自動氣候站與新型自動氣象站數(shù)據(jù)對比分析

文/吳道航 劉杰鋒 蔡成滿

隨著傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，氣象觀測儀器設備更新?lián)Q代，為實現(xiàn)氣象觀測自動化提供了可能。自2004年地面氣象自動站在基層臺站廣泛使用以來，地面氣象觀測發(fā)生巨大的變化，人工觀測逐步被自動觀測所取代。在先進裝備制造和先進信息技術(shù)日新月異的時代背景下，綜合氣象觀測科技領域正孕育革命性突破。

世界氣象組織（WMO）開始實施綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS），為全球氣象領域的觀測需求提供服務。我國現(xiàn)有的國家基準氣候站，能夠覆蓋我國大部分氣候區(qū)，但是西部及氣候復雜地區(qū)存在大量監(jiān)測空白區(qū)。由于該區(qū)域人煙稀少、環(huán)境惡劣，需要開展無人自動氣候站建設。而采集到的數(shù)據(jù)的準確性和可用性就尤其重要，現(xiàn)將在中山國家基本氣象站作試點的自動氣候站與本地新型自動氣象站數(shù)據(jù)做對比分析。

1 基本資料及其分析方法

所用資料取自2017年1-4月中山自動氣候站和新型自動氣象站平等觀測期間的地面氣象觀測資料，觀測數(shù)據(jù)為正點時刻觀測值。自動氣候站數(shù)據(jù)取自以下4個廠家，分別是華云升達（北京）氣象科技有限責任公司、江蘇省無線電科學研究所有限公司、中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司、上海長望氣象科技股份有限公司，以下分別用華云升達、江蘇省無線電、中環(huán)天儀、上海長望表示。新型自動氣象站數(shù)據(jù)取自中山國家基本氣象站，以下用新型站表示。

見表1，按照以下公式計算并分析自動氣候站和新型自動氣象站差值量值。

（1）缺測率：缺測次數(shù)/總次數(shù)。

（2）差值：xi=Ui-Ai（自動氣候站數(shù)據(jù)為Ui，新型自動新型站數(shù)據(jù)為Ai）。

（4）差值標準差：

計算粗差次數(shù)方法：首先根據(jù)全部數(shù)據(jù)計算σ，逐個檢查對比差值，若有時，剔除其中一個最大值，再按標準差的公式計算新的σ，若還有差值者，再剔除其中的一個最大者，又計算新的σ，……，一直到?jīng)]有數(shù)據(jù)需要剔除為止。粗差率越小，數(shù)據(jù)一致性越好。

2 各氣象要素差值分析

2.1 氣溫

由表2所示，自動氣候站各廠家的缺測率分別為華云升達1.7%，完整性一般；江蘇省無線電0.8%，完整性較差；中環(huán)天儀0%，序列完整；上海長望0.8%，完整性一般；新型站0%，序列完整。自動氣候站的氣溫差值中華云升達粗差次數(shù)為4次，粗差率為3.39%；江蘇省無線電粗差次數(shù)為6次，粗差率為5.04%；中環(huán)天儀粗差次數(shù)為8次，粗差率為6.67%；上海長望粗差次數(shù)為5次，粗差率為4.20%。自動氣候站各廠家與新型自動氣象站的日平均最高氣溫和日平均最低氣溫的差值均在0.2℃內(nèi)，自動氣候站各廠家與新型自動氣象站的日平均氣溫的相關系數(shù)均為1.0，相關性很好。

2.2 氣壓

由表3所示，自動氣候站各廠家的缺測率分別為華云升達0.8%，完整性一般；江蘇省無線電15%，完整性一般；中環(huán)天儀0%，序列完整；上海長望0.8%，完整性一般；新型站0%，序列完整。自動氣候站的氣溫差值中華云升達粗差次數(shù)為2次，粗差率為1.68%；江蘇省無線電粗差次數(shù)為9次，粗差率為8.82%；中環(huán)天儀粗差次數(shù)為5次，粗差率為4.20%；上海長望粗差次數(shù)為5次，粗差率為4.17%。自動氣候站華云升達、中環(huán)天儀、上海長望與新型自動氣象站的日平均最高氣溫的差值均在0.1hPa內(nèi)，江蘇省無線電與新型自動氣象站的日平均最高氣溫的差值為-1.4hPa；日平均最低氣溫的差值均在-0.1hPa內(nèi)，自動氣候站各廠家與新型自動氣象站的日平均氣壓的相關系數(shù)均為0.999，相關性很好。

2.3 風

由圖1和圖2所示，自動氣候站與新型自動氣象站的風向在SE方位和靜風的風頻相差比較大。SE方位的風頻分別為：江蘇省無線電2.73%、中環(huán)天儀3.98%、華云升達3.59%、上海長望2.54%、新型站13.00%；靜風的風頻分別為：江蘇省無線電17.19%、中環(huán)天儀11.95%、華云升達9.51%、上海長望12.26%、新型站3.25%。

3 結(jié)論

（1）自動氣候站與新型自動站氣溫和氣壓的相關性較好，氣溫相關系數(shù)為1.0，氣壓相關系數(shù)為0.99，均通過0.01的顯著性檢查，日平均最高和日平均最低差值不大。

（2）自動氣候站各廠家風向頻率一致性較高，自動氣候站與新型自動站風向頻率在SE和SSE方位有較大差異，原因可能是自動氣候站的風傳感器離地1.5米，而新型自動站風傳感器離地10米，在這兩個方位的障礙物不一樣導致。靜風頻率的不一致，則可能是各廠家風傳感器的起動速度不一致引起。

表1

表2：自動氣候站與新型自動氣象站氣溫對比分析

表3：自動氣候站與新型自動氣象站氣壓對比分析

圖2：自動氣候站和新型自動氣象站風頻玫瑰圖

（3）由于對比分析的資料時間序列不夠長，分析結(jié)果有一定的局限性。