新舊型自動氣象站氣象數據一致性分析

劉 濤，丁媛媛

(1．山東省菏澤市氣象局，山東菏澤274000;2．山東省曹縣氣象局，山東菏澤274400)

隨著氣象為農服務層次的不斷提升，以新型自動站為核心的綜合氣象觀測業務改革也取得了階段性的成效。曹縣和定陶氣象站作為山東省氣象系統內首批參與改革試點的2個單位，觀測系統的改變是造成觀測資料序列非均一性的重要原因［1－3］，對比分析新舊型氣象站觀測數據資料的一致程度，以保證前后數據的連續性和可靠性，具有較高的科研價值［4－5］。筆者在此利用曹縣、定陶2014年1～12月新舊型兩套自動氣象站的氣溫、相對濕度、降水資料，通過SPSS軟件和數據極值延續性分析，研究了新舊型自動氣象站數據的一致性。

1 資料與方法

使用曹縣、定陶2014年1～12月新舊型兩套自動氣象站的氣溫、相對濕度、降水資料。首先，通過SPSS軟件對氣溫、相對濕度、降水資料進行一致率和粗差率分析，其次，通過對最高、最低氣溫、最小相對濕度等極值進行比較，分析新舊型自動站數據的一致程度。通過曹縣氣象站稱重式和人工式觀測降水量的對比分析，查找二者之間的差異，總結2種觀測方式對采集降水量的影響規律［6－7］。

1．1 一致率Cr一致率Cr指兩套儀器數據一致性程度。按公式Cr=m/n×100%計算，式中，m為統計時段內對比差值絕對值小于2倍標準差的樣本數，n為樣本總數。

1．2 粗差率Gr粗差率Gr表示兩套儀器異常差值的多寡程度，設第i次觀測值的對比差值為xi，對比差值平均值和標準差分別為x和σ，若∣xi－x∣＞3σ時，則視為粗差。首先根據全部數據計算σ，然后逐個計算xi與x的差值，若有∣xi－x∣＞3σ時，剔除其中一個最大者，再重新計算σ，若還有∣xi－x∣＞3σ者，再剔除其中的一個最大者，又重新計算σ，如此重復，一直到沒有數據需要剔除為止，此時剔除的樣本個數即為粗差次數。按公式Gr=gr/n×100%計算，式中，gr為粗差次數。

1．3 新舊型自動氣象站數據資料極值比較 如果△T表示每日新型自動站與舊型自動站的觀測數據之差，按公式△T=Y－Z計算，式中，Y代表新型自動站數據，Z代表舊型自動站數據。△T為正差值是指新型自動站觀測數據大于舊型自動站數據，△T為負值是指新型自動站觀測數據小于舊型自動站數據。

月平均差值是全月每日差值的和除以當月天數，按公式△T月平均=(△T1+△T2+…+△Tn)/n計算，式中，n代表天數。月平均的絕對值用{∣△T月平均∣}表示。

2 結果與分析

2．1 新舊型自動氣象站氣溫數據比較分析

2．1．1 氣溫一致率Cr和粗差率Gr分析。經統計，曹縣氣象站兩套觀測系統正點氣溫數據一致率Cr為99．2%，日最高氣溫和最低氣溫數據一致率Cr分別為99．6%和98．0%;定陶氣象站兩套觀測系統正點氣溫數據一致率Cr為98．6%，日最高氣溫和最低氣溫數據一致率Cr分別為99．8%和99．3%。曹縣和定陶氣象站兩套觀測系統正點氣溫數據的粗差率 Gr分別為 0．4%和 1．6%，遠小于規范要求的3%［8－9］，說明兩套系統測溫儀器出現數據異常的概率比較小。

2．1．2 最高氣溫差值分析。以曹縣氣象站為例，全年各日最高氣溫的正差值最大為0．3℃，差值范圍在0～0．3℃;最高氣溫的負差值最大為－0．4℃，差值范圍在 －0．1～ －0．4℃，差值振幅為－0．4～0．3℃，其中差值振幅在±0．1℃以內的為98．6%;差值月平均的絕對值為0 ～0．3 ℃(表1)。

2．1．3 最低氣溫差值分析。以曹縣氣象站為例，全年各日最低氣溫正差值最大為0．2℃，差值范圍在0～0．2℃;最低氣溫的負差值最大為 －0．3℃，差值范圍在 －0．1～ －0．3℃，差值振幅為－0．3～0．2℃，其中差值振幅在±0．1℃以內的為98．9%;差值月平均的絕對值為0～0．1℃(表2)。

表1 曹縣新舊型自動站最高氣溫差值 ℃

表2 曹縣新舊型自動站最低氣溫差值 ℃

2．1．4 氣溫差值正負次數分析。通過2014年全年氣溫正負差值次數統計分析(表3)可以看出，最高氣溫和最低氣溫正差值次數占40．0%、負差值次數占60．0%，最高氣溫、最低溫度出現負差值次數大于正差值次數，說明新型自動站的溫度一般低于舊型自動站，新型自動站傳感器對氣溫變化反應得快，而舊型自動站反應得慢一些。從2014年逐日最氣溫資料差值分析發現，在有降水和全天陰天無日照的天氣條件下，差值非常小，最大差值為－0．1～0．1℃;相反，在晴熱高溫的天氣條件下，差值相對較大。

表3 曹縣新舊型自動站氣溫差值正負次數

2．2 新舊型自動站相對濕度數據比較分析 經統計，曹縣氣象站兩套觀測系統正點相對濕度數據一致率Cr為99．7%，日最小相對濕度數據一致率Cr為99．3%;定陶氣象站兩套觀測系統正點相對濕度一致率Cr為99．5%，日最小相對濕度數據一致率Cr為99．4%。曹縣和定陶氣象站兩套觀測系統正點相對濕度數據的粗差率Gr分別為0．3%和0．5%，遠小于規范要求的3%，說明兩套系統測濕儀器出現數據異常的概率比較小。

以曹縣氣象站為例，全年各日最小相對濕度基本為正差值，正差值最大為3%，差值范圍在1% ～3%(表4)，這是由濕度傳感器靈敏度造成。

表4 曹縣新舊型自動站最小相對濕度差值 %

2．3 稱重式雨量計與人工觀測數據誤差比較 從表5可以看出，在使用稱重式降水傳感器的期間，降水量≥10 mm的降水日數共有3 d，其中差值百分率＞4%的有1 d，平均差值百分率為3．15%。差值百分率均為正值，即人工降水量大于自動降水量;從表6可以看出，0．1 mm≤降水量＜10 mm的降水日數共26 d，其中差值為正的3 d，差值為負的13 d，差值為0的10 d，平均差值－0．3 mm，也就是說，降水量低于10 mm時，人工降水量大部分是小于自動降水量的，或兩者相等，且差值均不大。

表5 曹縣氣象站降水量≥10 mm降水日的差異

表6 曹縣氣象站0．1 mm≤降水量＜10 mm降水日的差值

3 結論

(1)新舊型自動氣象站氣溫、相對濕度一致性較好，且新型自動氣象站對氣溫變化的反應速度快于舊站［10］。相對濕度數據誤差多來源于儀器自身靈敏度不同，不具備系統特征。

(2)稱重式測量在0．1 mm≤降水量＜10 mm時，降水量多大于人工式測量;在降水量≥10 mm時，降水量多小于人工式測量，差值百分率基本在4%以下，雖然其與人工式測量存在差異，但差值較小，均符合自動站降水質量評估參考標準。稱重式降水傳感器的結構特點和觀測方式使其測量的降水量精度較高，它的業務化的使用，使臺站對固態降水的連續觀測克服了多年來冬季降水資料時效性差、時空密度不足等諸多弊端，使觀測數據更加客觀、更加具體準確，也極大地減少了觀測人員的工作量，進一步提高了觀測質量和觀測效率，為公眾提供了更多有價值的氣象信息和觀測產品，也為冬季降水量預報和服務提供高質量的觀測資料。

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