自動氣象站監測誤差及比測成果分析

王新德

（昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

1 基本情況

開墾河發源于天山東段北坡，徑流的主要補給源為大氣降水、中低山帶的季節性積雪融水、地下水以及高山冰川融水。主要由大東溝、大西溝、及其它19 條支流組成，實測多年平均年徑流量為1.630×108m3，最大年徑流量為2007 年的2.625×108m3，最小年徑流量為1974 年的0.8460×108m3。

開墾河水文站是開墾河小河站，屬省級重要水文站和中央報汛站，設于1956 年10 月。開墾河水文站蒸發場位于出山口地帶，海拔高度1502 m，蒸發場規格為16 m×20 m，區域代表性較好。障礙物兩側方位角之差所占整個圓的百分比為11.1%，折實系數0.6，遮擋率為6.3%。

蒸發是大氣水文循環的重要環節,蒸發量大小對當地水資源可利用量起決定性作用,同時蒸發量的變化趨勢對水資源可利用量也有直接影響。影響蒸發的主要因素是蒸發面性質、供水條件和氣象因素。對相同性質的蒸發面，蒸發則取決于供水條件和氣象因素[1]。其中氣象因素包括溫度、氣壓、濕度和風，最主要的氣象因素是地表溫度和相對濕度。由此可見，地表溫度的準確性對蒸發的準確性有很大影響。

自動氣象站具有獲取資料時效性、時間分辨率高特點，它主要能讀取和存儲每分鐘大氣中的溫度、濕度、氣壓、風和降水等的數據變化。TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站是按照國際氣象WMO 組織氣象觀測標準研究開發生產的多要素自動觀測站，可監測風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度等常規氣象要素，具有自動記錄、報警和數據通訊等功能，可以在室外無人環境工作，本地通訊和遠程通訊可同時應用，充分保障自動站穩定性和可靠性。同時TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站配置靈活，可靈活增加或減少測量的氣象要素，適應特定觀測的需要，適宜大規模組網，同時支持遠程維護。

2 比測方法及資料選取

比測采用同步觀測方法進行，每天8：00、14：00、20：00 人工觀測百葉箱內干球溫度時，同時調取TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站記錄環境氣溫，資料選取比測時段2019 年1 月1 日至6 月30 日數據。

3 分析方法及結果

3.1 相關分析

通過自動氣象站記錄的環境氣溫和人工同步觀測的氣溫數據系列建立相關關系，分析相關性和變化是否連續、有無突變現象。

根據分別點繪的8：00、14：00、20：00 人工觀測與自動氣象記錄環境氣溫相關圖分析，兩個氣溫數據系列變化連續，無突變現象。各時段觀測氣溫數據密集成一帶狀，均呈線性關系，相關性很好，R2 值見圖1、圖2、圖3。

圖1 開墾河（三）站8：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關圖

圖2 開墾河（三）站14：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關圖

圖3 開墾河（三）站20：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關圖

3.2 差值分析

氣溫作為常規地面氣象觀測的基本要素之一，其觀測方法和誤差直接關系到預報精度和對大氣過程的理解。開展不同氣溫觀測系統間的對比和分析，保證觀測數據的準確性、可靠性和一致性，對有氣溫作為影響因子的科學研究和應用具有重要意義。

目前我國氣象臺、氣象站主要的溫度測量儀器有兩種：溫濕傳感器和玻璃水銀溫度表。造成地面氣溫觀測誤差的主要原因有3 種：儀器變化、太陽輻射和通風影響。

傳感器的性能會系統性影響溫度的準確性。TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站溫度測量范圍為-40～+80℃，分辨率為0.1℃，準確度為±0.2℃。溫度傳感器帶來的誤差主要來源于3個方面：1）對溫度傳感器信號的處理引入的誤差。對信號放大、補償、修正后產生的失真；例如有的溫濕敏元件溫度系數是個變量，常溫下補償后，高溫時仍有誤差。2）溫度傳感器、變送器在校準，標定時產生的誤差。溫度傳感器在工作室停留位置不同產生的誤差，平衡時間不夠或難以達到平衡產生的誤差。標定設備的干燥系統、飽和系統不理想，設備的壓力、溫度丈量控制不準。3）溫度傳感器的穩定性會隨時間而變化。一方面由于敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值對溫濕度響應的離散性；另一方面由于信號轉換產生誤差：即阻值、容值轉換為電壓、電流信號時產生。因此，在實際使用過程中，不能僅僅依賴于選用高質量高精度的優質溫度傳感器，重視溫度傳感器的使用技術和誤差分析修正更是提高測量精度的可靠保證。

不潔白百葉箱會系統性影響氣溫觀測的精準性。百葉箱是安裝溫、濕度儀器用的防護設備。作用是防止太陽對儀器的直接輻射和地面對儀器的反射輻射，保護儀器免受強風、雨、雪等的影響，并使儀器感應部分有適當的通風，能真實地感應外界空氣溫度和濕度的變化。白天，空氣對太陽輻射的吸收能力弱于任一種溫度感應元件；夜晚，空氣的紅外輻射能力又弱于任一種溫度感應元件的表面。任何直接暴露在空氣中的測溫元件，其測量值在白天將系統偏高于氣溫，夜間則系統偏低。為避免這種輻射誤差，必須對測溫元件采取有效的輻射屏蔽措施。不潔白百葉箱由于顏色較深導致吸收不同波長的區間變大，吸收的太陽輻射和地面輻射的能量更多,而潔白的百葉箱箱體會反射更多的太陽輻射和地面輻射，因此不潔白箱體溫度高于干凈潔白的百葉箱箱體溫度,從而導致兩種百葉箱箱內的氣溫不一樣,觀測結果也就存在差異。在無日照陰雨天氣里，2 個百葉箱內干球溫度記錄無差別。另外,溫度表或傳感器本身附著灰塵等雜物,也會使溫度表滯后系數增大,使觀測記錄到的溫度不能真實反映實時溫度[2]。人工觀測百葉箱與自動氣象站百葉箱存在色差，箱體潔白程度會帶來兩種儀器的測量誤差。

風作為重要的氣象要素之一，可以直接反映出大氣環流的特征，流經百葉箱的風促使百葉箱內部空氣產生對流，影響百葉箱內外熱輻射傳輸，因此區域風速的變化對百葉箱內部流場有很大影響，流經溫度表或傳感器的風速是決定百葉箱氣溫測量精度的主要因素之一。研究表明，受長方體結構特征以及側面葉片導流的影響，百葉箱內部風場具有明顯的非均一性特征，在水平剖面和垂直剖面上分別出現明顯的梭形流場和環形流場；百葉箱對環境空氣的流動具有明顯的阻擋作用，平均相對風速減小率在箱體中軸線上存在明顯的垂直差異。結果表明，自然通風型防輻射裝置和強制通風型防輻射裝置的內外溫差存在較大的差異，強制通風型防輻射裝置間的內外溫差較小；并且良好的通風可以有效地減小儀器的觀測誤差[3]。由此可知，百葉箱結構會影響內部風場特征以及通風情況，從而影響溫度的精準性。人工觀測百葉箱與自動氣象站百葉箱在體積、結構都存在較大差異，需要考慮風速帶來的兩種儀器的測量誤差。

根據以上理論，將自動氣象站同步記錄的環境氣溫減去人工觀測氣溫得到差值在剔除異常數據后對數據進行分析，下文簡稱為差值。

為研究傳感器本身特性，主要研究傳感器在不同溫度段里的精確性，排除風速和陽光輻射的影響，以0℃為界限，因為在0℃以下時，開墾河水文站在20：00 太陽基本已經落山，可以忽略陽關輻射影響。因此選取1 月～6 月風速小于1.0 m/s、晴天、氣溫低于0℃的20：00 氣溫共44 條，平均差值為0.18℃；風速小于1.0 m/s、晴天、氣溫高于0℃的20：00 氣溫共97 條，平均差值為0.11℃，兩者平均差值相差0.7℃，由此可知，傳感器在不同溫度區間存在系統誤差。因為傳感器在不同溫度區間所帶來的誤差趨向是相同的，都為正值，不影響研究風速和太陽輻射對溫度觀測的影響時的定性結果，所以下列不同溫度區間的數據不做區別分析。

為研究太陽輻射對溫度觀測的影響，需要控制風速變量，在三個觀測時段中，14：00 的太陽輻射最強烈，8：00、20：00 的太陽輻射處于弱和無的情況，是比較理想的對比時段，但是8：00 風速超過1.0 m/s 較多，因此選取20：00 的觀測溫度作為對比組。選取1 月～6 月風速小于1.0 m/s、晴天14：00 氣溫共87 條數據，平均差值為0.24℃；風速小于1.0 m/s、晴天20：00氣溫共108 條，平均差值為0.16℃，兩者平均差值相差0.8℃，由此可見，太陽輻射會帶來比較明顯的差異。

為研究風速對溫度觀測帶來的影響，需要排除太陽輻射的干擾，所以選取1 月～6 月有降水日期內的數據，在此基礎上，日平均風速小于1.0 m/s 共27 天81 條數據，平均差值為0.19℃；日平均風速大于于1.0 m/s 共14 天42 條數據，平均差值為0.18℃，兩者的平均差值相差0.1℃，基本相同，由此可以忽略風速對兩者溫度觀測帶來的影響。

4 結語

根據以上相關分析和差值分析結果可知，人工觀測與TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站觀測的氣溫數據相關關系很好，R2值均在0.99 以上，滿足《地面氣象觀測規范》[4]的規范要求。由風速帶來的誤差可以忽略，陽光輻射帶來的誤差較大，傳感器在不同溫度區間存在系統誤差。

為減少自動氣象站長系列溫度觀測的誤差，建議對晴天14：00 氣溫觀測值進行訂正，對以0℃為分界的兩個溫度區間的溫度觀測值進行訂正。為方便統一起見，也可對所有觀測數據進行訂正，訂正值為所有差值的均值。按期在有代表性地時間段里進行比測率定出訂正值，例如北方地區1 月份和6 月份。使用時間越久，比測的時間間隔宜相應的縮短。通過分析，TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站可以在水文站使用。