廈門地區鐵塔氣象站和自動氣象站的數據對比分析*

王證帥 黃 澎 陳 賽 林阿玲 呂巧誼

(1.廈門海峽氣象開放重點實驗室，福建 廈門 361006；2.廈門市氣象災害防御技術中心，福建 廈門 361006)

1 概述

監測精密是推動氣象事業高質量發展、建設氣象強國的要求之一。社會各界對氣象數據的監測需求更加嚴謹，對氣象數據質量的要求更加嚴格。氣象站數據的準確性、可用性對氣象部門尤為重要，氣象服務的精細化需要獲取更全面的氣象觀測數據[1]。目前氣象觀測站的發展存在以下趨勢：一是需要增加觀測站的網絡密度；二是需要運用新技術提升觀測的準確性和數據可靠性；三是需要降低觀測站的建設及運營成本。

目前使用的自動氣象站一般由正方形的觀測場構成，占地面積約為25×25m2，保持有均勻草層。新建自動氣象站需要考慮站址的選取、后期維護、數據通信等因素，后期維護成本會有極大不確定性[2]。鐵塔氣象站依托鐵塔公司豐富的通信基礎設施站址資源和電力、通信等配套設施，實現快速建站，在后期的設備、電力、通信等維護方面具有相對優勢。然而，鐵塔站的數據精確性及可用性是否可以達到氣象服務要求，需要進一步的數據分析和對比。

本文通過對廈門地區相鄰的鐵塔氣象站和自動氣象站數據的分析研究，采用兩個站點近三年同期數據對比的方法來檢測兩種自動站的數據差異，分析鐵塔氣象站和自動氣象站數據的差異，為鐵塔氣象站的后續建設及氣象數據應用提供參考。

2 站點選取及數據

廈門某鐵塔氣象站(本文中以A站代稱)建于2017年5月，觀測場海拔10m；廈門某自動氣象站(本文中以B站代稱)建于2017年8月，觀測場海拔高度10m；其中A、B站點直線距離相距約200m，設備選型均為Dzz4。如圖1所示，左側為鐵塔氣象站(A站)，右側為自動氣象站(B站)。

(a)鐵塔氣象站 (b)自動氣象站

本文選取近三年的有效觀測數據，數據粒度為每5min的觀測值，共包含有效數據樣本622160個，其中鐵塔氣象站(A站)和自動氣象站(B站)各311080個樣本。兩個站點數據對比，分析的要素包括溫度、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等。

3 數據分析方法

常見的對比自動站數據差異的分析方法[3-8]，分別選取A、B兩個氣象站的氣溫、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等要素，采用差值、差值平均、差值標準差、數據一致率等。以上各項評估指標及評估參考標準均參照地面氣象規范[8-10]。

①差值及差值平均

②差值標準差

假設：針對某一氣象要素，A、B兩站對比差值標準差為δ，標準差δ能反映一個數據集的離散程度。

③數據一致率

數據一致率表示A、B兩站點數據相一致的程度，其定義為：如果對比差值不大于標準差的2倍，則認為其數據一致。其公式為：

數據一致率(%)=一致的次數/樣本總數×100%。

4 數據分析評估

4.1 整體數據對比分析

表1是廈門地區近三年的A站和B站的數據差值標準差分析情況，從中可以看出，除了10min平均能見度差值標準差較大，氣溫、相對濕度、本站氣壓均有較小的差值標準差，且樣本數據一致率均在90%以上，鐵塔氣象站和自動氣象站在要素數據上均有較高的一致性。10min平均能見度差值標準差值較大的原因可能是站點周邊環境導致，鐵塔氣象站周邊環境遮擋相對較多。

表1 鐵塔氣象站和自動氣象站要素數據對比

表2是最近三年A、B氣象站的要素平均值的差值對比，其中近三年的氣溫的差值平均為0.49℃，超出允許閾值，其他指標均在允許的閾值范圍內。

表2 鐵塔站和自動站要素差值平均對比

4.2 逐月數據對比分析

圖2展現的是近三年鐵塔氣象站與自動氣象站月平均差值的變化趨勢，其中(a)圖是兩個氣象站月平均氣溫的差值變化趨勢；(b)圖是月平均相對濕度的差值變化趨勢；(c)圖是月平均氣壓的差值變化趨勢；(d)圖是10min平均能見度的差值變化趨勢。

(a)氣溫平均差值 (b)相對濕度平均差值 (c)氣壓平均差值 (d)10min平均能見度平均差值

4.2.1 氣溫數據對比

對近三年的樣本數據分析發現，鐵塔氣象站平均溫度均22.98℃，普通氣象站平均溫度22.49℃，兩站平均差值約為0.49℃。其中鐵塔氣象站觀測溫度較高，且比普通氣象站差值閾值(±0.3℃)高0.19℃。

鐵塔氣象站月平均氣溫均高于自動氣象站， 其中月平均溫度差最大值出現在2018年7月，差值為1.20℃；月平均溫度差最小值出現在2019年5月和2019年7月，差值為0.07℃。除2019年外，月平均氣溫差值大的月份均為7月。月平均氣溫差值超出閾值的月份有31個，占86%；氣溫差值在閾值允許范圍內的月份有：2018年11月，2019年5～8月。這可能與2019年降水及日照時長有關，廈門地區2019年日照時長低于平均值。

4.2.2 相對濕度數據對比

鐵塔氣象站和自動氣象站的平均濕度對比，發現鐵塔氣象站平均濕度為74.12%，自動氣象站的平均濕度為75.4%，兩站月平均差值約為1.27%。其中鐵塔氣象站觀測濕度較低，在氣象站觀測對比的濕度閾值(±5%)允許范圍內。

鐵塔氣象站有27個月的月平均濕度低于自動氣象站，占比約為75%，有9個月高于普通氣象站，占比為25%，分別是2018年11月、2019年3～8月、2020年9月。鐵塔站和普通站月平均濕度差最大值出現在2018年12月，差值為8.7%。除2018年2月外，其余月份濕度差值均在允許閾值范圍內。

4.2.3 本站氣壓數據對比

鐵塔氣象站平均氣壓為1013.04hPa，自動氣象站的平均氣壓為1013.10hPa，兩站月平均差值約為0.06。其中鐵塔氣象站觀測氣壓較低，在氣象站觀測對比的氣壓閾值±0.4允許范圍內。鐵塔站月平均氣壓均低于普通氣象站，誤差值均在允許范圍內。

4.2.4 10min平均能見度數據對比

通過對鐵塔氣象站和自動氣象站的10min平均能見度對比，發現鐵塔氣象站10min平均能見度為11924.5m，自動氣象站10min平均能見度為13364.7m，兩站10min平均能見度差值約為1440.2m。其中鐵塔氣象站10min平均能見度較低，在氣象站觀測對比的閾值(±5000m)允許范圍內。原因可能是鐵塔氣象站周邊環境不可控因素較多，有遮擋導致。

5 結論

鐵塔氣象站建設具有一定的優勢，既填補了部分區域氣象數據觀測的空白，對于提升觀測精密、降低觀測和維護成本具有極大的優勢。通過分析相鄰的鐵塔站和自動站要素(溫度、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等)的數據可以看出，這些要素均有較高的數據一致性。

通過對廈門地區近三年相鄰的鐵塔站和自動站的觀測數據分析對比，鐵塔氣象站觀測氣溫會比自動氣象站高，且超出閾值的月份約占86%；其他平均濕度、本站氣壓、平均能見度(10min)均在可允許的誤差范圍內。對于日常觀測數據使用來說，建議氣溫值以自動氣象站為主，鐵塔氣象站的數值作為參考。