DZZ6型與CAWS600型雙套自動站數據差異分析

白 明，張德玉，龐 成，許敏晶，王伏村

(1.甘肅省張掖國家氣候觀象臺,甘肅 張掖 734000；2.甘肅省張掖市氣象局,甘肅 張掖 734000；3.甘肅省高臺縣城關初級中學,甘肅 高臺 734300)

1 引言

近年來，中國氣象局在全國范圍內布設了各類自動觀測設備，以有人值守站為主，區域站為輔的綜合觀測網絡，通過增加觀測站點和數據采集密度的方法，進一步提高對大氣的監測能力，自動站相較人工站資料的時空分辯率更高，具有資料自動存儲和實時上傳的優異特性，能在氣象預報、決策服務和科研工作中發揮更顯著的作用。對于觀測資料的采集和質控，中國氣象局有嚴格的質量控制方法，然而有不少文獻分析指出[1-2]，在資料的對比分析與累年資料均一性檢驗中，儀器的性能影響是重要因素之一，因此對資料進行質量評估，并對雙套資料進行對比分析，通過差值的分布特征，尋找導致數據差異的原因就顯得十分必要，陳豫英[3]從觀測資料的差值、標準差、一致率和粗差率方面進行了分析，余君[4]全國選取17個站點，在數據對比分析中發現，數據相差不大，在允許的誤差范圍內，對氣象預報無影響，但對氣候序列的均一性產生一定影響。可見不同的研究，其結論也存在一定差異。

通過對張掖國家氣候觀象臺2017年1—12月全年新型站和備份站數據在不同數值區間差異性分析，結合圖表查找數據差異的原因，為以后如何改進綜合觀測方法和精確數據分析互相訂正替代提供科學依據。

2 資料來源及處理方法

2.1 資料來源

張掖國家氣候觀象臺于2013年6月1日正式啟用DZZ6型新型自動氣象站，正式切換為主要觀測設備，同時，CAWS600型備份站由主要采集設備切換為備份設備，兩套自動氣象站同時運行，日常同等維護。兩套氣象站均安裝在拔海高度為1 461.1 m的同一個觀測場內，嚴格按照中國氣象局“地面氣象觀測場規范化圖冊”的布局進行布設。新型站比備份站的氣壓傳感器高0.6 m。其它的觀測項目均為無差別的同一觀測環境。

資料來源為張掖國家氣候觀象臺2017年1—12月全年經審核后的24次正點數據，包括空氣溫度、氣壓、10 min風速、地面溫度等這些觀測項的平行觀測資料進行差異分析。采用如下方法進行對比分析評估。

2.2 數據處理方法

數據差異分析評估的方法一般有缺測率、差值平均值、標準差、一致率和超差率等，從偏度系數和峰度系數是否服從正態分布等統計特征進行分析。

2.2.1 差值標準差 標準差是用于衡量一組數據中某一數值與其平均值差異程度的指標，能直觀地反映某一項數據與平均值的偏離程度。計算公式為：

(1)

2.2.2 超差率 超差率是表示兩套站數據差值超過該設備規定最大允許誤差2倍的比例。計算公式為：

(2)

d表示兩套站數據差值超過該設備允許最大誤差2倍的個數總和，n表示該要素采集到的有效數據總和。根據中國氣象局檢定規程的規定，氣溫、氣壓、地溫[5]、風速[6]、相對濕度[7]等傳感器觀測要素的最大允許誤差如下表。

表1 中國氣象局檢定規程允許誤差Tab.1 Permission Error of the China Meteorological Bureau Verification Regulation

3 數據分析

3.1 數據缺測率

2017年1—12月，新型自動站和備份自動站應采集到正點數據為8 760組，4月份檢定儀器，新型站缺測2個時次的正點數據，備份站缺測3個時次的正點數據，根據業務技術規定，兩套站并行運行后，數據可以互相替代，本文中的實采數據為8 760組，按沒有缺測正常記錄處理，所有觀測要素的缺測率均為0.0%。

3.2 各要素數據分析

3.2.1 氣溫 胡玉峰[8]以時間的順序進行溫度差異分析，為尋找傳感器在不同溫度區間隨溫度變化的差異規律，制作了表2，在整個溫度區間，雙套站的差值平均值均為負值，表明新型站的氣溫普遍小于備份站的氣溫。差值標準差非常接近，說明兩套傳感器數據差異不明顯，氣溫在-20～30 ℃的范圍內，平均差值變化比較小，一致率也在80%以上，差值波動不明顯。氣溫在30 ℃以上時，一致率迅速降低，只有54%，兩套傳感器因溫度的升高性能差異變得更加明顯，同時雙套站的差值超過規程允許誤差的數量迅速增多。

對張掖國家氣候觀象臺的4項氣象要素按日、月、年差值進行分析，結合天氣實況，雙套站數據差值與當時的天氣實況和季節無明顯對應關系。圖1是一日內氣溫與氣溫差值對應圖，當氣溫在20～30 ℃時，差值在0.1 ℃和-0.2 ℃范圍內，-0.1 ℃的頻次較多，與表2的統計結果一致，當氣溫高于35 ℃時，差值偏離狀態明顯，最大為-0.5 ℃，超過了氣溫的規程允許范圍，雙套站溫度傳感器均安裝在同一個百葉箱內，外部影響因素是相同的，說明儀器的性能差異是造成數據差值的主因。

表2 張掖國家氣候觀象臺新型站、備份站氣溫差異Tab.2 Temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

圖1 2017年7月15日逐時氣溫與氣溫差值圖Fig.1 Difference of Hourly Temperature and Air Temperature in July 15, 2017

3.2.2 氣壓 圖2是張掖國家氣候觀象臺2017年4月逐時氣壓差值的變化情況，通過對儀器差值最大允許誤差的監控能發現數據比較明顯的異常問題，全月雙套站的差值大部分在允許誤差±0.3 hPa之間，但4月8日前后差值有明顯的變化，4月1—7日差值在-0.1～-0.3 hPa之間，8—9日在-0.2～-0.3 hPa之間，10日后，差值在0.2～-0.5 hPa之間，離散程度變大，經查，8日進行了儀器檢定，新型站和備份站的氣壓傳感器均進行了更換。表明數據的差異與儀器的更換有直接的關系。

圖2 2017年4月逐時氣壓差值圖Fig.2 Hourly Air Pressure Difference Diagram in April ,2017

3.2.3 風速 風速歷史記錄為10 min風向、風速。從資料的延續性上考慮，以10 min風速作為樣本，圖3從不同的風速區間進行差異對比分析，風速的整個區間，一致率隨風速的遞增呈線性下降。最低為>10 m/s區間的88%，差值平均值呈V型，0～4 m/s，差值平均值從0.2 m/s降到0.1 m/s，6 m/s后呈明顯上升趨勢，全年差值平均值為-0.02 m/s，新型站風速略小于備份站風速，標準差在0.18～0.44之間，隨風速遞增呈增大趨勢，數據差異性擴大。風速差值為0的樣本有3 587個，左側有2 620個，分布在-0.7～-0.1的區間，右側有2 553個，分布在0.1～0.7的區間，左右兩側的樣本比較均衡。偏度系數為0.14，與圖3一致，表明差值分布略右偏，峰度系數17.6，表明差值分布大于正態的凸起程度，曲線較為陡峭，數據比較集中，加之左右兩側數據不均衡，其差值不符合正態分布。

圖3 風速在不同區間的頻次、一致率和超差率Fig.3 Frequency, Consistency Rate and Super Difference of Wind Speed in Different Intervals

3.2.4 地面溫度 白水成[9]從時間順序上分析了地溫差異，為查找除埋設安裝的因素外，傳感器本身的性能對測量值的差異影響，表3按溫度的不同區間進行統計，地面溫度在0～30 ℃之間，差值平均值在±0.1 ℃之間，觀測值非常接近，差值非常小，0～40 ℃的一致率均在90%以上，小于0 ℃和大于40 ℃，一致率呈線性下降。30 ℃以上，超差率隨溫度升高呈明顯的上升趨勢，最大達到94%。4月份剛剛進行了檢定，地溫傳感器均符合檢定規程。地溫的安裝維護也嚴格按照規范的標準進行，測得的地面溫度超差率非常大。

表3 張掖國家氣候觀象臺新型站、備份站地面溫度差異Tab.3 Ground temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

為進一步查看儀器在不同溫度范圍內差值的變化情況，利用一日地面溫度和差值制作了圖4，地面溫度在0～40 ℃時，差值在0～0.4 ℃之間，變化平緩，當地面溫度升到50 ℃以上時，絕對差值迅速變大，變動范圍在-0.1～-1.2 ℃之間，波動幅度非常大，有4組差值樣本超過規程允許誤差。表明地溫受下墊面、埋設和儀器性能的影響非常大。

圖4 2017年7月15日逐時地溫與地溫差值圖Fig.4 Hourly Ground Temperature and Ground Temperature difference in July 15, 2017

4 數據差異分析

4.1 兩套自動氣象站型號不同

通過對4項氣象要素的分析表明，數據的差異與季節無明顯的對應關系，除了安裝和維護等影響因素，雙套站的主采集器型號不同，新型自動氣象站采用DZZ6型主采集器，備份自動氣象站采用CAWS600型主采集器，不同的采集器配套的傳感器不一樣，雖然均符合氣象儀器的檢定規程，但不同儀器性能是影響數據差異的因素之一。

4.2 兩套自動氣象站安裝和日、周、月、年維護差異

4.2.1 氣壓差異 新型站比備份站的氣壓傳感器高0.6 m，根據壓—高公式可知，高度差對數據差值有一定的影響。

4.2.2 地溫差異 ①與地溫的埋設有關，地面溫度傳感器一半裸露在空氣中,一半埋入土壤中，而且要保持地溫傳感器與地面的緊密貼合，露出地面的一半要保持干凈，在雨、雪天氣后，要及時耙松地溫場。

②與地溫傳感器下墊面的土壤性質有關[10]，張掖國家氣候觀象臺觀測場位于荒漠區，地溫觀測場全部是細沙土，高溫時，太陽輻射導致下墊面變熱，因下墊面細沙土輻射傳熱和地溫傳感器埋設的細微差別，對兩只傳感器的影響非常大。

③與特殊天氣條件有關，冬季遇積雪，融雪階段，經常會出現一支地面溫度傳感器上面的積雪已融化，另一支地面溫度傳感器仍被積雪覆蓋，必然導致數據差異明顯。

4.2.3 氣溫和風速 儀器長期運行造成一定的性能衰減；風向風速儀不間歇運轉造成磨損；有部分差值是隨機性的。

4.3 兩套自動站數據采集時間不一致

自動氣象站業務微機和主采集器的時間互相獨立運行。二者必須同步，才能保證數據采集的成功。新型自動站以業務微機為主時間設備，網絡自動對時，同時校正到采集器，備份自動站以采集器為主時間設備，采用人工校時，與北京時存在誤差。特殊天氣導致觀測場要素劇變時，數據采集時間的不同步，會導致兩套自動站采集數據的明顯差異。

4.4 更換儀器

為避免儀器長期運行造成采集數據的失真，中國氣象局規定，兩年對自動站全部儀器進行一次檢定，各傳感器均進行更換。圖2表明，不同傳感器之間性能的系統性偏差，對資料序列的均一性有一定影響。

5 小結

①通過對以上觀測要素的對比差異分析，可以得出，同時運行兩套自動氣象站，對于提高數據采集的成功率，累積資料的完整性，降低甚至消滅數據缺測的發生具有積極的作用，也充分說明了運行雙套站的合理性和必要性。但也要注意到，4項觀測要素中，只有部分觀測要素一致率比較好，差值平均值比較接近，地溫和氣壓數據的超差率很大，說明雙套站的數據差值超過允許誤差。 需要加強對數據資料的維護和質控。

②對雙套站單個差值樣本和差值平均值的持續跟蹤，能及時發現因儀器性能差異造成的細微變化，無法判定哪套儀器的測量值偏離真實值時，應通過數據質量控制的辦法對異常值進行判斷，溫華洋[11]的空間一致差值訂正合成法，劉靜[12]的雙套站氣象數據融合法，均能在一定程度上對數據進行評估與質量控制，確保測量值的準確性。

③通過對4項觀測要素的綜合分析，發現季節與數據差值無明顯對應關系，除了數據采集時間的不同步、更換儀器和安裝維護的細微差別外，影響數據差值主因還是儀器本身的性能差異，建議兩套自動氣象站均安裝DZZ6型主采設備，進行網絡授時管理，盡量減少儀器性能差異對數據的影響。

④地溫不僅受儀器性能差異影響，受下墊面的細微差別、融雪等特殊天氣條件、傳感器埋設等影響非常明顯，建議將自動氣象站地面溫度傳感器由1只增設為4只，同時采集到4組數值，求其平均值，最大程度的避免如融雪等個別氣象因素對采集數據的影響，更具有代表意義。