萧山站迁站观测资料对比评估

马凤华 耿迪 刘学军 钟已承

(1.萧山区气象局,浙江 杭州 311201；2.阳城县气象局,山西 晋城 048100)

0 引 言

萧山国家一般气象站始建于1954年5月1日,站址位于萧山县城东长山公社山末址乡村。1996年1月1日搬迁至北干街道柳桥社区北干山“山腰”。长期以来,由于观测场北侧紧邻山坡,西西北到东北方向有山脉遮挡,观测场向外拓展空间受限,无法满足现代气象观测业务发展需要。经中国气象局批准同意,2016年1月1日迁移至新址,按照地面气象观测规范[1]和迁站规范[8]规定,台站搬迁需要进行为期一年的对比观测。国内已有许多文献[2～7]对迁站观测资料进行了对比分析,提出迁站是产生气候资料序列非均一性现象的最主要的原因之一。由于地理环境的不同和海拔的变化,使得萧山国家一般气象站新、旧站址相关气象要素数据产生差异。为了研究新址的气象资料是否具有延续性和代表性,本文利用萧山站2016年新、旧址的气象要素观测值,采用差值标准差、降水累计相对差值、风向相符率、显著性检验等分析方法,进行对比分析,寻找差异,并分析其产生的原因。

1 资料和方法

1.1 新、旧站址环境状况对比

旧址位于萧山城东北干山山腰,地理位置120°17′11″E、30°10′38″N,观测场海拔为44.3 m,1996年1月1日正式启用,西西北到东北方向有山脉阻挡,对日照和风有一些影响,观测场北面紧邻山坡,西—北—东周围10 m范围内有高于1 m的植物和树木。新址位于旧址西北方向的北干山山顶,距离旧址198 m,地理位置120°17′03″E、30°10′40″N,观测场海拔为96.5 m,周边空旷,无高大障碍物遮挡,受城市等特定环境影响小。新、旧址的观测仪器均为DZZ5型自动气象站,软件均为台站地面综合观测业务软件,简称ISOS。

1.2 资料来源

对比分析数据使用2016年1—12月萧山站新址和旧址的逐日观测资料,差异显著性检验使用1996—2015年旧址和2016年新址的观测资料。对比分析评估时,若新址或旧址观测资料有缺测,对应的对比资料作缺测处理。

1.3 统计方法

1.3.1 差值及差值标准差

分别计算新、旧站址之间的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日平均相对湿度、日平均风速的差值,并统计求取月、年差值平均值和差值标准差。差值平均值、差值的标准差计算公式分别为:

(1)

(2)

式中xi为新、旧站址第i次要素观测值的差值,n为样本容量。

1.3.2 降水量累计相对差值

降水量累计相对差值反应了两站降水总体差异情况。采用以下公式计算:

(3)

(3)式中,Ai为旧址第i次观测降水量,xi为新旧址第i次降水量观测值的差值；n为总降水次数。

1.3.3 风向相符率统计

只有观测风速大于0.2 m/s时,才统计风向相符率。新址与旧址风向角度差小于22.5°,即认为两者相符。采用以下公式计算:

(4)

1.3.4 显著性检验

利用旧址近20 a的观测要素数据月(年)平均值序列,对新址平行观测期的月(年)平均值进行显著性检验。采用以下公式计算:

假设x0为平行观测期的某要素月(年)平均值,假定样本容量为n月(年),这n年观测的相应要素月(年)平均值的样本序列为x1,x2,…,xi,…,xn,统计量

(5)

在显著水平a为0.05(0.01),自由度为n时,当|t|>ta,则表示平均值x0与其它年份平均值差异显著。

2 新、旧站址各气象要素差值分析

2.1 差值及差值标准差

分别计算新址与旧址之间的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日平均相对湿度、日平均风速的差值,并统计求取1—12月、年差值平均值(见表1)和差值标准差(见表2)。在表1中,差值为正,代表新址的要素值高于旧址,反之,代表新址的要素值低于旧址。

表1 萧山站新址与旧址各要素月(年)差值平均值表

表2 萧山站新址与旧址各要素月(年)差值标准差σ

2.2 气温差异分析

经过统计发现新、旧站址的气温存在着较大的差异。由表1可看出,新、旧站址平均气温的差值年平均为-0.4 ℃,即新址的年平均气温比旧址低0.4 ℃。1—12月的月平均气温偏差在-0.2～-0.5 ℃之间,其中1月、3月和8—12月差值为-0.4～-0.5 ℃,2月和4—7月差值为-0.2～-0.3 ℃,7月差值最小为-0.2 ℃,这说明新、旧址的月平均气温在春、夏季节偏差较小,秋、冬季节偏差较大。

新、旧址最高气温的年平均差值为-0.8 ℃,即新址最高气温的年平均值比旧址低0.8 ℃,相比于平均气温和最低气温,新旧址的最高气温相差较大。新、旧址最高气温的月平均差值在-0.4～-1.1 ℃之间,其中1—3月、8—12月的差值在-0.7～-1.1 ℃之间,其余月份差值在-0.4～-0.6 ℃之间,这同样说明了新、旧址的最高气温在春、夏季节偏差小,秋、冬季节偏差大。

最低气温差值年平均为-0.2 ℃,相比于平均气温和最高气温,新旧址的最低气温相差较小。新、旧址最低气温的月平均差值在-0.1～-0.4 ℃之间,其中1月份新、旧址最低气温差值最大,为-0.4 ℃,其次为9、10、11月,差值均为-0.3 ℃。这也说明了新、旧址最低气温在春、夏季节偏差小,秋、冬季节偏差大的特征,但新、旧址最低气温偏差的季节特征不如平均气温和最高气温明显。

由表2月(年)气温差值标准差表明,平均气温、最高气温、最低气温数据离散程度较小,数据波动小比较稳定。经过对比,2016年新、旧两站的极端气温出现时间完全吻合,其中极端最高气温均出现在7月26日,极端最低气温均出现在1月25日；分析新、旧站平均气温随时间的变化趋势(图1),两者同样具有极高的吻合度。

图1 2016年新、旧址平均气温的逐月分布图

2.3 相对湿度差异分析

由表1可见,新址全年各月相对湿度均大于旧址,新址年平均相对湿度比旧址高3%。2月、7月新、旧址的相对湿度月差值相对较小,9—12月是相对湿度差值较大的月份,其中10月份新旧址相对湿度差值为6%,为一年中相对湿度差值最大的月份。由表2可看出,月(年)相对湿度差值标准差较大,数据波动较大。但两站相对湿度在时间序列分布上呈现出高度一致性(图2)。

图2 2016年新、旧址平均相对湿度的逐月分布图

2.4 降水量差异分析

2.4.1 降水量差值分析

从表1可看出,2016年新址的年降水量比旧址偏多110.3 mm,除2月份的降水量月差值为负值外,其余各月均为正值,这说明了只有2月份降水量新址少于旧址,其余各月份降水量新址均多于旧址。新旧址在4—6月和9—11月的降水量差异较大,差值在8.6～31.4 mm之间,1—3月、7—8月和12月差异相对较小,在-3.4～4.9 mm之间。3月份的降水量差值最小,为0.7 mm,代表3月新、旧址的降水量最接近。9月份差值为31.4 mm,是一年中降水量差值最大的月份。通过统计,2016年新址的雨日比旧址偏少22 d。

由表2可看出,降水差值标准差较气温大,数据离散程度相对不稳定,波动较大。

2.4.2 降水量累计相对差值分析

计算2016年的逐月降水量和年降水量的累计相对差值,发现新、旧址的年降水量累计相对差值为7%,说明新旧站址间降水量的总量差异较大。由图3可知:除2月份新址降水量少于旧址外,其余各月均大于旧址,3月、7月差异最小为1%,9月最大为16%,全年只有5个月(1月、3月、6—8月)累计相对差值小于等于4%。

图3 2016年新、旧址的降水量累计相对差值的逐月分布图

2.5 风速、风向差异分析

2.5.1 风速差异分析

由表1可知,新、旧站址平均风速差值年平均为2.0 m/s,月平均差值在1.3～2.7 m/s之间,其中4—7月的平均风速差值在1.3～1.9 m/s之间,1—3月、8—12月在2.0～2.7 m/s之间,这说明2016年1—12月新址的平均风速均大于旧址,新、旧址在春、夏季的风速相差较小,秋冬季相差大。通过计算平均风速日差值,发现平均风速日差值最大为7.0 m/s、最小-0.2 m/s,2016年期间新址只有两天的平均风速较旧址偏小,其余均偏大,这说明新址的风速基本上大于旧址的风速,只有非常少数的情况下旧址的风速大于新址,这与新旧址的地理位置有关,旧址北侧紧邻山坡,西西北到东北方向有山脉遮挡,新址在山脉顶部的平地上。风向为西西北到东北方向时,旧址受山脉阻挡,因此风速会比新址小。

通过表2可以看出,平均风速差值标准差较大,数据离散程度相对不稳定,波动较大。2016年最大风速差值的年平均为3.6 m/s、月平均在3.0～4.6 m/s之间,日差值最大10.4 m/s、最小-0.7 m/s,新址全年只有一天较旧址偏小,其余均偏大；2016年极大风速差值年平均为3.5 m/s、月平均在2.8～4.4 m/s之间、日差值最大23.4 m/s、最小-0.8 m/s,新址全年有5 d较旧址偏小,其余均偏大。由图4可见,新、旧站址风速差异较大,新址平均风速、最大风速、极大风速差值平均都明显大于旧址,平均风速差值、最大风速差值和极大风速差值的最大值均出现在10月,并且发现风速越大差值越大,当出现大风天气现象时,差异尤为显著；新址全年出现大风日数为15 d,而旧址全年未出现大风天气。新址全年静风出现回数为8,而旧址为112。

图4 新、旧址风速差值的逐月分布图

2.5.2 风向差异分析

表3是新、旧址的最多风向频率风向相符率统计表,可以看出新、旧址在1—12月和年最多风向及频率均相差较大。1月、8月和10月新、旧址的最多风向比较接近,相差一个方位,4月最多风向差异最大,相差8个方位。新址年最多风向N,旧址年最多风向WSW,相差5个方位。据统计年风向频率除WNW相同外,其余各风向及静风都存在差异,其中N、WSW和NNW差别较大(图略)。新址与旧址年风向相符率只有42.5%,最大相符率在8月为53.2%,最小相符率在2月为36.5%,可见两站风向一致性较差。

2.6 显著性检验

为了进一步了解迁站对观测数据连续性的影响,对新址2016年和旧址近20 a(1996—2015年)的观测资料进行均值差异T检验,置信区间的置信度为95%,显著性水平0.05(显著性水平为0.05的标准值为2.086)(表4)。

表3 新、旧站址的最多风向频率风向相符率统计表

表4 新、旧址各气象要素的T检验

结果显示年平均气温、年降水量、年平均相对湿度,通过了T检验,年平均风速未通过,表明平均气温、降水量和平均相对湿度连续性较好,平均风速连续性相对较差。

由月平均值检验结果可知:12月平均气温数据有显著性差异,其它月份数据显著性差异较小,连续性较好；4月、5月的降水量差异较显著,其次是9月和1月,其余月份的降水量差异不显著；平均相对湿度除2月、10月、11月显著外,其它月份的差异均不显著；平均风速除7月不显著外,其他月份的差异均较显著,年平均风速的差异也较显著。

3 结果分析

利用萧山站站址迁移对比期(2016年1月1日至12月31日)新、旧址的气温、降水、相对湿度、风向、风速等气象要素的逐日观测数据,采用差值标准差、降水累计相对差值、风向相符率、显著性检验等统计分析方法,对以上要素进行对比分析,结果表明:

1)受海拔高度和周围地理环境差异的影响,2016年1—12月新址的平均气温、最高气温、最低气温均低于旧址,其年平均差值分别为-0.4 ℃、-0.8 ℃、-0.2 ℃,最高气温差异最大。但各类气温的差异具有一致的季节变化特征,均在春、夏季节比较接近,秋、冬季节相差较大。新、旧址的极端最高气温和最低气温的出现日期完全一致,平均气温随时间变化趋势吻合。

2)2016年1—12月新址的月平均相对湿度均大于旧址,新址年平均相对湿度比旧址高3%,其中9—12月相差较大。但两者随时间的变化趋势基本一致。

3)2016年新址的年降水量比旧址偏多110.3 mm,但雨日比旧址偏少22 d。新、旧址年降水量的累计相对差值为7%。从降水量的差值、差值标准差及累计相对差值来看,新旧址的降水量观测数据差异较大,主要体现在4—6月和9—11月,而1—3月、7—8月和12月差异相对较小。从日、月降水分析认为,导致降水差异大的原因:一是地理位置不同,旧址海拔低,春夏时节,副高北抬,南来暖湿空气受山脉阻挡抬升,温度下降幅度小,水汽凝结少,降水量相对偏少；而新址海拔高,暖湿空气在被迫抬升过程中水汽凝结量多于旧址,造成新站降水多于旧站；秋冬多西北气流,加之副高南撤,新站海拔高,暧湿空气爬山冷却凝结致山顶多雨,而旧站位于新站东南方向,海拔低,两站水平相距只有198 m,受气流越山后下沉,云滴蒸发加大影响,造成旧站降水偏少。二是地理环境不同,新旧站址所处地理环境不同,风向和风速出现了较大差异,因而对水汽输送形成影响；三是季节影响,4—6月、9—11月局地对流性降水较多,反应了降水的局地性特征。

4)2016年新址的平均风速、最大风速、极大风速均比旧址偏大,年平均差值分别为2.0、3.6、3.5 m/s,其中春、夏季风速相差较小,秋、冬季相差大,差值最大值均出现在10月。新站大风日数多于旧站、静风出现次数少于旧站。两站风向出现的一致性较差,2016年的风向相符率仅为42.5%,新址年最多风向为北风(N),旧址年最多风向是西西南(WSW),相差5个方位。主要原因是旧址的西西北到东北方向有连续障碍物阻挡,形成了“避风港”；而新址地势开阔,气象观测环境良好,全年各月风向出现频率符合季风气候特征,避免了旧站受山地屏障的影响,测得的风速风向更能代表本地气候特征。

5)显著性检验结果表明,新、旧址的平均气温、平均相对湿度和降水量与旧址近20 a的观测数据差异不显著,各要素随时间变化趋势的一致性较好,根据其相对固定的数据差异,可在气候分析和应用中延续使用；受特殊地理环境影响,新、旧站风要素差别较大,延续性使用价值不大,可根据不同的应用需求,分别统计分析使用,新站风要素更具有代表性。

参考文献：

[1] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003:8.

[2] 宋莎莎.东平新旧站址气象要素对比评估[B].山东气象,2014,34(2):81-84.

[3] 黄爱荣,张莉.阿克苏国家基准站迁站资料对比分析[J].沙漠与绿洲气象,2016,10(增刊):99-103.

[4] 周建平,孙照渤,倪东鸿,等.中国气象台站迁移对年平均气温均一性的影响[J].大气科学学报,2013,36(2):139-146.

[5] 吴利红,骆月珍,孙莉莉,等.浙江省近34年年平均风速序列均一性检验研究[J].气象科技,2008,36(5):661-665.

[6] 吴利红,康丽莉,陈海燕,等.地面气象站环境变化对气温序列均一性影响[J].气象科技,2007,35(1):152-156.

[7] 胡蓉,杨长登,邓芩.玉屏新旧站址气象要素对比分析[J].贵州气象,2015,39(2):40-44.

[8] 中国气象局.迁站规范[S].气发〔2012〕93号文,2012:11.