新型自動氣象站氣溫多傳感器對比試驗中氣溫測量差異及原因分析

李曉波，郭玉潔，張長春，史 靜，崔 明

(1.天津市氣象探測中心，天津 300061；2.中環天儀(天津)氣象儀器有限公司，天津 300083)

0 引言

新型自動氣象站氣溫多傳感器系統可同時采集3路氣溫傳感器的分鐘溫度值，并采用融合算法進行數據分析。當某個傳感器受環境影響造成觀測數據缺失時，可使用其他兩個傳感器觀測的數據進行數據融合分析，以代替缺失值，從而保證觀測數據的完整性、連續性。特別是因信號干擾或者維護不當等情況造成某支傳感器數據異常時，利用其他兩個傳感器的數據融合分析，剔除該類異常數據，使輸出氣溫值更接近“真值”的分鐘氣溫值，有效解決了單一傳感器數據缺失，觀測準確度低等問題。另外，在強對流劇烈變化的天氣過程中，數據超極值或數據之間的變化幅度超過變化率質控規則，自動質控提示“疑誤”時，也可以通過對3支傳感器輸出的數據進行相互比對融合分析，增加對此類“疑誤”正確數據的可信度。還可以通過數據融合記錄分析，及時發現傳感器使用過程中的性能變化，便于及時維護或更換傳感器，保證數據的準確性。

目前，自動氣象站氣溫多傳感器融合研究還不是很充足。何艷麗[1]等對氣溫、濕度、雨量3種氣象要素多種天氣狀況下的融合數據進行業務對比，結果證明，多傳感器融合結果與業務觀測數據一致性較高。對差值的規律和異常數據進行分析，顯示多傳感器不但可以剔除由信號干擾或者誤操作導致的錯誤數據，還可以增加強對流過程中奇異數據的可信度。張娟[2]等在多傳感器采集溫度數據基礎上，采用分布圖法去除疏失差值，同時采用基于均值的遞推估計融合的方法對采集的數據進行融合，結果表明，采用這種方法可以提高溫度采集的準確度，同時有效地消除了由于傳感器失效引起的差值。

2019年8-10月，在天津市寧河區氣象局地面氣象觀測站備份自動站進行了氣溫多傳感器的對比試驗。文章對多傳感器氣溫測量數據與業務站測量數據進行對比分析，主要對測量差異原因進行初步研究。

1 系統結構

1.1 硬件結構

新型自動氣象站氣溫多傳感器系統由3支鉑電阻傳感器和氣溫多傳感器標準控制器組成。氣溫多傳感器標準控制器由測量電路、監測電路、處理器、供電電路、CAN和RS-232(485/422)接口等部件組成。

氣溫多傳感器標準控制器采集3個氣溫測量值，通過融合計算得到當前時刻的標準值和傳輸值，并將5個數據通過CAN總線發送至主采集器，由主采集器和綜合集成硬件控制器進行數據交互，根據數據下載命令發送至地面觀測業務軟件。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 氣溫多傳感器標準系統結構框圖

1.2 系統布局

新型自動氣象站氣溫多傳感器系統安裝在現有觀測場百葉箱內位于正中位置的溫濕度傳感器支架上。支架上開有8個孔，其中3支氣溫傳感器分別安裝在支架的正東、正北、正南(其中正東為氣溫傳感器1，正北為氣溫傳感器2，正南為氣溫傳感器3)方向，1支濕度傳感器安裝在支架上的正西方向，并確保氣溫、濕度傳感器的感應部分中部距地1.5 m；氣溫多傳感器標準控制器安裝在百葉箱與下基座連接處，通過現有溫濕度分采集器的CAN總線與主采集器連接。

2 氣溫觀測數據融合算法

氣溫多傳感器標準控制器對3支氣溫傳感器所測得的同一分鐘的瞬時氣溫要素值進行融合計算，確定該分鐘的瞬時氣溫要素標準值。測試融合算法執行《新型自動氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》中“氣候觀測氣溫(3支氣溫傳感器)1 min平均值(瞬時值)”計算方法：“對3支氣溫傳感器所測得的瞬時氣象值進行相互比較，根據兩兩偏差確定取值。在-50～50 ℃時，兩兩之間差值閾值設為0.3 ℃；在小于-50 ℃或大于50 ℃時，兩兩之間差值閾值設為0.6 ℃。”

第1步：兩兩偏差計算。

(1)

式中，T1，T2，T3分別為3支氣溫傳感器的1 min平均氣溫(即瞬時值)；D12，D23，D31分別為兩兩之間的差值(℃)。若某個瞬時氣溫值出現缺失，相關Dij按缺失處理。

第2步：定義兩兩偏差允許范圍。

當-50.0 ℃≤Ti≤50.0 ℃，-50.0 ℃≤Tj≤50.0 ℃；

Tol(i，j)= 0.3 ℃

當|Ti|>50.0 ℃或|Tj|>50.0 ℃

Tol(i，j)=0.6 ℃

1)若Dij≤Tol(i，j)，則Dij在允許范圍之內；

2)若Dij>Tol(i，j)，則Dij在允許范圍之外；

3)若Dij缺失，則按Dij在允許范圍之外處理。

第3步：計算結果。

1)如果Dij均在允許范圍之內，取T1，T2，T3的中間值作為標準值結果；

2)如果Dij有2個在允許范圍之內，取T1，T2，T3的中間值作為標準值結果；

3)如果僅有1個Dij在允許范圍之內，取形成該Dij的兩支氣溫值的平均值作為標準值結果；

4)如果所有Dij都不在允許范圍之內，標準值結果標識為缺測。

第4步：氣溫數據源選取

標準控制器選取氣溫傳感器Ⅰ的測量結果作為業務主用數據源，氣溫傳感器Ⅱ和Ⅲ的測量結果作為熱備份數據源，將3支傳感器的測量結果與標準值數據進行對比，如超出閾值±0.3 ℃，輸出相應狀態碼。若現用氣溫傳感器異常，標準控制器可自動切換至下一個狀態正常的氣溫數據源，切換順序為氣溫傳感器1、2、3、1依次切換，根據氣溫數據源形成氣溫傳輸值序列，若標準值缺測，或3支氣溫傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測。將標準控制碼通過CAN總線發送給主采集器[3-5]。

3 測量結果分析

3.1 總體運行情況

寧河試點站從8月1日開始試運行，至10月23日，共計運行84 d。應觀測數據120，960條，到報情況如表1所示。

表1 8月1日-10月23日到報率

由表1可見，主站與備份站到報率基本持平，備份站缺測率略高于主站的原因是運行期間主站發生1次故障，備份站主采集器被挪用，造成測試中斷約1 h。

3.2 氣溫日變化一致性

新型自動氣象站每分鐘的3個氣溫觀測數據通過規定的數據融合方法最終得到一個氣溫觀測數據傳輸值，以地面觀測站業務站數據作為標準，進行兩組氣溫數據差值的一致率計算：

(2)

式中，一致率Cr表示兩組氣溫數據的一致性程度；n為有效樣本數，指除缺測以外的觀測樣本數；m為對比差值的絕對值在新型自動氣象站相應的氣象要素觀測最大允許差值范圍(0.2 ℃)內的個數[6，7]。

以8月份氣溫分鐘觀測數據為例，計算本月的一致率，結果顯示：8月份僅有6 d一致率沒有達到100%，最低出現在8月1日，為99.51%，其余25 d均達100%，且每天有效樣本均占95%以上，表明多傳感器系統與業務站測量值一致性較好。非有效值的缺測主要原因是新型自動氣象站對溫度數據質控而產生可疑數據，造成標準值的缺測，進而導致傳輸值缺測，產生無效樣本[8]。

3.3 氣溫月變化一致性

對試驗期間8-10月的業務站和多傳感器系統氣溫的一致性和差值進行分析，得出如下結論：

1)新型自動氣象站氣溫多傳感器系統融合后的傳輸值和主業務站的觀測值趨勢基本一致，差值在0.2 ℃范圍內。同時也存在部分觀測時次超過0.2 ℃的情況，將業務站氣象測量數據作為對比標準，多溫度系統控制輸出的傳輸值與之相比，兩者之差作為差值；

2)備份站和主站之間溫度差值在0.1 ℃以內的數據達到了98.45%，0.2 ℃以內的數據達到了99.45%，其中，差值大于0.2 ℃的樣本僅占到0.09%。以上充分說明新型站溫度多傳感器通過相互印證，數據的真實性和可靠性是有保障的。

3.4 異常數據分析

新型自動氣象站氣溫多傳感器總體無故障運行，單支傳感器的故障很快被發現并解除。從采集到的異常數據分析，多傳感器自動氣象站相對于單一傳感器自動氣象站在觀測數據連續采集以及數據可信度、傳感器性能判斷方面具有一定優勢，同時也存在以下數據異常情況：

1)3路溫度中一路出現了異常值，傳輸值和標準值正常。3號氣溫傳感器采集的溫度明顯偏小于其他兩支溫度傳感器，變化趨勢相同，經過現場排查，確定為有一支溫度傳感器線纜虛焊導致，更換為另一支傳感器后故障得到解決。通過該故障可以反映出多傳感器的優勢，在其中一支傳感器出現故障時，不影響最終的傳輸值的輸出情況。

2)氣溫差值超過0.3 ℃。通過分析氣溫變化率和氣溫差值(多傳感器傳輸值和業務站測量差值)的關系，可以看出，氣溫差值較大的情況，常出現在當前氣溫升高較快或者下降較快的時段，主要存在于下降較快階段，當分鐘氣溫下降超過0.7 ℃時，兩個氣象觀測值差值能達到0.5 ℃。分析其原因，可能是氣溫上升和下降時，不同鉑電阻傳感器的響應時間不一致造成[9]。

選取2019-T08-0101：56-2019-08-01T02：26氣溫要素變化，疊加分鐘內最大瞬時風速和降雨量的資料圖分析出現差值偏大的情況。當氣溫變化率較大時，通常分鐘內最大瞬時風速也顯著增大，并且伴有分鐘降雨量達到0.7 mm的強降雨。因此，造成這種現象的原因，可能是由于風速增大情況下，百葉箱內安裝傳感器位置造成氣流不均勻所致，如果只是單純的輻射降溫，并不會造成融合后的氣溫數據和業務站的觀測數據較大差值。

3)3支傳感器正常，傳輸值缺測。2019-08-09T01：00，氣溫傳感器1和2采集的溫度是25.9 ℃，氣溫傳感器3采集的溫度是26.0 ℃，直到01：58，3支氣溫傳感器采集的溫度值未發生變化，01：58，標準值缺測，傳輸值缺測。02：04，氣溫傳感器1和2分別觀測到的溫度為26 ℃，此刻開始，標準值和傳輸值開始正常計算。

原因分析：根據新型自動氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》中氣溫質量控制參數“60 min最小變化率”指標，目前氣溫多傳感器控制器將該參數設置為0.1 ℃，即當氣溫連續60 min變化小于0.1 ℃時，該數據標記為“存疑”，規格書要求當數據“存疑”或“錯誤”時不參與后續數據融合運算。在平原地區靜穩天氣條件下，存在氣溫長時間變化<0.1 ℃情況，當3支氣溫傳感器中有2支觀測數據被標記為“存疑”后，無法參與后續標準值的運算和傳輸值的挑選，從而造成標準值和傳輸值的缺測。因此，建議在新型自動氣象站氣溫多傳感器系統中對氣溫的60 min最小變化率不做控制，避免造成觀測值缺失，發送如下指令即可：

RQCPM T01-75.0 80.0 3.0 5.0/

RQCPM T02-75.0 80.0 3.0 5.0/

RQCPM T03-75.0 80.0 3.0 5.0/

另外，在實際計算過程中，用于參與計算的氣溫觀測數據均是未進行四舍五入的測量值，往往不到60 min數據時就開始進行質控，從而造成氣溫傳輸值的缺測。

4)傳感器兩兩差值超過0.3 ℃。在采集器中傳感器兩兩偏差小于0.3 ℃認為數據正常。但是在實際情況中也出現了3支傳感器的兩兩偏差均超過0.3 ℃的情況。2019-10-03T07：40-2019-10-03T08：09的觀測數據顯示，3支氣溫傳感器測量值均正常，根據氣溫數據融合算法，任意兩支傳感器溫度數據之間的差值絕對值超過了0.3 ℃，按照氣溫融合算法，標志值和傳輸值都缺測。

原因分析：由于使用差值判定時采用的是原始計算結果，未經過四舍五入，因此當直觀看到兩兩偏差等于0.3 ℃時，標準值和輸出值為缺測。這種情況下可以通過計算平均值作為標準值的方法保證數據完整性，經過重新計算后的傳輸值完全可用，因此有必要對現有新型自動氣象站氣溫多傳感器的溫度融合方法進行進一步改進。

傳感器2的測量值和主站溫度數據最為接近，其次是氣溫1，偏離最大的是氣溫3。溫度的差異和3支傳感器在百葉箱中的位置關系相符。因此，新型站氣溫多傳感器系統在布局的時候建議應確保在同一方位，可將氣溫1放置于正東、氣溫2放置于東北，氣溫3放置于東南。

4 結束語

初步對比結果顯示采用氣溫多傳感器系統及其數據融合算法的新型自動氣象站具有良好的數據質量控制能力，總體滿足業務要求，其具備的熱備份功能，更加適合長期無人值守的自動觀測業務使用。