自動氣象站淺層地溫異常數(shù)據(jù)分析及處理方法

黃曼貞

（南寧市武鳴區(qū)氣象局，南寧 530100）

0 引言

自動氣象站作為一種先進的地面遙測設(shè)備，使得氣象數(shù)據(jù)的采集更加方便，其不僅在提高觀測的準(zhǔn)確性和精度方面有很大優(yōu)點，而且能大大減輕業(yè)務(wù)人員的工作量，提高工作效率［1-6］。目前廣西乃是全國，臺站安裝的自動氣象站每使用期滿兩年，都要進行超檢儀器撤換，在重新安裝淺層地溫傳感器期間，都要翻松儀器安裝地點的土壤，導(dǎo)致土壤的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，造成地溫記錄失真。如果不對失真記錄進行處理，就會影響觀測記錄的代表性、準(zhǔn)確性，也影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。然而，對于采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不明顯異常，系統(tǒng)無法識別疑誤，致使長時間數(shù)據(jù)異常不容易被發(fā)現(xiàn)，只有通過人工對比和綜合分析，才能及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并解決［7-10］。即使目前新型自動氣象站都已實現(xiàn)雙套運行，一套現(xiàn)用站，一套備份站，在現(xiàn)用站儀器出現(xiàn)故障造成數(shù)據(jù)異常或缺測時，可以很快地用備份站數(shù)據(jù)代替。但是，在不確定備份站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性的情況下，采用合理且可靠的數(shù)據(jù)分析方法來分析現(xiàn)用站數(shù)據(jù)的正確與否顯得尤為關(guān)鍵。然而，目前對淺層地溫異常數(shù)據(jù)分析判別方法鮮有文獻提及。

本文對南寧市武鳴區(qū)自動氣象站的一次重新安裝0cm地溫、5～20cm淺層地溫傳感器后，出現(xiàn)的淺層地溫數(shù)據(jù)異常進行分析探討，為新型自動站類似的異常數(shù)據(jù)判斷和處理提供借鑒。

1 儀器安裝后對比觀測結(jié)果

目前廣西乃是全國，新型自動氣象站都已實現(xiàn)雙套運行，一套現(xiàn)用站，一套備份站，當(dāng)現(xiàn)用站儀器出現(xiàn)故障造成數(shù)據(jù)異常或缺測時，可以很快地用備份站數(shù)據(jù)代替。但仍需及時找出儀器故障造成數(shù)據(jù)異常或缺測的原因，才能排除故障，恢復(fù)設(shè)備正常運行。

2017年10月3日8時13分至8時40分，武鳴站重新安裝淺層地溫傳感器。安裝完畢，9時起開始進行新型自動站現(xiàn)用站0cm地溫及5～20cm淺層地面溫度的觀測，同時進行備份站同一時段同一氣象要素的數(shù)據(jù)對比觀測，經(jīng)過兩站同時段同步進行對比觀測，得出的結(jié)論是：從安裝新型自動站現(xiàn)用站0cm地溫、5～20cm淺層地溫傳感器的時次起，該傳感器持續(xù)4～5個小時的數(shù)據(jù)異常。

2 異常數(shù)據(jù)分析方法

2.1 找出安裝前后氣象要素相似日

《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定［11］，當(dāng)自動站自動觀測儀器失靈、計算機故障或人為操作失誤，造成某次記錄不完全正確或有疑誤時，應(yīng)根據(jù)該記錄前后相關(guān)氣象要素的變化情況和歷史資料極值進行分析判斷，找出合理的數(shù)據(jù)處理方法，以保持資料序列完整及統(tǒng)計結(jié)果符合實際［12］。找出氣象要素相似日，對異常數(shù)據(jù)的處理可謂事半功倍。

從武鳴站2017年10月1日～5日的觀測記錄（表1）可知：2日與 3日8～13時的日照時數(shù)、天氣現(xiàn)象基本一致，兩日地溫變化趨勢應(yīng)基本一致；3日與4日的日最高氣溫、日最低氣溫基本一致，兩日地溫極值較接近。

表1 2017年10月1～5日相關(guān)氣象要素

2.2 氣象要素相似日數(shù)據(jù)對比法

2日與3日8時前后均為露水天氣，8～13時各時的日照時數(shù)基本上都是1.0h，該兩日9～13時的0cm地溫及5～20cm淺層地溫變化趨勢應(yīng)基本一致。否則，可判定為數(shù)據(jù)異常。

2.2.1 0cm地溫數(shù)據(jù)對比

圖1示出自動站現(xiàn)用站2日與 3日8～13時0cm地溫小時值，由圖可知3日8時40分在重新安裝淺層地溫傳感器后，3日0cm地溫曲線交錯并且超過2日0cm地溫曲線，然而兩日氣候要素基本一致，3日最高/低氣溫均低于2日，因此3日曲線理論上應(yīng)近似平行且低于2日曲線。

圖1 2～3日8～13時0cm地溫小時值

圖2 2～3日8～13時0cm地溫時變化值

為進一步驗證分析正確性，可采用變化值對比法。定義地溫時變化值：用當(dāng)日后一小時正點地溫小時值減去其對應(yīng)前一小時的正點地溫小時值，作為后一小時正點地溫變化值。例如，圖2為2～3日各當(dāng)日后一小時的0cm淺層地溫正點值減去前一小時的0cm淺層地溫正點值。由圖2可知，隨著太陽高度角的不斷升高，2日0cm地溫時變化值規(guī)律為：10時比9時偏小，到11時達最大值，12、13時逐步減小。3日9～13時0cm地溫時變化值卻沒有遵循上述規(guī)律，10時變化值比9時偏大過大，11時偏小，12時偏大，13時又趨小。由此可懷疑3日9～13時0cm地溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 5～20cm地溫數(shù)據(jù)對比

同樣，用當(dāng)日后一小時5～20cm淺層地溫值減去前一小時5～20cm淺層地溫值，得到圖3、4所示曲線。

圖3 2日5～20cm地溫時變化值

圖4 3日5～20cm地溫時變化值

由圖3可知：2日9～13時從淺層 5cm到深層20cm地溫，受太陽日照時數(shù)的影響逐步減小，淺層地溫時變化值由大變小，例：5～20cm淺層地溫由淺入深， 其時變化值分別為 1.1℃、0.2℃、-0.1℃、-0.1℃；而且，隨著時間的推移、太陽高度角的不斷升高，時變化值緩慢變大。但是，由圖4可知，3日同一時段5～20cm淺層地溫時變化值沒有遵循上述規(guī)律，尤其是9時20cm淺層地溫時變化值最大，達-2.8℃；10時 20cm淺層地溫時變化值 （0.7℃）比15cm淺層地溫時變化值（0.3℃）還大；9～13時20cm淺層地溫時變化值普遍偏大0.2℃以上。由此可得出結(jié)論：3日9～13時5～20cm淺層地溫異常。

2.3 24h變化值對比法

2.3.1 0cm地溫24h變化值

采用24h變化值對比法進行數(shù)據(jù)分析，能夠從整體把握地溫變化趨勢進而判斷其準(zhǔn)確性。定義地溫24h變化值：用當(dāng)日地溫正點值減去其對應(yīng)前24h的地溫正點值。在日照條件、天氣現(xiàn)象基本相同的前提下，隨著時間的推移，0cm地溫24h變量應(yīng)是逐步增大，如圖5所示，由于1日為陰天，2日日照充足且穩(wěn)定，因此2日9～13時0cm地溫24h變化值分別為 4.8℃、7.6℃、9.1℃、9.8℃、11.6℃，為正增長規(guī)律；5日與4日則正好相反，由于5日為陰天，4日日照充足，因此5日變化值為負增長規(guī)律。由于2、3、4日日照較為一致，而3日氣溫較2日低，3日的0cm地溫24h變化值曲線應(yīng)較為平緩且應(yīng)為負值，但由于3日翻松了儀器安裝地段的土壤，導(dǎo)致3日與2日的變化值違反常規(guī)，在11時超過0℃曲線。由此亦可判定3日9～13時0cm地溫異常。

圖5 0cm地溫24h變化值

2.3.2 5～20cm地溫24h變化值

如圖6所示，2日與1日5～20cm地溫24h變化值，也是隨著時間的推移緩步增大，且隨著地溫層的逐步加深，變量逐漸變小。如圖7所示，3日翻松了儀器安裝點的土壤后，24h變量無規(guī)律可循，3日9時20cm地溫24h變化值竟達最大值，為-2.6℃，其它時次的24h變量也普遍偏大；3日 11～13時15cm淺層地溫24h變量比5～10cm地溫24h變量還大。可判定3日9～13時5～20cm淺層地溫數(shù)據(jù)異常。

圖6 2日5～20cm地溫24h變化值

圖7 3日5～20cm地溫24h變化值

2.4 0cm地溫與草溫數(shù)據(jù)對比法

由于0cm地溫與草溫在空間位置上較為接近，在一定條件下其溫度較接近，差異較小，變化趨勢一致，因此采用0cm地溫與草溫進行對比分析有助于判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性［13］。

圖8示出自動氣象站現(xiàn)用站2～3日0cm地溫和3日草溫小時正點值，由圖可知，3日8時40分在重新安裝淺層地溫傳感器后，3日0cm地溫曲線比3日草溫曲線增幅過大。由圖9進一步分析，0cm地溫與草溫變化趨勢應(yīng)基本一致，3日8～13時用后一個小時的正點數(shù)據(jù)減去前一個小時的正點數(shù)據(jù)，草溫時變化值比較平緩，10時與11時變化值幾乎一致，但3日0cm地溫10～12時時變化值偏大，反過來，9時、13時變量又偏小，與草溫的變化趨勢不一致，且在日照充足時草溫應(yīng)較0cm地溫偏高，但圖示草溫比地溫小，在草溫正常的情況下，可判定3日9～13時0cm地溫數(shù)據(jù)異常。

圖8 2～3日0cm地溫和3日草溫小時值

圖9 2～3日0cm地溫和3日草溫時變化值

3 異常數(shù)據(jù)處理

3.1 備份站數(shù)據(jù)代替法

因3日9時前對自動氣象站現(xiàn)用站地溫傳感器進行儀器安裝，導(dǎo)致9～13時持續(xù)長達5個小時數(shù)據(jù)異常，該時段及其后續(xù)分鐘數(shù)據(jù)均異常，無法使用正點前后10分鐘接近正點的記錄值代替，故該日9～13新型自動站0cm地溫及5～20cm淺層地溫正點值只能采用備份站數(shù)據(jù)代替，以保證觀測記錄的完整性，這一處理與《地面氣象觀測規(guī)范》的缺測處理方法有所不同。采用相同的數(shù)據(jù)分析方法對備份站數(shù)據(jù)進行判別，圖10和圖11所示為備份站數(shù)據(jù)替換異常數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖，其中虛線為備份站替換數(shù)據(jù)曲線。由圖10可看出3日備份站0cm地溫時變化值曲線與3日草溫時變化值曲線的變化趨勢一致，且與2日0cm地溫時變化值曲線近似，由圖11可看出3日備份站0cm地溫正點值曲線與2日0cm地溫正值曲線近似平行且變化一致。由此可判斷備份站數(shù)據(jù)正確可用。否則對數(shù)據(jù)進行修正處理或作缺測記錄［15］。

圖10 2～3日0cm地溫和3日草溫時變化值

圖11 2～3日0cm地溫和3日草溫小時值

3.2 0cm地溫日極值的挑取

根據(jù) 《地面氣象觀測規(guī)范》技術(shù)問題綜合解答（第1號），經(jīng)分析3日當(dāng)日相關(guān)的氣象要素及值班員的密切監(jiān)測，0cm地溫日極值不會出現(xiàn)在9～13時缺測時段內(nèi)，故該日日極值從其它正常時次記錄中挑取。

4 結(jié)論

（1） 在重新安裝淺層地溫傳感器期間翻松儀器安裝地點的土壤，導(dǎo)致土壤的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，造成地溫記錄失真。因此在更換傳感器過程中要按規(guī)范操作，土壤回填按就近取土原則。

（2）地面氣象觀測中某次記錄不完全正確或有疑誤時，應(yīng)根據(jù)該記錄前后相關(guān)氣象要素的變化情況和歷史資料極值紀(jì)錄進行判斷，根據(jù)氣候要素相似日共有的相關(guān)規(guī)律，采用直接小時值比較法和時變化值比較法進行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判斷，及時采用合理的統(tǒng)計處理方法對疑誤數(shù)據(jù)進行處理，以保證資料序列完整及統(tǒng)計結(jié)果符合實際［15］。

（3） 更換自動站儀器期間，或更換自動站儀器后的數(shù)個小時內(nèi)，必須現(xiàn)用站與備份站兩站同步進行對比觀測。

（4） 要分析判定更換儀器后，失真數(shù)據(jù)是否影響日極值的挑取，并作相應(yīng)處理。做好異常數(shù)據(jù)處理的相關(guān)備注［16］。

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