福州4縣(市)自動(dòng)氣象站雙套草面溫度數(shù)據(jù)對比分析

謝建芳 何興林 于 麗

(1.福建省永泰縣氣象局，福建 福州 350700；2.羅源縣氣象局，福建 福州 350600)

0 引言

根據(jù)中國氣象局氣測函〔2020〕39號(hào)文件要求，福建省氣象局各級(jí)氣象臺(tái)站于2020 年11月1日新增草面溫度觀測項(xiàng)目，并按“雙套站”建設(shè)。氣象業(yè)務(wù)中設(shè)備按“雙套站”建設(shè)運(yùn)行可以有效減少缺測率，保證數(shù)據(jù)完整性，幫助判斷異常數(shù)據(jù)，儀器漂移等[1]。草面溫度通常用來代表生長季開始后、結(jié)束前近地層最低溫度，對作物是否受到凍害具有重要的指示意義，預(yù)報(bào)服務(wù)方面通常用草面溫度分析霜凍情況和預(yù)報(bào)霜凍。例如，賈楊等根據(jù)最低氣溫、地面溫度、草面溫度、濕度和露點(diǎn)溫度進(jìn)行霜的預(yù)報(bào)[2]。趙艷玲等采用露點(diǎn)溫度、判別圖、最低草面溫度和7～20時(shí)草面溫度降幅建立2級(jí)判別方程，提高霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[3]。代曉麗等利用最低草面溫度和 16～20時(shí)草面溫度降幅建立方程進(jìn)行初霜預(yù)報(bào)[4]。郝玲等采用草溫構(gòu)建訓(xùn)練樣本集，并結(jié)合KNN數(shù)據(jù)挖掘算法構(gòu)建草面溫度預(yù)報(bào)模型，霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高達(dá)90.2%[5]。可見草面溫度對霜的預(yù)報(bào)很有意義，要提高霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，草面溫度的準(zhǔn)確性是前提。為了獲取準(zhǔn)確的草面溫度，中國氣象局作了嚴(yán)格規(guī)定：觀測區(qū)域位于淺層地溫場西側(cè)50cm處，占地約1m2，草叢應(yīng)低于10cm，草面溫度傳感器距地6cm，與地面大致平行[6]。

近年來，許多學(xué)者在草面溫度的準(zhǔn)確性方面開展了相關(guān)研究。例如，張翠華等利用石家莊5個(gè)觀測站2008—2010年逐日的草面溫度、地面溫度和氣溫，分析討論了該地區(qū)草面溫度平均值、極端值、日較差特征以及草面溫度與地面溫度、氣溫在不同氣象條件下三者之間的變化關(guān)系[7]。莫海燕等對不同季節(jié)天氣情況下的草溫、地溫和氣溫的變化進(jìn)行了綜合性的對比分析[8]。柴安龍等對草溫和地溫的春夏兩季、晴天和陰雨天的不同天氣條件下，草面溫度和地面溫度的變化規(guī)律進(jìn)行分析[9]。前人研究主要傾向于草面溫度和其他氣象要素的對比關(guān)系，有關(guān)草面溫度的準(zhǔn)確性評估、差異性分析較少。對新增氣象設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析、評估是大氣探測自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，數(shù)據(jù)對比、評估的要求通常以中國氣象局文件為依據(jù)。基于此，本文選取福州市羅源縣、閩侯縣、永泰縣、福清市4縣(市)國家氣象觀測站，對比分析2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度，評估草面溫度的準(zhǔn)確性，分析草面溫度的差異性。

1 研究資料來源與處理

研究資料選用福州市羅源縣、閩侯縣、永泰縣、福清市4縣(市)國家氣象觀測站，2020年11月—2021年7月“雙套站”逐時(shí)、最高和最低草面溫度。“雙套站”業(yè)務(wù)規(guī)定，現(xiàn)行氣象業(yè)務(wù)使用的自動(dòng)站(簡稱現(xiàn)用站)也稱為A站，當(dāng)現(xiàn)用站設(shè)備故障時(shí)備份使用的自動(dòng)站(簡稱備用站)也稱為B站，數(shù)據(jù)以A站為主。A站草面溫度觀測值減去B站觀測值為“雙套站”草面溫度差值。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，“雙套站”草面溫度未同時(shí)出現(xiàn)缺測。因A站草面溫度出現(xiàn)缺測，用B站草面溫度代替的頻次有：羅源站25次、閩侯站0次、永泰站0次、福清站1次。涉及資料處理方法如下。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差表示“雙套站”差值方差的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式：

(1)

1.2 一致率

一致率計(jì)算公式[10]：

(2)

式(2)中，m為“雙套站”差值絕對值在新型自動(dòng)站相應(yīng)的氣象要素觀測最大允許誤差范圍內(nèi)的個(gè)數(shù)；n為采集到的有效樣本數(shù)。一致率越高，說明對比數(shù)據(jù)一致性程度越好,一致率越低，說明對比數(shù)據(jù)一致性程度越差。

1.3 粗差率

(3)

式(3)中，Gr為粗差率；ge為粗差次數(shù)；n為采集到的有效樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)時(shí)段一致率

現(xiàn)行臺(tái)站作業(yè)指導(dǎo)書對草面溫度對比標(biāo)準(zhǔn)未做定量規(guī)定，故參考地溫對比標(biāo)準(zhǔn)，“雙套站”差值允許范圍為±0.5℃[13]。統(tǒng)計(jì)時(shí)段“雙套站”草面溫度平均一致率77.6%，見表1。4縣(市)草面溫度一致率(縱向平均)：永泰站85.1%，福清站79.4%，閩侯站78.8%，羅源站73.6%，可見一致率最高的是永泰站，最低的是羅源站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度一致率(橫向平均)：逐時(shí)草面溫度81.8%、最低草面溫度79.0%和最高草面溫度72.1%，一致率最高的是逐時(shí)草面溫度，最低的是最高草面溫度。根據(jù)《地面氣象觀測遙測自動(dòng)化功能需求書》[14]，永泰站一致率達(dá)到評估標(biāo)準(zhǔn)，其余縣(市)草面溫度一致率低于評估標(biāo)準(zhǔn)。

表1 2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度一致率

2.2 統(tǒng)計(jì)時(shí)段粗差率

統(tǒng)計(jì)時(shí)段“雙套站”草面溫度平均粗差率3.4%。4縣(市)的粗差率(縱向平均)：羅源站6.2%，福清站3.2%，永泰站2.2%，閩侯站2.0%，見表2。粗差率最高的是羅源站，最低的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度粗差率(橫向平均)：最高草面溫度粗差率4.8%、最低草面溫度粗差率2.8%、逐時(shí)草面溫度粗差率2.6%。粗差率最高的是最高草面溫度，最低的是逐時(shí)草面溫度。根據(jù)《地面氣象觀測遙測自動(dòng)化功能需求書》，各要素粗差率應(yīng)<2.0%，可見4縣(市)的粗差率偏高。

表2 2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度平均粗差率

統(tǒng)計(jì)時(shí)段4縣(市)逐月粗差率，見表3。4縣(市)的逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)量有：羅源站平均4.7個(gè)月，其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(11月、12月、1月、2月)，最高草面溫度5個(gè)月(11月、12月、1月、2月、3月)，最低草面溫度5個(gè)月(11月、12月、1月、2月，3月)；福清站平均4.3個(gè)月，其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(12月、1月、2月、3月)，最高草面溫度6個(gè)月(11月，12月、1月、2月、3月、4月)，最低草面溫度3個(gè)月(12月、1月、2月)；永泰站平均3.7個(gè)月，其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(11月、2月、3月、7月)，最高草面溫度7個(gè)月(12月、1月、2月、3月、4月、5月、6月)；閩侯站平均3.3個(gè)月，其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(3月、4月、5月、6月)，最高草面溫度4個(gè)月(3月、4月、5月、6月)，最低草面溫度2個(gè)月(4月、6月)。逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)最多的是羅源站，最低的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度的逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)有：最高草面溫度5.5個(gè)月，逐時(shí)草面溫度4個(gè)月，最低草面溫度2.5個(gè)月。月份數(shù)最多的是最高草面溫度，最少的是最低草面溫度。羅源站粗差率、粗差率≥2.0%的月份數(shù)均大于其它縣(市)，經(jīng)分析，11月至3月草面溫度觀測區(qū)域草叢過于稀疏，有祼土，測得的草面溫度更接近于地面溫度，受太陽輻射影響更大，因此粗差率高。2020年4月份以后隨著草叢的修復(fù)，粗差率降到1.9%以下。

表3 “雙套站”草面溫度逐月粗差率

2.3 不同草面溫度區(qū)間草面溫度差值變化

草面溫度一致率在不同溫度區(qū)間的變化趨勢呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”狀態(tài)。在草面溫度<5℃、>30℃時(shí)，一致率較低(分別<80.9%、 57.1%)，離散度較大(分別>62.8%、62.1%)，在10℃～30℃時(shí)，一致率較高(分別為90.7%、95.6%、91.9%、87.7%、82.3%)，離散度較小(分別為16.2%、6.9%、15.0%、15.6%、18.2%)。草面溫度一致率大多隨著溫度的升高而降低(見圖1)。

圖1 “雙套站”草面溫度一致率在不同溫度區(qū)間變化

4縣(市)不同溫度區(qū)間的草面溫度一致率略有差異。變化幅度最小的是羅源站，最大的是福清站。羅源站和永泰站變化趨勢基本一致，閩侯站和福清站有些差異，閩侯站在草面溫度<5℃時(shí)，一致率隨著溫度升高而升高，一致率由71.4%升高至92.0%，其余草面溫度區(qū)間變化趨勢和羅源站、永泰站基本一致。福清站在草面溫度小于5℃時(shí)，一致率隨著溫度升高而降低，一致率由54.5%下降至43.0%；在草面溫度5～10℃時(shí)，一致率隨著溫度升高而升高，一致率由43.0%上升至82.8%，其余草面溫度區(qū)間變化趨勢和其它縣(市)基本一致。

2.4 差值日變化

2.4.1 差值變化趨勢

草面溫度的差值(A站草面溫度觀測值減去B站草面溫度觀測值)具有日變化特征：在一天當(dāng)中(21時(shí)～20時(shí))，夜間差值絕對值較小，白天差值絕對值較大，且白天差值絕對值呈現(xiàn)先遞增、后遞減趨勢，見圖2。因草面溫度傳感器性能存在個(gè)體差異，閩侯站、羅源站和福清站A站草面溫度觀測值大于B站草面溫度觀測值，所以差值為正數(shù)，永泰站A站草面溫度觀測值小于B站草面溫度觀測值，所以差值為負(fù)數(shù)。

圖2 “雙套站”草面溫度差值的日變化

2.4.2 差值日變化幅度與差值的峰值出現(xiàn)時(shí)間

草面溫度差值日變化幅度如下：日變化幅度最大的是福清站，最小的是閩侯站。羅源站差值的峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后，其余縣(市)差值的峰值出現(xiàn)在13時(shí)前后。

2.5 粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段

一天當(dāng)中，草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中在7～18時(shí)，峰值集中在9～12時(shí)，峰值分別為：羅源站26次，閩侯站26次，永泰站23次，福清站45次。峰值出現(xiàn)時(shí)間：羅源站9時(shí)，閩侯站12時(shí)，永泰站11時(shí)，福清站12時(shí)，見圖3。粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段多出現(xiàn)在日出后，草面溫度傳感器受太陽輻射、地面反輻射的影響比較大且云量少的時(shí)次。當(dāng)太陽輻射、地面反輻射越強(qiáng)時(shí)，草面溫度數(shù)據(jù)粗差率越高，多數(shù)縣(市)12時(shí)前后達(dá)到最高，羅源站例外，羅源站粗差數(shù)據(jù)9時(shí)前后達(dá)到最高。

圖3 “雙套站”草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段

3 結(jié)論

① 4縣(市)草面溫度一致率分別為：永泰站85.1%，福清站79.4%，閩侯站78.8%，羅源站73.6%。根據(jù)《地面氣象觀測遙測自動(dòng)化功能需求書》永泰站一致率85.1%達(dá)到評估標(biāo)準(zhǔn)，其余縣(市)一致率低于評估標(biāo)準(zhǔn)。逐時(shí)草面溫度一致率達(dá)到評估標(biāo)準(zhǔn)。

② 4縣(市)草面溫度粗差率分別為：羅源站6.2%，福清站3.2%，永泰站2.2%，閩侯站2.0%，均低于評估標(biāo)準(zhǔn)。逐時(shí)、最高和最低草面溫度粗差率分別為：2.6%、4.8%、2.8%，也低于評估標(biāo)準(zhǔn)。逐月粗差率≥2.0%的月份數(shù)最多的是羅源站，最少的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度逐月粗差率≥2.0%月份數(shù)最多的是最高草面溫度，最少的是最低草面溫度。造成粗差率偏高的主要原因是草面溫度觀測環(huán)境影響和太陽輻射影響。

③草面溫度一致率在不同的溫度區(qū)間變化趨勢呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”的狀態(tài)：在草面溫度<5℃、>30℃時(shí)，一致率分別低于80.9%、57.1%，離散度分別大于62.8%、62.1%；在10℃～30℃時(shí)，一致率均高于82.3%，離散度均小于18.2%。羅源站一致率變化幅度最小，福清站最大。羅源站和永泰站變化趨勢基本

一致，閩侯站和福清站略有差異。一致率大多隨著溫度的升高而降低。

④草面溫度差值具有日變化，夜間差值絕對值變化小，白天差值絕對值變化大。福清站日變化幅度最大，閩侯站最小。羅源站日變化的峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后，其余縣(市)峰值出現(xiàn)在13時(shí)前后。

⑤草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中在7～18時(shí)，峰值集中在9～12時(shí)。羅源站粗差數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后，其余縣(市)出現(xiàn)在12時(shí)前后。粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段多出現(xiàn)在日出后，太陽輻射較強(qiáng)且云量少的時(shí)次。