迁站和仪器更换对阿拉山口风速资料的影响分析

孙 蕾，伏晓慧，张金柱

（1.阿拉山口气象局，新疆 阿拉山口833418；2.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

气候资料能客观、科学地反映当时当地天气状况和当地气候特征，由于气象台站站址的搬迁、仪器的更换及其他特殊原因都会造成气象资料序列的非均一性，不能准确反应当地气候特征[1]。均一的风速序列是当地输电线路设计及风能资源等项目开发利用、评估的基础[2]，阿拉山口的气候特征就是大风多，近年来多家风电企业在阿拉山口建大型风力发电机群，因此对阿拉山口风资料的均一性、代表性、连续性检验很有必要。阿拉山口站1957年建站，到2010年54 a中共经历过5次迁站，前4次迁站均在原址附近艾比湖畔，海拔高度变动较小，环境及地貌相似，最后一次迁站是在2001年，距原观测场约1.7 km且海拔高度高出51.3 m，处于坡地，环境变化较大，本文选2001年迁站来分析对风资料的影响。阿拉山口站1993年测风仪由EL型更换为EN型，EL和EN型测风仪室外感应部分的原理和材质相同，只是室内的显示结构不同，所以不对其进行分析,2004年安装了ZQZ-CⅡ型自动测风仪，其材质和工作原理与人工站EN型的完全不同，所以选2004年自动与人工测风仪对比观测资料分析仪器变更对测站风资料的影响。对阿拉山口站风资料的连续性、代表性、比较性分析时所选对比站是精河站，因精河站处在阿拉山口站下游、垂直距离在100 km以内且属同一个天气影响区，并且精河站探测环境一直保持较好，只是1961和1962年在原观测场附近作小幅变动后再没有迁移过[3]。另外博乐、温泉、精河3站都是2004年安装了ZQZ-CⅡ型自动站，且距阿拉山口垂直距离都在200 km以内，通过阿拉山口与以上三站近30 a风速序列比较，得到2004年仪器更换后各站风速变化特征。

1 资料

按照《地面气象观测规范》规定[4]：阿拉山口站2001年迁站时，对新、旧站 2000年7、10月和2001年1月3个月进行对比观测，所以选上述3个月日平均风速对比观测资料。选取2004年1—12月自动站与人工站各月平均风速和极大风速平行对比观测资料，以及阿拉山口站和精河站1957—2010年平均风速资料，博乐、温泉站1981—2010年平均风速资料。

2 阿拉山口54 a风速序列特征分析

2.1 年平均风速序列M-K突变检验结果

气候突变是指在较短时间内由一种相对较为稳定的气候状态，过渡到另一种气候状态的变化，它是气候系统非线性性质的一种表现[5]。分析阿拉山口年平均风速有无突变现象不仅对弄清风异常的长期变化规律非常重要，而且为预测未来的风变化趋势提供参考背景。

本文采用Mann-Kendall法（简称M-K方法）是一种非参数统计检验方法，来判断气候序列是否发生突变[6]，即在M-K突变检测图中，如果c1和c2在临界值 1.96（α=0.05）之间有一个显著的交点，且c1上升超过1.96，或c2下降低于-1.96，则认为序列产生了突变，并且这个交点就是突变的开始点，反之，则认为没有产生突变。使用此方法对阿拉山口站风速序列进行突变检验，由图1可看到c1和c2的交点在±1.96的置信区间，且曲线c1向正方向变化，c2向负方向变化，由此得到阿拉山口54 a平均风速发生突变，突变点是c1和c2的交点即2004年，事实上也是2004年以后阿拉山口年平均风速在迅速大幅减小，突变前年平均风速5.9 m/s，突变后年平均风速4.5 m/s。用同法分析对比站精河54 a平均风速则没有发生突变（图略）。

图1 阿拉山口1957—2010年平均风速M-K检测曲线

2.2 年平均风速序列的连续性、代表性分析

气象要素观测资料的代表性、准确性、比较性决定其适用范围和使用价值[7]。本文利用阿拉山口1957—2010年风速累年均值统计，计算年平均风速在该时期内的标准差，对该时期以标准差为置信区间，考查1957—2010年间各年风速均值（年值）以及累年均值是否在上述相应的置信区间内，用其结果分析阿拉山口年平均风速的连续性[8]。另外利用精河站同期对应的年平均风速资料作相同统计、序列分析，两站相互比较来考察阿拉山口站年平均风速资料的比较性和代表性。

标准差计算方法如下：

式中，s为标准差，n为资料总年数，xi为历年值为多年（1957—2010年）平均值。通过计算可以得到阿拉山口54 a平均风速均值为5.9 m/s，标准差为 0.6 m/s，那么标准差区间就是5.3～6.5 m/s之间。从图2a中可以看到54 a中阿拉山口站是1957年和2004—2010年不在其标准差区间内，连续累5 a均值线是2004—2010年不在标准差区间内，说明阿拉山口站风速资料2004年以前连续性、代表性较好。从图2a和2b比较可以看到阿拉山口和精河年平均风速连续累5 a均值线在2003年之前波形变化基本相似，2003年之后精河站年平均风速开始持续上升，而阿拉山口站在持续下降，由此得出阿拉山口站2003年以前比较性较好。

图2 1957—2010年阿拉山口（a）、精河站（b）风速均值序列变化分析

3 迁站对阿拉山口风速资料的影响分析

3.1 新、旧测站风速方差是否有显著差异分析

利用风速方差显著差异分析和风速均值的差异显著性检验来分析2001年迁站对阿拉山口风资料的影响。

在气象变量中，年、月、旬、日平均风速，定时风速、都接近正态分布，对于来自两个相互独立的正态总体，假定：第1个样本系从均值为，方差为的正态总体中随机取出，第2个样本取自另一个类似的总体，相应均值、方差分别为，取统计量

其中

表1 2001年迁站新、旧站对比观测资料方差显著差异分析结果

3.2 新、旧测站风速均值的差异显著性检验

因新、旧站风速方差无显著差异，可以进一步利用两站风速均值的差异显著性检验分析，得到新、旧测站风速资料能否合并统计，方法是：对于来自新、旧测站两个相互独立的正态总体X～N（μ1），Y～N未知但相等，若检验 H0：μ1=μ2，

构造统计量：

从数学上可以证明统计量T服从n1+n2-2个自由度的t分布，如果|T|＞tα，则认为两个总体的平均数“有显著性差异”，两个样本不能合并统计，反之则两个样本“无显著性差异”可以合并统计[9]。

利用以上方法对新、旧站日平均风速对比观测值进行检验分析，得出：2000年7月日平均风速T=0.397，2000年 10月 T=1.25，2001年 1月 T=0.263，当给定信度0.05时，查tα=2.000，显然上述T值均小于2.000，表明两组观测资料无显著差异，新、旧站风速资料可以合并统计。

综合以上分析得出：新、旧站风速方差无显著差异，两地观测资料可以合并统计，迁站没有对阿拉山口站风速的连续性造成影响。

4 仪器变更对阿拉山口风速的影响分析

4.1 自动站与人工站各月平均风速的对比差值分析

阿拉山口站2004年安装了ZQZ-CⅡ型自动站，其测风仪采用低惯性轻金属的风传感器，具有惯性小、启动快、感应灵敏的特点，其材质、采集数据原理和人工站EN型的完全不同[10]26-36。从表2可以看出2004年自动站比人工站所测年平均风速大0.4 m/s。整个冬季（12—2月）自动站与人工站月平均风速相差不大，初步分析冬季是阿拉山口站全年最寒冷、湿度较大、霜、雾形成最多的季节，所以导致风感应器易结霜再加上降雪等原因致使自动站风感应器较轻、惯性小等特点受影响较大，所测风速减小。

表2 阿拉山口2004年自动站和人工站各月平均风速差值/（m/s）

4.2 自动站与人工站极大风速的对比差值分析

从表3中可以看到自动与人工极大风速差值只有1月份是负值，自动和人工在风速越大时差值越大，说明自动站对极大风的感应比人工站灵敏。对2004年4、10月（大风较多月）自动站与人工站极大风向、风速进行评估[10]133-142，极大风速的误差标准差分别是1.42和1.36，月一致率分别是80%和87%，月粗差率是0.0%，极大风向符合率分别是57%和52%。

通过以上对比分析得出:自动站比人工站所测的年平均风速大，除1月外其它各月自动站所测月平均风速和极大风速均比人工站大，与2004年之后阿拉山口年平均风速迅速减小相反，说明，自动站的更换不是造成年平均风速序列突变的直接原因。

表3 2004年各月自动站与人工站极大风速差值/（m/s）

5 与邻近其它3站年平均风速的对比分析

从图3可以看到与阿拉山口站相邻的博乐、温泉、精河3站在2004年以前年平均风速图的波形基本一致，但在2004年后其它3站年平均风速值都在增大，而阿拉山口站2004年后年平均风速则迅速大幅减少，波形与其它3站反相。说明阿拉山口站年平均风速值从2004年开始与周边对比站变化不一致。也就是说，阿拉山口年平均风速迅速减小并不是大范围气候变化的结果。

图3 阿拉山口站与博乐、温泉、精河站1981—2010年平均风速

6 阿拉山口站2004年风速突变原因的初步分析

阿拉山口2001年迁到现址时，仅在正西方向约1 km处有口岸委大楼一幢（5层），2004年之前测站周围没有新建楼房及成片林带。2004年开始阿拉山口管委会在气象站上风方（西北方向）种植了多条东西和南北向交错的榆树林防风带[11]，呈网格状，总面积约6.1 hm2，2005年又继续向西北方向沿边境线种植防风林约20 hm2。阿拉山口整个地势是西北高东南低的坡地，全年盛行西北风，气象站正好处在疏透结构林带背风坡。根据朱廷瞿的研究结论：在坡地林带的背风面有较大范围的弱风区，疏透结构和透风结构林带背风面的弱风区则更大，坡地背风坡因气流下沉辐散，风速减弱，因此防风范围远大于迎风坡[12]。由此可知，处在疏透结构榆树林防护带背风坡的阿拉山口站2004年后风速的大幅度减小与大面积种植防护林有关。

7 小结和讨论

阿拉山口站1957—2010年54 a平均风速序列在2004年发生突变，突变后平均风速迅速减小。2001年迁站没有造成风速的突变，且经过检验新、旧站风速方差无显著差异，两地风速资料可以合并统计；2004年阿拉山口站更换自动站测风仪所测风速比人工站大，风速的突然变小不是仪器更换直接造成；从阿拉山口站与周边台站风速序列对比中发现其它站都在2004年后风速变大，只有阿拉山口站是迅速减小的，风速的突然变小也不是单一由气候变化直接造成。进一步调查分析发现风速突变与2004—2005年阿拉山口地区在气象站西北方向大面积种植防护林带有关，其它原因有待进一步探究。

致谢：衷心感谢新疆气象信息中心王秋香老师的指导和帮助。

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