格爾木國家基準氣候站人工器測與自動觀測溫度對比分析

韓廷芳 吳雙桂 金衛東

摘要 ? ?利用格爾木國家基準氣候站2013—2017年人工器測與自動觀測5年地面A文件溫度資料，依據中國氣候中心下發的《對比觀測期間監測資料評估技術方法》的規定，分析了溫度數據人工觀測與自動觀測的差異。結果表明，一致率非常高，符合80%的參考標準值;粗差率整體表現為數據的異常值較少;氣溫月、季和年差值大部分符合參考標準值范圍（±0.2 ℃），但最低氣溫的差值略超出標準參考值，差值為-0.6～-0.3 ℃。表明最低氣溫數據自動站略大于人工站。人工站與自動站氣溫（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）的月、季和年際變化趨勢完全一致。月際變化中，最高值出現在7月，最低值出現在1月。季節變化均表現為夏季>春季>秋季>冬季;年際變化中，最高值出現在2016年，最低值出現在2014年。人工站與自動站氣溫數據線性擬合結果非常好，未出現大的離散狀況，表明人工站和自動站逐日、月、四季和年氣溫數據相差不大，未出現系統性偏差。最低氣溫在年數據擬合及月數據擬合（7月和9月）中通過了0.01的顯著性檢驗，逐日、四季及其他月份均通過了0.001的極顯著性檢驗。表明格爾木國家基準站完全可用自動站氣溫觀測值對人工站氣溫值進行訂正和推算。造成自動站與人工站溫度差異原因有多方面，包括不同的采集方式、觀測時間、儀器原理以及對儀器維護是否規范等。

關鍵詞 ? ?溫度;人工器測;自動觀測;一致率;差值;粗差率;青海格爾木

中圖分類號 ? ?P415.1+2 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0210-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

依據中國氣象局綜合觀測司《關于張北等國家基準氣候站長期保留人工器測觀測任務的函》（氣測函﹝2012﹞36號）以及《地面氣象觀測業務技術規定（2016版）》相關內容，格爾木是全國8個長期保留人工器測觀測任務（含自記儀器記錄整理）的國家基準氣候站之一，也是青海省唯一長期保留人工器測觀測任務的國家基準氣候站。很多學者對觀測系統發生變化而引起的氣象資料觀測結果進行了大量的分析研究，例如茆佳佳等[1]在對自動與人工觀測相對濕度比對分析中對全國保留人工觀測的8個國家基準氣候站2007—2013年的比對觀測資料進行研究、評估和總結，揭示2種觀測技術體制觀測資料的可比性及自動觀測資料的穩定性;文獻[2-4]對不同區域人工站與自動站溫度進行對比分析。對青海省唯一長期保留人工觀測的格爾木國家基準氣候站的研究未見人工與自動觀測要素的對比分析。本文利用格爾木國家基準氣候站2013—2017年人工器測與自動觀測5年地面A文件溫度資料，從一致率、粗差率、差值、時間變化規律以及兩者的線性回歸擬合方程，分析溫度數據人工觀測與自動觀測的差異，對分析儀器更換和觀測方式的改變給氣象觀測資料均一性帶來的影響有重要作用，同時對探討自動站數據的代表性、準確性和連續性意義重大，分析結論可為開展氣候及氣候變化方面的研究提供基礎數據。

1 ? ?資料與方法

1.1 ? ?資料來源

格爾木國家基準站2013—2017年人工與自動觀測5年A文件資料，由格爾木氣象臺提供。統計4次定時觀測（2：00、8：00、14：00、20：00）及4次平均值、最高值和最低值，月、季節和年溫度觀測數據。季節劃分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至翌年2月）。

1.2 ? ?分析方法

依據文獻[5-6]規定，分析溫度數據人工觀測與自動觀測對比差值的平均值與標準差、一致率、粗差率。參考《地面氣象觀測遙測自動化功能需求書》要求，溫度評估項目參考標準：缺測率2%、粗差率2%、對比差值±0.2 ℃、一致率80%。利用數理統計和線性回歸方法建立兩者的線性回歸擬合方程及顯著性檢驗。

2 ? ?結果與分析

格爾木國家基準氣候站人工器測與自動觀測氣溫缺測率為0，說明數據完整性和儀器觀測的穩定性高。

2.1 ? ?人工站與自動站氣溫對比差值、一致率和粗差率統計分析

由表1可知，氣溫年、四季的差值大部分都在標準范圍之內，只有8：00春季，14：00春季、秋冬季和年（四季）最低溫度略超出了參考標準，最低氣溫的差值為-0.4～-0.3 ℃，這說明自動站的數據略大于人工站的數據，用自動觀測值來代替人工觀測，最低氣溫值就會相對偏高。沈 ?菊等[7]研究近35年柴達木盆地的氣溫變化特征發現，最低氣溫的氣候傾向率大于平均氣溫和最高氣溫的傾向率，這可能與自動觀測代替人工觀測有關，最低氣溫的升高實際值可能少于觀測值。一致率非常高，均在90%以上。粗差率變化比較明顯，年粗差率中14：00溫度，平均溫度、最低溫度在參考標準范圍之內，其余為2.4%～4.1%，略超出標準范圍;在季節粗差率中，四季平均溫度均在標準范圍之內，8：00和最低溫度粗差率為2.7%～4.4%，均略超出了標準范圍，其余表現沒有明顯的規律，部分粗差率略超出參考范圍，總體來看數據的異常值比較少。

2.2 ? ?人工站與自動站氣溫月、季、年變化規律

2.2.1 ? ?溫度月際變化規律 。由圖1可知，人工站與自動站氣溫（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）的月際變化趨勢完全一致，從3月開始氣溫逐漸上升，到7月達到最高值，8月為次高值，從9月開始逐漸下降，1月為全年的最低值;月平均氣溫和最高氣溫的差值均為0～-0.1 ℃，符合標準參考值（±0.2 ℃）。最低氣溫的差值為-0.5～-0.3 ℃，超出標準參考值，表明自動站的數據略大于人工站的數據。

2.2.2 ? ?溫度季節變化規律。人工站與自動站氣溫（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）季節變化趨勢完全一致，均表現為夏季>春季>秋季>冬季。人工站與自動站平均溫度和最高溫度四季差值均符合標準參考值，四季最低溫度差值在-0.5～ -0.3 ℃之間，均超出標準參考值。

2.2.3 ? ?溫度年變化規律。人工站與自動站氣溫（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）年變化趨勢基本一致，最高值出現在2016年，最低值出現在2014年。年平均溫度和最高溫度差值符合標準參考值，最低溫度差值年變化在-0.6～-0.3 ℃之間，差值均超出了標準參考值。

2.3 ? ?人工站與自動站之間回歸方程的建立及檢驗

表2是格爾木國家基準站2013—2017年人工站與自動站月數據線性擬合相關分析結果。結合逐日、季節和年數據線性擬合結果可以看出，人工站與自動站氣溫數據線性擬合結果非常好，沒有出現大的離散狀況，表明人工站和自動站逐日、月、四季和年氣溫數據相差不大，未出現系統性偏差。逐日、四季擬合中人工站和自動站相關系數在0.990 3～0.999 9之間，均通過了0.001水平的極顯著性檢驗。在月數據擬合中，除了7月和9月最低溫度通過0.01顯著性檢驗之外，其余均通過了0.001的極顯著性檢驗。在年數據擬合中，最低溫度通過了0.01的顯著性檢驗，平均溫度和最高溫度均通過了0.001的極顯著性檢驗。這表明格爾木國家基準站完全可用自動站氣溫觀測值對人工站氣溫值進行訂正和推算。

2.4 ? ?人工站與自動站溫度產生差異的原因

人工站與自動站溫度存在一定的差異，究其原因，主要有以下幾個方面[8-9]：不同的采集方式、觀測時間、儀器原理以及對儀器維護是否規范等。

3 ? ?結論與討論

對人工站與自動站溫度差異進行分析，得出如下幾點結論：

（1）一致率超過90%，符合80%的參考標準值。

（2）氣溫月、季和年差值多數在參考標準值范圍（±0.2 ℃）之內，但是最低氣溫的差值略超出了標準參考值，差值為 -0.4～-0.3 ℃。這表明最低氣溫數據自動站略大于人工站。

（3）氣溫粗差率變化較明顯，年粗差率中14：00溫度，平均溫度、最低溫度在參考標準范圍之內，其余為2.4%～4.1%，略超出標準范圍;季節粗差率中，四季平均溫度均在標準范圍之內，8：00和最低溫度粗差率為2.7%～4.4%，均略超出了標準范圍，其余表現無明顯規律，部分粗差率略超出參考范圍，總體來看數據的異常值較少。

（4）人工站與自動站氣溫（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）的月、季和年際變化趨勢完全一致，月際變化中，最高值出現在7月，最低值出現在1月。季節變化均表現為夏季>春季>秋季>冬季;年際變化中，最高值出現在2016年，最低值出現在2014年。

（5）人工站與自動站氣溫數據線性擬合結果非常好，未出現大的離散狀況，表明人工站和自動站月、四季和年氣溫數據相差不大，未出現系統性偏差。這表明格爾木國家基準站溫度完全可應用自動站觀測值對人工站觀測值進行訂正和推算。

（6）造成自動站與人工站差異的原因有多方面，包括不同的采集方式、觀測時間、儀器原理以及對儀器維護是否規范等[10]。

（7）差值分析中最低氣溫略超過標準參考值，但在線性擬合中通過了0.01水平以上的顯著性檢驗。

4 ? ?參考文獻

[1] 茆佳佳，莫月琴，張雪芬，等.自動觀測與人工觀測相對濕度比對分析[J].應用氣象學報，2016，27（3）：370-379.

[2] 王穎，劉小寧.自動站與人工觀測氣溫的對比分析[J].應用氣象報，2002，13（6）：741-748.

[3] 張煥萍，張占峰，邵玉紅.2007年青海省基準氣候站自動與人工觀測記錄對比分析[J].青海氣象，2009（1）：57-59.

[4] 石登科，崔學禎.甘肅臨夏人工與自動氣象站氣溫觀測差異對比及均一性研究[J].干旱氣象，2008，26（4）：71-74.

[5] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.

[6] 樊萬珍，黃央奎，張仙. 自動站與人工觀測地溫資料差異分析[J].青海氣象，2018（2）：71-75.

[7] 沈菊，張彩岳，劉金青，等.近35年柴達木盆地氣溫變化特征[J].中國農學通報，2016，32（34）：159-165.

[8] 宋軍，高磊，王秀萍，等.大連自動站與人工站觀測數據的差異對比分析[J].氣象與環境學報，2009，25（1）：58-62.

[9] 楊祎，冉國輝.自動站與人工站數據對比分析[J].貴州氣象，2005（6）：41-42.

[10] 沈軍.氣象自動觀測站數據處理方法研究[D].長沙：中南大學，2012.