臺兒莊國家氣象觀測站遷站觀測資料對比分析

崔云鵬，蔡 飛，李 冰，王 超

（1.山東省棗莊市嶧城區氣象局，山東 棗莊 277300；2.山東省棗莊市臺兒莊區氣象局，山東 棗莊 277400）

地面氣象觀測工作是研究氣候變化和大氣科學發展規律的基礎，因此氣象觀測站點所觀測到的數據不僅要能反映出該站的氣象要素，還要能反映出觀測站周圍一定范圍內的氣象要素變化規律和狀態。棗莊市臺兒莊區地勢南部高，中部偏低，且自西向東漸低，整體呈傾斜狀，西南部為連綿起伏的低山丘陵，北部為平原，適宜各種農作物生長。臺兒莊區夏季雨水偏多，容易發生洪澇災害。對臺兒莊國家氣象觀測站遷站資料的對比分析，有利于更好地開展臺兒莊地區天氣預報預警工作，開展氣候預測評估及做好各類氣象服務工作，氣象觀測到的數據資料是科學研究的基礎，同時還有助于推動氣象工作科學發展。

臺兒莊國家氣象觀測站始建于1980 年，屬于國家一般氣象站，近些年城市化發展迅速，臺兒莊區氣象局舊址被政府納入規劃、開發項目，舊址建筑林立，對現址觀測環境造成嚴重破壞，探測環境很難達到觀測規范的基本要求，已不符合《地面氣象觀測規范》和《氣象設施和氣象探測環境保護條律》要求[1]，氣象臺站被迫遷移。自2021 年1 月起將氣象觀測站搬遷至臺兒莊區馬蘭屯鎮劉湖村北，地理坐標為（117°43′E、34°36′N），位于舊址西北方向。新址觀測場周圍探測環境良好，四周為耕地，另外，擬遷新址及周邊不在城區建設發展規劃內，氣象探測環境不會受到城市建設發展的影響，周圍環境能夠長時間保持穩定[2]。由于氣象觀測站搬遷，新舊站址地理位置不同，使用儀器發生改變，所處的探測環境不同，可能導致新舊站址局地氣候存在差異。本文利用2020 年臺兒莊新舊站址觀測到的對比資料進行分析，對因探測環境改變而引起氣象要素差異的主要原因進行剖析，以掌握新遷站址對各氣象要素產生的影響，為新站氣象資料連續使用提供參考依據。

1 數據資料與分析方法

新舊站址直線距離約3 330 m，新址海拔高度比舊址高1.7 m；新址土地下墊面與舊址下墊面一致，均為平原地形，新址周圍空曠無高大建筑物，舊址位于城市中心。本文主要對2020 年全年臺兒莊國家氣象觀測站新舊站址平行觀測到的氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速和降水氣象資料運用差值分析法和顯著性檢驗法等方法進行分析。

2 觀測資料方法分析

2.1 差值分析法

通過公式計算對平行觀測到的每日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均氣壓、相對濕度和平均風速資料進行差值分析，得出各要素月差值平均值，計算結果見表1。

新舊站址觀測數據的差值標準差σ 為：

式（1）中，xi=Ui-Ai,Ui為新址相應時間觀測到的氣象要素的值，Ai為相應時間舊址觀測到的氣象要素值，為氣象要素的差值平均值。差值的標準差是計算一組數據平均值分散程度的一種度量，一個較大的差值標準差代表這組數據和其平均值之前存在的差異較大，一個較小的差值標準差代表這組數據和其平均值更為接近。通過式（1）計算得出新舊站址各要素月差值標準差（表2）。

2.1.1 氣溫 表1、表2 列出新舊站址觀測要素數據月差值平均值和月差值標準差計算結果，從表1差值平均值可以看出，臺兒莊國家氣象觀測站新址全年平均氣溫略低于舊址，年平均氣溫差值為-0.8 ℃，其中3 月、12 月平均氣溫相差較大，新址氣溫比舊址低1.1 ℃；除6 月、9 月外新址最高氣溫均低于舊址，最高氣溫差值在0.0～0.5 ℃，6 月新址最高氣溫比舊址高0.1 ℃，9 月新舊兩址最高氣溫相等；新址最低氣溫低于舊址，最低氣溫差值為0.7～2.1 ℃,7 月、8 月最低氣溫差值最小。從表2可以看出平均氣溫的差值標準差比較集中，差值標準差為0.1～0.4 ℃，最大平均氣溫差值標準差出現在9 月、11 月、12 月，為0.4 ℃；最高氣溫的差值標準差為0～1.0 ℃，10 月、12 月最高氣溫差值標準差為1.0 ℃，4 月、9 月差值標準差為0 ℃；最低氣溫的差值標準差集中在0.2～0.7 ℃，3 月、5 月最低氣溫差值標準差為0.7℃。

表1 新舊站址各要素月差值平均值

表2 新舊站址各要素月差值標準差

新站址地處平原地形，周圍為基本農田，空曠無高大建筑物，四周植被覆蓋較好，地表輻射相對減少[3]，且新站址較老站空氣流通性大，所以新址氣溫較舊址偏低，夏季溫度越高時新舊兩站溫度差越大，冬季氣溫越低時新舊兩站溫度差越小。從對氣溫的三要素數據分析中可以看出新舊兩站氣溫總體差值較小，氣溫數據變化具有良好的一致性。

2.1.2 氣壓 從表1 可以看出，新舊兩址氣壓數據平均差值為0.3～0.4 hPa，冬季氣壓差值略大于夏季氣壓差值，從表2 可以看出氣壓的差值標準差主要集中在0～0.1 hPa，氣壓數據相對比較穩定且冬季溫度越低氣壓差值越大，夏季溫度越高氣壓差值越小。新站海拔高度比舊站高1.7 m，利用拉普拉斯簡化后的氣壓公式來計算兩站氣壓差△p=-△h/8，計算結果為-0.2 hPa。新舊兩址氣壓差值出現的原因是由觀測站海拔高度的變化而引起，氣壓受其他因素的影響較小，新舊兩站氣壓變化值較小且新址氣壓較為穩定，氣壓數據具有較好的連續性。

2.1.3 相對濕度 如表1 所示，新站相對濕度比舊站略為偏高，數據普遍偏高1%～6%。如表2 所示相對濕度差值標準差集中在0～2.1%，4 月相對濕度差值標準差為0，最大相對濕度差值標準差為2.1%，出現在9 月、11 月，新舊站址相對濕度差值偏離平均情況并不明顯。造成相對濕度出現偏差的主要原因為臺兒莊地區屬暖溫帶亞濕潤區，夏季高溫多雨、蒸發快，新觀測站周邊為基本農田被植被覆蓋，植物的呼吸、蒸騰作用讓空氣中相對濕度增加，所以新址夏季相對濕度比舊址高且相對濕度的差值小于冬季，新舊兩址相對濕度觀測值整體變化趨勢基本一致，資料具有連續可用性。

2.1.4 降水 本文通過降水量累計相對差值法對臺兒莊國家氣象觀測站新舊站址降水進行分析[3]，計算公式：

式（2）中，xi=Ui-Ai，Ui為新觀測站第i次降水監測到的降水量，Ai為相同時間段內舊觀測站監測到的降水量，計算得出數據見表3。

表3 新舊站址月降水量差值和累計相對差

如表3 所示，6—9 月新舊站址降水差異較大，其余月份差異較小。8 月新址降水量累計值多于舊址，其余月份新址降水量累計值比舊址少；夏季受強對流天氣影響，新舊兩址降水量的值相差比較明顯，最多月份為8 月，新址降水比舊址多62.7 mm，相對差值為42.5%，最少月份為11 月，新址降水比舊址少0.3 mm，累計相對差為0.6%。降水量累計相對差最大的月份為9 月，新址降水比舊址少22.1 mm，最小月份為11 月。2020 年臺兒莊國家氣象觀測站新址年降水量為1 053.3 mm，比舊址少62.9 mm，年降水量累計相對差為5.6%。

降水存在差異的主要原因為新站址地處平原，四周空曠，舊站址周圍建筑林立，降水時受風影響較小。臺兒莊區夏半年多對流性副高邊緣降水，局地性較強，造成新舊兩址不同地區降水差距較大，春冬季節受西風帶天氣系統影響，產生大范圍的降水，且新舊站址直線距離約3 330 m，距離較近，對降水影響較小。

2.1.5 風向、風速 統計臺兒莊國家氣象觀測站2020 年新舊站址全年風向、風速資料及各個風向出現的頻率，繪制兩站的風向玫瑰圖（圖1）進行對比分析。由表1 可以看出，臺兒莊國家氣象觀測站新址平均風速比舊址普遍比舊址高，范圍為0.1～0.4 m/s，由表2 可得，風速的月差值標準差集中在0.1～0.3 m/s，平均風速最大的月差值為0.4 m/s，出現在12 月。如圖1 所示，新舊站址主導風向均為NE，新站相比舊站NNW～N、NE～ENE 方向風向頻率相對增加，但整體方向一致，主導方向均為NE，新舊兩址風向、風速具有一致性。

圖1 風向玫瑰圖

造成新舊站址風向出現差異的原因是新舊站址所處四周障礙物的不同，新址地處平原地區周圍沒有遮擋物，探測環境好，所以風速偏大；舊址位于城市中心，周圍建筑物較密，因此風速減弱。

2.2 顯著性檢驗法

對照臺兒莊國家氣象觀測站2020 年觀測要素的月平均資料，利用顯著性檢驗法查看新站址各要素觀測數據是否與歷年值存在顯著性差異[4]。用舊站和新站所觀測到的氣象要素的均值2 個樣本總量，顯著性檢驗公式：

3 結束語

通過對臺兒莊國家氣象觀測站新舊兩站氣象資料對比分析，發現臺兒莊國家氣象觀測站臺站搬遷受儀器變更、探測環境變化影響，但新舊兩站址氣溫、氣壓、相對濕度、風向、風速、降水等要素具有良好的一致性，且新址較舊址設備穩定性更好。新站址風速較老站址大，是由于探測環境變化造成的，舊觀測站四周存在遮擋物是影響風向、風速的主要原因[5]。夏季受局地小氣候天氣影響，兩站址降水量存在一定差異。臺兒莊國家氣象觀測站新站址觀測資料可用性符合氣象業務規定，能滿足氣象業務工作需求，觀測站站址遷移不會對國家、區域以及本區氣候評估業務、氣候預測業務、天氣預報等造成太大影響。