周昊楠，華燁，秦榕

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆地區(qū)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)非均一影響研究

周昊楠1，華燁2，秦榕1

（1.新疆氣象信息中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002）

利用懲罰最大F檢驗(yàn)（The Penized Maximal FTest，PMFT），對(duì)新疆地區(qū)105個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)建站至2014年逐年平均風(fēng)速資料進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)，并通過(guò)訂正得出新疆地區(qū)年平均風(fēng)速均一化數(shù)據(jù)集合；通過(guò)對(duì)訂正后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估,討論數(shù)據(jù)非均一性對(duì)新疆風(fēng)速的影響,研究結(jié)論得出：（1）在95%的顯著性水平下,檢驗(yàn)出所有待檢站點(diǎn)均出現(xiàn)非均一間斷點(diǎn)，共計(jì)151個(gè)；（2）元數(shù)據(jù)中記錄的人為影響因素，超過(guò)1/3對(duì)年平均風(fēng)速序列產(chǎn)生了非均一影響，其中儀器換型對(duì)年平均風(fēng)速序列影響最為顯著，其次為環(huán)境變化；（3）儀器換型和站址遷移對(duì)年平均風(fēng)速的非均一影響與臺(tái)站風(fēng)力大小成正比，其它人為因素對(duì)年平均風(fēng)速的影響與臺(tái)站風(fēng)力大小成反比；（4）訂正后，數(shù)據(jù)時(shí)間序列的均一性得到改善，數(shù)據(jù)序列明顯的趨勢(shì)拐點(diǎn)趨于緩和，下降趨勢(shì)普遍增強(qiáng)，數(shù)據(jù)可用性進(jìn)一步改善。

新疆；風(fēng)速；均一性；PMFT檢驗(yàn)；訂正

幾十年來(lái)，全球各類區(qū)域極端天氣事件逐年增多，氣候變化開始成為各國(guó)政府和媒體密切關(guān)注的問(wèn)題，而全球氣候變暖也已經(jīng)成為公眾熱議的話題；多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氣候科研機(jī)構(gòu)積極開展了大量的相關(guān)研究，豐富了人類對(duì)大自然變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，討論了人類對(duì)氣候變化所產(chǎn)生的影響；然而對(duì)于氣象科學(xué)研究來(lái)講，均一的長(zhǎng)序列氣象資料是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，其能夠真實(shí)可靠的反映單站或大區(qū)域范圍的歷史氣候變化過(guò)程，對(duì)未來(lái)氣候變化預(yù)測(cè)和極端天氣分析能夠提供有力的基礎(chǔ)保障。所謂均一的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，理論上應(yīng)是數(shù)據(jù)變化只受到天氣和氣候因素的影響，不受到任何人為干預(yù)，其能夠真實(shí)反映氣候演變規(guī)律的觀測(cè)數(shù)據(jù)；但從我國(guó)氣象事業(yè)的發(fā)展歷史來(lái)看，隨著人民生活水平提高及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，多數(shù)站點(diǎn)已經(jīng)遭受站址遷移、儀器變動(dòng)、觀測(cè)手段變化、觀測(cè)環(huán)境變化和觀測(cè)時(shí)次等人為因素的影響，使氣象歷史觀測(cè)資料不同程度產(chǎn)生了不連續(xù)的非均一現(xiàn)象，這往往對(duì)氣候變化研究，尤其是區(qū)域性或者局地氣候變化檢測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果帶來(lái)明顯的歪曲，嚴(yán)重制約了現(xiàn)代氣候變化模式的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性；所以數(shù)據(jù)序列的均一化研究,已逐漸成為科研數(shù)據(jù)應(yīng)用工作中必不可少的環(huán)節(jié)。關(guān)于數(shù)據(jù)均一化研究工作，國(guó)外的專家和學(xué)者開始的比較早，幾十年來(lái)，許多專家在氣候資料序列均一化檢驗(yàn)及訂正方面做了大量的研究和報(bào)告[1-8]，研究?jī)?nèi)容涉及不同氣象要素，其中包括如氣溫、降水、氣壓及相對(duì)濕度等，取得了許多顯著的研究成果,為氣候研究和預(yù)報(bào)服務(wù)做出了巨大的貢獻(xiàn)。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)均一化研究人員通過(guò)對(duì)全國(guó)氣溫、降水等的研究，同樣取得了許多重要的成果，大力推進(jìn)了國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)均一化研究的水平[9-19]。在風(fēng)資料的均一性研究方面，國(guó)內(nèi)專家也已逐漸取得了一定進(jìn)展，如，劉小寧和曹麗娟等[20-21]分別引入標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)均一檢驗(yàn)（The Standard Normal Homogeneity Test，SNHT）和懲罰最大F檢驗(yàn)（The Penalized Maximal F Test，PMFT）方法對(duì)我國(guó)主要?dú)庀笈_(tái)站年平均風(fēng)速氣候資料進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)并分析了造成非均一性的主要原因，何冬燕等[22]以兩站為例對(duì)比分析了用直接檢驗(yàn)方法和3種間接檢驗(yàn)方法對(duì)年平均風(fēng)速的檢驗(yàn)效果。然而，作為主要的氣候要素之一，風(fēng)是受地形影響較大的氣象要素，在不同區(qū)域或環(huán)境下對(duì)不同檢驗(yàn)方法的適用性可能完全不同，尤其在新疆地區(qū)，由于地形復(fù)雜、站點(diǎn)稀疏且分布不均勻等因素，使得多數(shù)依賴于參考序列的檢驗(yàn)方法并不太適用于新疆地區(qū)的均一性研究。并且，雖然曹麗娟等用PMFT檢驗(yàn)方法對(duì)全國(guó)主要臺(tái)站進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)，得到了較好的研究結(jié)果，但研究?jī)?nèi)容對(duì)風(fēng)要素的局地性特點(diǎn)考慮的相對(duì)較少，屬于方法研究的初步實(shí)驗(yàn)，如果要將均一性研究理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用成果，需在此基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的針對(duì)性研究。因此，本文選擇新疆地區(qū)105個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)近50 a平均風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)與訂正探索研究，以分析新疆特定環(huán)境下風(fēng)資料的特點(diǎn)，尋求不同研究環(huán)境下檢驗(yàn)及訂正方法的適用性和可靠性。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

由于新疆地區(qū)105個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)建站至1961年的年平均風(fēng)速資料存在不同程度的數(shù)據(jù)缺測(cè)，所以本文統(tǒng)一選取105個(gè)臺(tái)站1961—2014年的年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆氣象信息中心，并且各臺(tái)站年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)均已通過(guò)較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

1.2 元數(shù)據(jù)

文章中所用的氣象地面臺(tái)站元數(shù)據(jù)信息來(lái)源于新疆氣象信息中心信息檔案科，其中包括臺(tái)站儀器變更信息、臺(tái)站站址遷移信息、系統(tǒng)升級(jí)、站址環(huán)境變化及儀器高度變化信息等，涵蓋目前新疆地區(qū)最為完整和準(zhǔn)確的氣象臺(tái)站歷史沿革元數(shù)據(jù)。

1.3 檢驗(yàn)方法

PMFT方法是目前較為常用且不依賴于參考序列的均一性檢驗(yàn)方法，該方法能夠有效避免非均一的參考序列帶來(lái)的檢驗(yàn)誤差，通?？梢杂糜趯?duì)年、月和日3種時(shí)間序列的均一性檢驗(yàn)。其檢驗(yàn)過(guò)程通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)性的懲罰因子，很大程度降低了檢驗(yàn)的誤報(bào)率，并且能用于檢驗(yàn)包含一階自回歸誤差數(shù)據(jù)序列的多個(gè)間斷點(diǎn)；其檢驗(yàn)方式為通過(guò)回歸檢驗(yàn)算法依次分段找出序列中最可能的跳變點(diǎn)，并計(jì)算出所有跳變點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)量，將其由大到小排列，判斷最小的跳變點(diǎn)是否顯著，當(dāng)不顯著時(shí)，剔除掉該跳變點(diǎn)，重新評(píng)估剩余跳變點(diǎn)的顯著性，重復(fù)該過(guò)程，最終保留統(tǒng)計(jì)顯著的跳變點(diǎn)。檢驗(yàn)過(guò)程如下：假設(shè)εt是均值為0、方差為σ2的變量。對(duì)于線性趨勢(shì)為β的時(shí)間序列{Xt}，要檢驗(yàn)其在t=K時(shí)刻是否存在間斷點(diǎn)，其原假設(shè)為：

那么假設(shè)：

式（2）中μ1≠μ2，如果Ha為真，則時(shí)間點(diǎn)t=k為間斷點(diǎn)，△=|μ1-μ2|為均值偏移大小，可通過(guò)式（3）得出最有可能的間斷點(diǎn)：

其中:

式（6）中μ0和β0是在μ1=μ2=μ條件下的估計(jì)值。該方法通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，使其分布服從:

以上為均一性檢驗(yàn)方法的具體構(gòu)建方式，其經(jīng)驗(yàn)函數(shù)構(gòu)建方法詳見(jiàn)Wang[23]。

1.4 訂正方法

本文采用差值訂正方法對(duì)檢驗(yàn)出來(lái)的存在非均一點(diǎn)的序列進(jìn)行了訂正，其中差值訂正是利用最后一段序列的趨勢(shì)（均一的序列）和需訂正的趨勢(shì)之間的殘差平均值的差值作為訂正量來(lái)進(jìn)行訂正。

2 均一性檢驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文首先要對(duì)105個(gè)國(guó)家級(jí)氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行檢驗(yàn)，篩選出1961—2014年數(shù)據(jù)完整、無(wú)缺測(cè)的站點(diǎn)；其次對(duì)通過(guò)完整性檢驗(yàn)的臺(tái)站進(jìn)行必要的正態(tài)檢驗(yàn)（文中通過(guò)K-S單樣本檢驗(yàn)方法對(duì)所有待檢站點(diǎn)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1），最終得到47個(gè)站點(diǎn)符合條件，待檢站點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

雖然本文所用的PMFT方法通過(guò)引入經(jīng)驗(yàn)性的懲罰函數(shù)，使檢驗(yàn)的命中率大幅提高，有效降低的非均一點(diǎn)的誤報(bào)率，但考慮到均一性檢驗(yàn)算法本身的不確定性等原因，本文采用現(xiàn)有的元數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方式對(duì)檢驗(yàn)出來(lái)的非均一斷點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)檢驗(yàn)命中率（人為因素在元數(shù)據(jù)中記載的年份與檢驗(yàn)結(jié)果的吻合程度）來(lái)評(píng)估分析最終檢驗(yàn)結(jié)果，這樣能最大程度保證檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度和合理性。

表1 臺(tái)站歷史數(shù)據(jù)序列預(yù)處理

圖1 站點(diǎn)分布圖

在進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比前，首先對(duì)臺(tái)站歷史元數(shù)據(jù)詳細(xì)分析篩選，找出47個(gè)符合檢驗(yàn)條件的待檢站點(diǎn)1961—2014年可能對(duì)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列均一性產(chǎn)生影響的人為因素，共計(jì)404個(gè)，其中所有站點(diǎn)經(jīng)歷站址遷移29次，儀器換型108次，觀測(cè)環(huán)境變化163次，觀測(cè)時(shí)次變化40次，儀器高度變化及其他因素64次；本文儀器高度變化的選擇閾值為高度變化超過(guò)5 cm的年份；其次通過(guò)對(duì)待檢站點(diǎn)建站至2014年的年平均大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分，將47個(gè)待檢站點(diǎn)劃分為大風(fēng)較少站、大風(fēng)較多站和大風(fēng)頻發(fā)站（表2）3組進(jìn)行PMFT檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析不同風(fēng)速環(huán)境下的檢驗(yàn)結(jié)果，找出不同風(fēng)速環(huán)境下影響年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列均一性的變化規(guī)律及影響程度。文章中對(duì)新疆氣象站點(diǎn)分類條件設(shè)定為：年平均大風(fēng)日數(shù)<10 d為大風(fēng)較少站，年平均日數(shù)10～40 d的為大風(fēng)較多站，≥40 d的為大風(fēng)頻發(fā)站。

表2 待檢臺(tái)站按照大風(fēng)日數(shù)分類統(tǒng)計(jì)的人為變化情況個(gè)

2.2 PMFT檢驗(yàn)分析

通過(guò)結(jié)合臺(tái)站元數(shù)據(jù)反復(fù)檢驗(yàn)得出，PMFT方法在95%的顯著性水平下檢驗(yàn)出47個(gè)待檢站點(diǎn)均出現(xiàn)非均一間斷點(diǎn)，共計(jì)151個(gè)，其中站點(diǎn)站址遷移共計(jì)12次，儀器換型57次，觀測(cè)環(huán)境變化46次，觀測(cè)時(shí)次變化10次，儀器高度變化及其他因素22次，無(wú)元數(shù)據(jù)支持的斷點(diǎn)4個(gè)，在表2中所有元數(shù)據(jù)支持的檢測(cè)點(diǎn)中，有36%的檢測(cè)點(diǎn)在95%的顯著性水平下被定義為顯著斷點(diǎn)，這說(shuō)明通過(guò)運(yùn)用該方法對(duì)待檢序列進(jìn)行檢驗(yàn)得出，超過(guò)1/3的人為因素對(duì)新疆地區(qū)年平均風(fēng)速序列產(chǎn)生了顯著的非均一影響（表3）。

由圖2可以看出，經(jīng)PMFT方法檢驗(yàn)得出，新疆地區(qū)造成年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列顯著非均一斷點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的因素是儀器換型，其次為觀測(cè)環(huán)境變化,兩類因素造成的斷點(diǎn)個(gè)數(shù)占斷點(diǎn)總數(shù)的2/3；由此可以說(shuō)明，新疆地區(qū)造成年平均風(fēng)速序列產(chǎn)生非均一性間斷點(diǎn)的主要因素為觀測(cè)儀器換型和觀測(cè)環(huán)境變化，這主要是由于隨著氣象事業(yè)發(fā)展，風(fēng)速觀測(cè)業(yè)務(wù)的改革和站點(diǎn)環(huán)境改造，以及隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，周邊城市化建設(shè)水平提高等因素帶來(lái)的影響；其中臺(tái)站風(fēng)要素觀測(cè)儀器換型對(duì)新疆地區(qū)年平均風(fēng)速資料序列的影響尤為顯著。

表3 待檢臺(tái)站按照大風(fēng)日數(shù)分類統(tǒng)計(jì)的PMFT檢驗(yàn)結(jié)果個(gè)

表4 斷點(diǎn)檢測(cè)命中率/%

圖2 按照大風(fēng)日數(shù)分類統(tǒng)計(jì)的PMFT檢驗(yàn)結(jié)果

從圖3中得出,3類待檢站點(diǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果中，儀器換型因素所造成的非均一斷點(diǎn)的檢驗(yàn)命中率均達(dá)40%以上，是所有人為影響因素中斷點(diǎn)檢測(cè)命中率最高的一類，其中大風(fēng)頻發(fā)站斷點(diǎn)檢測(cè)命中率最高，高達(dá)60%以上，大風(fēng)較多站次之，大風(fēng)較少站則相對(duì)較少，檢測(cè)命中率與臺(tái)站年平均大風(fēng)日數(shù)呈正比，由此說(shuō)明在新疆地區(qū)風(fēng)力越大的臺(tái)站，觀測(cè)儀器換型對(duì)年平均風(fēng)速序列造成的非均一影響越大；此外，臺(tái)站站址遷移所造成斷點(diǎn)的檢驗(yàn)命中率差異較為明顯，大風(fēng)頻發(fā)站和大風(fēng)較多站的斷點(diǎn)檢驗(yàn)命中率均達(dá)到40%以上，大風(fēng)較少臺(tái)站則只有20%，由此可以得出對(duì)于新疆地區(qū)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列，站址遷移造成的非均一性影響與站點(diǎn)風(fēng)力成正比，這可能和風(fēng)要素的局地差異特性有關(guān)，對(duì)于風(fēng)力越大的地區(qū)，新舊站址造成的差異越明顯，對(duì)風(fēng)要素的變化趨勢(shì)造成的影響越大；觀測(cè)環(huán)境變化則3類站點(diǎn)的斷點(diǎn)檢驗(yàn)命中率基本一致，大風(fēng)較少臺(tái)站略高于其他兩類站點(diǎn)，說(shuō)明在新疆地區(qū)站點(diǎn)風(fēng)力大小對(duì)觀測(cè)環(huán)境變化的均一性檢驗(yàn)結(jié)果影響無(wú)明顯差異，但該因素對(duì)新疆地區(qū)年平均風(fēng)速序列所造成的非均一斷點(diǎn)數(shù)量較多，影響較為突出，經(jīng)查元數(shù)據(jù)，對(duì)3類待檢站造成非均一影響較為明顯的環(huán)境變化因素基本為高大建筑修建及防風(fēng)林種植等，所以可以認(rèn)為無(wú)論站點(diǎn)是否處于風(fēng)力較大地區(qū)，氣象站點(diǎn)附近高大遮擋物及植樹造林工程均可能對(duì)風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)性產(chǎn)生顯著影響；儀器高度變化影響的斷點(diǎn)檢驗(yàn)命中率與站點(diǎn)風(fēng)力大小成反比，且斷點(diǎn)個(gè)數(shù)所占比例同樣較高，對(duì)新疆地區(qū)年平均風(fēng)速的非均一影響程度顯著；觀測(cè)時(shí)次變化影響的斷點(diǎn)檢驗(yàn)命中率同樣與站點(diǎn)風(fēng)力大小成反比。圖3中大風(fēng)頻發(fā)站的斷點(diǎn)命中率為零，是因?yàn)槠湓獢?shù)據(jù)中記錄的人為影響因素較少，且相鄰年份出現(xiàn)其他人為影響較為顯著，掩蓋了其對(duì)數(shù)據(jù)序列的影響。

圖3 3類大風(fēng)日數(shù)分類統(tǒng)計(jì)待檢臺(tái)站的PMFT方法間斷點(diǎn)命中率

另外，PMFT方法檢測(cè)出4個(gè)顯著性較高的無(wú)元數(shù)據(jù)支持的斷點(diǎn)，占斷點(diǎn)總數(shù)的3%。由圖4看出，阿瓦提站無(wú)元數(shù)據(jù)支持的間斷點(diǎn)年份附近出現(xiàn)了顯著的趨勢(shì)變化，1989年附近出現(xiàn)了顯著的趨勢(shì)下降現(xiàn)象，而從2004年附近，數(shù)據(jù)序列開始出現(xiàn)明顯跳變提升；伊寧縣站1995年附近同樣出現(xiàn)了趨勢(shì)的顯著提升，而淖毛湖站在1988年附近則有明顯的下降趨勢(shì)變化，因?yàn)樵谂_(tái)站的元數(shù)據(jù)中沒(méi)有相關(guān)的人為變動(dòng)記載，所以在PMFT方法的檢驗(yàn)結(jié)果中將4個(gè)斷點(diǎn)劃分為無(wú)元數(shù)據(jù)支持的虛斷點(diǎn)。通過(guò)詳細(xì)翻查歷史記載資料及實(shí)地考察調(diào)研，查明阿瓦提站在20世紀(jì)80年代末期，在測(cè)站正北方建成較大面積的果園，且與氣象站僅一墻之隔，緊挨墻內(nèi)的是氣象站高3.2m視寬角32°的成排平房，側(cè)面還有一棟視寬角11.6°，高7.4 m的氣象局辦公樓，該樓距觀測(cè)場(chǎng)65m。另外，該站四周雖然未出現(xiàn)高大建筑物，但四周綠樹成蔭（最高仰角10.3°）,地面植被茂盛，多層圍墻阻隔，這都大大增強(qiáng)了地表摩擦力，對(duì)所測(cè)實(shí)際風(fēng)速帶來(lái)一定影響，而2004年左右測(cè)站正西面距離觀測(cè)場(chǎng)60m修建了兩條村級(jí)公路，且路基較高，該站盛行北風(fēng)，西面出現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)遮擋物，極可能使風(fēng)速產(chǎn)生狹管效應(yīng)。伊寧縣站盛行風(fēng)向是西風(fēng)，在測(cè)站176°～360°方向有密集叢林及重疊的低矮建筑物，且20世紀(jì)90年代中期樹木已形成一定的規(guī)模，嚴(yán)重阻礙了氣流的正常流通，極有可能對(duì)正西方向風(fēng)速產(chǎn)生明顯影響。而淖毛湖1985年在測(cè)站東南方（在氣象站圍墻附近）種植的小樹，3 a后已具規(guī)模，而該站盛行西北風(fēng)，且年平均大風(fēng)日數(shù)達(dá)90 d左右,因此可以判斷該環(huán)境變化已對(duì)大風(fēng)盛行的淖毛湖站風(fēng)要素產(chǎn)生了顯著影響。以上環(huán)境變化影響在元數(shù)據(jù)中并無(wú)記載，因?yàn)樵谛陆貐^(qū)20世紀(jì)80年代多數(shù)氣象臺(tái)站的元數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境變化的記錄不夠詳細(xì)和完整。由此可以得出，PMFT方法能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出臺(tái)站元數(shù)據(jù)中沒(méi)有記錄的顯著跳變點(diǎn)，一定程度彌補(bǔ)了一些臺(tái)站元數(shù)據(jù)不完整的弊端，提高了在元數(shù)據(jù)不完整情況下，均一性檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 阿瓦提、伊寧縣和淖毛湖站無(wú)元數(shù)據(jù)支持的顯著間斷點(diǎn)

通過(guò)以上檢驗(yàn)結(jié)果分析得出，PMFT方法對(duì)新疆地區(qū)年平均風(fēng)速都有較好的均一性檢驗(yàn)效果，尤其對(duì)儀器換型、站址遷移和儀器高度變化因素的非均一檢驗(yàn)效果顯著，有較高的檢驗(yàn)命中率，但該方法的檢驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了虛斷點(diǎn)。上文通過(guò)元數(shù)據(jù)分析和資料詳查，找出了PMFT方法檢驗(yàn)結(jié)果中虛斷點(diǎn)的產(chǎn)生原因，是由于元數(shù)據(jù)記錄不完整所造成，最終將其歸類為觀測(cè)環(huán)境變化造成的非均一斷點(diǎn)。因此該方法適用于新疆地區(qū)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)的均一性檢驗(yàn)。

3 均一性訂正

經(jīng)過(guò)訂正后發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)47個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)的年平均風(fēng)速序列總體平均值小幅上升，其中大風(fēng)較少臺(tái)站平均上升0.36m·s-1，大風(fēng)較多臺(tái)站平均上升0.29m·s-1，大風(fēng)頻發(fā)臺(tái)站平均上升0.06 m·s-1，訂正量與臺(tái)站風(fēng)速大小成反比，但總體保持下降的趨勢(shì)，大風(fēng)較少臺(tái)站平均增速由-0.15m·s-1/10 a變?yōu)?0.16 m·s-1/10 a，下降0.01 m·s-1/10 a，大風(fēng)較多臺(tái)站平均增速由-0.20 m·s-1/10 a變?yōu)?0.25 m·s-1/ 10 a，下降0.05 m·s-1/10 a，大風(fēng)頻發(fā)臺(tái)站平均增速由-0.33m·s-1/10 a變?yōu)?0.45m·s-1/10 a，下降0.12 m·s-1/10 a，增速下降浮動(dòng)與臺(tái)站風(fēng)速大小呈正比，整體變化趨勢(shì)與全國(guó)年平均風(fēng)速普遍下降的趨勢(shì)保持一致，并且序列的均一性得到明顯改善，歷史序列變化趨勢(shì)趨于合理。并且可以看出（以圖5淖毛湖、皮山、吐魯番、紅柳河為例），所有臺(tái)站歷史數(shù)據(jù)序列明顯的趨勢(shì)拐點(diǎn)趨于緩和，使待檢站點(diǎn)近50 a的連續(xù)數(shù)據(jù)均一性趨于真實(shí)氣候變化，具有較好的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文選用新疆地區(qū)數(shù)據(jù)序列完整且符合檢驗(yàn)條件的47個(gè)國(guó)家級(jí)氣象臺(tái)站1961—2014年的年平均風(fēng)速資料，采用PMFT均一性檢驗(yàn)方法與臺(tái)站歷史沿革元數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，檢驗(yàn)分析了影響新疆地區(qū)近50 a年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列均一性的非自然因素，以及在不同大風(fēng)日數(shù)環(huán)境下討論了該方法在新疆地區(qū)應(yīng)用的特點(diǎn)及規(guī)律，并對(duì)檢驗(yàn)出的非均一斷點(diǎn)進(jìn)行了訂正。主要得到以下結(jié)論：

圖5 淖毛湖、皮山、吐魯番、紅柳河站訂正后對(duì)比

（1）通過(guò)PMFT檢驗(yàn)方法對(duì)新疆地區(qū)47個(gè)待檢臺(tái)站進(jìn)行檢驗(yàn)得出,所有待檢站點(diǎn)在95%顯著性水平下均檢驗(yàn)出非均一斷點(diǎn)，其中有元數(shù)據(jù)支持的斷點(diǎn)147個(gè)，占所有斷點(diǎn)的97%，無(wú)元數(shù)據(jù)支持的斷點(diǎn)4個(gè)，占所有斷點(diǎn)的3%；有元數(shù)據(jù)支持的間斷點(diǎn)總數(shù)占人為因素總數(shù)的36%，說(shuō)明該方法檢驗(yàn)得出，新疆地區(qū)超過(guò)1/3的人為變化因素使年平均風(fēng)速序列產(chǎn)生了顯著的非均一斷點(diǎn)。對(duì)該方法中出現(xiàn)的4個(gè)非元數(shù)據(jù)支持?jǐn)帱c(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的原因均為站點(diǎn)歷史觀測(cè)環(huán)境變化造成，并且影響顯著，而新疆地區(qū)臺(tái)站沿革記錄不完整使本文將其劃分為虛斷點(diǎn)。由此可以看出，PMFT方法能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出臺(tái)站元數(shù)據(jù)中沒(méi)有記錄的顯著跳變點(diǎn)，一定程度彌補(bǔ)了一些臺(tái)站元數(shù)據(jù)不完整的弊端,提高了在元數(shù)據(jù)不完整情況下,均一性檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。由此可見(jiàn)，該方法在新疆地區(qū)年平均風(fēng)速的非均一檢驗(yàn)命中率為100%。

（2）通過(guò)對(duì)47個(gè)待檢臺(tái)站檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得出，儀器換型對(duì)新疆地區(qū)氣象站點(diǎn)年平均風(fēng)速的影響最大，其造成斷點(diǎn)個(gè)數(shù)所占斷點(diǎn)總數(shù)的比例最高，其次為觀測(cè)環(huán)境變化；對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不同大風(fēng)日數(shù)環(huán)境下斷點(diǎn)命中率的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在PMFT檢驗(yàn)結(jié)果中，儀器換型和站址遷移對(duì)年平均風(fēng)速的影響與臺(tái)站風(fēng)力大小成正比；其它三種人為因素對(duì)年平均風(fēng)速的影響與臺(tái)站風(fēng)力大小成反比。

（3）對(duì)47個(gè)待檢站點(diǎn)的非均一斷點(diǎn)進(jìn)行差值訂正后，數(shù)據(jù)時(shí)間序列的均一性得到了極大改善，明顯的趨勢(shì)拐點(diǎn)趨于緩和，其中所有臺(tái)站的年平均風(fēng)速平均值小幅度上升，下降趨勢(shì)整體略微增強(qiáng)，但沒(méi)有改變新疆地區(qū)年平均風(fēng)速變化的總體趨勢(shì)，與全國(guó)年平均風(fēng)速總體下降的變化趨勢(shì)保持一致；使訂正后的歷史序列變化趨勢(shì)更加趨于合理，均一性趨于真實(shí)。

（4）本研究重點(diǎn)分析了影響新疆地區(qū)年平均風(fēng)速均一性的主要因素，討論了PMFT方法對(duì)新疆大風(fēng)區(qū)域站點(diǎn)年平均風(fēng)速檢驗(yàn)的適用性，分析了該方法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的優(yōu)越性。通過(guò)均一性訂正，得到了新疆地區(qū)47個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)近50 a均一性較好的年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)序列集合，對(duì)新疆地區(qū)氣候預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)及發(fā)展風(fēng)能綠色產(chǎn)業(yè)奠定了較好的基礎(chǔ)。

（5）本文通過(guò)運(yùn)用PMFT方法對(duì)47個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)1961—2014年的年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)和訂正，討論了該方法在不同大風(fēng)日數(shù)環(huán)境下本地應(yīng)用的特點(diǎn)及規(guī)律，并找出了影響新疆地區(qū)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)均一性的主要因素，為今后新疆地區(qū)其他氣象要素均一性檢驗(yàn)提供了說(shuō)明樣例。但由于均一性檢驗(yàn)算法本身的不確定性等原因，本文同樣是采用元數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方式對(duì)檢驗(yàn)出來(lái)的間斷點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，故在元數(shù)據(jù)不完整情況下，檢驗(yàn)仍需謹(jǐn)慎；同時(shí)，本文最終得到的訂正后序列，雖一定程度修訂了元數(shù)據(jù)中所記錄的人為因素對(duì)時(shí)間序列的非均一影響，具有良好的應(yīng)用參考價(jià)值，但仍不可完全等同于真實(shí)氣候變化規(guī)律，如果要最大程度降低非均一因素對(duì)氣象歷史數(shù)據(jù)的影響，仍然需要更加深入的探索研究。

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The Effect of Non-uniform Annual Average Wind Speed Data in Xinjiang

ZHOU Haonan1，HUA Ye2，QIN Rong1
（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi830002，China；2.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi830002，China）

Using the Penalized Maximal F Test（PMFT）,we analyzed the conduct homogeneity test of the annual average wind speed data from 105 meteorological stations from their establishment to 2014 in gale areas of Xinjiang.And obtained homogenized dataset of annual average wind speed in Xinjiang by the revised;and were compared to assess based on the revised data and the original data,discuss the effectof non-uniformity data on which the application of the wind energy resource in Xinjiang,The results obtained：（1）The total 151 sites are checked out appear non-uniform discontinuities at the 95%significance level；（2）More than a third of human factors recording in metadata,which have a non-uniform impact on the annual averagewind speed sequence,the impact of change of instrumentmodel ismost significant,followed by change of station environment；（3）The effect of instrument type change and site relocation on the annual average wind speed is proportional to wind resource size at the station,and the other factors all are inversely proportional to wind resource size；（4）After homogeneity correction,the homogeneity of the time series data have been greatly improved,the obvious trend turning point of data series tends to be subsiding,and downtrend generally increased,to further improve data availability.

Xinjiang；wind speed；homogeneity；PMFT；revised

P468.026

B

1002-0799（2016）05-0017-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.003

2016-05-06；

2016-06-15

2012年公益性行業(yè)氣象科研專項(xiàng)（GYHY201206013）資助。

周昊楠（1984-），男，工程師，研究方向?yàn)闅夂驍?shù)據(jù)均一化分析。E-mail：zhnlovezx007@sina.com

周昊楠，華燁，秦榕.新疆地區(qū)年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)非均一影響研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（5）：17-24.