自動氣象站淺層地溫異常數據分析及處理方法

黃曼貞

（南寧市武鳴區氣象局，南寧 530100）

0 引言

自動氣象站作為一種先進的地面遙測設備，使得氣象數據的采集更加方便，其不僅在提高觀測的準確性和精度方面有很大優點，而且能大大減輕業務人員的工作量，提高工作效率［1-6］。目前廣西乃是全國，臺站安裝的自動氣象站每使用期滿兩年，都要進行超檢儀器撤換，在重新安裝淺層地溫傳感器期間，都要翻松儀器安裝地點的土壤，導致土壤的物理性質發生了變化，造成地溫記錄失真。如果不對失真記錄進行處理，就會影響觀測記錄的代表性、準確性，也影響了數據質量的可靠性。然而，對于采集的數據出現不明顯異常，系統無法識別疑誤，致使長時間數據異常不容易被發現，只有通過人工對比和綜合分析，才能及時發現異常數據并解決［7-10］。即使目前新型自動氣象站都已實現雙套運行，一套現用站，一套備份站，在現用站儀器出現故障造成數據異常或缺測時，可以很快地用備份站數據代替。但是，在不確定備份站數據的準確性和可靠性的情況下，采用合理且可靠的數據分析方法來分析現用站數據的正確與否顯得尤為關鍵。然而，目前對淺層地溫異常數據分析判別方法鮮有文獻提及。

本文對南寧市武鳴區自動氣象站的一次重新安裝0cm地溫、5～20cm淺層地溫傳感器后，出現的淺層地溫數據異常進行分析探討，為新型自動站類似的異常數據判斷和處理提供借鑒。

1 儀器安裝后對比觀測結果

目前廣西乃是全國，新型自動氣象站都已實現雙套運行，一套現用站，一套備份站，當現用站儀器出現故障造成數據異常或缺測時，可以很快地用備份站數據代替。但仍需及時找出儀器故障造成數據異常或缺測的原因，才能排除故障，恢復設備正常運行。

2017年10月3日8時13分至8時40分，武鳴站重新安裝淺層地溫傳感器。安裝完畢，9時起開始進行新型自動站現用站0cm地溫及5～20cm淺層地面溫度的觀測，同時進行備份站同一時段同一氣象要素的數據對比觀測，經過兩站同時段同步進行對比觀測，得出的結論是：從安裝新型自動站現用站0cm地溫、5～20cm淺層地溫傳感器的時次起，該傳感器持續4～5個小時的數據異常。

2 異常數據分析方法

2.1 找出安裝前后氣象要素相似日

《地面氣象觀測規范》規定［11］，當自動站自動觀測儀器失靈、計算機故障或人為操作失誤，造成某次記錄不完全正確或有疑誤時，應根據該記錄前后相關氣象要素的變化情況和歷史資料極值進行分析判斷，找出合理的數據處理方法，以保持資料序列完整及統計結果符合實際［12］。找出氣象要素相似日，對異常數據的處理可謂事半功倍。

從武鳴站2017年10月1日～5日的觀測記錄（表1）可知：2日與 3日8～13時的日照時數、天氣現象基本一致，兩日地溫變化趨勢應基本一致；3日與4日的日最高氣溫、日最低氣溫基本一致，兩日地溫極值較接近。

表1 2017年10月1～5日相關氣象要素

2.2 氣象要素相似日數據對比法

2日與3日8時前后均為露水天氣，8～13時各時的日照時數基本上都是1.0h，該兩日9～13時的0cm地溫及5～20cm淺層地溫變化趨勢應基本一致。否則，可判定為數據異常。

2.2.1 0cm地溫數據對比

圖1示出自動站現用站2日與 3日8～13時0cm地溫小時值，由圖可知3日8時40分在重新安裝淺層地溫傳感器后，3日0cm地溫曲線交錯并且超過2日0cm地溫曲線，然而兩日氣候要素基本一致，3日最高/低氣溫均低于2日，因此3日曲線理論上應近似平行且低于2日曲線。

圖1 2～3日8～13時0cm地溫小時值

圖2 2～3日8～13時0cm地溫時變化值

為進一步驗證分析正確性，可采用變化值對比法。定義地溫時變化值：用當日后一小時正點地溫小時值減去其對應前一小時的正點地溫小時值，作為后一小時正點地溫變化值。例如，圖2為2～3日各當日后一小時的0cm淺層地溫正點值減去前一小時的0cm淺層地溫正點值。由圖2可知，隨著太陽高度角的不斷升高，2日0cm地溫時變化值規律為：10時比9時偏小，到11時達最大值，12、13時逐步減小。3日9～13時0cm地溫時變化值卻沒有遵循上述規律，10時變化值比9時偏大過大，11時偏小，12時偏大，13時又趨小。由此可懷疑3日9～13時0cm地溫數據的準確性。

2.2.2 5～20cm地溫數據對比

同樣，用當日后一小時5～20cm淺層地溫值減去前一小時5～20cm淺層地溫值，得到圖3、4所示曲線。

圖3 2日5～20cm地溫時變化值

圖4 3日5～20cm地溫時變化值

由圖3可知：2日9～13時從淺層 5cm到深層20cm地溫，受太陽日照時數的影響逐步減小，淺層地溫時變化值由大變小，例：5～20cm淺層地溫由淺入深， 其時變化值分別為 1.1℃、0.2℃、-0.1℃、-0.1℃；而且，隨著時間的推移、太陽高度角的不斷升高，時變化值緩慢變大。但是，由圖4可知，3日同一時段5～20cm淺層地溫時變化值沒有遵循上述規律，尤其是9時20cm淺層地溫時變化值最大，達-2.8℃；10時 20cm淺層地溫時變化值 （0.7℃）比15cm淺層地溫時變化值（0.3℃）還大；9～13時20cm淺層地溫時變化值普遍偏大0.2℃以上。由此可得出結論：3日9～13時5～20cm淺層地溫異常。

2.3 24h變化值對比法

2.3.1 0cm地溫24h變化值

采用24h變化值對比法進行數據分析，能夠從整體把握地溫變化趨勢進而判斷其準確性。定義地溫24h變化值：用當日地溫正點值減去其對應前24h的地溫正點值。在日照條件、天氣現象基本相同的前提下，隨著時間的推移，0cm地溫24h變量應是逐步增大，如圖5所示，由于1日為陰天，2日日照充足且穩定，因此2日9～13時0cm地溫24h變化值分別為 4.8℃、7.6℃、9.1℃、9.8℃、11.6℃，為正增長規律；5日與4日則正好相反，由于5日為陰天，4日日照充足，因此5日變化值為負增長規律。由于2、3、4日日照較為一致，而3日氣溫較2日低，3日的0cm地溫24h變化值曲線應較為平緩且應為負值，但由于3日翻松了儀器安裝地段的土壤，導致3日與2日的變化值違反常規，在11時超過0℃曲線。由此亦可判定3日9～13時0cm地溫異常。

圖5 0cm地溫24h變化值

2.3.2 5～20cm地溫24h變化值

如圖6所示，2日與1日5～20cm地溫24h變化值，也是隨著時間的推移緩步增大，且隨著地溫層的逐步加深，變量逐漸變小。如圖7所示，3日翻松了儀器安裝點的土壤后，24h變量無規律可循，3日9時20cm地溫24h變化值竟達最大值，為-2.6℃，其它時次的24h變量也普遍偏大；3日 11～13時15cm淺層地溫24h變量比5～10cm地溫24h變量還大。可判定3日9～13時5～20cm淺層地溫數據異常。

圖6 2日5～20cm地溫24h變化值

圖7 3日5～20cm地溫24h變化值

2.4 0cm地溫與草溫數據對比法

由于0cm地溫與草溫在空間位置上較為接近，在一定條件下其溫度較接近，差異較小，變化趨勢一致，因此采用0cm地溫與草溫進行對比分析有助于判斷數據準確性［13］。

圖8示出自動氣象站現用站2～3日0cm地溫和3日草溫小時正點值，由圖可知，3日8時40分在重新安裝淺層地溫傳感器后，3日0cm地溫曲線比3日草溫曲線增幅過大。由圖9進一步分析，0cm地溫與草溫變化趨勢應基本一致，3日8～13時用后一個小時的正點數據減去前一個小時的正點數據，草溫時變化值比較平緩，10時與11時變化值幾乎一致，但3日0cm地溫10～12時時變化值偏大，反過來，9時、13時變量又偏小，與草溫的變化趨勢不一致，且在日照充足時草溫應較0cm地溫偏高，但圖示草溫比地溫小，在草溫正常的情況下，可判定3日9～13時0cm地溫數據異常。

圖8 2～3日0cm地溫和3日草溫小時值

圖9 2～3日0cm地溫和3日草溫時變化值

3 異常數據處理

3.1 備份站數據代替法

因3日9時前對自動氣象站現用站地溫傳感器進行儀器安裝，導致9～13時持續長達5個小時數據異常，該時段及其后續分鐘數據均異常，無法使用正點前后10分鐘接近正點的記錄值代替，故該日9～13新型自動站0cm地溫及5～20cm淺層地溫正點值只能采用備份站數據代替，以保證觀測記錄的完整性，這一處理與《地面氣象觀測規范》的缺測處理方法有所不同。采用相同的數據分析方法對備份站數據進行判別，圖10和圖11所示為備份站數據替換異常數據結果示意圖，其中虛線為備份站替換數據曲線。由圖10可看出3日備份站0cm地溫時變化值曲線與3日草溫時變化值曲線的變化趨勢一致，且與2日0cm地溫時變化值曲線近似，由圖11可看出3日備份站0cm地溫正點值曲線與2日0cm地溫正值曲線近似平行且變化一致。由此可判斷備份站數據正確可用。否則對數據進行修正處理或作缺測記錄［15］。

圖10 2～3日0cm地溫和3日草溫時變化值

圖11 2～3日0cm地溫和3日草溫小時值

3.2 0cm地溫日極值的挑取

根據 《地面氣象觀測規范》技術問題綜合解答（第1號），經分析3日當日相關的氣象要素及值班員的密切監測，0cm地溫日極值不會出現在9～13時缺測時段內，故該日日極值從其它正常時次記錄中挑取。

4 結論

（1） 在重新安裝淺層地溫傳感器期間翻松儀器安裝地點的土壤，導致土壤的物理性質發生了變化，造成地溫記錄失真。因此在更換傳感器過程中要按規范操作，土壤回填按就近取土原則。

（2）地面氣象觀測中某次記錄不完全正確或有疑誤時，應根據該記錄前后相關氣象要素的變化情況和歷史資料極值紀錄進行判斷，根據氣候要素相似日共有的相關規律，采用直接小時值比較法和時變化值比較法進行數據準確性判斷，及時采用合理的統計處理方法對疑誤數據進行處理，以保證資料序列完整及統計結果符合實際［15］。

（3） 更換自動站儀器期間，或更換自動站儀器后的數個小時內，必須現用站與備份站兩站同步進行對比觀測。

（4） 要分析判定更換儀器后，失真數據是否影響日極值的挑取，并作相應處理。做好異常數據處理的相關備注［16］。

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