库尔勒气象站迁站前后气象要素特征及成因分析

夏雪梅，魏哲花，隆永兰

（1.库尔勒市气象局，新疆 库尔勒84100；2.哈密市气象局，新疆 哈密 839000）

由于站址变迁、观测场周围环境变化，一些气象要素随之发生变化，甚至导致气象要素序列出现非均一性，关于台站迁移前后资料的对比分析已有许多学者做过研究[1-9]。

库尔勒国家基本气象站旧址位于恰尔巴格乡小瓦克村。随着库尔勒城市不断发展扩大，库尔勒气象站观测环境受到限制和严重影响，已不符合观测规范要求。库尔勒国家基本气象站于2016年1月1日，迁至什力克乡力龙农场柳林村（表1）。新站位于旧站以西，直线距离24.3 km。新站观测场拔海高度比旧站低31.7 m。为了解库尔勒国家基本气象站迁移前后观测资料序列的差异，对库尔勒气象站迁站前后的部分气象要素差异及成因进行分析。

表1 库尔勒新旧站址地理位置

1 资料与方法

1.1 资料选取

所用资料为库尔勒市气象站2016—2018年1—12月新、旧站同期气温、气压、相对湿度、风向风速及最多风向频率。库尔勒市气象站长序列资料选取1961—2015年的旧站资料和2016—2018年的新站资料，尉犁气象站和铁干里克气象站选取1978—2018年逐年逐月气温、湿度、气压、风等气象要素。

1.2 方法

分别统计库尔勒新旧站2016—2018年平均气温、平均最高、最低、平均相对湿度、平均风速、最大风速及最多风向等地面常规资料，求取新旧站3a差值平均（新站资料—旧站资料）和差值标准差[10-11]及风向频率；为了分析新旧站气象要素差异产生的原因，选择尉犁县气象站、铁干里克气象站为参照站，通过相关分析来确定库尔勒气象站与尉犁气象站、铁干里克气象站序列各气象要素的变化是否一致；用t检验法分析新旧站资料的均一性[12]。

2 新、旧站观测资料对比分析

2.1 温、压、湿要素差异分析

基于气象要素差值、标准差，对库尔勒新、旧气象站2016—2018年温度、气压、相对湿度差异进行分析。由图1a可见，新、旧站平均气温和平均最低气温的年差值均为负，说明新站年平均气温、年平均最低气温低于旧站，其中年平均最低气温差异达4.1℃，年平均气温偏低2.1℃。由月际差值特征分析可见，平均气温、平均最低气温波动趋势一致，即差异值表现出由冬到春渐减、由夏到冬渐增的特征。对比而言，年平均最高气温月际差异无特定趋势。

从图1b看，年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的差值标准差均较小，数据相对稳定；春末夏初和秋季平均最高气温差值标准差较大，数据相对不够稳定；各月来看，6月平均气温和9月平均最低气温的差值标准差较大，数据相对不稳定。

由图2a可见，平均气压、平均相对湿度各月差值均为正，说明新站年平均气压、年平均相对湿度均高于旧站，年平均差值分别为3.2 hPa、11%。从月际差异特征来看，新旧站平均气压在冬季差异略高于其他各季，平均相对湿度则有显著的月际波动，夏秋两季高于其它季节。

年平均气压差值标准差较小（图2b），说明年气压数据相对稳定，但1月、3—4月、10月平均气压差值标准差比其他月份偏大。平均相对湿度各月差值标准差在0.82%～2.65%之间，数据相对稳定。

2.2 风向风速

经统计，风速年平均差值为正，表明新站风速大于旧站，年平均风速偏大0.2 m/s；各月对比发现（见图3a），平均风速差值除6月、7月为负值外，其他各月风速差值均为正值，春秋季风速差值大于其它季节。月最大风速差值除12月为负外，其他各月最大风速差值为正，尤以4—9月差值最大（图3b），达3.6～6.2 m/s，这与新站四周空旷、障碍物少、没有建筑物遮挡这一环境密切相关。

图1 库尔勒新旧站气温要素差异分析

图2 库尔勒新旧站气压、相对湿度差异分析

由图4可以看出，年风向频率旧站ENE风向最高，次高为NE风向，新站E风向频率最高，次高为ESE风向；从各月风向频率看（表2），新站冬季以E、WSW、W风向频率最高，春、秋季E风向频率最高，次高为ESE风向，夏季ESE风向频率最高，次高E风向；旧站除初夏NE风外，其余各季均ENE风向频率最高；月最大风速频率新址为E风向，旧址为ENE风向。上述分析表明新站、旧站风向变化不一致。分析其原因，库尔勒地处塔里木盆地东北缘，北倚天山支脉库鲁克山和霍拉山，地势北高南低，山势西高东低。北方冷空气常翻越霍拉山、顺孔雀河河谷东灌进入，新站四周空旷，障碍物少，没有建筑物遮挡，风向基本不受地形影响，旧站高层建筑对风形成了阻挡，风向偏转。

图3 库尔勒新旧站平均风速差值（a）及最大风速差值（b）

图4 库尔勒新旧两站年风向频率分布

3 观测资料均一性分析

3.1 库尔勒站与参考站资料相关性及趋势分析

分析库尔勒新旧两站要素差异的原因，首先选取参考站。按照属于同一气候区、序列平行年代长的标准选取了尉犁气象站、铁干里克气象站两站为参照站。由于尉犁气象站1978年1月1日迁站，为了保证资料一致，且参照站在气象要素成因分析时间段内再无迁站史，故气象料均以1978年为初始年，终止年为2018年，通过相关分析来确定库尔勒站旧站与参照站序列各气象要素的变化是否一致。由表3可见，气温相关系数最大，气压次之。除了风速相关性较差外，气温、气压、湿度都通过了0.05的显著性水平检验，表明参照站可作为后续分析所用。

表2 库尔勒新站与旧站各月风向频率/%

表3 库尔勒站旧站与参考站各要素观测序列（1978—2015年）的相关系数

为消除单站可能存在的观测误差，用尉犁气象站、铁干里克气象站2个参照站观测资料求平均形成参照序列，进行气象要素趋势变化分析。

1978—2015 年库尔勒站旧站与参照站两曲线变化趋势一致（图5a），但差距逐渐增大，说明库尔勒站旧站气温上升比参照站快，站点所处地理环境的差异是造成此问题的主因。2016—2018年，库尔勒站新站年平均气温明显下降至低于参照站，这与库尔勒站2016年1月1日由城区迁至郊区相对应，说明观测环境的变化将直接影响气温观测结果。

由图5b可见，1978—2000年库尔勒站旧站与参照站年平均相对湿度曲线变化趋势一致，呈波动上升趋势且两曲线间的差距较小；2000—2015年库尔勒站旧站与参照站年平均相对湿度呈明显下降趋势且差距逐渐增大，说明库尔勒站旧站相对湿度减小速率明显大于参照站。受迁站影响，2016—2018年库尔勒站新站相对湿度大幅上升，这与新站年平均气温下降趋势相对应。

由图5c可见，1978—20世纪90年代初库尔勒站旧站与参照站年平均风速曲线变化趋势一致；90年代中期—2000年库尔勒站旧站年平均风速呈增大趋势，参照站平均风速继续呈减少趋势，分析表明这一时期库尔勒站旧站2 min平均风速记录自1992年起由人工观测改为自动记录，参照站四周种植的树木初具规模，对风速的减弱产生了影响；2000—2015年，库尔站旧站年平均风速呈减少趋势，参照站年平均风速呈增大趋势，分析发现，自2000年以来库尔勒站四周开始陆续修建高楼，库尔勒站观测场东面、北面、南面均为住宅高楼，对风速的减弱产生了直接影响；2016—2018年年平均风速由降转增，主要原因为迁站后新站址地势平坦，四周无高大建筑物和透风的林带遮挡，对风速的影响较小。气象站周围环境差异对风速观测有直接影响。

年平均气压趋势分析表明（图5d），海拔高度的不同导致库尔勒站与参照站年平均气压存在一定差异，但变化趋势较为一致。但是，迁站导致2016—2018年期间库尔勒站新站年平均气压呈大幅上升。

综合年际各要素变化特征可明显看出，库尔勒气象站温、压、湿各要素自2016年后发生明显突变，表明气象站址迁移带来的测站环境变化直接导致了各观测要素的观测差异。

图5 库尔勒站与参照站年平均气温（a）、年平均相对湿度（b）、年平均风速（c）、年平均气压（d）变化曲线

3.2 新旧站资料t检验

应用t检验方法（显著性水平0.05）对库尔勒站的平均气温、平均相对湿度、平均气压和平均风速要素的年值序列进行均一性检验分析，因气温和湿度、气压资料符合正态分布故采用差值序列（库尔勒站—参考站）进行检验，风速资料一般不符合正态分布故采用比值序列（库尔勒站/参考站）进行检验。以1978—2015年为总体序列，与2016—2018年的序列进行t检验，结果表明（表4），年平均气温、平均湿度、平均气压通过显著检验，说明新旧站上述要素存在显著性差异。年平均风速序列采取了分段t检验，发现有1个间断点，1992年出现断点t＝2.793（｜t｜＞t0.05＝2.145）， 这是由于 1992 年风速由人工观测改为自动记录使风速产生了间断点（图6）；2000年以后库尔勒站四周开始陆续修建高楼，检测结果显示风速变化不明显；2016年库尔勒站迁站，检测表明迁站后库尔勒新旧站平均风速变化不显著，说明年平均风速资料连续。t检验表明，迁站使年平均气温、平均相对湿度、平均气压在2016年产生了断点，但对年平均风速序列没有产生明显影响（图6）。

图6 库尔勒站年平均气温（a）、相对湿度（b）、风速（c）、气压（d）t检验结果

表4 库尔勒气象站旧址与新址各要素t检验

4 结论

（1）库尔勒新站的年平均气温和年平均最低气温比旧站分别偏低2.1、4.1℃，年平均最高气温新旧站持平；平均气温和最低气温各月、各季均是新站低于旧站，最高气温春季新站高于旧站；年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温差值标准差较小。

（2）年平均气压新站高于旧站，差值平均值为3.2 hPa；各月平均气压新站高于旧站，新旧站平均气压在冬季差异略高于其他各季；年平均气压标准差较小，说明年气压数据稳定；1月、3—4月、10月平均气压差值标准差比其他月份偏大，数据稳定性略差。

（3）新站比旧站湿润，年平均相对湿度的差值平均值为11%；各月相对湿度差值平均值新站大于旧站，尤其以6—10月差值偏大较多；各月差值标准差在0.82%～2.65%之间。

（4）年平均风速新站比旧站偏大0.2 m/s；风速差值平均值除6月、7月新站小于旧站外，其他月份明显大于旧站；春夏季风速大于其他季节；月最大风速除12月新站比旧站小外，其他各月最大风速均是新站较旧站偏大，尤以4—9月平均差值最大，在3.6～6.2 m/s之间。

（5）旧站ENE风向频率最高，新站E风向频率最高；新站冬季以E、WSW、W风向频率最高，春秋季E风向频率最高，夏季ESE风向频率最高；旧站6月NE风向频率最高，其余各季均ENE风向频率最高；月最大风速频率新址为E风向，旧址为ENE风向。

（6）t检验表明：年平均气温、平均湿度和年平均气压，迁站前后气象资料有显著差异，平均风速迁站前后气象资料变化不突出。表明迁站后观测要素与旧站观测要素特征存在较大不一致性，为确保长时间分析序列的均一性，建议根据同期观测资料建立订正方程，对新站观测要素进行逐一校正。

（7）选择参照站对库尔勒站温、压、湿、风要素年际变化趋势进行对比分析表明，相较于气候变暖大背景下的气象要素变化而言，站址迁移对要素观测结果的影响更为直接和显著，站址变迁伴随的地形地貌及城市、生态环境的改变能够第一时间在气象要素观测结果中得到体现。