北疆气象站迁址气温均一性检验与订正

2021-11-08胡义成刘卫平周昊楠陈梦娇

沙漠与绿洲气象 2021年5期

孔婷，胡义成*，刘卫平，周昊楠，李金，陈梦娇

（1.新疆气象信息中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830002；3.伊犁州气象局，新疆伊宁 835000）

北疆面积只占新疆的23.4%，人口却占49.6%，是新疆现代工业、农业、交通、信息、教育、科技的发达区域[1-2]。由于经济高速发展，多数气象站被城市包围，气象观测环境被破坏，观测资料受到影响而失去代表性。为此，新疆气象局对城市化影响较大的台站进行了搬迁。而气象站搬迁又会导致观测场环境发生变化（从城区到郊区或者农村），使一部分气候观测资料产生断点而不能连续使用。新疆是中国天气的上游地区，天气气候的变化直接影响下游地区，因此，无论是天气气候研究和大型工程项目，都需要准确、长序列的气候资料，而气象站址变动会影响气候资料的连续性。

国内外学者针对气象站迁址前后气象要素观测资料的对比分析以及针对气温资料均一性检验和订正的方法有很多[3-14]。例如：采用均值分析、显著性检验等统计分析方法，研究迁址前后气象观测资料差异以及成因[15-20]；采用T 检验、标准正态检验（SNHT）等方法进行气温资料序列均一化检验，选用差值法、一元线性回归、逐步多元线性回归等方法确立订正方法，对新、旧址存在非均一性的气温资料进行订正[21-25]。

本文参考气象科技工作者近几年的研究方法，选取北疆呼图壁、精河以及吉木乃3 个气象站的气象资料，分析台站迁移对观测资料均一性的影响，利用新旧址对比资料对长序列观测资料进行订正，以取得均一且能够代表大范围气候状况的长序列观测资料。

1 研究区概况

研究区域位于北疆，天山以北，准格尔盆地边缘，是新疆经济发达的地区（地理位置分布见图1），属于大陆性温带干旱气候类型[29]。其资料的代表性对于研究新疆天气气候状况和经济发展具有十分重要的意义。呼图壁旧址（86°49′E，44°08′N，观测场海拔高度522.1 m）位于城市发展中心，距观测场约100 m 处为城市中心主干道；新址位于县城西南方与旧址间直线距离2.9 km，四周空旷平坦。精河旧址（82°54′E，44°36′N，观测场海拔高度318.6 m）东、北、西三面已被楼房和树木包围；新址位于旧址的西南面，四周为农田与旧址间直线距离7 km。吉木乃旧址（85°52′E，47°26′N，观测场海拔高度984.1 m）位于县城中心，建筑群直接影响日照、风等探测记录；新址位于旧址的北面，直线距离1.6 km，四周为农田和少量杨树。

图1 研究区区位

自20 世纪90 年代开始，由于城市扩容使得原本位于郊区的气象站逐渐被城市包围，气象观测资料逐步发生改变，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。

2 研究资料与方法

选取北疆呼图壁、精河、吉木乃3 个气象站近20 a（1997—2017 年，其中2015 年的数据缺失）旧址连续观测的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温进行气候资料的连续性研究。同时，选取2013—2017 年新旧址5 a 气温观测资料进行对比分析（吉木乃站2016 年迁址，只有2015—2017 年共3 a 的对比观测数据）。本文采用新址和旧址的差值（差值=新址值-旧址值）对比资料差异，用差值的标准差反映迁址前后观测要素之间偏差离散程度，用T 检验方法检验新旧资料是否连续，用一元线性回归法对资料进行订正[26-28]。

3 结果分析

3.1 迁址前后新旧址同期平均气温差值分析

分别计算吉木乃、呼图壁、精河3 个气象站3～5 a新旧址月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温差值（图2）。吉木乃3 a 的月平均气温差值在-0.72～0.20 ℃之间，4—11 月差值绝对值较小，其中4 月最小；3 a 月平均最高气温差值在-1.53～0.01 ℃之间，4—10 月差值绝对值较小，其中4 月最小；3 a 月平均最低气温差值在-0.80～0.20 ℃，4—10 月差值绝对值较小，其中4、7 月最小。冬季月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温新旧址差值较大，且均为负值，说明冬季吉木乃新址气温较旧址偏低较多。呼图壁5 a 月平均气温差值在-1.05～1.05 ℃，3—8、11 月差值绝对值较小，其中5、6 月最小；5 a 月平均最高气温差值在-0.68～0.38 ℃，均为负值，相对稳定在-0.5 ℃左右；5 a 月平均最低气温差值在-1.37～2.08 ℃之间，3—4、11 月差值绝对值较小，其中3 月最小。秋季月平均气温、月平均最低气温新旧址差值较大，且均为正值，说明秋季呼图壁新址气温较旧址偏高较多。精河5 a 月平均气温差值在-0.99～0.34 ℃，4—12 月差值绝对值较小，其中4 月最小；5 a 月平均最高气温差值在-0.27～0.95 ℃，1、12 月差值绝对值较小，其中12 月最小，除12 月以外均为正值，说明精河新址月平均最高气温较旧址偏高；5 a 月平均最低气温差值在-1.84～-0.25 ℃，均为负值，5、10、12 月差值绝对值较小，其中5 月最小，说明精河新址月平均最低气温较旧址偏低。 3 个站差值趋势不同，但总体而言，月平均最低气温、月平均最高气温差值略大，月平均气温差值较小，基本在±1 ℃。

图2 吉木乃（a）、呼图壁（b）、精河（c）新旧址3～5 a气温平均差值

3.2 新旧址气温各月分布对比

图3 是3 站月平均气温、月平均最高、月平均最低气温旧址20 a 月平均值与新址3～5 a 各月平均值的分布对比图，从各站情况上看，3 个气象站迁址后新址月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温与旧址20 a 平均值基本保持一致，其中精河站总体贴合度较高，而吉木乃、呼图壁站月平均最低气温新址与旧址多数在春秋差距小，夏冬季节差距稍大；月平均最高气温新址与旧址在秋季差距稍大。

图3 吉木乃（a、b、c）、呼图壁（d、e、f）、精河（g、h、i）新旧址各月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温对比分布

从总体趋势上看，新址观测气温3～5 a 的平均值与旧址20 a 平均值对比，新址月平均最高气温、月平均最低气温与旧址相比多数持平或者略高，这可能是由于气候变化过程中气温逐步升高的缘故[30]。但总体上说，新旧址差异不大，而月平均气温总体契合度高。

3.3 新旧址同期对比观测气温差值标准差

表1 是3 个气象站迁址前后新旧址同期观测气温数据差值的月标准偏差，吉木乃站3 a 最高气温标准差1、2、3 月较大；呼图壁站5 a 气温标准差9月存在较大偏差，而最低气温标准差除3 月以外都存在较大标准偏差；精河站5 a 最低气温标准差1月、5—9 月都存在较大标准偏差。由此可见，单纯从新旧址的同期气温观测数据对比，平均气温、最低气温、最高气温个别月份存在标准偏差，总体而言，吉木乃站标准偏差：最高气温＞最低气温＞平均气温；呼壁图站标准偏差：最低气温＞平均气温＞最高气温；精河站标准偏差：最低气温＞最高气温＞平均气温。总体而言，3 站最低气温的标准偏差较大。

表1 3 站新旧址平均气温、最高气温和最低气温的差值标准差℃

3.4 长序列气候资料均一性检验

利用旧址近20 a（1997—2017 年）的观测数据月平均气温序列，对新址平行观测期（近5 a）的月平均值进行均一性检验分析。其中呼图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。构造检验总体均值的T 统计量（|T 双尾临界值|＜2.086），获得T 检验结果见表2。各类气象要素中，平均最低气温有半数以上月份存在非均一性，而平均最高气温的均一性较好，平均气温次之。其中，吉木乃新旧址2、6、7、9、10、12 月及年平均气温，9、10 月平均最高气温，1、2、4、5、6、7、11、12 月及年平均最低气温存在非均一性。呼图壁新旧址1、7、8、9、11、12 月及年平均气温，2、6、10、11 月平均最高气温，1、3、4、6、7、8、9、10、12 月及年平均最低气温存在非均一性。精河新旧址2、7、12 月及年平均气温，2、8、10、11 月平均最高气温，1、2、4、5、6、7、8、9、12月平均最低气温存在非均一性。平均最高气温的均一性较好，平均气温次之，平均最低气温最差。因为平均最高气温主要受太阳辐射影响，新旧址范围内的太阳辐射差距不大，所以差值较小；而平均最低气温主要受地表性质（下垫面）影响，新旧址观测环境差别较大，因此差值略大[31]。

表2 三站新址3～5 a 月平均值与旧址20 a月平均值的T 检验统计量

4 平均气温的订正与验证

采用一元线性回归法，按照月度将新址3～5 a平均值订正到旧址20 a 平均值，得出3 个气象站的气温资料订正结果见表3～5。

表3 吉木乃站气温资料订正℃

为检验气温订正的结果，对于订正值继续用SPSS 方法的T 检验进行均一性检验，得出3 个气象站新址3～5 a 平均值对比旧址20 a 平均观测值的T统计量（|T 双尾临|＜2.086）结果见表6～8。结果表明：经过一元线性回归法订正后，吉木乃站气温（平均气温、平均最高气温、平均最低气温）、呼图壁站平均气温和平均最高气温、精河站平均气温和平均最低气温的均一性明显提高；但呼图壁站平均最低气温和精河站平均最高气温却依然存在非均一性。由此可见，用一元线性回归法来订正平均气温资料，可以显著提高其均一性，而平均最高气温和平均最低气温资料却未体现出明显优势。