遷站和儀器更換對阿拉山口風速資料的影響分析

孫 蕾，伏曉慧，張金柱

（1.阿拉山口氣象局，新疆 阿拉山口833418；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

氣候資料能客觀、科學地反映當時當地天氣狀況和當地氣候特征，由于氣象臺站站址的搬遷、儀器的更換及其他特殊原因都會造成氣象資料序列的非均一性，不能準確反應當地氣候特征[1]。均一的風速序列是當地輸電線路設計及風能資源等項目開發利用、評估的基礎[2]，阿拉山口的氣候特征就是大風多，近年來多家風電企業在阿拉山口建大型風力發電機群，因此對阿拉山口風資料的均一性、代表性、連續性檢驗很有必要。阿拉山口站1957年建站，到2010年54 a中共經歷過5次遷站，前4次遷站均在原址附近艾比湖畔，海拔高度變動較小，環境及地貌相似，最后一次遷站是在2001年，距原觀測場約1.7 km且海拔高度高出51.3 m，處于坡地，環境變化較大，本文選2001年遷站來分析對風資料的影響。阿拉山口站1993年測風儀由EL型更換為EN型，EL和EN型測風儀室外感應部分的原理和材質相同，只是室內的顯示結構不同，所以不對其進行分析,2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動測風儀，其材質和工作原理與人工站EN型的完全不同，所以選2004年自動與人工測風儀對比觀測資料分析儀器變更對測站風資料的影響。對阿拉山口站風資料的連續性、代表性、比較性分析時所選對比站是精河站，因精河站處在阿拉山口站下游、垂直距離在100 km以內且屬同一個天氣影響區，并且精河站探測環境一直保持較好，只是1961和1962年在原觀測場附近作小幅變動后再沒有遷移過[3]。另外博樂、溫泉、精河3站都是2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動站，且距阿拉山口垂直距離都在200 km以內，通過阿拉山口與以上三站近30 a風速序列比較，得到2004年儀器更換后各站風速變化特征。

1 資料

按照《地面氣象觀測規范》規定[4]：阿拉山口站2001年遷站時，對新、舊站 2000年7、10月和2001年1月3個月進行對比觀測，所以選上述3個月日平均風速對比觀測資料。選取2004年1—12月自動站與人工站各月平均風速和極大風速平行對比觀測資料，以及阿拉山口站和精河站1957—2010年平均風速資料，博樂、溫泉站1981—2010年平均風速資料。

2 阿拉山口54 a風速序列特征分析

2.1 年平均風速序列M-K突變檢驗結果

氣候突變是指在較短時間內由一種相對較為穩定的氣候狀態，過渡到另一種氣候狀態的變化，它是氣候系統非線性性質的一種表現[5]。分析阿拉山口年平均風速有無突變現象不僅對弄清風異常的長期變化規律非常重要，而且為預測未來的風變化趨勢提供參考背景。

本文采用Mann-Kendall法（簡稱M-K方法）是一種非參數統計檢驗方法，來判斷氣候序列是否發生突變[6]，即在M-K突變檢測圖中，如果c1和c2在臨界值 1.96（α=0.05）之間有一個顯著的交點，且c1上升超過1.96，或c2下降低于-1.96，則認為序列產生了突變，并且這個交點就是突變的開始點，反之，則認為沒有產生突變。使用此方法對阿拉山口站風速序列進行突變檢驗，由圖1可看到c1和c2的交點在±1.96的置信區間，且曲線c1向正方向變化，c2向負方向變化，由此得到阿拉山口54 a平均風速發生突變，突變點是c1和c2的交點即2004年，事實上也是2004年以后阿拉山口年平均風速在迅速大幅減小，突變前年平均風速5.9 m/s，突變后年平均風速4.5 m/s。用同法分析對比站精河54 a平均風速則沒有發生突變（圖略）。

圖1 阿拉山口1957—2010年平均風速M-K檢測曲線

2.2 年平均風速序列的連續性、代表性分析

氣象要素觀測資料的代表性、準確性、比較性決定其適用范圍和使用價值[7]。本文利用阿拉山口1957—2010年風速累年均值統計，計算年平均風速在該時期內的標準差，對該時期以標準差為置信區間，考查1957—2010年間各年風速均值（年值）以及累年均值是否在上述相應的置信區間內，用其結果分析阿拉山口年平均風速的連續性[8]。另外利用精河站同期對應的年平均風速資料作相同統計、序列分析，兩站相互比較來考察阿拉山口站年平均風速資料的比較性和代表性。

標準差計算方法如下：

式中，s為標準差，n為資料總年數，xi為歷年值為多年（1957—2010年）平均值。通過計算可以得到阿拉山口54 a平均風速均值為5.9 m/s，標準差為 0.6 m/s，那么標準差區間就是5.3～6.5 m/s之間。從圖2a中可以看到54 a中阿拉山口站是1957年和2004—2010年不在其標準差區間內，連續累5 a均值線是2004—2010年不在標準差區間內，說明阿拉山口站風速資料2004年以前連續性、代表性較好。從圖2a和2b比較可以看到阿拉山口和精河年平均風速連續累5 a均值線在2003年之前波形變化基本相似，2003年之后精河站年平均風速開始持續上升，而阿拉山口站在持續下降，由此得出阿拉山口站2003年以前比較性較好。

圖2 1957—2010年阿拉山口（a）、精河站（b）風速均值序列變化分析

3 遷站對阿拉山口風速資料的影響分析

3.1 新、舊測站風速方差是否有顯著差異分析

利用風速方差顯著差異分析和風速均值的差異顯著性檢驗來分析2001年遷站對阿拉山口風資料的影響。

在氣象變量中，年、月、旬、日平均風速，定時風速、都接近正態分布，對于來自兩個相互獨立的正態總體，假定：第1個樣本系從均值為，方差為的正態總體中隨機取出，第2個樣本取自另一個類似的總體，相應均值、方差分別為，取統計量

其中

表1 2001年遷站新、舊站對比觀測資料方差顯著差異分析結果

3.2 新、舊測站風速均值的差異顯著性檢驗

因新、舊站風速方差無顯著差異，可以進一步利用兩站風速均值的差異顯著性檢驗分析，得到新、舊測站風速資料能否合并統計，方法是：對于來自新、舊測站兩個相互獨立的正態總體X～N（μ1），Y～N未知但相等，若檢驗 H0：μ1=μ2，

構造統計量：

從數學上可以證明統計量T服從n1+n2-2個自由度的t分布，如果|T|＞tα，則認為兩個總體的平均數“有顯著性差異”，兩個樣本不能合并統計，反之則兩個樣本“無顯著性差異”可以合并統計[9]。

利用以上方法對新、舊站日平均風速對比觀測值進行檢驗分析，得出：2000年7月日平均風速T=0.397，2000年 10月 T=1.25，2001年 1月 T=0.263，當給定信度0.05時，查tα=2.000，顯然上述T值均小于2.000，表明兩組觀測資料無顯著差異，新、舊站風速資料可以合并統計。

綜合以上分析得出：新、舊站風速方差無顯著差異，兩地觀測資料可以合并統計，遷站沒有對阿拉山口站風速的連續性造成影響。

4 儀器變更對阿拉山口風速的影響分析

4.1 自動站與人工站各月平均風速的對比差值分析

阿拉山口站2004年安裝了ZQZ-CⅡ型自動站，其測風儀采用低慣性輕金屬的風傳感器，具有慣性小、啟動快、感應靈敏的特點，其材質、采集數據原理和人工站EN型的完全不同[10]26-36。從表2可以看出2004年自動站比人工站所測年平均風速大0.4 m/s。整個冬季（12—2月）自動站與人工站月平均風速相差不大，初步分析冬季是阿拉山口站全年最寒冷、濕度較大、霜、霧形成最多的季節，所以導致風感應器易結霜再加上降雪等原因致使自動站風感應器較輕、慣性小等特點受影響較大，所測風速減小。

表2 阿拉山口2004年自動站和人工站各月平均風速差值/（m/s）

4.2 自動站與人工站極大風速的對比差值分析

從表3中可以看到自動與人工極大風速差值只有1月份是負值，自動和人工在風速越大時差值越大，說明自動站對極大風的感應比人工站靈敏。對2004年4、10月（大風較多月）自動站與人工站極大風向、風速進行評估[10]133-142，極大風速的誤差標準差分別是1.42和1.36，月一致率分別是80%和87%，月粗差率是0.0%，極大風向符合率分別是57%和52%。

通過以上對比分析得出:自動站比人工站所測的年平均風速大，除1月外其它各月自動站所測月平均風速和極大風速均比人工站大，與2004年之后阿拉山口年平均風速迅速減小相反，說明，自動站的更換不是造成年平均風速序列突變的直接原因。

表3 2004年各月自動站與人工站極大風速差值/（m/s）

5 與鄰近其它3站年平均風速的對比分析

從圖3可以看到與阿拉山口站相鄰的博樂、溫泉、精河3站在2004年以前年平均風速圖的波形基本一致，但在2004年后其它3站年平均風速值都在增大，而阿拉山口站2004年后年平均風速則迅速大幅減少，波形與其它3站反相。說明阿拉山口站年平均風速值從2004年開始與周邊對比站變化不一致。也就是說，阿拉山口年平均風速迅速減小并不是大范圍氣候變化的結果。

圖3 阿拉山口站與博樂、溫泉、精河站1981—2010年平均風速

6 阿拉山口站2004年風速突變原因的初步分析

阿拉山口2001年遷到現址時，僅在正西方向約1 km處有口岸委大樓一幢（5層），2004年之前測站周圍沒有新建樓房及成片林帶。2004年開始阿拉山口管委會在氣象站上風方（西北方向）種植了多條東西和南北向交錯的榆樹林防風帶[11]，呈網格狀，總面積約6.1 hm2，2005年又繼續向西北方向沿邊境線種植防風林約20 hm2。阿拉山口整個地勢是西北高東南低的坡地，全年盛行西北風，氣象站正好處在疏透結構林帶背風坡。根據朱廷瞿的研究結論：在坡地林帶的背風面有較大范圍的弱風區，疏透結構和透風結構林帶背風面的弱風區則更大，坡地背風坡因氣流下沉輻散，風速減弱，因此防風范圍遠大于迎風坡[12]。由此可知，處在疏透結構榆樹林防護帶背風坡的阿拉山口站2004年后風速的大幅度減小與大面積種植防護林有關。

7 小結和討論

阿拉山口站1957—2010年54 a平均風速序列在2004年發生突變，突變后平均風速迅速減小。2001年遷站沒有造成風速的突變，且經過檢驗新、舊站風速方差無顯著差異，兩地風速資料可以合并統計；2004年阿拉山口站更換自動站測風儀所測風速比人工站大，風速的突然變小不是儀器更換直接造成；從阿拉山口站與周邊臺站風速序列對比中發現其它站都在2004年后風速變大，只有阿拉山口站是迅速減小的，風速的突然變小也不是單一由氣候變化直接造成。進一步調查分析發現風速突變與2004—2005年阿拉山口地區在氣象站西北方向大面積種植防護林帶有關，其它原因有待進一步探究。

致謝：衷心感謝新疆氣象信息中心王秋香老師的指導和幫助。

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