懷化自動氣象站與人工觀測氣象要素對比分析

楊 云, 楊曉蕊, 王曉波, 李 俊

(湖南省懷化市鶴城區(qū)氣象局,湖南鶴城418000)

0 引言

懷化市局觀測站從2004年開始使用ZQZ-CⅡ型自動氣象站,2005～2006年為自動站人工站并軌運行階段,2007年起實行自動氣象站業(yè)務(wù)單軌運行。單軌運行后只在20時進行人工定時觀測,ZQZ-CII型自動氣象站投入懷化市業(yè)務(wù)運行7年多以來,有效地提高了觀測效率和觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準確性,但它與人工觀測站資料存在著一定的差異。通過對單軌后2009年至2010年20時的氣壓、風向風速、溫度、濕度、地溫等資料進行統(tǒng)計對比分析,通過不斷的完善儀器性能,充分發(fā)揮自動觀測儀器的客觀定量的優(yōu)點,有利于自動站設(shè)備性能的充分發(fā)揮,對于了解自動站測量數(shù)據(jù)的準確性,提高氣象要素氣候系列的連續(xù)性以及氣候統(tǒng)計的可靠性有著重要作用。

1 資料來源與處理

1.1 資料來源

資料取自2009年1月至2010年12月懷化市局觀測站自動氣象站與人工觀測的20時定時氣壓、風向風速、溫度、濕度、地溫要素值。其中,自動站觀測數(shù)據(jù)為正點時刻觀測要素值,人工觀測溫度、濕度、地溫為正點前15min內(nèi)的觀測值、氣壓為接近正點的觀測值。

1.2 資料處理

根據(jù)氣象資料對比觀測期間監(jiān)測資料評估技術(shù)辦法,對照人工觀測數(shù)據(jù),計算對比觀測期間每月20時定時氣壓、溫度、濕度、地溫、淺層地溫等要素值的對比差值和一致率。

1.2.1 對比差值

對比差值Xi=Ai-Ui,其中Ai和Ui分別為第i次自動站和人工站觀測值。對比差值的月平均值：

上式中n為觀測次數(shù)。對比差值直接反映了自動站和人工站之間的相對偏差。

1.2.2 一致率

一致率是反映自動站與人工站觀測記錄相一致的程度。對比差值小于其平均值標準差2倍的次數(shù)與有效總次數(shù)的比值為一致率。

1.2.3 風向記錄分析方法

自動站所測風向?qū)?yīng)表1中所給范圍時,即認為兩者相符(人工觀測風速大于等于2m/s)。

表1 人工觀測與自動站風向?qū)?yīng)范圍

1.3 資料處理結(jié)果

通過對2009～2010年逐月的20時定時氣壓、溫度、濕度、地溫、淺層地溫等要素對比差值、一致率進行統(tǒng)計分析計算,得到懷化觀測站2009～2010年對比綜合分析結(jié)果如表2所示。

表2 懷化觀測站2009～2010年對比綜合分析表

2 結(jié)果分析

2.1 本站氣壓

由表2統(tǒng)計結(jié)果表明,自動站的氣壓均比人工站高,氣壓差值為0.1～0.5hPa,平均差值0.3hPa,差值最高達0.7hPa。導致上述差異的主要原因：(1)自動站與人工站觀測儀器的工作原理不同,造成系統(tǒng)性偏差;(2)采集的方法不同,人工站用動槽式水銀氣壓表,自動站用電測氣壓傳感器;(3)采集的時間不同,人工站觀測時間是接近正點,自動站是正點前1分鐘滑動平均值;(4)人工觀測的視差,自動站采集器故障等都是造成誤差的原因。

2.2 風向

自動站與人工站風向相符率分別為58.01%、55.25%,均低于評估參考標準值70%。其主要原因是由于自動站風塔和人工站風塔高度不一致造成的(自動站風塔高度為10.2m,人工站風塔高度為7.0m,且人工站風塔位于值班室樓頂,也是造成差異較大的原因之一)。此外,自動站風向風速儀采用低慣性輕金屬的風傳感器,其啟動風速僅為0.3m/s,具有慣性小、啟動快、感應(yīng)靈敏的特點;而人工站風速傳感器慣性大、啟動慢、不靈敏,啟動風速可達1.5m/s,這是造成兩者數(shù)據(jù)相差較大的原因。

2.3 氣溫

除2010年1月、2月自動站氣溫比人工觀測值略偏高以外,其余月份均偏低,氣溫差值為0.1℃～0.3℃,平均差值0.2℃。符合自動站資料評估允許的0.2℃的標準。一致率符合“對比觀測期間監(jiān)測資料評估技術(shù)方法”評估標準。說明自動站氣溫傳感器運行穩(wěn)定可靠。

2.4 相對濕度

自動站相對濕度均比人工觀測值低,相對濕度差值為3～7%,平均差值4%,差值最高達10%。自動站與人工觀測比較偏差偏大,這與自動站濕敏電容測濕原理是相一致的,在高濕時自動站濕敏電容觀測誤差較大,尤其是長時間在高溫高濕環(huán)境中使用,誤差更大。自動站與人工站濕度存在差異的主要原因：(1)儀器測量原理不同,人工站用干濕球溫度表間接測定濕度,濕球紗布及其表面狀況難以始終保持一致,自動站是介電層直接吸收空氣中的水分后影響電容量后測定;(2)儀器安裝環(huán)境不同;(3)人工觀測產(chǎn)生的隨機誤差。

2.5 地面溫度

自動站地溫與人工觀測值差值的正負變化無明顯變化規(guī)律,但差值為正的幅度明顯大于差值為負的幅度,地溫差值為0.1～0.6℃,平均差值0.3℃,差值最高達1.2℃。自動站與人工觀測地溫存在差異的主要原因：(1)儀器測量原理不同,人工觀測用玻璃液體溫度表測定,而自動觀測地溫使用鉑電阻溫度傳感器測量;(2)土壤各處比熱不同,所以同樣的熱量、不同的地塊,溫度升值不同,在地面溫度突變時,地溫表的滯后性會影響溫度示值;(3)人工觀測產(chǎn)生的隨機誤差;(4)自動站為00分的數(shù)據(jù)采樣,人工站則為45分觀測值,在這一時段內(nèi)不僅受氣溫日變化的影響外,還受到天氣變化的影響,導致人工觀測地溫和自動站測量地溫的差異。

3 結(jié)論與討論

綜上分析結(jié)果表明,兩種觀測值存在一定的差異,究其原因,主要有以下幾個方面：

(1)儀器原理差異：自動氣象站中使用的氣象傳感器與人工觀測用的儀器在原理上是不同的。自動站采集的數(shù)據(jù)為每分鐘的平均值,每1次測量值均為多個觀測樣本的平均值;而人工站只是由觀測員觀測瞬時值,因此自動站與人工站記錄值采集方式和算法均有不同程度差異。

(2)時次差異：地面氣象測報規(guī)范要求人工觀測在觀測時次的45～60分鐘完成氣溫、濕度、降水、風、氣壓、地溫的觀測,而自動站是在00～01分鐘內(nèi)按一定的順序瞬間完成各項目觀測的。一般而言,氣象要素隨時間的變率越大則自動站與人工觀測數(shù)據(jù)間的差異越大。

(3)觀測環(huán)境和方式造成的差異：自動站和人工觀測一般處于同一觀測場,而且兩者在有些項目的觀測環(huán)境存在差異的,所以造成觀測數(shù)據(jù)存在差異。人工站冬季氣壓觀測數(shù)據(jù)受到室內(nèi)供暖的影響,氣溫表讀數(shù)時受人體溫度的影響,濕球紗布的清潔度對濕度計算也有影響,從而使觀測環(huán)境對人工觀測的數(shù)據(jù)有一定的影響。

(4)由于懷化站已經(jīng)進入以自動站為主階段,人工站只有在20時才進行觀測,兩種觀測方式每日只有1次對比值,因此未能進行每日4次定時觀測的對比,這是造成對比差值、一致率、風向相符率誤差較大的原因。

4 結(jié)束語

懷化站在自動氣象站正式投入業(yè)務(wù)運行后,對自動觀測資料進行了嚴格的質(zhì)量控制,使得正式運行后的自動觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量比平行觀測期間有了很大的提高,由于自動站觀測資料序列比較短,僅是對這方面的初步分析,從而找出懷化站各氣象要素差異性的原因,同時,隨著觀測序列的延長,還需要進行更加深入的分析,探討自動觀測與人工觀測產(chǎn)生差異的原因。所以,質(zhì)量控制和評估對于保證自動觀測資料的質(zhì)量有著重要作用。

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