人工与自动气象站气温观测结果的差异规律分析

郑自君, 刘康平, 杨 丽

（1.凉山州气象局,四川西昌 615000;2.什邡市气象局,四川什邡 618400;3.延安市气象局,陕西延安 716000）

21世纪初我国有了自动气象站,并逐渐取代人工观测作为地面正式观测记录。自动气象站的观测仪器、观测原理、观测方法与人工观测相比均发生了很大变化,自动站与人工观测数据之间的差异是不可避免的,对观测资料序列的时间上的均一性造成一定影响[1-5]。因此,对比分析两个观测系统观测的气象要素的差异并从中总结规律,以及提出订正模型对观测数据的均一性有重要意义。西昌地理位置特殊,并且西昌站的气象数据对我国西昌卫星发射中心有着极其重要的意义。

1 资料来源及研究方法

利用西昌站2007年1月1日—2008年12月31日人工与自动24小时气温基准观测资料,用常规统计学方法,对气温的对比差值作日、月、季平均,对对比差值中出现的极值进行等级分类统计,并对最高、最低气温对比差值进行作图分析。

2 西昌地理气候概况及台站、使用仪器说明

2.1 西昌地理位置及气候概况[6]

凉山州西昌市位于川西高原（海拔1500-2500m）的安宁河平原腹地,东经101°46′-102°25′、北纬 27°32′-28°10′,南北最长约20km,东西最宽约43km,幅员面积2651km2。安宁河河谷子原和邛海湖盆平原,总面积约424km2。其地势平坦,土壤肥沃。两平原间有断陷抬升的孤山——泸山。高2317m,苍松翠柏,林木葱郁,掩映着十数座古寺,是号称“川南胜境”的名山。泸山东麓的断陷湖邛海,是四川第二大淡水湖,面积29.3km2。西昌东到昭觉县之上玄参坝,东南到普格县有大箐梁子,加上泸山,形成东边屏障;西有小高山和磨盘山,形成西屏障;北近有北山,远有在冕宁县的拖乌山。这些山相对邛海海平面均在500-1000m以上,形成北风吹不进,只有南面从安宁河谷吹来的暧风,加上高原气候和高原湖泊的调节,形成与周边30km不同的气候。

这里气候温暖,四季宜人,夏能避暑、冬可御寒。年平均气温17.1℃,夏无酷暑（7月约为22.5℃）、冬无严寒（1月约为9.5℃）,有“小昆明”之称。降水集中,有干季、雨季之分。

2.2 台站和使用仪器说明

西昌站位于东经102°16′,北纬27°54′,观测场海拔高度1590.9m。人工观测仪器干球温度表由上海气象仪器厂生产;自动观测仪器铂电阻温度传感器为DYYZII型,由长春气象仪器厂生产。

3 气温对比差值分析

西昌站2007年1月1日-2008年12月31日地面人工24次观测和自动站24次观测的气温资料,每天24个时次,无缺测,样本总数为17544时次。以日、月、季不同的时间尺度及不同天气状况作统计分析。

3.1 气温对比差值日平均分析

3.1.1 人工与自动站日均气温的相关性分析

对2007年1月1日-2008年12月31日的气温观测数据,逐日以每天人工和自动站各24个时次气温值作为样本进行相关系数计算,并进行显著性检验。相关系数共731个,其中相关系数大于0.99的有582个,大于0.98、小于0.99的有149个。而且全部通过显著水平为0.01的信度检验,说明自动站观测数据与人工观测数据差异较小,自动站运行稳定。

3.1.2 气温对比差值日平均分析

利用西昌站2007年1月1日-2008年12月31日的每日24时次的人工和自动站观测资料,所有差值均为人工观测数据减去同时次的自动站观测数据。对得到的每天24个时次的气温对比差值逐日求平均,所得结果如图1所示。根据《地面气象观测规范》规定,人工与自动站气温观测对比差值在±1.0℃及以内属正常。

图1 人工与自动站气温对比差值日平均

由图1可知,气温对比差值日平均范围在-0.53℃-0.02℃,全部在±1.0℃的正常范围内。负值居多,自动站观测的气温值略高于人工观测的气温值,这是由于观测时间和观测仪器的差异所导致,人工观测比自动站观测提前10分钟左右,这就导致当气温变化大时二者的观测结果存在较大差值;还可看出,对比差值日平均值有由大向小的渐降趋势;西昌有明显的干季和雨季,雨季一般是从5月-9月,由气温对比差值日平均波动趋势看出,干季人工观测与自动站观测差值较小,而雨季相对较大,但整体差别不大。

3.1.3 气温日对比差值上、下限分析

从每日的24个时次的气温对比差值中,统计出气温日对比差值的最大值和最小值,即逐日气温对比差值的上、下限,结果如图2所示。

图2 人工与自动站逐日气温对比差值上下限

由图2知,上限和下限均有向0℃靠近的趋势,即有渐降的趋势。还统计了各个值出现的时刻,发现上限多出现于傍晚和夜间,而下限多出现于正午时分,太阳辐射较强的时刻。在图中,上限大于1.0℃的日数有23天,下限小于-1.0℃的日数有451天,出现这种情况的原因是图中的点均是一个月中某天某时差值最大的那个值,是瞬时差值,由于自动站观测的时间一般要晚于人工观测10分钟左右,所以瞬时差值的绝对值完全有可能超过1℃。所以统计日对比差值上、下限意义不大。

3.1.4 日最高、最低气温对比差值分析

根据西昌站地面观测记录中的每日最高、最低气温值,人工观测值与自动站观测值进行差值统计,最高气温对比差值范围为-1.3℃-1.5℃,平均值为-0.58℃;最低温度对比差值范围为-1.6℃-0.4℃,平均值为-0.27℃。日最高气温对比差值高出日最低气温差值2倍多。

将逐时气温、日最高、最低气温分别计算的对比差值进行等级划分,分为7个等级,分别为＜-2.0、[-2.0,-1.0）、[-1.0,0.0）、0.0、（0.0,1.0]、（1.0-2.0]、＞2.0,并统计各等级对比差值出现频率,统计结果见表1,其中逐时气温对比差值的样本总数为17544时次,日最高、日最低气温对比差值的样本总数为731时次。

表1 人工与自动站观测气温对比差值统计表

由表1看出,超出正常范围的逐时气温对比差值占6.35%,其中对比差值＜-2.0℃的占0.06%,在-2.0℃--1.1℃之间的占6.14%,＞2.0℃的占0.02%,在1.1℃-2.0℃之间的占0.13%。超出正常范围的最高温度对比差值占4.37%,其中＞1.0℃的有2天,占0.27%;-2.0℃--1.1℃之间有30天,占4.10%。最低温度对比差值没有大于 2.0℃的,＜-1.0℃的仅有2天,占0.27%;逐时气温、最高、最低温度对比差值均在-1.0℃—0.0℃范围内出现次数最多,分别占60.72%,87.41%,95.07%。最高温度的对比差值相对较大,这与人工观测气温仪器的滞后效应有一定关系,水银对气温变化的灵敏度小于铂电阻,存在温度变化的滞后性。

对超出正常范围的日最高和日最低温度对比差值出现时的天气现象进行统计,最高温度对比差值＞1.0℃的2天中,出现了2次阵雨,2次雷暴;＜-1.0℃的30天中,出现了22次露,9次霜,7次阵雨,4次雷暴和轻雾,3次雨,2次无天气现象。最低温度对比差值＜-1.0℃的2天中,出现了1次阵雨,1次露,1次无天气现象,见表2。

表2 日最高最低温度对比差值异常值出现与天气现象

通过表2看到,对最高温度对比差值影响最大的是露,原因是有露时,一般是晴天,温度变化较为迅速,铂电阻对温度的灵敏度高于水银和酒精,液体温度表的滞后效应就更明显,所以最高温度的差值就相对比较大。

3.1.5 气温对比差值日变化

对两年气温对比差值数据24时次逐时作算术平均并作日变化图,得到图3。由图3可看出夜间差值较小,甚至还出现了正值,而白天差值较大,尤其是在太阳辐射最强的时段12:00-14:00,差值达到最大,差值变化范围在-0.82℃-0.10℃。从早8:00时左右差值开始迅速变大,正午时分略有稳定,从14:00时后差值开始减小。这是由于铂电阻高于水银和酒精对气温的灵敏度。温度升高时,自动站的气温感应器先反映出来,而液体温度表还有一定的滞后性,所以气温对比差值开始变大;温度降低时,也是自动站的气温感应器先反映出来,而液体温度表还没来得及降低,二者的差值就逐渐降低。

图3 人工与自动站气温对比差值日变化

3.2 气温对比差值月平均分析

3.2.1 气温对比差值月平均

图4 人工与自动站气温对比差值月平均

对气温对比差值进行逐月平均得到图4,从图4可以更明显的看到,月平均对比差值的变差范围在-0.32℃--0.18℃。干季二者差值较小,而雨季差值相对较大,可达0.32℃。有较明显的季节变化。

3.2.2 气温月对比差值上、下限分析

根据每日24个时次的对比差值,统计出每月出现的最大值和最小值,即每月气温对比差值的上、下限,如图5所示。

图5 人工与自动站月平均气温对比差值上下限

从图4看到,上限变差范围在0.6℃-2.6℃,下限变差范围在-2.6℃--1.4℃,差值较大,尤其是变差下限全部＜-1.0℃。出现这种情况的原因与气温日对比差值上下限相同,因为图中所用的值均是瞬时值。但可从图中看到较为明显的渐降趋势。

3.2.3 最高、最低气温对比差值月平均比较

对日最高、日最低气温对比差值作逐月平均,如图6所示。

图6 人工与自动站最高最低气温对比差值月平均

由图6看出,最高温度对比差值月平均与最低温度对比差值月平均基本呈反位相,原因有待进一步研究。

3.3 气温对比差值季平均分析

气象上为了便于应用和比较,通常以阳历的3、4、5月为春季;6、7、8月为夏季;9、10、11月为秋季;12月和次年1、2月为冬季[10]。将这两年的数据划分为春夏秋冬,其中春季为2007年 3、4、5月和2008年 3、4、5月,夏季为 2007年 6、7、8月和 2008年 6、7、8月 ,秋季为 2007年 9、10、11月和 2008年 9、10、11月 ,由于数据不多,故将2007年1、2月平均,以及2008年12月的月平均作为冬季资料。

图7 人工与自动站气温对比差值季平均

由图7可看出,气温对比差值季均值在2007-2008年有渐降的趋势,对于两年的四季而言,冬季-夏季差值变大,夏季-冬季差值变小;以及干季差值较小,雨季相对较大。2007年夏季的对比差值平均值为-0.30℃,而冬季为-0.22℃,2008年夏季为-0.29℃,冬季为-0.18℃,气温对比差值有明显的季节变化。

图1、图4、图7中出现了季节性变化,雨季的气温对比差值比干季的气温对比差值大。

3.4 晴天、阴天气温对比差值分析

为了更准确地分析人工与自动站观测的差异,将两年的数据根据总云量分为晴天和阴天,总云量在3成以下（包含3成）为晴天,总云量在8成以上（包含8成）为阴天。2007年共有晴天99天,阴天148天,2008年共有晴天87天,阴天150天。其中2007年阴天有降水的日数为119天,2008年阴天有降水的日数为126天。根据晴天、阴天的气温资料作对比差值,得到图8、图9。

图8 晴天气温对比差值日平均

图9 阴天气温对比差值日平均

由图8、图9看出,干季晴天出现较多,雨季阴天出现较多,这是干季和雨季的气候特征所决定的。晴天气温对比差值范围在-0.46℃--0.09℃,平均值为-0.31℃;阴天气温对比差值范围在-0.41℃-0.02℃,平均值为-0.30℃。阴天气温对比差值范围略大于晴天,这与阴天有降水有一定的关系,说明天气现象对气温的观测有一定影响。

根据阴天有无降水的数据,作图10、11。对比图9、10、11,发现气温对比差值的极值多出现于阴天有降水的情况下,说明降水对人工和自动站的气温观测有影响。

图10 阴天有降水气温对比差值日平均

图11 阴天无降水气温对比差值日平均

4 结论

利用西昌站2007年1月-2008年12月基准观测期间人工与自动站的气温观测资料进行分析,得出以下结论:

（1）人工与自动站的气温相关系数都在0.98以上,全部通过显著性水平为0.01的信度检验,说明自动站运行稳定,为其单轨运行的可靠性提供了依据。气温对比差值日平均范围在-0.53℃-0.02℃,全部在正常范围内;自动站观测的气温值比人工观测的气温值略偏高;对比差值日平均值有由大向小的渐降趋势;有雨季和干季的季节波动。

（2）由气温对比差值上下限看出,气温瞬时值差值可能会很大,可达到2℃-3℃,原因是人工与自动站使用的观测仪器的感应原理差异和观测时间不同步造成的。

（3）日最高温度的对比差值大于日最低温度的对比差值,且日最高温度对比差值出现异常值的天气现象最多为露,原因是有露时,一般是晴天,温度变化较为迅速,铂电阻对温度的感应灵敏度高于水银,液体温度表的滞后效应就更明显,所以最高温度的差值就相对比较大。

（4）气温对比差值有明显的日变化,一般在夜间差值较小,白天差值较大,这是由于液体温度表对温度的感应灵敏度小于铂电阻。阴天的气温对比差值略大于晴天,但总的波动范围差别不大。

（5）气温对比差值的月平均和季平均分析看出,对比差值随干季和雨季的变化,有明显的波动。

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