自動站與人工觀測氣溫數值的比較分析

蔡敬東 王立成 王文志 劉寶坤

摘要將內蒙古索倫國家基準氣候站2008年自動站與人工并行觀測氣溫資料進行對比分析,根據相關標準對自動站氣溫資料進行了評估。分析結果表明:自動站與人工觀測氣溫的偏差有日變化和季節差異,產生偏差原因有觀測儀器的系統性偏差、觀測儀器對氣溫變化響應的靈敏度、觀測時間的差異、太陽輻射對觀測儀器的影響等,這為人工和自動觀測氣候資料的前后連續性使用提供了訂正的思路和方法。

關鍵詞自動站;人工觀測;氣溫;比較分析

中圖分類號 P416 文獻標識碼B文章編號 1007-5739(2009)11-0321-01

為了提高大氣監測能力,我國從2001年啟動了大氣監測自動化系統一期工程。由于自動站與人工觀測2種觀測體系的觀測原理、觀測采樣時間不同,其觀測結果可能會有差異。這種差異將影響我國氣溫資料序列的均一性,從而影響天氣預報和氣候變化研究的結果。如何把差異的大小控制在氣象業務所允許的范圍內以確保歷史觀測資料的連續性是自動站觀測資料應用上面臨的問題。為此,國內外許多學者對自動站和人工觀測2種資料進行了對比分析和研究,結果表明:氣溫自動觀測儀器的引入,導致臺站觀測月和年的平均氣溫增加0.2~0.3℃。而太陽輻射對不同儀器的影響是導致其差異的主要原因。然而研究選取的自動氣象站地理環境不同,研究結果也有不一致的地方。如熊安元等利用青海省剛察站分析自動站與人工站觀測的最高氣溫的差異分析結果與王穎等對利用河南省鄭州站資料以及美國的研究結果就不太一樣。觀測資料中系統誤差其均值不為零,直接影響氣候變化的研究結果。筆者針對內蒙古索倫區域特定的地理環境,利用自動站與人工觀測氣溫數值進行比較分析。

1材料與方法

對內蒙古索倫國家基準氣候站2007~2008年自動氣象站與人工站觀測的差值及月(年)平均值進行對比分析。對比差值是表示自動站與人工觀測之間差異的指標。對比差應保持在±0.2℃之間。設Ui為第i次人工觀測值,Ai為第i次自動站觀測值,則第i次的對比差值為:

Xi=Ui-Ai (1)

設某月(年)內2種觀測共獲取n個有效的對比差值,則對比差值的月(年)平均值為:

X=(∑Xi)/n(2)

2結果與分析

2.1日變化

根據內蒙古索倫國家基準氣候站自動觀測的2008年的觀測樣本(每個樣本包括24次氣溫觀測數據),按照公式(1)、(2)計算每天逐時比較年平均值。結果發現,1d中逐時的對比差年平均值均為負值,說明同一時次自動觀測氣溫的年平均值比人工觀測的要高。呈現了3個階段的特征:23∶00~次日09∶00各時次對比差變化不大,較為穩定;9∶00~16∶00各時次對比差值線性增大,也就是說明自動觀測的氣溫與人工觀測氣溫差值加大,在15∶00~16∶00間達到最大偏差;16∶00~23∶00各時次對比差逐漸減小,自動觀測的氣溫與人工觀測氣溫差值在逐時減小。

2.2對比差的季節變化

選6月作為夏季代表月,1月作為冬季代表月。利用公式(1)、(2)計算1月和6月人工和自動24次氣溫觀測資料的每1時次的對比差月平均值。根據計算結果繪制冬、夏季代表月平均氣溫對比差的逐時變化。從中可以發現:1d中對比差的月平均變化趨勢與年平均變化趨勢類似,3個階段變化的時間區間基本一致,數值上夜間23∶00~9∶00期間差值變化不大。白天9∶00~23∶00期間的對比差數值是夏季明顯大于冬季。

2.3氣溫對比差變化趨勢的原因分析

根據以上分析結果,對自動站與人工觀測氣溫偏差的原因進行了分析,初步認為:①測量元件的精度及對氣溫變化響應的靈敏度造成偏差。氣溫對比差逐時日變化都呈現3個階段的相同的變化趨勢,在氣溫快速升溫階段(9∶00~16∶00)和快速降溫階段(16∶00~23∶00)兩者差值快速變化,不同的測量元件對氣溫的變化量具有線性(指數)放大或縮小作用,造成當氣溫變化量較小時對比差比較接近,而變化量較大時對比差則顯著增大。②觀測時間差異。按照地面觀測規范,常規觀測時間為正點觀測前10min,自動站觀測時間為正點,二者相差10min,從而造成在白天氣溫升溫和降溫幅度較大期間,自動站與人工觀測氣溫值差值會逐時加大和逐時減小,在夜間23∶00后氣溫波動較小時基本保持穩定。③太陽輻射差異。由于夏季的太陽輻射強度明顯高于冬季,因此夏季白天氣溫對比差明顯大于冬季。④觀測場地的小氣候差異。使用同一型號的自動站,當觀測場環境差別較大時,兩觀測站常年風速、氣溫等差異較大。結果分析可能是觀測場小氣候的差異造成兩站自動站觀測與人工站觀測之間呈現相反符號的年平均對比差值。

3結論與討論

通過研究發現,對比差的日變化趨勢基本一致,僅受太陽輻射的影響,夏季對比差值明顯大于冬季。觀測時間的差異也是造成兩者差異的主要原因之一。常規觀測時間為正點觀測前10min,自動站觀測時間為正點,二者相差10min,若白天氣溫升溫和降溫幅度較大期間,自動站與人工觀測氣溫值差值會逐時加大和逐時減小,在夜間23∶00后氣溫波動較小時基本保持穩定。至于年平均對比差值呈現相反符號的現象,初步分析原因之一可能是受特殊的觀測場地的小氣候影響,影響的具體氣候因素或其他原因有待進一步深入研究和探討。人工和自動觀測資料的誤差各地都有存在,應引起足夠重視,特別是以自動觀測為主以后,人工與自動觀測資料的穩定連續性處理上應建立規范的工作流程,對資料進行訂正,以保證氣溫資料分析時前后的連續和穩定性,以免對氣候變化診斷與模擬等研究和業務工作造成影響。

4參考文獻

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