人工與自動氣象站氣溫觀測結果的差異規律分析

鄭自君, 劉康平, 楊 麗

（1.涼山州氣象局,四川西昌 615000;2.什邡市氣象局,四川什邡 618400;3.延安市氣象局,陜西延安 716000）

21世紀初我國有了自動氣象站,并逐漸取代人工觀測作為地面正式觀測記錄。自動氣象站的觀測儀器、觀測原理、觀測方法與人工觀測相比均發生了很大變化,自動站與人工觀測數據之間的差異是不可避免的,對觀測資料序列的時間上的均一性造成一定影響[1-5]。因此,對比分析兩個觀測系統觀測的氣象要素的差異并從中總結規律,以及提出訂正模型對觀測數據的均一性有重要意義。西昌地理位置特殊,并且西昌站的氣象數據對我國西昌衛星發射中心有著極其重要的意義。

1 資料來源及研究方法

利用西昌站2007年1月1日—2008年12月31日人工與自動24小時氣溫基準觀測資料,用常規統計學方法,對氣溫的對比差值作日、月、季平均,對對比差值中出現的極值進行等級分類統計,并對最高、最低氣溫對比差值進行作圖分析。

2 西昌地理氣候概況及臺站、使用儀器說明

2.1 西昌地理位置及氣候概況[6]

涼山州西昌市位于川西高原（海拔1500-2500m）的安寧河平原腹地,東經101°46′-102°25′、北緯 27°32′-28°10′,南北最長約20km,東西最寬約43km,幅員面積2651km2。安寧河河谷子原和邛海湖盆平原,總面積約424km2。其地勢平坦,土壤肥沃。兩平原間有斷陷抬升的孤山——瀘山。高2317m,蒼松翠柏,林木蔥郁,掩映著十數座古寺,是號稱“川南勝境”的名山。瀘山東麓的斷陷湖邛海,是四川第二大淡水湖,面積29.3km2。西昌東到昭覺縣之上玄參壩,東南到普格縣有大箐梁子,加上瀘山,形成東邊屏障;西有小高山和磨盤山,形成西屏障;北近有北山,遠有在冕寧縣的拖烏山。這些山相對邛海海平面均在500-1000m以上,形成北風吹不進,只有南面從安寧河谷吹來的曖風,加上高原氣候和高原湖泊的調節,形成與周邊30km不同的氣候。

這里氣候溫暖,四季宜人,夏能避暑、冬可御寒。年平均氣溫17.1℃,夏無酷暑（7月約為22.5℃）、冬無嚴寒（1月約為9.5℃）,有“小昆明”之稱。降水集中,有干季、雨季之分。

2.2 臺站和使用儀器說明

西昌站位于東經102°16′,北緯27°54′,觀測場海拔高度1590.9m。人工觀測儀器干球溫度表由上海氣象儀器廠生產;自動觀測儀器鉑電阻溫度傳感器為DYYZII型,由長春氣象儀器廠生產。

3 氣溫對比差值分析

西昌站2007年1月1日-2008年12月31日地面人工24次觀測和自動站24次觀測的氣溫資料,每天24個時次,無缺測,樣本總數為17544時次。以日、月、季不同的時間尺度及不同天氣狀況作統計分析。

3.1 氣溫對比差值日平均分析

3.1.1 人工與自動站日均氣溫的相關性分析

對2007年1月1日-2008年12月31日的氣溫觀測數據,逐日以每天人工和自動站各24個時次氣溫值作為樣本進行相關系數計算,并進行顯著性檢驗。相關系數共731個,其中相關系數大于0.99的有582個,大于0.98、小于0.99的有149個。而且全部通過顯著水平為0.01的信度檢驗,說明自動站觀測數據與人工觀測數據差異較小,自動站運行穩定。

3.1.2 氣溫對比差值日平均分析

利用西昌站2007年1月1日-2008年12月31日的每日24時次的人工和自動站觀測資料,所有差值均為人工觀測數據減去同時次的自動站觀測數據。對得到的每天24個時次的氣溫對比差值逐日求平均,所得結果如圖1所示。根據《地面氣象觀測規范》規定,人工與自動站氣溫觀測對比差值在±1.0℃及以內屬正常。

圖1 人工與自動站氣溫對比差值日平均

由圖1可知,氣溫對比差值日平均范圍在-0.53℃-0.02℃,全部在±1.0℃的正常范圍內。負值居多,自動站觀測的氣溫值略高于人工觀測的氣溫值,這是由于觀測時間和觀測儀器的差異所導致,人工觀測比自動站觀測提前10分鐘左右,這就導致當氣溫變化大時二者的觀測結果存在較大差值;還可看出,對比差值日平均值有由大向小的漸降趨勢;西昌有明顯的干季和雨季,雨季一般是從5月-9月,由氣溫對比差值日平均波動趨勢看出,干季人工觀測與自動站觀測差值較小,而雨季相對較大,但整體差別不大。

3.1.3 氣溫日對比差值上、下限分析

從每日的24個時次的氣溫對比差值中,統計出氣溫日對比差值的最大值和最小值,即逐日氣溫對比差值的上、下限,結果如圖2所示。

圖2 人工與自動站逐日氣溫對比差值上下限

由圖2知,上限和下限均有向0℃靠近的趨勢,即有漸降的趨勢。還統計了各個值出現的時刻,發現上限多出現于傍晚和夜間,而下限多出現于正午時分,太陽輻射較強的時刻。在圖中,上限大于1.0℃的日數有23天,下限小于-1.0℃的日數有451天,出現這種情況的原因是圖中的點均是一個月中某天某時差值最大的那個值,是瞬時差值,由于自動站觀測的時間一般要晚于人工觀測10分鐘左右,所以瞬時差值的絕對值完全有可能超過1℃。所以統計日對比差值上、下限意義不大。

3.1.4 日最高、最低氣溫對比差值分析

根據西昌站地面觀測記錄中的每日最高、最低氣溫值,人工觀測值與自動站觀測值進行差值統計,最高氣溫對比差值范圍為-1.3℃-1.5℃,平均值為-0.58℃;最低溫度對比差值范圍為-1.6℃-0.4℃,平均值為-0.27℃。日最高氣溫對比差值高出日最低氣溫差值2倍多。

將逐時氣溫、日最高、最低氣溫分別計算的對比差值進行等級劃分,分為7個等級,分別為＜-2.0、[-2.0,-1.0）、[-1.0,0.0）、0.0、（0.0,1.0]、（1.0-2.0]、＞2.0,并統計各等級對比差值出現頻率,統計結果見表1,其中逐時氣溫對比差值的樣本總數為17544時次,日最高、日最低氣溫對比差值的樣本總數為731時次。

表1 人工與自動站觀測氣溫對比差值統計表

由表1看出,超出正常范圍的逐時氣溫對比差值占6.35%,其中對比差值＜-2.0℃的占0.06%,在-2.0℃--1.1℃之間的占6.14%,＞2.0℃的占0.02%,在1.1℃-2.0℃之間的占0.13%。超出正常范圍的最高溫度對比差值占4.37%,其中＞1.0℃的有2天,占0.27%;-2.0℃--1.1℃之間有30天,占4.10%。最低溫度對比差值沒有大于 2.0℃的,＜-1.0℃的僅有2天,占0.27%;逐時氣溫、最高、最低溫度對比差值均在-1.0℃—0.0℃范圍內出現次數最多,分別占60.72%,87.41%,95.07%。最高溫度的對比差值相對較大,這與人工觀測氣溫儀器的滯后效應有一定關系,水銀對氣溫變化的靈敏度小于鉑電阻,存在溫度變化的滯后性。

對超出正常范圍的日最高和日最低溫度對比差值出現時的天氣現象進行統計,最高溫度對比差值＞1.0℃的2天中,出現了2次陣雨,2次雷暴;＜-1.0℃的30天中,出現了22次露,9次霜,7次陣雨,4次雷暴和輕霧,3次雨,2次無天氣現象。最低溫度對比差值＜-1.0℃的2天中,出現了1次陣雨,1次露,1次無天氣現象,見表2。

表2 日最高最低溫度對比差值異常值出現與天氣現象

通過表2看到,對最高溫度對比差值影響最大的是露,原因是有露時,一般是晴天,溫度變化較為迅速,鉑電阻對溫度的靈敏度高于水銀和酒精,液體溫度表的滯后效應就更明顯,所以最高溫度的差值就相對比較大。

3.1.5 氣溫對比差值日變化

對兩年氣溫對比差值數據24時次逐時作算術平均并作日變化圖,得到圖3。由圖3可看出夜間差值較小,甚至還出現了正值,而白天差值較大,尤其是在太陽輻射最強的時段12:00-14:00,差值達到最大,差值變化范圍在-0.82℃-0.10℃。從早8:00時左右差值開始迅速變大,正午時分略有穩定,從14:00時后差值開始減小。這是由于鉑電阻高于水銀和酒精對氣溫的靈敏度。溫度升高時,自動站的氣溫感應器先反映出來,而液體溫度表還有一定的滯后性,所以氣溫對比差值開始變大;溫度降低時,也是自動站的氣溫感應器先反映出來,而液體溫度表還沒來得及降低,二者的差值就逐漸降低。

圖3 人工與自動站氣溫對比差值日變化

3.2 氣溫對比差值月平均分析

3.2.1 氣溫對比差值月平均

圖4 人工與自動站氣溫對比差值月平均

對氣溫對比差值進行逐月平均得到圖4,從圖4可以更明顯的看到,月平均對比差值的變差范圍在-0.32℃--0.18℃。干季二者差值較小,而雨季差值相對較大,可達0.32℃。有較明顯的季節變化。

3.2.2 氣溫月對比差值上、下限分析

根據每日24個時次的對比差值,統計出每月出現的最大值和最小值,即每月氣溫對比差值的上、下限,如圖5所示。

圖5 人工與自動站月平均氣溫對比差值上下限

從圖4看到,上限變差范圍在0.6℃-2.6℃,下限變差范圍在-2.6℃--1.4℃,差值較大,尤其是變差下限全部＜-1.0℃。出現這種情況的原因與氣溫日對比差值上下限相同,因為圖中所用的值均是瞬時值。但可從圖中看到較為明顯的漸降趨勢。

3.2.3 最高、最低氣溫對比差值月平均比較

對日最高、日最低氣溫對比差值作逐月平均,如圖6所示。

圖6 人工與自動站最高最低氣溫對比差值月平均

由圖6看出,最高溫度對比差值月平均與最低溫度對比差值月平均基本呈反位相,原因有待進一步研究。

3.3 氣溫對比差值季平均分析

氣象上為了便于應用和比較,通常以陽歷的3、4、5月為春季;6、7、8月為夏季;9、10、11月為秋季;12月和次年1、2月為冬季[10]。將這兩年的數據劃分為春夏秋冬,其中春季為2007年 3、4、5月和2008年 3、4、5月,夏季為 2007年 6、7、8月和 2008年 6、7、8月 ,秋季為 2007年 9、10、11月和 2008年 9、10、11月 ,由于數據不多,故將2007年1、2月平均,以及2008年12月的月平均作為冬季資料。

圖7 人工與自動站氣溫對比差值季平均

由圖7可看出,氣溫對比差值季均值在2007-2008年有漸降的趨勢,對于兩年的四季而言,冬季-夏季差值變大,夏季-冬季差值變小;以及干季差值較小,雨季相對較大。2007年夏季的對比差值平均值為-0.30℃,而冬季為-0.22℃,2008年夏季為-0.29℃,冬季為-0.18℃,氣溫對比差值有明顯的季節變化。

圖1、圖4、圖7中出現了季節性變化,雨季的氣溫對比差值比干季的氣溫對比差值大。

3.4 晴天、陰天氣溫對比差值分析

為了更準確地分析人工與自動站觀測的差異,將兩年的數據根據總云量分為晴天和陰天,總云量在3成以下（包含3成）為晴天,總云量在8成以上（包含8成）為陰天。2007年共有晴天99天,陰天148天,2008年共有晴天87天,陰天150天。其中2007年陰天有降水的日數為119天,2008年陰天有降水的日數為126天。根據晴天、陰天的氣溫資料作對比差值,得到圖8、圖9。

圖8 晴天氣溫對比差值日平均

圖9 陰天氣溫對比差值日平均

由圖8、圖9看出,干季晴天出現較多,雨季陰天出現較多,這是干季和雨季的氣候特征所決定的。晴天氣溫對比差值范圍在-0.46℃--0.09℃,平均值為-0.31℃;陰天氣溫對比差值范圍在-0.41℃-0.02℃,平均值為-0.30℃。陰天氣溫對比差值范圍略大于晴天,這與陰天有降水有一定的關系,說明天氣現象對氣溫的觀測有一定影響。

根據陰天有無降水的數據,作圖10、11。對比圖9、10、11,發現氣溫對比差值的極值多出現于陰天有降水的情況下,說明降水對人工和自動站的氣溫觀測有影響。

圖10 陰天有降水氣溫對比差值日平均

圖11 陰天無降水氣溫對比差值日平均

4 結論

利用西昌站2007年1月-2008年12月基準觀測期間人工與自動站的氣溫觀測資料進行分析,得出以下結論:

（1）人工與自動站的氣溫相關系數都在0.98以上,全部通過顯著性水平為0.01的信度檢驗,說明自動站運行穩定,為其單軌運行的可靠性提供了依據。氣溫對比差值日平均范圍在-0.53℃-0.02℃,全部在正常范圍內;自動站觀測的氣溫值比人工觀測的氣溫值略偏高;對比差值日平均值有由大向小的漸降趨勢;有雨季和干季的季節波動。

（2）由氣溫對比差值上下限看出,氣溫瞬時值差值可能會很大,可達到2℃-3℃,原因是人工與自動站使用的觀測儀器的感應原理差異和觀測時間不同步造成的。

（3）日最高溫度的對比差值大于日最低溫度的對比差值,且日最高溫度對比差值出現異常值的天氣現象最多為露,原因是有露時,一般是晴天,溫度變化較為迅速,鉑電阻對溫度的感應靈敏度高于水銀,液體溫度表的滯后效應就更明顯,所以最高溫度的差值就相對比較大。

（4）氣溫對比差值有明顯的日變化,一般在夜間差值較小,白天差值較大,這是由于液體溫度表對溫度的感應靈敏度小于鉑電阻。陰天的氣溫對比差值略大于晴天,但總的波動范圍差別不大。

（5）氣溫對比差值的月平均和季平均分析看出,對比差值隨干季和雨季的變化,有明顯的波動。

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