朝陽(yáng)市國(guó)家基準(zhǔn)氣候站自動(dòng)站與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差異分析

蘇長(zhǎng)新，耿文杰，王平華，劉 瑩

（1.朝陽(yáng)市氣象局；2.朝陽(yáng)縣氣象局，遼寧 朝陽(yáng)122000）

氣象觀測(cè)是氣象工作的基礎(chǔ)，其獲取的數(shù)據(jù)具有代表性、準(zhǔn)確性和比較性，在政治、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)以及各種突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)中提供了可靠的天氣、氣候信息，發(fā)揮著重要的作用。近百年來(lái)，人工氣象觀測(cè)站作為氣象資料的主要來(lái)源，提供了較長(zhǎng)時(shí)間的氣象觀測(cè)記錄，人工觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量已經(jīng)得到了公認(rèn)。自2000年以來(lái)，我國(guó)地面自動(dòng)氣象站開(kāi)始逐步替代人工觀測(cè)。目前，我國(guó)地面臺(tái)站基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)。自動(dòng)站的觀測(cè)原理、觀測(cè)方法與人工觀測(cè)相比發(fā)生了較大的變化，而氣象觀測(cè)資料序列在時(shí)間上的不統(tǒng)一性或由許多原因造成，觀測(cè)儀器變化只是其中之一。因觀測(cè)系統(tǒng)變化導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果差異不可避免。從氣候科學(xué)上來(lái)看，這種差異會(huì)造成均一性數(shù)據(jù)集開(kāi)發(fā)以及極端天氣事件分析的誤差甚至錯(cuò)誤，所以將兩種系統(tǒng)所獲取的資料進(jìn)行對(duì)比是非常重要的[1]。

目前全國(guó)的氣象技術(shù)人員已經(jīng)分別對(duì)不同地區(qū)氣象站的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，在氣溫、氣壓、降水、相對(duì)濕度等基本氣象要素方面進(jìn)行了對(duì)比分析，并得到了相應(yīng)數(shù)據(jù)差異的一些原因。從自動(dòng)氣象觀測(cè)站業(yè)務(wù)運(yùn)行開(kāi)始，自動(dòng)觀測(cè)資料與人工觀測(cè)資料之間能否連續(xù)使用等問(wèn)題一直備受關(guān)注。由于朝陽(yáng)縣氣象局是國(guó)家基準(zhǔn)氣候站，從2007年初至2011年底，在24次自動(dòng)觀測(cè)的同時(shí)保留了24次人工觀測(cè)，因此有足夠的資料進(jìn)行對(duì)比分析，方便人工對(duì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

本文基于朝陽(yáng)市國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2007年～2011年的自動(dòng)站數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)（氣溫、降水、相對(duì)濕度）之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析對(duì)比差值特征、變化規(guī)律及其原因，為基層觀測(cè)員更多的了解自動(dòng)站性能、正確使用和維護(hù)自動(dòng)站、及時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)站故障、做好數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等提供一定的參考意義。

1 資料和方法

1.1 資料

選取朝陽(yáng)市國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2007年～2011年的自動(dòng)觀測(cè)與人工平行觀測(cè)的氣溫和相對(duì)濕度日數(shù)據(jù)資料，分別進(jìn)行對(duì)比分析。降水量選取2007年～2011年平行觀測(cè)期間的日總量資料進(jìn)行分析。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

1.2.1溫度對(duì)比差計(jì)算對(duì)比差=人工觀測(cè)值-自動(dòng)站觀測(cè)值。月對(duì)比差的平均值：月n次對(duì)比差的和除以月觀測(cè)次數(shù)n。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，氣溫對(duì)比差值以及標(biāo)準(zhǔn)差、月平均偏差允許范圍為±0.2℃，否則認(rèn)為偏差超出正常范圍。

1.2.2降水量誤差統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析自動(dòng)站與人工觀測(cè)值的月百分誤差，即人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值的差值占人工觀測(cè)值的百分率，允許誤差范圍±8%。本文使用的降水?dāng)?shù)據(jù)僅為每年4～10月（使用翻斗式雨量計(jì)期間）的自動(dòng)站及人工數(shù)據(jù)。

1.2.3相對(duì)濕度誤差統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)2007年～2011年各年和累年月平均對(duì)比差值，即人工觀測(cè)值減去自動(dòng)觀測(cè)值。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，相對(duì)濕度對(duì)比差值月平均偏差允許范圍為±2%，否則認(rèn)為偏差超出正常范圍。

2 氣溫對(duì)比分析

圖12007年～2011年氣溫對(duì)比差值月變化

2.1 氣溫差異

由2007年～2011年氣溫對(duì)比差值月變化（見(jiàn)圖1）可以看出：日平均氣溫對(duì)比差值的月平均值和高溫對(duì)比差值均在0.0℃～0.3℃，低溫對(duì)比差值在0.0℃～0.5℃。其中，月平均值和高溫對(duì)比差值在60個(gè)數(shù)據(jù)中均僅有一個(gè)超出正常范圍，低溫對(duì)比差值超出誤差允許范圍的有5個(gè)，且主要集中在2007年。所有的對(duì)比差值均為正值，即人工觀測(cè)數(shù)值均大于自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)值。

2.2 差異原因

觀測(cè)時(shí)間不同步[2]。自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備是正點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，而人工站是正點(diǎn)前15分鐘內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致兩者有時(shí)間偏差。由于氣溫是隨時(shí)間連續(xù)變化的要素，且存在明顯日變化。已有研究表明，夏季氣溫上升時(shí)，觀測(cè)時(shí)間相差10分鐘，可造成 0.2℃～0.3℃的偏差[2-3]。

儀器精度存在差異。自動(dòng)溫度傳感器的精度為0.1℃，而水銀溫度表精度為0.2℃，在溫度變化較大時(shí)，自動(dòng)溫度傳感器的測(cè)量值比水銀溫度表讀數(shù)更接近真實(shí)值。

數(shù)據(jù)采集有誤差。自動(dòng)傳感器由于灰塵等原因會(huì)有環(huán)境誤差，而人工觀測(cè)則可能出現(xiàn)誤讀或錯(cuò)讀的情況，這使得兩者的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定偏差。

3 降水對(duì)比分析

3.1 降水差異

由圖2和圖3對(duì)比分析可以看出，降水月百分誤差在-8%～28%，只有小部分超出了誤差允許范圍，降水量級(jí)較大的月份其百分比誤差也較高，但正負(fù)值之間沒(méi)有明顯傾向。

3.2 差異原因

降水采集時(shí)間不同。自動(dòng)站的雨量記錄是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，人工站觀測(cè)時(shí)間一般為正點(diǎn)前15分鐘內(nèi)，使得在降水強(qiáng)度較大的時(shí)候?qū)Ρ日`差較大。自動(dòng)站的翻斗式雨量計(jì)采取了中間緩沖處理，緩沖有一定的延時(shí)，會(huì)造成一定的誤差，且雨越大的時(shí)候正誤差越大，但自動(dòng)站的雨量誤差主要還是翻斗誤差造成的[4-10]。

圖22007年～2011年降水對(duì)比月百分誤差

圖32007年～2011年月雨量對(duì)比圖

圖42007年～2011年相對(duì)濕度對(duì)比差值變化

降水采集方式有差異。自動(dòng)站降水是分鐘采集，降水強(qiáng)度較大時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)會(huì)由于慣性、翻斗內(nèi)壁殘留水滴等造成較大誤差，同時(shí)還可能出現(xiàn)滯后降水、無(wú)效降水等問(wèn)題。而人工站要定時(shí)分次量取雨量，這就會(huì)出現(xiàn)視差、瓶壁粘滯誤差等。當(dāng)降水較大時(shí)換取儲(chǔ)水瓶過(guò)程也會(huì)造成較大誤差。降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)行多次量杯量取也會(huì)造成較大誤差[11]。

4 相對(duì)濕度對(duì)比分析

4.1 相對(duì)濕度差異

從圖4可見(jiàn)：2007年～2011年各年相對(duì)濕度對(duì)比差值月變化范圍在-6%～4%，變化趨勢(shì)除了2011年以外較為一致，且大部分呈現(xiàn)負(fù)值，表明朝陽(yáng)站相對(duì)濕度自動(dòng)站觀測(cè)值較人工站觀測(cè)值普遍偏大，因此自動(dòng)觀測(cè)相對(duì)于人工觀測(cè)而言有偏濕的現(xiàn)象出現(xiàn)。從累年月平均差值變化來(lái)看，1～3月以及7～8月差值最大，為-3%，其余月份差值均在質(zhì)量控制范圍內(nèi)（±2%）。

4.2 差異原因

儀器測(cè)量原理不同。人工觀測(cè)中，當(dāng)氣溫低于-10℃時(shí)，相對(duì)濕度觀測(cè)由干濕球溫度表轉(zhuǎn)換為毛發(fā)濕度表（經(jīng)訂正圖訂正），誤差很大。而自動(dòng)氣象站全年使用濕敏電容全程測(cè)濕，相對(duì)濕度低于80%時(shí)濕敏電容線形度好。因此在低溫時(shí)，濕敏電容測(cè)濕比毛發(fā)濕度表更為準(zhǔn)確，但在高濕情況下誤差較大，尤其是長(zhǎng)時(shí)間在高溫高濕中使用，誤差會(huì)更大，雖然通過(guò)軟件可以進(jìn)行糾正，但此時(shí)降濕速度明顯下降[12]。朝陽(yáng)地區(qū)1～2月是正值交替使用干濕球溫度表和毛發(fā)濕度表人工測(cè)濕的季節(jié)，使用的儀器增多必然會(huì)增加人工觀測(cè)的系統(tǒng)誤差；而7～8月正處于高溫、高濕的汛期，濕敏電容測(cè)濕誤差變大從而導(dǎo)致了自動(dòng)——人工差值的增大。

測(cè)量環(huán)境不同。自動(dòng)站的濕度表常年密閉在百葉箱中，而人工觀測(cè)相對(duì)濕度時(shí)需要開(kāi)關(guān)百葉箱，從而產(chǎn)生空氣對(duì)流，進(jìn)而降低相對(duì)濕度，增大誤差。尤其朝陽(yáng)地區(qū)3月是氣溫相對(duì)較低，風(fēng)速較大的季節(jié)，人工相對(duì)濕度會(huì)普遍低于自動(dòng)觀測(cè)。

人為測(cè)量誤差。干濕球溫度表讀數(shù)誤差會(huì)產(chǎn)生相對(duì)濕度的誤差。一般玻璃溫度表讀數(shù)誤差在±0.1℃，如果干濕球任意一支溫度表誤讀0.1℃，對(duì)產(chǎn)生的相對(duì)濕度誤差隨溫度降低呈增大趨勢(shì)[13]。此外，濕球紗布的包扎質(zhì)量、濕潤(rùn)狀況以及溶冰情況等也會(huì)直接影響到測(cè)濕的準(zhǔn)確性。上述2011年的相對(duì)濕度人工-自動(dòng)站差值對(duì)比2007年～2010年有較大的偏差，此現(xiàn)象不排除有人為原因的干擾。

5 結(jié)論

自動(dòng)站溫濕傳感器性能年際變化較為穩(wěn)定。其中氣溫人工站數(shù)值普遍大于自動(dòng)站，月平均氣溫及高、低溫之間的差異基本滿足質(zhì)量控制（±2℃）要求，除2007年低溫差異較大。而相對(duì)濕度自動(dòng)站觀測(cè)值普遍大于人工站觀測(cè)值，2007年～2011年整體的月平均差值在1～3月以及7～8月最大，為-3%，其余月份差值均在質(zhì)量控制范圍內(nèi)（±2%）。降水在某些月百分比誤差較大，年際變化在-3%～8%，降水累計(jì)量較大的月份及年份其百分比誤差也相對(duì)較大。

形成上述差異的原因有三點(diǎn)：觀測(cè)時(shí)間不統(tǒng)一；自動(dòng)站觀測(cè)是連續(xù)性的、實(shí)時(shí)的，而人工觀測(cè)是定點(diǎn)的；規(guī)范規(guī)定正點(diǎn)前15分鐘到正點(diǎn)為觀測(cè)時(shí)段。

采集方式及精度不同。自動(dòng)站的采集環(huán)境相對(duì)人工更為嚴(yán)格，除去儀器本身的系統(tǒng)誤差，干擾因子較少，精度高。而人工站不但有儀器設(shè)備上的固有誤差，還會(huì)受環(huán)境（如風(fēng)、沙塵等）的干擾，再加上視覺(jué)誤差、操作失誤等情況，出現(xiàn)誤差的概率相對(duì)更大一些。