阿克苏长序列气候资料分析及其均一性研究

王秋香，古丽格娜，刘 叶，胡义成，秦 榕*，何亚平

（1.新疆气象信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

均一的气候资料是指测站的气象记录序列仅仅包含天气和气候变化的信息[1]，是气候变化研究和国民经济发展及其大型工程建设的重要基础资料。然而，器测资料由于仪器更换以及人为因素的影响会使长序列气象资料产生非均一的变化，其中，人为影响包括观测站所在城市的发展使资料携带城市化的影响[2-4]，以及站址迁移、观测手段不同使资料产生断点等[5-8]。因此，在对一个台站长序列资料进行评估时，需要逐一对影响观测资料均一性的因素进行分析、判定、检测和订正，从而建立相对均一的气候资料。国外在资料非均一性的检测和订正方面做了大量工作并建立了均一的气候数据集[9-12]。美国根据观测时次不同和观测仪器更换以及台站历史迁移情况对温度和降水作了调整，并对长序列资料进行了订正。加拿大利用多元线性回归方法检验了年最高和最低气温，并做了相应的订正。近年来，国内专家对资料的均一性也做了大量工作。翟盘茂采用E-P方法对我国探空和湿度资料进行均一性订正研究[13]，刘小宁采用SNHT方法对我国部分站点的年平均风速进行了检验[14]，王秋香等用标准正态均一性检验方法对我国2415个测站60 a长序列逐日降水量资料序列进行均一性检测及订正[15]，熊安元等对观测仪器和百叶箱的变化对地面气温观测值的影响进行了分析[16-17]；任芝花等对人工站变成自动站时仪器更换前后观测记录的差异进行了对比分析[18-19]。

新疆天山南北坡经济带所在城市从20世纪90年代开始扩容使得原本位于郊区的气象站逐渐被城市包围，气象观测资料开始逐步发生改变，使资料中携带有城市化的影响因子，比如城市化使气温逐步增高、风速逐步减小，不能代表大范围的气候状况。另外，在几十年的观测中，观测仪器不断升级改造、多次对台站进行搬迁、以及2003—2007年间所有台站从人工观测变成为自动观测等，都对观测资料的均一性产生了影响。因此，若要取得一个气象站能够代表大范围气候状况的气象资料，分析以上因素对该站长序列资料的影响是目前亟待要做的工作。阿克苏站始建于1953年6月1日，经过长达近63 a的观测之后，于2016年迁站。在此期间经历了3次台站迁徙、2次风速仪器更换、人工改自动站等。另外，阿克苏市位于天山南坡经济带，经济发展速度很快，城市化对观测资料的影响也较大。因此，分析城市化、台站迁徙、仪器更换、人工改自动站等对阿克苏站长序列观测资料均一性的影响十分必要，将为阿克苏站气候资料的合理使用奠定基础。也为天山南北坡经济带所在其它城市站点取得均一的长序列气候观测资料开拓思路和方法。

1 台站环境状况及资料方法

1.1 台站环境及其迁站情况

阿克苏气象站始建于1953年6月1日。迁站3次，1954年11月迁至原址西面7 km的西门外机场，1959年11月再次迁至东南方3 km处的西郊，2016年1月1日迁往现址东南面、直线距离13.265 km处的纺织工业城内，建站及其历次迁站相关信息见图1（左）。1959年11月阿克苏气象站迁到西郊时，周边是空旷平坦的农田，气象探测环境良好。由于阿克苏市地处天山南坡经济带，从20世纪70年代中期开始，随着南疆大规模土地开发，人口不断涌入，使阿克苏市城区开始扩大，20世纪90年代的改革开放及发展导致城市急剧扩容，使阿克苏气象站被包围在城市之中，探测环境遭到严重破坏，观测资料缺乏代表性（图1右）而进行了第3次台站搬迁。新站地处郊外，缓解了城市化对观测环境及其数据的影响。

1.2 资料、方法及参考站选取

选取阿克苏气象站1954年（取整年数据）—2016年气温、降水量、相对湿度、风向、风速等观测资料，进行长序列气候资料研究；同时，选取2015年新站和旧站1 a观测资料进行对比分析。资料来源于新疆气象局档案馆，经过严格的逻辑和质量检查，数据资料真实可靠。

分析城市化对气象资料的影响，主要是进行阿克苏站与周边气象站气温和湿度趋势的一致性分析。为此，选取同在一个气候区的阿拉尔、柯坪、阿瓦提3站作为参考站。3个参考站与阿克苏气象站同属于干旱暖温带气候区[20]、并且同在南疆塔里木河流域丰水区[21]。另外，所选站资料序列完整性较好，由于参考站柯坪、阿瓦提站从1960年开始观测，因此，城市化影响分析开始年代为1960年。参考站自1960年以来至今未迁过站，且所在地均为县级城市，城市化规模不大、资料受城市发展的影响较小，基本满足参考站的要求。参考站的选取除了上述的基本情况外，还需要进行阿克苏站和参考站气温和湿度的相关性分析，作为判定参考站的依据。分别计算了阿克苏站与参考站平均气温和相对湿度资料的相关系数（表1），由表1可见，阿克苏站与参考站平均气温、相对湿度相关性均达到了99.9%（或者95%）以上，说明阿克苏站与参考站资料相关较好，参考站选择适宜。资料城市化影响分析的具体做法是：用参考站观测气温和相对湿度资料分别求平均形成参考序列，与阿克苏站资料形成差值序列，差值序列滤去了气候变化的影响因素，只携带环境变化等的影响因素；分析差值及差值序列的9 a滑动平均值规律，进行阿克苏站资料的城市化影响评估。另外，在进行台站迁徙、仪器更换、观测手段变更等分析时，采用T检验进行资料的连续性检测分析[22]。在做断点检测时，由于降水量和风速不符合正态分布，在分析时对风速和降水量资料进行了开三次方处理。另外，采用差值法对检测出的断点进行订正。

图1 阿克苏站历次迁站过程图（左）和旧站周边2 km×2 km卫星遥感图（右）

表1 阿克苏站与参考站资料相关性分析（相关及保证率）

为了详细分析新旧站资料差异，计算了阿克苏新旧站2015年1 a资料的差值平均值、差值标准差[23]及风向相符率，并采用T检验检测新旧站资料的连续性。其中，风向相符率计算方法如下：

风向相符率，当观测风速＞0.2m/s时，拟迁新址与现址风向角度差＜22.5°，即认为两者相符。

文中社会固定资产投资、城市化指标、建筑业投资数额等经济数据来源于新疆维吾尔自治区统计局编写并由中国统计出版社出版的《新疆五十年》，以及中国统计信息网。

2 城市化对资料的影响

图2是阿克苏站与参考站年平均气温差值及其9 a滑动平均值分布图。20世纪70年代中期前，平均气温差值变化比较平稳，即这一时期阿克苏站与参考站年平均气温趋势基本一致；从20世纪70年代中期开始，阿克苏站气温上升速度比参考站大，在20世纪70年代中期到90年代初，气温差值呈现比较缓慢的上升趋势，这一时期阿克苏站升温速度比参考站略大；而90年初期至今，气温差值呈现快速上升趋势，这一时期阿克苏站升温速度比参考站快很多。由于差值序列滤去了气候变化的影响因素而只携带环境变化的影响因素，从20世纪70年代中期开始到90年代初，由于城市化的影响，阿克苏市气温快速上升，90年初期至今是新疆城市经济大发展时期，这一时期地处天山南坡经济带的阿克苏市的气温上升很快。

图2 阿克苏站与参考站年平均气温差值和9 a滑动平均值分布

如果用城镇人口占总人口的比重表示城市化水平（城市化指标）[24]，计算阿克苏市城市化指标[25]与气温差值10 a平均值（表2），可知，城市化指标在20世纪70年代中期前小幅增加，对气温的影响极小；20世纪70年代中期后尤其是90年代开始，城市化指标增加较快，气温差值也是如此，虽然，阿克苏站气温一直比参考站要低而使气温差值为负，但是，从20世纪70年代中期前气温差值的小幅增加，到之后气温差值开始明显增加，尤其是90年代开始气温差值增加较快，即阿克苏站气温上升趋势一直比参考站大，从2001年开始，阿克苏站与参考站年气温差值从负值变为正值。由此可见，阿克苏站年平均气温的变化和城市化指标对应较好，气温受城市化影响较大。

表2 阿克苏市城市化指标与气温差值10 a平均值比较

城市化发展除了人口因素外，楼堂馆所的建设使城市迅速扩大也是城市化标志之一。图3是阿克苏平均气温差值及社会固定资产投资和建筑业投资额的标准化值分布图。阿克苏市社会固定资产投资和建筑业投资额也呈现逐年增加的趋势，与气温差值变化相同的是，社会固定资产投资额和建筑业投资额（标准化值）从20世纪70年代中期开始直到90年代初增加幅度较小，从20世纪90年代初开始，尤其是本世纪以来增加很快。计算阿克苏市气温差值与城市化指标、社会固定资产投资和建筑业投资额的相关系数（表3），可见阿克苏市平均气温差值与城市化指标、社会固定资产投资和建筑业投资额有很好（显著性水平达99.9%以上）的相关性，说明由于楼堂馆所建设和人口的增加，使阿克苏市平均气温逐年上升。统计得出，阿克苏市气温以平均0.44℃/10 a的速度增加，而城市化带来的气温上升就达到0.33℃/10 a的速度，也就是说，城市化对地处天山南坡经济带的阿克苏市气温上升的贡献为3/4，而气候变化因素影响只占1/4。

图3 阿克苏气温差值及社会固定资产投资和建筑业标准化值分布

表3 阿克苏市气温差值与城市化指标、社会固定资产投资和建筑业标准化值相关系数

图4是阿克苏站与参考站年相对湿度差值及其9 a滑动平均值分布图。在20世纪70年代中期前，年相对湿度差值比较平稳，即这一时期阿克苏站与参考站年相对湿度趋势基本一致。从20世纪70年代中期开始直到90年代初，年相对湿度差值呈现比较缓慢的下降的趋势，即这一时期相对湿度与参考站相比有所下降；而90年初期之后至今，相对湿度差值呈现快速下降的趋势，即这一时期相对湿度比参考站下降速度快很多。阿克苏站与参考站年平均相对湿度差值下降趋势与平均气温差值上升趋势对应非常好，由于城市化的发展，气温升高，尽管降水量有所增加，但相对湿度受气温上升的影响更大而出现下降趋势。

3 资料均一性影响分析

3.1 仪器更换及观测方式改变对资料的影响

图4 阿克苏站与参考站年相对湿度差值及9 a滑动平均值分布

阿克苏站自建站以来，风速仪器进行了2次更换，第一次是1970年维尔德风压器（轻型）更改为EL型电接风向风速计，第二次是1993年EL型电接风向风速计更换为EN型测风仪。另外，2005年阿克苏站由人工观测改为自动观测。对前2次风速仪器更换进行风速的T检验，对人工观测改为自动观测，除了检验风速值外，还对其它要素进行检验，检测结果见表4。在保证率为95%的条件下，1970年和1993年仪器更换没有对阿克苏站年平均风速资料造成影响，资料可以连续使用。2005年由人工观测改为自动观测，最高气温、最低气温、平均气温、降水量和年平均风速资料在保证率为95%的条件下通过了T检验，资料可以连续使用。相对湿度没有通过T检验，产生了断点，不能连续使用。

表4 阿克苏站资料T检验结果

3.2 1959年台站迁徙对资料的影响

阿克苏气象站第一次迁站是建站一年后的1954年11月1日，由于原址缺乏代表性而迁往西面7 km处的机场，这次迁站因为旧站只有一年多观测资料且新旧站没有对比观测，无法进行对比分析。第二次由于站址扩建由西门外机场迁往东南方3 km处的西郊古鲁巴克村，这次依然没有做对比观测。为了对这次台站迁徙进行分析，取古鲁巴克村站1960—1979年20 a资料与西门外机场站1954—1959年资料做差值对比分析，具体做法是，求取1960—1979年20 a资料的平均值与1954—1959年资料平均值的差值进行分析（表5）。由于机场站处于空旷地带，与四周都是农作物的古鲁巴克村站相比，古鲁巴克村站的平均气温和最高气温都比机场站略低；最低气温比机场站略高，总体来讲，气温相差很小。地处古鲁巴克村站相对湿度和降水量比机场站高，平均风速比空旷的机场低的较多，平均低了近四分之一。这是典型的干旱区台站迁徙风速特征，即位于绿树成荫的古鲁巴克村站观测风速比位于空旷地带的机场站风速小很多。T检验发现（表4），在保证率为95%的条件下，相对湿度和平均风速产生了断点，不能连续使用，其它资料均通过了保证率为95%的T检验，可以连续使用。

表5 阿克苏机场站与西郊古鲁巴克村站平均资料对比分析

3.3 2016年台站迁徙对资料的影响

分别求取2015年新旧站对比观测的平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度、平均风速等地面常规资料的差值平均值（新站资料-旧站资料）和差值标准差（表6）。年平均气温、最低气温差值均为0.0℃，表明新站年平均、最低气温与旧站基本无差异；而年最高气温差值新站略低于旧站，差值仅为-0.3℃。其中，1月最低气温差值大于1℃，其余各月气温差值均在±0.8℃以内。另外，各月气温符号不一致，平均气温、最低气温差值在暖季为正，冷季为负，这是由于暖季空旷的新站地面加热快使空气升温较快，比位于城市中的旧站气温高；冷季旧站由于城市普遍使用暖气等设备加温，而使旧站比位于空旷地带的新站气温高，这种暖季新站气温大于旧站而冷季相反是典型的干旱区台站迁徙气温的差异特征。最高气温差值除了12月为正外，其余各月为负，说明新旧站气温的一致性较差。降水量差值在-0.6～0.0 mm内浮动，说明新站与旧站降水量差异不大。相对湿度差值平均值均为负值，说明新站相对湿度一致地小于旧站，这也是典型的干旱区台站迁徙位于空旷地带的新站相对湿度比位于城市中的旧站相对湿度小的特征，年平均相对湿度相差-3.8%，各月差值在-7.6%以内。风速差值均为正值，表明新站风速大于旧站，全年差值均在0.2～0.9 m/s，春夏新旧站差值较大、秋冬差值较小；年平均风速差值平均值偏大0.6 m/s，占旧站年平均风速（1.7 m/s）的三分之一强，这也是典型的干旱区台站迁徙的风速特征，即位于空旷地带的新站风速比位于城市包围的旧站风速大很多。降水量、相对湿度、风速符号一致，说明这3类数据一致性较好。

由表6还可以看出，除了2月和年最低气温差值标准差相对略大外，其余气温差值标准差均较小，表明气温数据比较稳定。部分降水和相对湿度差值标准差较大，数据不够稳定，这是由于新旧站址相距13.2 km，加之新站地势较空旷、旧站四周被树木和城市包围所致。年、月风速差值标准差均不大，说明全年风速数据稳定性较好。新站与旧站年风向相符率仅有34.69%，最大相符率在8月，为42.82%，最小相符率在12月仅29.73%，可见两站风向一致性不理想。采用T检验，显著性水平0.05，对旧站近21 a的观测资料的平均值和新站1 a观测资料的平均值进行显著性检验发现，除了风速资料未通过显著性检验，不能连续使用外，其它各项数据通过显著性检验，可以连续使用。

表6 阿克苏新旧站各要素月（年）差值平均值、差值标准差σ及T检验

4 资料订正

依据以上阿克苏气象站观测资料分析结果，由于1959年迁站引起的风速和相对湿度的断点，以及2005年由于观测方式改变引起的相对湿度的断点，用差值方法对风速和相对湿度数据进行订正，数据订正后长序列分布见图5。可以看出，订正后数据分布更加合理。

5 结果与讨论

分析城市化对阿克苏气象站观测资料的影响发现，城市化发展造成阿克苏站平均气温以0.33℃/10 a的速度上升，城市化对气温上升的贡献为3/4。分析城市化影响因素发现，城市化指标与气温差值的变化十分吻合，城市化指标从20世纪70年代开始增加，尤其是90年代开始增加较快。另外，从20世纪70年代中期开始社会固定资产投资和建筑业投资额也在增加，尤其是本世纪以来增加很快，也是影响阿克苏市升温的因素之一。

对阿克苏站第二次迁站进行分析发现，由于机场站处于空旷地带，与四周都是农田的古鲁巴克村站相比，风速的差值显示出典型的干旱区台站迁徙风速特征，即位于绿树成荫的古鲁巴克村站观测风速比位于空旷地带的机场站风速小1/4。气温、相对湿度相差不大，降水量相差略大。

对第三次迁站新旧站观测资料对比分析发现，除了新站下垫面有草和树木，年气温相差总体很小外，各月气温有一定差距且符号不一致，显示出典型的干旱区台站迁徙气温的差异特征，即暖季新址气温大于旧址而冷季相反。相对湿度年月差值符号一致为负，即城市中由于树木较多且受城市化影响湿度大于空旷的城外。风速差值也呈现出典型的干旱区台站迁徙特征，即位于空旷地带的新站风速比位于城市包围的旧站风速大很多，年平均风速偏大0.6m/s，占旧站年平均风速（1.7 m/s）的三分之一强。另外，新旧站年风向相符率小，仅有34.69%。城市化的进程对风速的影响是逐渐累加的，在风速时间分布上呈现逐年减小的趋势[26]，阿克苏市城市化进程已经有几十年，旧站风速观测值比新站的风速小很多，这将给利用风速资料进行大型工程项目前期评估带来很大影响。如果用旧站近10 a或者5 a风速资料计算历年平均值，将比空旷地带观测值小很多。因此，在使用风速资料时，建议用建站以来所有的长序列观测资料、并且需要在工程所在地进行对比观测，对旧站风速资料进行校正，确保大型工程建设的安全。

图5 平均风速和相对湿度订正前后对比

T检验结果显示，1970年和1993年仪器更换没有对风速资料造成影响，资料可以连续使用。2005年由人工观测改为自动观测，相对湿度未通过保证率为95%的T检验，不能连续使用；其余观测资料均可以连续使用。1959年迁站相对湿度和平均风速未通过保证率为95%的T检验，不能连续使用，其它资料均可以连续使用。2016年迁站风速资料未通过显著性检验，不能连续使用，其余观测资料均可以连续使用。对资料断点进行订正，订正后的长序列资料分布更为合理。

限于篇幅，本文只对台站迁徙、仪器更换、观测方式改变等因素对阿克苏气象站气候资料的影响进行了检测和订正。对于城市化给气候资料带来的影响只进行了讨论并未进行检测订正。将作为未来资料序列均一性分析检测订正的目标，留待下一次研究解决。

参考文献：

[1] 李庆祥，刘小宁，张洪政，等.定点气候序列的均一性研究[J].气象科技，2003，31（1）：2-12.

[2] 王秋香，周昊楠，陈晓燕.单站资料均一性对本地气候资料趋势结果的影响[J].沙漠与绿州气象，2010，4（4）：1-5.

[3] 张健，章新平，王晓云，等.北京地区气温多尺度分析和热岛效应[J].干旱区地理，2010，33（1）：51-58.

[4] 司鹏，李庆祥，轩春怡.城市化对北京气温变化的贡献分析[J].自然灾害学报，2009，18（4）：138-144.

[5] 周吴楠，陈晓燕，王秋香.昌吉站迁站对温压降水要素影响的分析[J].沙漠与绿州气象，2010，4（5）：40-43.

[6] 王颖，刘小宁.自动站与人工观测气温的对比分析[J].应用气象学报，2002，13（6）：741-748.

[7] 任芝花，冯明农，张洪政，等.自动与人工观测降雨量的差异及相关性[J].应用气象学报，2007，18（3）：358-363.

[8] 苑跃，赵晓莉，王小兰，等.自动与人工观测风速和风向的差异分析[J].气象，2011，37（4）：490-496.

[9] Peterson T C，Easterling D R，Karl T R，et al.Homogeneity adjustments of in situ atmospheric climate data：A review[J].JClimatol，1988，18：1493-1517.

当Κ为奇数时，则式(10)说明只有可以任意选取.不论哪种情况，式(9)中共含有Κ+1个任意实常数.当Κ≤-1时，齐次问题(8)在规定的解类中只有零解,所以问题(5)也只有零解.

[10] Hawkins D M，Point estimation of the parameters of a piecewise regression model[J].Appl Stat，1976，25：51-57.

[11] Olga E Pakhaliuk，Methods of testing the homogeneity of climatological time series of national hydrometeorological service of UKRAINE[C]∥The Fifth International Meeting on Stastical Climatology，1992：97-100.

[12] WMO.Data format and supporting documentation for WMO members to use when providing digital historical data for GCOS surface network sites to the national climatic data center[R]，1999.

[13] 翟盘茂.中国历史探空资料中的一些过失误差及偏差问题[J].气象学报，1997，55（5）：563-572.

[14] 刘小宁.我国年平均风速的均一性检验[J].应用气象学报，2000，11（2）：27-34.

[15] 王秋香，李庆祥，周昊楠，等.中国降水序列均一性研究及对比分析[J].气象，2012，38（11）：1420-1428.

[16] 熊安元，朱燕君，任芝花，等.观测仪器和百叶箱的变化对地面气温观测值的影响及其原因分析 [J].气象，2006，32（5）：35-40.

[17] 任芝花，涂满红，陈永清，等.玻璃钢百叶箱与木制百叶箱内温湿度测量的对比分析[J].气象，2006，32（5）：35-40.

[18] 任芝花，冯明农，张洪政.自动与人工观测降雨量的差异及相关性[J].应用气象学报，2008，18（3）：359-363.

[19] 苑跃，赵晓莉，王小兰.相对湿度自动与人工观测的差异分析[J].气象，2010，36（2）：102-108.

[20] 徐德源.新疆农业气候资资源及其区划[M].北京：气象科学出版社，1989：304-306.

[21] 王秋香，张春良，胡义成，等.塔里木河流域内气候要素变化的非均衡性及其成因分析 [J].中国农业气象，2013，34（3）：257-263.

[22] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象科学出版社，2000：27-28.

[23] 曹丽娟，肖苏君.内蒙古自动站与人工观测数据差异对比分析[J].气象与环境学报，2010，26（5）：64-68.

[24] 唐少霞，赵从举，毕华，等.城市发展对城市气候环境影响分析[J].经济地理，2010，30（10）：1647-1652.

[25] 新疆维吾尔自治区统计局.新疆五十年[M].北京：中国统计出版社，2005：524-525.

[26] 张志斌、杨莹、张小平，等.我国西南地区风速变化及其影响因素[J].生态学报，2014，34（2）：471-481.