劉冬，何佳玥，周燕秋

（1.重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局，重慶 400800；2.重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)自然災(zāi)害預(yù)警預(yù)防辦公室，重慶 400800）

萬盛國家氣象觀測站（簡稱國家站）始建于1966年。隨城市化的推進，原萬盛國家氣象觀測站站址周邊已完全城市化，測場環(huán)境已不能滿足規(guī)范要求。2015年1月1日，萬盛國家氣象觀測站搬遷至萬東鎮(zhèn)五和村窯罐場社，舊站則變成城市觀測站繼續(xù)擔負常規(guī)氣象觀測任務(wù)。新站址海拔高度599.9m，比舊站高273.4m，與舊站直線距離約7000m，且測場環(huán)境改變較大。為了解站址遷移前后觀測資料序列因地理位置、尤其是海拔高度和周圍環(huán)境不同而形成的兩站氣象要素差異，本文對萬盛2015年1月—2017年12月城市站與遷站后國家站的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水觀測進行了對比分析，并在此基礎(chǔ)上嘗試對觀測數(shù)據(jù)進行訂正，以期向正確使用遷站前后觀測資料提供參考和幫助。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究所用資料來自萬盛經(jīng)開區(qū)氣象局，選取2015年1月—2017年12月萬盛經(jīng)開區(qū)國家站與城市站的氣溫（日平均氣溫、日最高和最低氣溫、月極端最高和最低氣溫）、氣壓（日平均氣壓、日最高和最低氣壓、月極端最高和最低氣壓）、相對濕度（日平均相對濕度、最小相對濕度）、日累積降水量、風(fēng)向風(fēng)速（小時風(fēng)向風(fēng)速、日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速、月極大風(fēng)速）等觀測。相關(guān)要素的統(tǒng)計方法參見表1，新舊站基本情況見表2。

表1 相關(guān)要素名稱及對應(yīng)統(tǒng)計方法

日最高、最低氣溫 逐日最高、最低氣溫月極端最高、最低氣溫 逐月最高、最低氣溫日平均氣壓 逐日02/08/14/20時氣壓平均日最高、最低氣壓 逐日最高、最低氣壓月極端最高、最低氣壓 逐月最高、最低氣壓日平均相對濕度 逐日02/08/14/20時相對濕度平均日最小相對濕度 逐日最小相對濕度日累積降水 逐日20～次日20時累積降水量小時風(fēng)向、風(fēng)速 逐小時10分鐘平均風(fēng)向、風(fēng)速日平均風(fēng)速 逐日平均風(fēng)速月極大風(fēng)速 逐月極大風(fēng)速

1.2 分析方法

1.2.1 對比差值

設(shè)Ui為第i次國家站觀測值， Ai為第i次城市站觀測值，則第i次的對比差值為：Xi=Ui-Ai。兩站數(shù)據(jù)的觀測次數(shù)為n， 則平均對比差值為：

對比差值直接反映了兩站要素的絕對偏差。

1.2.2 相對偏差

計算公式為：（國家站觀測-城市站觀測）/城市站觀測 *100%?？梢泽w現(xiàn)國家站與城市站觀測的相對偏差程度。

1.2.3 資料u檢驗

u檢驗是在大樣本（樣本數(shù)n ＞30）的情況下，檢驗隨機變量的數(shù)學(xué)期望是否等于某一已知值的一種假設(shè)檢驗方法[1]。檢驗步驟如下：（1）建立假設(shè)H0:μ1=μ2，確定檢驗標準α；（2）選定檢驗方法，計算檢驗統(tǒng)計量μ值；（3）按照給定的檢驗標準，根據(jù)u檢驗臨界值表，確定臨界值μα；（4）作出推斷結(jié)論。當判斷兩個獨立樣本的數(shù)學(xué)期望是否具有明顯差異時：

表2 萬盛經(jīng)開區(qū)城市站與國家站地址比較

1.2.4 一元回歸訂正

為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，利用最小二乘法將國家站氣象要素訂正到城市站。國家站氣象要素為x，城市站氣象要素為y，訂正的基本公式為：

2 國家站和城市站氣象要素對比分析

2.1 氣溫對比

圖1所示為萬盛國家站和城市站2015年—2017年平均氣溫對比差值的逐月變化。圖1中可以看出，國家站的日平均氣溫低于城市站，差值在-1.78℃附近波動變化，無明顯峰值或低值。國家站與城市站的日平均最高溫度的最大溫差發(fā)生在7月，為-3.24℃，12全年最小，為-2.14℃，其余月份差值差異較小。國家站與城市站的日平均最低溫度的最大差值出現(xiàn)在12月為-1.77℃，最小差值出現(xiàn)在7月，為-0.79℃。從圖2中可以看出，國家站與城市站極端最高氣溫和極端最低氣溫差值的月變化明顯。月極端最高氣溫的最大差值發(fā)生在7月，為-3.73℃，最小差值發(fā)生在11月，為-2.37℃，總體來看7、8月相差較大，其余月份相差相對較小。月極端最低氣溫的最大差值發(fā)生在3月，為-2.0℃，最小差值發(fā)生在2月，為-0.3℃，總體來看3、9、11月相差較大，其余月份相差相對較小。

從不同按季節(jié)來對比，國家站與城市站15～17年各季節(jié)無明顯差異；日平均最高氣溫夏季溫差大，冬季溫差小；平均最低氣溫冬季溫差大，夏季溫差小。

綜合來看，各項氣溫指標都表明國家站比城市站的氣溫低。兩站的海拔高度，周圍環(huán)境以及下墊面的差異可能是在造成兩站溫差的主要原因[2-3]。氣溫隨海拔高度的升高而降低， 因海拔高度變化造成的溫度差異可按平均溫度垂直遞減率0.65℃/100m[4]來估算，海拔高度上升273.4m，氣溫下降約為-1.78℃，這一數(shù)據(jù)與統(tǒng)計結(jié)果存在差異，說明兩站氣溫的偏差不僅僅是由海拔高度變化引起的。城市熱島效應(yīng)可能是造成國家站的氣溫低于城市站的原因；另外國家站下墊面主要是土壤和巖石，城市站下墊面多是水泥和瀝青，直接影響地表熱容量和吸熱率，兩站觀測偏差也可能受下墊面差異的影響。

圖1 2015年—2017年萬盛國家站與城市站平均溫度、 平均最高溫度、平均最低溫度對比差值

圖2 2015年—2017年萬盛國家站與城市站，極端最高溫度、極端最低溫度對比差值

2.2 氣壓對比

圖3給出了萬盛國家站和城市站2015年—2017年平均氣壓對比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國家站的月平均氣壓低于城市站，呈雙峰結(jié)構(gòu)，峰值發(fā)生在2月和7月，分別為-30.79hPa和-29.58hPa；最大偏差出現(xiàn)在12月為32.09hPa。綜合各月來看，國家站與城市站月平均最高氣壓和月平均最低氣壓差值變化趨勢均和國家站與城市站月平均氣壓差值變化趨勢基本一致。從圖4可看出，城市站與國家站極端最高氣壓差值在-35.73～-25.07hPa之間，極端最低氣壓差值在-31.97～-27.03hPa之間。

表3 2015年—2017年萬盛國家站與城市站降水量對比（mm）及百分誤差（%）

從不同按季節(jié)來對比，國家站與城市站月平均氣壓、月平均最高氣壓、月平均最低氣壓在各季節(jié)均呈現(xiàn)出夏季差值小，冬季差值大的特點。

綜合來看，各項氣壓指標都表明國家站比城市站的氣壓低。本站氣壓隨著海拔高度的升高而降低，國家站比城市站海拔高度升高了273.4m。在近地面層中，氣壓隨海拔高度的變化可根據(jù)拉普拉斯氣壓高度差簡化訂正公式Δp=-ΔH/8來計算，計算可知Δp=-34.18hPa，與實測差值較接近?？紤]兩站設(shè)備之間的系統(tǒng)誤差也會對兩站的氣壓差值造成一定影響[5]，因此兩站的海拔高度可能是在造成兩站氣壓差值的主要原因[6-7]。

圖3 2015年—2017年萬盛國家站與城市站，平均氣壓、平均最高氣壓、平均最低氣壓對比差值

圖4 2015年—2017年萬盛國家站與城市站，極端最高氣壓、極端最低氣壓對比差值

2.3 相對濕度對比

圖5給出了盛國家站和城市站2015年—2017年平均相對濕度對比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國家站的日平均相對濕度均高于城市站，差值在0.68～6.80%之間，8～11月差值較大，其余月份差值較小。結(jié)合月最小相對濕度來看，國家站與城市站的最小相對濕度差值在5.11～11.29%之間，6～11月差值較大，差值變化趨勢與平均相對濕度變化趨勢基本一致。

從不同按季節(jié)來對比，春季相對濕度對比差值是1.78%，夏季是4.99%、秋季是6.20%，冬季是2.41%，秋季差值為四季中最大。

相對濕度的差值主要受測站周圍環(huán)境和下墊面性質(zhì)影響，相同環(huán)境條件下、氣溫增高會引起相對濕度降低。國家站在郊外山上，城市站在城市，植被覆蓋率不同，植被的蒸騰作用使得新站的相對濕度增大。此外，城市站位于城市，受城市熱島效應(yīng)影響，氣溫略有升高，濕度也會降低[8-9]。

圖5 2015年—2017年萬盛國家站與城市站平均相對濕度、最小相對濕度對比差值

2.4 降水量對比

由于降水要素較其他要素特殊，采用相對偏差的方法對月降水量值進一步對比。表2 給出了15～17 年萬盛國家站與城市站平均月累積降水的相對偏差。從表中可以看出，國家站與城市站降水量差值范圍在-12.9～30.6mm之間，相對偏差范圍在-11～32.0%之間。2、6、7、8、11月國家站降水量多于城市站，其余月份國家站降水量少于城市站。主汛期6～8月國家站降水量普遍多于城市站。

再按季節(jié)對日降水量差值進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)春季差值范圍在-7.3～-1.9mm之間，夏季在10.0～30.6mm之間，秋季在-12.9～6.7mm之間，冬季在-2.5～3.1mm之間，可見，在降水日數(shù)中兩站日降水量差異較大。綜合全年來看，降水量百分誤差較大值發(fā)生在夏季，說明夏季降水區(qū)域差距大，體現(xiàn)了降水的局地性特點。

2.5 風(fēng)向風(fēng)速對比

圖6給出了盛國家站和城市站2015年—2017年平均風(fēng)速對比差值的逐月變化。從圖中可以看出，國家站的平均風(fēng)速均高于城市站，差值在0.8～1.3m/s之間，2～4月和7月差值較大，其余月份差值較小。國家站與城市站的最大風(fēng)速差值分別在1.7～2.9m/s之間，極大風(fēng)速差值在1.9～3.2m/s之間。最大風(fēng)速和極大風(fēng)速差值均是在2～4月和8月差值較大，其余月份差值較小。平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和極大風(fēng)速新舊站的差值變化趨勢基本一致。

進一步按季節(jié)對比，平均風(fēng)速、最大風(fēng)速差值春季分別為1.2m/s、2.7m/s，夏季分別為1.0m/s、2.6m/s，秋季分別為0.8m/s、1.9m/s，冬季分別為1.0m/s、2.4m/s，從季節(jié)上看兩站平均風(fēng)速、最大風(fēng)速差值無明顯變化。

從表4中可以看出，城市站（2015年—2017年）基本上以ESE風(fēng)為主，國家站（2015年—2017年）基本上以NNE風(fēng)為主。國家站位于郊外山上，四周開闊，障礙物少，風(fēng)速受到地面的摩擦力影響相對要少，城市站位于城市內(nèi)，周圍建筑物多，風(fēng)速受到地面的摩擦力影響相對較大，國家站風(fēng)速高于城市站可能是由于測場周邊環(huán)境的不同所導(dǎo)致。

圖6 2015年—2017年萬盛國家站與城市站平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速對比差值

表4 2015年—2017年萬盛國家站與城市站月最多風(fēng)向資料

2.6 氣象要素u檢驗

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的中心極限定理，當樣本量n逐漸增大時（通常要求n≥30），無論總體分布如何，樣本均值的概率分布都將近似服從正態(tài)分布，且其分布的期望值等于總體均值μ，方差等于總體方差的1/n[10]。表5是氣溫、氣壓、相對濕度、降水量對比觀測資料u檢驗結(jié)果，其中u檢驗統(tǒng)計量數(shù)值1.96是按照0.05的顯著性水平查u界值表得到。表5中可以看出，在α=0.05的顯著性水平下，降水量這一氣象要素國家站和城市站之間不存在顯著差異，其余氣象要素國家站和城市站之間均存在顯著差異，說明遷站對于各氣溫要素、各氣壓要素、各相對濕度要素影響較大，對降水量要素影響較小。

表5 氣溫、氣壓、相對濕度、降水量對比觀測資料u檢驗

表6 氣溫、氣壓、相對濕度、降水量月序列資料u檢驗

表7 平均溫度、平均濕度、平均氣壓相關(guān)系數(shù)和訂正方程

為進一步了解站址遷移對各氣象要素的影響，對各氣象要素按月進行檢驗。2015—2017年各氣象要素月序列資料日均值的樣本數(shù)范圍是85（2月）到93，同樣適用于u檢驗方法。表6中可以看出，按月序列進行檢驗時，各氣溫要素、各氣壓要素、最小相對濕度兩站之間仍然具有明顯差異，降水量兩站之間不存在顯著差異。兩站相對濕度在2～5月不存在顯著差異，其余月份仍存在顯著差異，這一結(jié)論與三年對比觀測資料u檢驗有細微差異?？傮w來看，站址遷移對于各氣溫要素、各氣壓要素、相對濕度影響較大，對降水量影響較小，月份差異不明顯，對最小相對濕度在2～5月影響較小，在其余月份影響較大，但整體月份差異仍較小。

3 氣象要素訂正

由于國家站和城市站的觀測資料有明顯的差異，為保證氣象要素資料的連續(xù)性，本文利用國家站與城市站溫度、氣壓、濕度的日均值，采用一元線性回歸方程對國家站的平均溫度、平均濕度、平均氣壓逐月進行訂正，應(yīng)用最小二乘法計算出方程系數(shù)，相關(guān)系數(shù)及訂正方程如表7所示。其中x 為國家站月平均值，y為訂正后得到的城市站月平均值，相關(guān)系數(shù)越大，訂正效果越好，從表7中可以看出，一元線性回歸對平均溫度、平均氣壓的訂正效果較平均濕度較好。

4 小結(jié)

本文通過2015年—2017年國家站和城市站的氣象觀測資料對兩站之間的氣溫、氣壓、相對濕度、日累積降水量、風(fēng)向風(fēng)速等要素進行了對比分析，并利用最小二乘法對氣溫、氣壓、相對濕度進行了訂正，得到了以下主要結(jié)論：

對比差值中，月平均氣溫國家站低于城市站，最大溫差出現(xiàn)在7月，最小溫差出現(xiàn)在1月；國家站與城市站極端最高氣溫和極端最低氣溫差值的月變化明顯，最大溫差出現(xiàn)在7月，最小溫差出現(xiàn)在11月；極端最低氣溫的最大溫差出現(xiàn)在3月，最小溫差出現(xiàn)在2月。國家站和城市站的月平均氣壓呈現(xiàn)雙峰型，峰值出現(xiàn)在2月和7月。國家站的月平均相對濕度均高于城市站，8-11月差值較大，其余月份差值較小。除2、6、7、8、11月國家站降水量多于城市站，其余月份國家站降水量少于城市站，其中主汛期6～8月國家站降水量普遍多于城市站。國家站的平均風(fēng)速均高于城市站，2-4月和7月差值較大，其余月份差值較小，城市站主導(dǎo)風(fēng)以ESE為主，國家站以NNE風(fēng)為主。

站址遷移對各氣溫要素、各氣壓要素、各相對濕度要素年均值影響較大，對降水量年均值影響較小。其中，站址遷移對各氣溫要素、各氣壓要素、最小相對濕度月均值都影響較大，月差異較小，對降水量月均值都影響較小，月差異較小。站址遷移對相對濕度2-5月均值影響較小，其余月份影響較大。

采用一元回歸對國家站平均氣溫、平均氣壓月均值訂正的效果較好。