.68～0.38 ℃，均為負(fù)值，相對穩(wěn)定在-0.5 ℃左右；5 a 月平均最低氣溫差值在-1.37～2.08 ℃之間，3—4、11 月差值絕對值較小，其中3 月最小。秋季月平均氣溫、月平均最低氣溫新舊址差值較大，且均為正值，說明秋季呼圖壁新址氣溫較舊址偏高較多。 精河5 a 月平均氣溫差值在-0.99～0.34 ℃，4—12 月差值絕對值較小， 其中4 月最?。? a 月平均最高氣溫差值在-0.27～0.95 ℃，1、12 月差值絕對值較小，其中12 月最小，除12 月以外均為正值，說明精河新址月平均最高氣溫較舊址偏高；5 a 月平均最低氣溫差值在-1.84～-0.25 ℃，均為負(fù)值，5、10、12 月差值絕對值較小，其中5 月最小，說明精河新址月平均最低氣溫較舊址偏低。 3 個站差值趨勢不同，但總體而言，月平均最低氣溫、月平均最高氣溫差值略大，月平均氣溫差值較小，基本在±1 ℃。

圖2 吉木乃（a）、呼圖壁（b）、精河（c）新舊址3～5 a氣溫平均差值

3.2 新舊址氣溫各月分布對比

圖3 是3 站月平均氣溫、月平均最高、月平均最低氣溫舊址20 a 月平均值與新址3～5 a 各月平均值的分布對比圖，從各站情況上看，3 個氣象站遷址后新址月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫與舊址20 a 平均值基本保持一致，其中精河站總體貼合度較高，而吉木乃、呼圖壁站月平均最低氣溫新址與舊址多數(shù)在春秋差距小，夏冬季節(jié)差距稍大；月平均最高氣溫新址與舊址在秋季差距稍大。

圖3 吉木乃（a、b、c）、呼圖壁（d、e、f）、精河（g、h、i）新舊址各月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫對比分布

從總體趨勢上看， 新址觀測氣溫3～5 a 的平均值與舊址20 a 平均值對比， 新址月平均最高氣溫、月平均最低氣溫與舊址相比多數(shù)持平或者略高，這可能是由于氣候變化過程中氣溫逐步升高的緣故[30]。 但總體上說，新舊址差異不大，而月平均氣溫總體契合度高。

3.3 新舊址同期對比觀測氣溫差值標(biāo)準(zhǔn)差

表1 是3 個氣象站遷址前后新舊址同期觀測氣溫數(shù)據(jù)差值的月標(biāo)準(zhǔn)偏差， 吉木乃站3 a 最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)差1、2、3 月較大； 呼圖壁站5 a 氣溫標(biāo)準(zhǔn)差9月存在較大偏差， 而最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差除3 月以外都存在較大標(biāo)準(zhǔn)偏差； 精河站5 a 最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差1月、5—9 月都存在較大標(biāo)準(zhǔn)偏差。由此可見，單純從新舊址的同期氣溫觀測數(shù)據(jù)對比，平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫個別月份存在標(biāo)準(zhǔn)偏差，總體而言，吉木乃站標(biāo)準(zhǔn)偏差： 最高氣溫＞最低氣溫＞平均氣溫；呼壁圖站標(biāo)準(zhǔn)偏差： 最低氣溫＞平均氣溫＞最高氣溫；精河站標(biāo)準(zhǔn)偏差：最低氣溫＞最高氣溫＞平均氣溫。 總體而言，3 站最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。

表1 3 站新舊址平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的差值標(biāo)準(zhǔn)差℃

3.4 長序列氣候資料均一性檢驗(yàn)

利用舊址近20 a（1997—2017 年）的觀測數(shù)據(jù)月平均氣溫序列，對新址平行觀測期（近5 a）的月平均值進(jìn)行均一性檢驗(yàn)分析。 其中呼圖壁站和精河站新址采用5 a 平均值， 吉木乃站采用新址3 a 平均值。 構(gòu)造檢驗(yàn)總體均值的T 統(tǒng)計量（|T 雙尾臨界值|＜2.086），獲得T 檢驗(yàn)結(jié)果見表2。 各類氣象要素中，平均最低氣溫有半數(shù)以上月份存在非均一性，而平均最高氣溫的均一性較好，平均氣溫次之。 其中，吉木乃新舊址2、6、7、9、10、12 月及年平均氣溫，9、10 月平均最高氣溫，1、2、4、5、6、7、11、12 月及年平均最低氣溫存在非均一性。呼圖壁新舊址1、7、8、9、11、12 月及年平均氣溫，2、6、10、11 月平均最高氣溫，1、3、4、6、7、8、9、10、12 月及年平均最低氣溫存在非均一性。 精河新舊址2、7、12 月及年平均氣溫，2、8、10、11 月平均最高氣溫，1、2、4、5、6、7、8、9、12月平均最低氣溫存在非均一性。 平均最高氣溫的均一性較好，平均氣溫次之，平均最低氣溫最差。 因?yàn)槠骄罡邭鉁刂饕芴栞椛溆绊懀?新舊址范圍內(nèi)的太陽輻射差距不大，所以差值較小；而平均最低氣溫主要受地表性質(zhì)（下墊面）影響，新舊址觀測環(huán)境差別較大，因此差值略大[31]。

表2 三站新址3～5 a 月平均值與舊址20 a月平均值的T 檢驗(yàn)統(tǒng)計量

4 平均氣溫的訂正與驗(yàn)證

采用一元線性回歸法， 按照月度將新址3～5 a平均值訂正到舊址20 a 平均值，得出3 個氣象站的氣溫資料訂正結(jié)果見表3～5。

表3 吉木乃站氣溫資料訂正℃

為檢驗(yàn)氣溫訂正的結(jié)果， 對于訂正值繼續(xù)用SPSS 方法的T 檢驗(yàn)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)，得出3 個氣象站新址3～5 a 平均值對比舊址20 a 平均觀測值的T統(tǒng)計量（|T 雙尾臨|＜2.086）結(jié)果見表6～8。結(jié)果表明：經(jīng)過一元線性回歸法訂正后，吉木乃站氣溫（平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫）、呼圖壁站平均氣溫和平均最高氣溫、 精河站平均氣溫和平均最低氣溫的均一性明顯提高； 但呼圖壁站平均最低氣溫和精河站平均最高氣溫卻依然存在非均一性。 由此可見，用一元線性回歸法來訂正平均氣溫資料，可以顯著提高其均一性， 而平均最高氣溫和平均最低氣溫資料卻未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

表6 吉木乃站氣溫資料訂正前后T 檢驗(yàn)結(jié)果對比

表4 呼圖壁站氣溫資料訂正℃

表5 精河站氣溫資料訂正℃

5 結(jié)論與討論

選擇北疆吉木乃、呼圖壁、精河3 個氣象站，利用舊址20 a（1997—2017 年）氣溫數(shù)據(jù)和新址3～5 a（2013—2017 年）氣溫觀測值作對比分析、相關(guān)性分析及均一性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）3 個氣象站遷址前后新舊兩址同期觀測所得的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫相關(guān)性極高。

表7 呼圖壁站氣溫資料訂正前后T 檢驗(yàn)結(jié)果對比

（2）從總體趨勢上看，新址觀測氣溫的3～5 a 平均值與舊址20 a 平均值對比，月平均氣溫總體契合度高。

（3）從季節(jié)變化來看，冬季新址同期對比觀測的氣溫低于舊址，夏秋兩季高于舊址，且個別月份存在顯著差異。

表8 精河站氣溫資料訂正前后T 檢驗(yàn)結(jié)果對比

（4）用一元線性回歸法來訂正平均氣溫資料，可以顯著提高其均一性， 而平均最高氣溫和平均最低氣溫資料卻未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

在后續(xù)的研究中，需要再針對平均最高氣溫、平均最低氣溫兩項(xiàng)氣溫參數(shù)資料訂正進(jìn)一步開展研究， 探索除一元線性回歸法之外的其他更有效的訂正方程。