趙曉萌,毛明策,雷楊娜,白水成,張文靜

(1.陜西省氣候中心,西安 710014；2.陜西省氣象局,西安 710014)

陜北沙漠邊緣區(qū)風(fēng)速均一性檢驗(yàn)及其重現(xiàn)期計(jì)算

趙曉萌1,毛明策1,雷楊娜1,白水成2,張文靜1

(1.陜西省氣候中心,西安 710014；2.陜西省氣象局,西安 710014)

以陜北沙漠邊緣區(qū)6個(gè)氣象站自建站至2013年的年平均風(fēng)速和最大風(fēng)速序列為研究對象,分析了各序列的線性傾向趨勢,采用t-檢驗(yàn)法以及對臺(tái)站歷史沿革的詳查,對各站點(diǎn)風(fēng)速序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn),并對非均一序列應(yīng)用方差法和比值法等數(shù)理方法進(jìn)行訂正,分析了重現(xiàn)期最大風(fēng)速變化和序列的頻率分布。結(jié)果表明：陜北沙漠邊緣區(qū)各氣象站年最大風(fēng)速全部呈顯著遞減趨勢；定邊站、靖邊站、橫山站和榆陽區(qū)站年平均風(fēng)速于2003—2004年間分別出現(xiàn)了間斷,并且與其更換測風(fēng)儀器時(shí)間同步；訂正后年最大風(fēng)速在間斷點(diǎn)后較原始序列都有較大幅度的增大,定邊站訂正前、后年最大風(fēng)速主要分布區(qū)間增大,主要集中在(18,22]m/s區(qū)間；訂正的序列與原始序列的50年一遇風(fēng)速差別不大,但是在大型工程設(shè)計(jì)和工程氣象專題評估時(shí),應(yīng)考慮適合工程應(yīng)用的氣象站測風(fēng)資料和訂正方法。

最大風(fēng)速；均一性檢驗(yàn)；重現(xiàn)期；陜北沙漠邊緣區(qū)

由于觀測站探測環(huán)境變化、探測儀器變更等原因,對長期氣象數(shù)據(jù)序列帶來一定的不均一性,國內(nèi)外許多學(xué)者對氣象要素序列均一性檢驗(yàn)和非均一性序列訂正方法做了大量研究[1-4],我國學(xué)者關(guān)于氣溫、降水、風(fēng)速等要素的均一性檢驗(yàn)做了分析研究[5-7],并對不同的氣象要素提出了多種檢驗(yàn)方法,但主要是針對氣象數(shù)據(jù)序列自身的統(tǒng)計(jì)分析,很少涉及到均一性訂正前后工程氣象參數(shù)的變化。研究在工程設(shè)計(jì)中是否需要進(jìn)行資料訂正及如何訂正,是工程氣象需要考慮的重要內(nèi)容。本文以陜北沙漠邊緣區(qū)各氣象站自建站至2013年的年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速為研究對象,分析各序列的線性傾向趨勢,采用t-檢驗(yàn)法以及對臺(tái)站歷史沿革的詳查,判斷各站點(diǎn)序列的均一性和序列訂正的必要性,對比不同非均一訂正方法,分別計(jì)算訂正前、后重現(xiàn)期風(fēng)速,并分析訂正前、后序列的頻率分布,探討在風(fēng)工程應(yīng)用中,根據(jù)需要進(jìn)行風(fēng)速訂正的必要性。

1 研究區(qū)域、資料和方法

本文研究區(qū)域位于毛烏素沙漠南邊緣的定邊、靖邊、橫山、神木、榆陽區(qū)和府谷6個(gè)縣,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均溫度8.8℃,年平均降水量為391.5mm,年平均風(fēng)速2.4m/s,是陜西降水最少的地區(qū)[8]。風(fēng)速資料采用研究區(qū)內(nèi)各氣象站(如圖1)自建站至2013年的年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速,其中平均風(fēng)速起始年份除靖邊為1966年外,其余站均為1961年,最大風(fēng)速起始年份定邊為1974年,府谷為1980年,榆陽和神木均為1971年,靖邊和橫山分別為1973年和1972年。

圖1 研究區(qū)域地形及氣象站分布

年平均風(fēng)速是逐年振動(dòng)很小的氣象要素,檢驗(yàn)其逐年平均記錄,更容易檢查出由于臺(tái)站遷移、周圍環(huán)境變化引起的非均一[9]。因此,年平均風(fēng)速均一性檢驗(yàn)不僅可對風(fēng)要素質(zhì)量評估,也為測風(fēng)儀器換型提供參考[1]。年平均風(fēng)速序列非均一的間斷點(diǎn)檢驗(yàn)方法采用t-檢驗(yàn),判斷兩組數(shù)據(jù)的均值是否有顯著差異[10]。年最大風(fēng)速非均一性序列訂正采用方差訂正法[11-12]和比值訂正法。

2 年最大風(fēng)速特征及年平均風(fēng)速間斷點(diǎn)

2.1 最大風(fēng)速線性傾向估計(jì)

由于研究區(qū)域面積相對較小,站點(diǎn)分布均勻,對年最大風(fēng)速進(jìn)行線性擬合,得到線性變化趨勢,并采用t-檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)趨勢變化的顯著性水平。由圖2可以看出,研究區(qū)內(nèi)各氣象站年最大風(fēng)速全部呈顯著遞減趨勢,其中定邊站年最大風(fēng)速減小最顯著,線性趨勢率,為-2.61m/(s ·10a),府谷站和榆陽站線性趨勢率分別為-0.41m/(s·10a)和-0.53m/(s·10a),通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn),其他三站線性趨勢率為-1.09～-1.70m/(s·10a),通過了α =0.01顯著性檢驗(yàn)。因此,陜北沙漠邊緣區(qū)地面年最大風(fēng)速呈現(xiàn)顯著的減小趨勢。

2.2 年平均風(fēng)速序列的間斷點(diǎn)

年平均風(fēng)速的差異顯著性采用兩組樣本平均值顯著差異的t-檢驗(yàn)。通過檢驗(yàn),得到定邊、榆陽區(qū)站、靖邊站和橫山站分別在2003年左右以后的序列與自有觀測以來的序列出現(xiàn)顯著差異,具有不均一性。根據(jù)陜西省氣象臺(tái)站歷史沿革資料得知,陜北沙漠邊緣區(qū)臺(tái)站的自動(dòng)氣象站分別于2003年、2004年初正式投入運(yùn)行,更換儀器之前,普遍使用EL型風(fēng)速儀。通過差異性分析發(fā)現(xiàn),府谷和神木未間斷,而定邊、榆陽、靖邊和橫山年平均風(fēng)速序列分別于更換自動(dòng)站的年份出現(xiàn)了間斷(表1)。

表1 陜北沙漠邊緣區(qū)年平均風(fēng)速序列間斷點(diǎn)t檢驗(yàn)

2.3 年最大風(fēng)速序列訂正

對于非均一序列,訂正方法未統(tǒng)一,可選用較為通用的比值法,即首先計(jì)算間斷點(diǎn)前平均值與間斷點(diǎn)后平均值的比值,將間斷后的序列乘以該比值得到新序列。訂正還可選用方差法。方差“表示隨機(jī)變量取值關(guān)于均值的偏離程度”,它反映序列的離散程度,由于城市化發(fā)展影響改變了最大風(fēng)速序列的均一性或一致性,使其均值與方差都發(fā)生變化,通過對最大風(fēng)速序列不同時(shí)段的均值與方差的研究來訂正風(fēng)速序列,使訂正后的風(fēng)速序列滿足均一性檢驗(yàn)[11]。方差法要求序列呈正態(tài)分布,而定邊、榆陽區(qū)、靖邊和橫山四站的年最大風(fēng)速序列呈正態(tài)分布,因此分別采用比值法和方差法進(jìn)行訂正。

圖2 陜北沙漠邊緣區(qū)年最大風(fēng)速序列及線性趨勢 (直線為趨勢線；虛線為5年滑動(dòng)平均)

從圖3可以看出,定邊站1974—2003年年最大風(fēng)速的平均值為18.6m/s,而2004—2013年的平均值為14.2m/s,差異顯著,通過比值法訂正后,消除了年最大風(fēng)速序列中的不均勻現(xiàn)象。通過方差法和比值法訂正后的序列如圖3所示。

圖3 方差法和比值法訂正前后定邊站年最大風(fēng)速對比 (直線為平均值)

3 年最大風(fēng)速訂正前后的頻率分布及重現(xiàn)期風(fēng)速

3.1 訂正前后的頻率分布

為了比較訂正前、后年最大風(fēng)速的分布特征和關(guān)于分布密度函數(shù)假設(shè)檢驗(yàn),計(jì)算定邊站訂正前、后風(fēng)速頻率分布發(fā)生的變化,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,計(jì)算定邊站原始序列及兩種訂正方法訂正后的密度曲線。如圖4所示,訂正前,定邊站近40年年最大風(fēng)速主要分布在(12,18]m/s區(qū)間,經(jīng)過方差法和比值法訂正后,定邊站年最大風(fēng)速主要分布較為集中,主要在(18,22]m/s區(qū)間。經(jīng)過訂正,年最大風(fēng)速的頻率分布發(fā)生了變化,且主要集中分布的風(fēng)速增大。

圖4 定邊站年最大風(fēng)速訂正前、后頻率分布

3.2 訂正前后50年一遇最大風(fēng)速

采用極值I型的概率分布,分別計(jì)算定邊、靖邊、橫山和榆陽區(qū)站年最大風(fēng)速原始序列和訂正序列的50年一遇風(fēng)速。如表2,經(jīng)過比值法訂正,定邊站50年一遇風(fēng)速減小0.1m/s,榆陽區(qū)站減小0.4m/s,其他各站訂正結(jié)果較原始序列偏大；經(jīng)過方差法訂正,各站訂正序列計(jì)算結(jié)果均比原始序列計(jì)算結(jié)果偏大,其中榆陽區(qū)站偏大5.4%?？傮w來看,雖然年最大風(fēng)速具有一定的隨機(jī)性,但通過原始序列和兩種訂正方法訂正后的序列計(jì)算出的50年一遇風(fēng)速相差不大。

表2 各站年最大風(fēng)速訂正前后的重現(xiàn)期風(fēng)速

4 結(jié)論與討論

本文以陜北沙漠邊緣6站自建站以來年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速為研究對象,選擇t-檢驗(yàn)方法對年平均風(fēng)速序列進(jìn)行檢驗(yàn),并對比臺(tái)站歷史沿革分析序列間斷點(diǎn),分別采用方差法和比值法對發(fā)生間斷的序列進(jìn)行訂正,分析訂正前、后重現(xiàn)期風(fēng)速變化和頻率分布,主要結(jié)論如下。

(1)陜北沙漠邊緣區(qū)各氣象站年最大風(fēng)速全部呈顯著遞減趨勢,并通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。定邊站、靖邊站、橫山站和榆陽區(qū)站年平均風(fēng)速于2003—2004年分別出現(xiàn)了間斷,并且與其更換測風(fēng)儀器時(shí)間同步。

(2)利用方差法和比值法分別對年最大風(fēng)速進(jìn)行訂正,年最大風(fēng)速在間斷點(diǎn)后較原始序列都有較大幅度的增大,定邊站訂正前、后年最大風(fēng)速主要分布區(qū)間增大,主要集中在(18,22] m/s區(qū)間。

(3)經(jīng)過訂正的序列與原始序列的50年一遇風(fēng)速差別不大,但是在大型工程設(shè)計(jì)和工程氣象專題評估時(shí),應(yīng)考慮適合工程應(yīng)用的氣象站測風(fēng)資料和訂正方法。

[1] 劉小寧.我國40年年平均風(fēng)速的均一性檢驗(yàn)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2000,11(1)：27-34.

[2] 何冬燕,田紅,鄧偉濤.多種方法在年平均風(fēng)速均一性檢驗(yàn)中的效果對比 [J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2012,35(3)：342-349.

[3] AlexanderssonH,MobergA.Homogenizationof Swedishtemperaturedata,PartI：Ahomogerneitytestforlineartrends[J].IntJClimatnl, 1997,17(1)：25-34.

[4] CraddockJM.Methodsofcomparingannualrainfallrecordsforclimaticpurpose[J].Weather, 1979,34(3)：332-346.

[5] 吳利紅,康麗莉,毛裕定,等.SNHT方法用于氣溫序列非均一性檢驗(yàn)的研究[J].科技通報(bào), 2007,23(3)：337-341.

[6] 余君,趙美艷,劉霄,等.重慶地區(qū)降水序列的均一性檢驗(yàn)及其對氣候變化分析的影響 [J].高原山地氣象研究,2014,34(2)：68-71.

[7] 李亞麗,妙娟利.2種統(tǒng)計(jì)方法對氣象要素均一性的影響[J].陜西氣象,2011(3)：29-32.

[8] 劉子林,劉曉麗.榆林干旱特征分析[J].陜西氣象,2003(5)：15-17.

[9] 么枕生,丁裕國.氣候統(tǒng)計(jì)[M].北京：氣象出版社,1990：270.

[10] 宋超輝,劉小寧,李集明.氣溫序列非均一性檢驗(yàn)方法的研究[J].氣象學(xué)報(bào),1995,6(3)：289-296.

[11] 巫黎明,許遐禎,張洋,等.江蘇省輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速誤差分析及訂正[J].電力勘測設(shè)計(jì), 2010(5)：27-31.

[12] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社,2007：58-60.

P425.47

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趙曉萌,毛明策,雷楊娜,等.陜北沙漠邊緣區(qū)風(fēng)速均一性檢驗(yàn)及其重現(xiàn)期計(jì)算[J].陜西氣象,2015(4)：27-30.

1006-4354(2015)04-0027-04

2014-11-05

趙曉萌(1985—),女,陜西西安人,碩士,工程師,從事氣候變化和氣候可行性論證。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計(jì)劃項(xiàng)目(2014M-6)