杭州地區(qū)自動和人工觀測資料差異特征分析評估

黃立丹王俊驕朱耀福董 哲

1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310015 2.建德市氣象局，浙江 建德 311600

杭州地區(qū)自動和人工觀測資料差異特征分析評估

黃立丹1王俊驕1朱耀福1董 哲2

1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310015 2.建德市氣象局，浙江 建德 311600

隨著我國大氣探測現(xiàn)代化水平的不斷提高，自動氣象站日趨完善，浙江省杭州地區(qū)地面觀測于2003年1月1日起啟用自動站，2005年實行單軌業(yè)務(wù)運行至今已有7年，有效地提高了觀測效率和觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準確性, 但它與人工觀測時間和儀器存在一定的差異導致與人工觀測站資料存在著一定的差異。因此, 通過統(tǒng)計對比分析, 找出它們之間的相互關(guān)系, 使自動氣象站資料和人工觀測站資料更好地銜接。本文從氣候?qū)W角度, 運用國家氣象局統(tǒng)一下發(fā)的《自動觀測和人工觀測資料對比評估方案》對自動和人工觀測的氣溫、相對濕度、降水和風等四大氣象要素差異特征進行評估分析, 檢驗全市7個國家觀測站的氣溫、相對濕度、降水和風等四大氣象要素自動替換人工觀測后對歷史資料序列連續(xù)性的客觀定量影響情況，對提高杭州地區(qū)氣象要素氣候系列連續(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

比對評估數(shù)據(jù)來源為全市7個國家級臺站地面觀測資料，其中基準站1個，基本站2個，一般站4個。

杭州地區(qū)于2003年1月啟用自動站，2003.1～2004.12為平行觀測對比期，其中2003.1～2003.12以人工站觀測為主，自動觀測為輔；2004.1～2004.12以自動觀測為主，人工觀測為輔。 本文對比評估的數(shù)據(jù)源為各站審核后的A文件、A0文件、A6文件、V0文件等。比對評估所需數(shù)據(jù)的時間段為：

（1）自動站數(shù)據(jù)文件的起止時間均為2004.1～2004.12， 02: 00、08: 00、14: 00、20: 00 (北京時: 下同)相應(yīng)要素。

（2）人工站數(shù)據(jù)文件為1991.1～2003.12間的A1（基準站）文件和A0（基本站和一般站）文件中，02: 00、08: 00、14: 00、20: 00的相應(yīng)要素。

1.2 資料處理

平均值為02: 00、08: 00、14: 00、20: 00觀測值的平均, 差值為自動觀測值減人工觀測值。

1.3 使用儀器

我市自動站采用的觀測儀器總體上可分兩種類型，杭州基準站使用的是華創(chuàng)CAWS600SE系列的儀器，其余各站使用的均是無錫ZQZ-CII系列的儀器。壓、溫、濕、風、雨量等傳感器型號，具體見下表1。

表1 杭州市各臺站自動站傳感器型號表

2 要素及對比分析項目

2.1 要素

本文比對分析評估的要素有：（1）氣溫：日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫；（2）相對濕度：日平均相對濕度；（3）風：2分鐘的日平均風速、10分鐘日最大風速。（4）雨量：日降水總量。

2.2 對比分析項目

本文比對分析評估的項目為對比差值、差值平均值、差值標準差、雨量累計相對差值、風向相符率、自動與人工觀測數(shù)據(jù)差異的顯著性檢驗。其中（1）日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速、日最大風速分別參加各月差值平均值、對比期差值平均值和差值標準差的分析；（2）雨量僅進行對比期累計相對差值的統(tǒng)計；（3）定時觀測的10分鐘風向進行對比期相符率統(tǒng)計；（4）參加對比差值分析的為《地面氣象月報表數(shù)據(jù)文件查詢軟件》統(tǒng)計的下列要素項目的月值和年值：平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速、最大風速；（5）平行觀測期第2年的要素數(shù)據(jù)進行月平均值和年平均值的顯著性檢驗，具體要素有：平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均相對濕度、平均風速、最大風速。

3 對比分析評估主要內(nèi)容

3.1 差值平均值分析評估

3.1.1 對比差值和差值平均值的計算

設(shè)Ui為第i 次自動站觀測值，Ai為第i次人工觀測值，則第i 次的對比差值為：

設(shè)兩種觀測儀器數(shù)據(jù)的觀測次數(shù)均為n， 則對比差值的平均值為：

3.1.2 全市差值平均值平均狀況

分析2004.1～2004.12對比期間我市的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速、日最大風速等共6個要素的對比期差值平均值，對比期平均差值通過自動觀測值減去人工觀測值的差值日平均值對比差值求平均而得，具體見表2。

表2 全市2004.1～2004.12各臺站各要素對比期差值平均值表

對對比分析評估來說，差值平均值越小越好。從上表2中可知，全市平均來看自動觀測值小于人工觀測值的有日平均氣溫和日平均相對濕度二個要素，自動觀測值大于人工觀測值的有日最高和最低氣溫、日平均風速和日最大風速四個要素。對氣溫來說，氣溫的日平均自動觀測小于人工觀測，但其極值卻相反。其中最低氣溫的差值大于最高氣溫的差值，說明自動測量的最低極值序列偏向于低值方向，即說明對極值的測量自動觀測方式更易于突破最低氣溫歷史極值記錄，但不易突破最高氣溫歷史極值記錄。對風速來說，由于日平均風速是2分鐘的平均值，而日最大風速是10分鐘的平均值，所以兩者不能直接相比較只能說明自動觀測值大于人工觀測值，且自動觀測更易突破風速歷史極值。對相對濕度來說，自動觀測值小于人工觀測值，與實際業(yè)務(wù)觀測中是相符的。其中日平均相對濕度的差值平均值絕對值是最大的，達到了3.59，表明自動與人工兩種觀測方式的真值距離最遠。其次是日最大風速，達到了0.35。差值平均值最小的是日最高氣溫和日平均氣溫，說明兩種觀測方式的真值最接近。

3.1.3 差值平均值空間分布特征及原因

全市各臺站各要素對比期差值平均值空間分布特征見下表3和圖1。

表3 全市2004.1～2004.12各臺站各要素對比期差值平均值分布表

圖1 全市各要素對比期差值平均值的空間分布圖

從全市各要素對比期差值平均值的空間分布表和圖中，對分布特征及特征原因分析如下：從全市差值平均值絕對值來看并無明顯的特殊原因，分析引起差異的主要方面有（1）是儀器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、性能之間存在不同，如杭州站采用的華創(chuàng)CAWS600SE系列的傳感器，除了日最高氣溫和日最低氣溫外其余各要素自動觀測值與人工觀測值的差值較小，而其它站均為無錫ZQZ-CII系列的傳感器，差值相對較大。（2）是測量時間上不同步，對平均風速和最大風速等會有較大影響。（3）是儀器本身出現(xiàn)不明顯的故障時，不易及時發(fā)現(xiàn)，從而影響數(shù)據(jù)，如蕭山站在所有Ⅱ型自動站設(shè)備中，各要素差值基本超過全地區(qū)平均值，尤其是日最高氣溫、相對濕度、平均和最大風速。（4）是場地環(huán)境導致的差異，如淳安站可能是受千島湖小氣候影響，日平均風速和日最大風速差值較大，其余各要素差值均較小；又如富陽站除了日平均相對濕度差值較大外，其余各要素差值均較小。

3.2 差值標準差評估分析

3.2.1 差值標準差的計算 對比差值的標準差σ為：

3.2.2 全市差值標準差平均狀況

對對比分析評估而言，差值標準差越小越好。從表4中可知，全市平均來看日平均風速的差值標準差最大，達到了0.44，表明其離散程度最嚴重。差值標準差最小的是日平均氣溫和日最低氣溫，說明其最聚集，波動最小。對氣溫而言日平均的標準差小于極值，說明自動與人工兩種測量方式對日值的測量相較極值測量更為一致，換言之即對極值的測量其離散程度更嚴重一些，且最高氣溫的離散程度比最低氣溫大。從要素的物理性質(zhì)來說，說明風速的瞬間變化幅度能力要強于氣溫。注意上述表3中差值平均值與表4中差值標準差并不呈現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系，因為前者是真值的一個近似，而后者描述的是其離散程度。

表4 全市2004.1～2004.12各臺站和要素對比期差值標準差表

3.2.3 差值標準差空間分布特征

從全市各要素對比期差值標準差的空間分布表5和圖2中，對分布特征及特征原因分析如下：1）臺站的日平均風速離散程度最嚴重，這可能是觀測時間的不同步造成，人工站一般在正點前52-54分左右，而自動站采集的是正點前58-00分的資料。2）是地域差異造成。如杭州站和淳安站最大風速其離散程度最嚴重，尤其是杭州站，當瞬間風速較大時，一般在大于17米/秒時，人工站風速大于自動站。又如臨安和淳安可能是地域差異造成最高氣溫離散程度的嚴重。

表5 全市2004.1～2004.12各臺站對比期差值標準差空間分布表

圖2 全市各要素對比期差值標準差的空間分布圖

3.2.4 全市各臺站各要素差值平均值頻率分布特征圖

全市7個自動站，對比期2004.1～2004.12的日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、日平均相對濕度、日平均風速和日最大風速等各要素總頻次（站次）均為2562次，具體各要素差值平均值頻率（站次）分布圖見圖3至圖8。

圖3 日平均氣溫對比差值頻率圖

圖4 日最低氣溫對比差值頻率圖

圖5 日最高氣溫對比差值頻率圖

圖6 日相對濕度對比差值頻率圖

圖7 日平均風速對比差值頻率圖

圖8 日最大風速對比差值頻率圖

3.3 雨量相對差值分析

從全市平均狀況分析2004.1～2004.12期間所有站的累計雨量相對差值具體計算值可見一下表6。

表6 2004.1～2004.12對比期累計雨量相對差值表

從上表6中可知，全市各站累計雨量相對差值平均為1.78%(除臨安外)，說明總體來說自動觀測到的降水量略大于人工觀測到的降水量。其中最大的臨安站達到13.7%，說明臨安站兩種測量方式差異較為顯著，自動測得的雨量明顯偏多。而差值最小的杭州站只有0.60%，說明杭州站兩種測量方式相符的較好。

3.4 風向相符率分析

只有自動站觀測風速大于0.2m/s時，才參入統(tǒng)計風向相符率。

自動與人工儀器所測風向?qū)?yīng)附表1中所給范圍時，即認為兩者相符。全市平均狀況分析2004.1～2004.12期間所有站的風向相符率的平均狀況可見下表7。

表7 2004.1～2004.12對比期風向相符率表

從上表中可知，全市各站平均風向相符率為64.7%，最大的富陽站達到77.0%，最小的淳安站為57.5%，說明各站之間的差異較大。除了測量儀器（如啟動風速偏大等）以外，風向受觀測場地的環(huán)境影響也較大，障礙物的高度、方位等會影響風向的測量。風向相符率偏小，分析可能原因是（1）是測量時間上不同步。（2）是儀器啟動風速偏大。

4 自動與人工觀測的月和年平均氣溫等6要素顯著水平檢驗(t檢驗)

以1991.1-2003.12期間我市所有站的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月平均相對濕度、月平均風速、月最大風速等6個人工觀測要素數(shù)據(jù)為檢驗序列，對2004.1～2004.12期間的自動觀測要素數(shù)據(jù)的被檢驗序列進行顯著性檢驗，當顯著水平a絕對值超過5%時認為存在顯著差異。

在顯著水平a為5%（1%），自由度為n時，當|t|>ta，則表示平均值x0與其他年份平均值差異顯著。（ta取值見附表2）。

從檢驗結(jié)果分析，杭州地區(qū)各臺站各月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均風速、最大風速等5個要素的月平均及年平均均通過顯著性水平為0.05的顯著性檢驗，說明2004.1～2004.12期間以上5個要素自動和人工觀測的各月平均和年平均數(shù)據(jù)無顯著性差異，而除淳安站月和年平均相對濕度通過顯著性水平為0.05的檢驗外，其余各站月和年平均相對濕度通過率均未達100%，其中富陽站通過率只有41.67%，其次是臨安站為66.67%，說明2004.1～2004.12期間除淳安站外全市各臺站的月和年平均相對數(shù)據(jù)差異較為顯著，可見下表8和表9。

表8 杭州各臺站各月各要素值顯著性檢驗通過比率（T0.05（13）=2.16）

表9 杭州各臺站各要素年平均值顯著性檢驗（T0.05（13）=2.16）

5 原因分析

對杭州地區(qū)7個各站對比期差值平均值絕對值最大站的分析表明，其除了儀器故障外并無十分明顯的特殊原因，分析引起差異的主要方面有（1）是儀器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、性能之間存在不同。（2）是測量時間上不同步，如風人工觀測一般在正點前6-4分鐘進行，而自動站則為正點前2-10分鐘進行（平均風速為2分鐘，最大風速為10分鐘），雨量人工為正點前15-10分鐘觀測，而自動站為正點進行，故對風和雨量會有較大影響。（3）是儀器本身出現(xiàn)不明顯的故障時，不易及時發(fā)現(xiàn)，從而影響數(shù)據(jù)。（4）是場地環(huán)境導致的差異，當某個方位有特定的障礙物時（如圍邊的樹等）會有影響。另雨量存在差異除了儀器故障外主要還有以下幾個方面：（1）是冬季固態(tài)降水時因缺測而使總量減少，但人工站仍可以用稱量法取得降水，如臨安站由于冬季固態(tài)降水比其它站出現(xiàn)的頻次高，故雨量相對差值較大。（2）是雨強很大時，延遲與堵塞會使自動與人工之間出現(xiàn)較大差異。

6 評估結(jié)論

就杭州地區(qū)2004.1～2004.12期間7個站的評估分析情況來看，全市平均值主要有以下幾點結(jié)論：（1）日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風速、日最大風速四個要素全市平均來說自動觀測值大于人工觀測值。日平均氣溫和日平均相對濕度二個要素全市平均來說自動觀測值小于人工觀測值。其中日平均相對濕度的差值平均值是最大的，達到了3.59，表明自動與人工兩種觀測方式的真值距離最遠。其次是日最大風速，達到了0.35。差值平均值最小的是日最高氣溫和日平均氣溫，說明兩種觀測方式的真值最接近。（2）對氣溫來說，氣溫的日平均自動觀測小于人工觀測，但其極值卻相反。其中最低氣溫的差值大于最高氣溫的差值，說明自動測量的極值序列偏向于低值方向，即說明對極值的測量自動觀測方式更易于突破最低氣溫歷史極值記錄，但不易突破最高氣溫歷史極值記錄。（3）對風速來說，由于日平均風速是2分鐘的平均值，而日最大風速是10分鐘的平均值，所以兩者不能直接相比較，只能說自動觀測值大于人工觀測值，且自動觀測更易突破風速歷史極值。（4）對相對濕度來說，自動觀測值小于人工觀測值，與實際業(yè)務(wù)觀測中自動站濕度傳感器在長時間處于高濕狀態(tài)時不易下降的經(jīng)驗是相符的。（5）離散程度最嚴重的是日平均風速，其差值標準差達到了0.44。差值標準差最小的是日平均氣溫，說明其最聚集，波動最小。對氣溫來說，日平均的標準差小于極值，即對極值的測量其離散程度更嚴重一些，且最高氣溫的離散程度比最低氣溫大。（6）對雨量來說，全市各站累計雨量相對差值平均為1.78%(不包括臨安站)，說明總體來說自動觀測到的降水量略小于人工觀測到的降水量。其中最大的臨安站達到13.70%，說明自動測得的雨量明顯偏小，據(jù)分析和了解為儀器故障和固態(tài)降水所至。（7）對風向來說，全市各站平均風向相符率為64.7%，最大的達到77.0%，最小的為57.5%，說明各站之間的差異很大。除了測量儀器以外，風向受觀測場地的環(huán)境影響也較大，障礙物的高度、方位等會影響風向的測量，且測量時間上也存在差異。

7 建議

根據(jù)上述評估分析情況，建議為：（1）加強儀器的檢定和維護，儀器原因造成的偏差若非十分明顯，臺站往往不易發(fā)現(xiàn)，或持續(xù)較長時間以后才能發(fā)現(xiàn)，以致影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。（2）自動與人工兩種觀測數(shù)據(jù)之間存在差異是必然的，建議每月給出一張月平均值的差異表（目前我市各臺站仍在制作和上報），超出時可以聯(lián)系檢定部門及時檢查，以便能較早發(fā)現(xiàn)儀器偏差。（3）若取消人工觀測，最好給自動站安裝三探頭感應(yīng)器或三套儀器同時觀測，才能在確保觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時真正解放測報人員勞動力。

附表1 自動與人工儀器所測風向?qū)?yīng)范圍表

附表2 顯著水平為a，自由度為n時的t檢驗臨界值ta

[1]中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范[M]. 北京:氣象出版社, 2003.

[2]浙江省自動觀測和人工觀測資料對比評估報告

[3]注：上文圖中的差值和差值標準差除平均相對濕度外，其它5要素均為擴大10倍繪制

The Analysis and Evaluation of Different Characteristics of Automatic Station and Artificial Station Observation Data of Hangzhou Area

Huang Lidan1, Wang Junjiao1, Zhu Yaofu1, Dong Zhe2
1.Hangzhou Meteorological Bureau ,Hangzhou 310015; 2.Jiande Meteorological Bureau, Jiande 311600

本文利用2004.1-12全市7個國家人工站和自動站觀測資料，通過對比差值、差值平均值、差值標準差、雨量累計相對差值、風向相符率、數(shù)據(jù)差異的顯著性檢驗等方法，分析自動代替人工觀測后，氣溫、相對濕度、風和降水等四大要素的時間和空間差異情況。結(jié)果表明, 全市的日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風速、日最大風速等四個要素的自動觀測值大于人工觀測值；日平均氣溫和日平均相對濕度二個要素的自動觀測值小于人工觀測值。

自動；人工；資料；分析

According to the observational data from seven national artificial and automatic stations in 2004, this article analyses time and space disparities of four factors, temperature, relative humidity, wind and precipitation, after automatic station replaced artificial station by contrasting difference value, mean value of difference value, standard deviation of difference value, relative difference value of accumulated rainfall, wind direction consistent rate and significance tests of the data difference. The research result reveals that, on the whole, the automatic observed value of the daily maximum temperature，the daily minimum temperature, the average daily wind speed, and the daily maximum wind speed are greater than their artificial observed value; the automatic observed value of the average daily temperature and the average daily relative humidity are less than their artificial observed value.

automatic station；artificial station; observational data; analysis and evaluation

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.008