自動(dòng)氣象站與人工站觀測結(jié)果差異及原因分析

鐘 超

（阿勒泰水文水資源勘測局 新疆 阿勒泰 836500）

人工觀測儀器在我國氣象觀測中使用的時(shí)間較長，而自動(dòng)站建立的時(shí)間較短，新疆目前采用自動(dòng)站進(jìn)行觀測的為數(shù)不多，但是采用自動(dòng)站進(jìn)行氣象觀測是發(fā)展的必然趨勢，所以自動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量如何控制、與人工站相比有何差異、人工站與自動(dòng)站轉(zhuǎn)型的過程中如何才能保證數(shù)據(jù)資料的完整性與連續(xù)性等問題必須引起人們的關(guān)注。由于各種原因，自動(dòng)站與人工站觀測數(shù)據(jù)存在一定差異是正常的，但是其差異超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須針對(duì)差異找出原因所在，以提高自動(dòng)站與人工站觀測記錄的準(zhǔn)確性。

1 基本資料

本文選取新疆同時(shí)擁有自動(dòng)觀測系統(tǒng)和人工觀測系統(tǒng)的19個(gè)測站2011年與2012年兩年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。為了把復(fù)雜問題簡單化，暫且將人工觀測數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，然后用同時(shí)刻、同站點(diǎn)的自動(dòng)觀測值減去人工觀測值，通過分析找出兩類觀測數(shù)據(jù)之間的誤差是否達(dá)到了氣象業(yè)務(wù)所允許的程度。文中所使用的自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)均進(jìn)行了定時(shí)自動(dòng)采集、傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)，以確保地面自動(dòng)氣象業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行和氣候資料的連續(xù)使用，并保證了自動(dòng)觀測資料與人工觀測資料的有機(jī)銜接。

2 觀測結(jié)果差異分析

2.1 氣溫

2.1.1 氣溫差異分布特點(diǎn)

從表1可以看出，2012年自動(dòng)觀測與人工觀測的年氣溫平均差比上年低0.08℃，2012年有10個(gè)月氣溫平均差值小于上年，這說明2012年自動(dòng)觀測氣溫結(jié)果更接近人工觀測值，這與自動(dòng)站運(yùn)行一段時(shí)間后，儀器趨于穩(wěn)定有很大關(guān)系。

2.1.2 資料處理

按照《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，人工觀測數(shù)據(jù)與自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的氣溫差值應(yīng)該＜1.0℃，也即人工觀測數(shù)據(jù)與自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的氣溫誤差如果不超過1.0℃的話，無需進(jìn)行差異訂正。為了進(jìn)行詳細(xì)分析，需要將各月“某日自動(dòng)觀測最高（低）氣溫-該日人工觀測最高（低）氣溫≥1.0℃”的天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

據(jù)上表，2011年和2012年內(nèi)，每月不正常記錄均未超過6d，完全符合《地面氣象觀測規(guī)范》要求，這說明自動(dòng)觀測和人工觀測數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性，而且通過分析“各日自動(dòng)觀測最高（低）氣溫-該日人工觀測最高（低）氣溫”的差值，可以確定各月最高最低氣溫的最大差值范圍。經(jīng)分析，各月自動(dòng)觀測的最高最低氣溫均高于人工觀測結(jié)果。

表1 新疆某測站自動(dòng)觀測與人工觀測的氣溫平均差表 單位：℃

表2 測站“自動(dòng)觀測最高（低）氣溫-人工觀測最高（低）氣溫≥1.0℃”的天數(shù)表 單位：天

2.2 降水量

2.2.1 降水量差異分布特點(diǎn)

在進(jìn)行降水量觀測時(shí)，一般以20:00作為界限，所以20:00既可以是某日觀測的結(jié)束時(shí)間，也可以是下一日觀測的開始時(shí)間。人工觀測一般在正點(diǎn)前15min內(nèi)進(jìn)行，自動(dòng)觀測是在正點(diǎn)時(shí)采樣。從下表可以看出，這種時(shí)間上的差異對(duì)降雨量觀測值影響不大。

2.2.2 資料處理

（1）降水量的百分誤差

降水量的百分誤差用來表示人工觀測值與自動(dòng)觀測值之間的誤差，主要是由于兩種觀測體制的差異、儀器精度不夠等原因引起。按照《地面氣象觀測規(guī)范》的規(guī)定，降水量百分誤差應(yīng)保持在5%以內(nèi)。

（2）缺測率

缺測率用來反應(yīng)所研究測站的資料完整程度。缺測率越高，則資料完整程度越差。

為了對(duì)兩類觀測數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行分析，表4統(tǒng)計(jì)了降水量的缺測率與百分誤差，可以看出，各測站缺測率均為0，說明降水資料較完整，有部分分布在高原地區(qū)的測站降水百分誤差超過8%，其他測站降水誤差在允許范圍內(nèi)。

從總體上來看，自動(dòng)站與人工站降水量的差異比氣溫差異要大，主要是由于自動(dòng)站與人工站兩種儀器的差異及時(shí)間差異所造成。

3 產(chǎn)生差異的原因分析

3.1 設(shè)備差別影響

目前新疆人工站采用的是EL型風(fēng)向風(fēng)速計(jì)，風(fēng)記錄器則采用EL或EN型。眾所周知，EL系列機(jī)械存在很多缺陷，最為突出的如部件多、精度差，在測風(fēng)原理下，完全根據(jù)電流大小計(jì)算風(fēng)速。而自動(dòng)站風(fēng)速傳感器由于其構(gòu)造不同，觀測精度較高。綜上所述，人工觀測與自動(dòng)站的儀器感應(yīng)元件、測量原理、數(shù)據(jù)采樣方式、精度等方面存在很大差異，這必然會(huì)造成觀測結(jié)果差異，對(duì)于人工測站，觀測數(shù)據(jù)是瞬時(shí)的；而自動(dòng)測站各類氣象要素是1min進(jìn)行6次采樣，去掉其中的最大值和最小值之后計(jì)算剩下的4次觀測數(shù)值的平均值。但是當(dāng)偶爾誤差超過1.0m/s的話是無須處理的。

與自動(dòng)測站所采用的設(shè)備儀器不同，普通雨量器由于其容器會(huì)吸附降雨，產(chǎn)生濕潤誤差。濕潤誤差的大小可以用下述公式判斷：

式中，Δpω表示潤濕誤差的大小（mm）；

C1、C2表示在一次降雨量觀測過程中承雨器與儲(chǔ)水瓶的濕潤誤差（mm）；

n為濕潤次數(shù)。

濕潤誤差的正常取值范圍在0.05mm～0.3mm。雨量器內(nèi)壁越光滑、口徑越小、濕潤誤差便越小。

3.2 時(shí)間差影響

例如觀察風(fēng)速這個(gè)氣象要素時(shí)，在2min風(fēng)速觀測中，一般沒有人會(huì)整整進(jìn)行長達(dá)2min的觀測，所以人工站風(fēng)速的觀測為估計(jì)值。即使真正進(jìn)行觀測，由于個(gè)人因素的不同，其觀測值也會(huì)存在或多或少誤差。相反，自動(dòng)站對(duì)風(fēng)速的觀測是通過采集器讀取，故而較為真實(shí)。

3.3 特殊氣象現(xiàn)象的影響

在出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的情況下，各種氣象要素變化很突然，人工站與自動(dòng)站的觀測時(shí)間一般相差不到5min，在這短短幾分鐘內(nèi)，突變的氣象因素定會(huì)導(dǎo)致人工站與自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)的不一致。這種不一致是對(duì)氣象現(xiàn)象的真實(shí)反映，無須進(jìn)行記錄處理。

4 結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)致自動(dòng)觀測記錄與人工觀測記錄差異的因素有很多，例如誤讀或輸入錯(cuò)誤、天氣因素的影響、參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤等會(huì)導(dǎo)致氣壓差值≥0.8hPa；設(shè)備日常維護(hù)不當(dāng)不規(guī)范或損壞、時(shí)間擦痕、儀器故障等原因會(huì)造成溫度差值≥1.0；時(shí)間差和儀器故障會(huì)引起風(fēng)速差值≥1.0m/s等等，造成這些差異的原因主要是儀器故障。除此之外，其余絕大多數(shù)差異都是合理的，是由于兩種觀測體制的不同所造成。

表3 兩次降雨過程人工與自動(dòng)觀測降雨量及相對(duì)差值

表4 降水量資料質(zhì)量評(píng)估表

4.1 儀器故障的解決

在檢驗(yàn)儀器故障時(shí)，應(yīng)按照先人工后自動(dòng)的順序，最先檢查水銀氣壓表的情況，看其是否出現(xiàn)物理損壞；而后檢查氣壓傳感器，傳感器可能會(huì)由于各種原因通風(fēng)不暢，造成兩種氣象站觀測數(shù)據(jù)差異過大。當(dāng)然必須做好日常的維護(hù)與清理工作，使故障防患于未然。

4.2 兩種觀測體制的銜接

鑒于上述對(duì)差異原因的分析，我們可以對(duì)今后的工作做出這樣的設(shè)想，將儀器變更因素考慮進(jìn)去，并將長序列時(shí)間資料進(jìn)行訂正和均一性檢驗(yàn)之后，自動(dòng)站與人工站的觀測資料是可以銜接起來使用的，當(dāng)然在此問題上，我們還需要更進(jìn)一步深入研究，以期實(shí)現(xiàn)兩種觀測模式的銜接。※

[1]孟茹.自動(dòng)氣象站和人工氣象站氣溫差異特征分析[J].陜西氣象，2006（03）.

[2]游泳,王曉蘭.四川省自動(dòng)氣象站與人工站觀測數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].四川氣象,2007（03）.

[3]宋軍,高磊,王秀萍,等.大連自動(dòng)站與人工站觀測數(shù)據(jù)的差異對(duì)比分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009（01）.

[4]尼瑪美多.地面氣象觀測人工站與自動(dòng)站記錄差異淺析[J].西藏科技,2010（03）.