怀化自动气象站与人工观测气象要素对比分析

杨 云, 杨晓蕊, 王晓波, 李 俊

(湖南省怀化市鹤城区气象局,湖南鹤城418000)

0 引言

怀化市局观测站从2004年开始使用ZQZ-CⅡ型自动气象站,2005～2006年为自动站人工站并轨运行阶段,2007年起实行自动气象站业务单轨运行。单轨运行后只在20时进行人工定时观测,ZQZ-CII型自动气象站投入怀化市业务运行7年多以来,有效地提高了观测效率和观测数据的连续性、准确性,但它与人工观测站资料存在着一定的差异。通过对单轨后2009年至2010年20时的气压、风向风速、温度、湿度、地温等资料进行统计对比分析,通过不断的完善仪器性能,充分发挥自动观测仪器的客观定量的优点,有利于自动站设备性能的充分发挥,对于了解自动站测量数据的准确性,提高气象要素气候系列的连续性以及气候统计的可靠性有着重要作用。

1 资料来源与处理

1.1 资料来源

资料取自2009年1月至2010年12月怀化市局观测站自动气象站与人工观测的20时定时气压、风向风速、温度、湿度、地温要素值。其中,自动站观测数据为正点时刻观测要素值,人工观测温度、湿度、地温为正点前15min内的观测值、气压为接近正点的观测值。

1.2 资料处理

根据气象资料对比观测期间监测资料评估技术办法,对照人工观测数据,计算对比观测期间每月20时定时气压、温度、湿度、地温、浅层地温等要素值的对比差值和一致率。

1.2.1 对比差值

对比差值Xi=Ai-Ui,其中Ai和Ui分别为第i次自动站和人工站观测值。对比差值的月平均值：

上式中n为观测次数。对比差值直接反映了自动站和人工站之间的相对偏差。

1.2.2 一致率

一致率是反映自动站与人工站观测记录相一致的程度。对比差值小于其平均值标准差2倍的次数与有效总次数的比值为一致率。

1.2.3 风向记录分析方法

自动站所测风向对应表1中所给范围时,即认为两者相符(人工观测风速大于等于2m/s)。

表1 人工观测与自动站风向对应范围

1.3 资料处理结果

通过对2009～2010年逐月的20时定时气压、温度、湿度、地温、浅层地温等要素对比差值、一致率进行统计分析计算,得到怀化观测站2009～2010年对比综合分析结果如表2所示。

表2 怀化观测站2009～2010年对比综合分析表

2 结果分析

2.1 本站气压

由表2统计结果表明,自动站的气压均比人工站高,气压差值为0.1～0.5hPa,平均差值0.3hPa,差值最高达0.7hPa。导致上述差异的主要原因：(1)自动站与人工站观测仪器的工作原理不同,造成系统性偏差;(2)采集的方法不同,人工站用动槽式水银气压表,自动站用电测气压传感器;(3)采集的时间不同,人工站观测时间是接近正点,自动站是正点前1分钟滑动平均值;(4)人工观测的视差,自动站采集器故障等都是造成误差的原因。

2.2 风向

自动站与人工站风向相符率分别为58.01%、55.25%,均低于评估参考标准值70%。其主要原因是由于自动站风塔和人工站风塔高度不一致造成的(自动站风塔高度为10.2m,人工站风塔高度为7.0m,且人工站风塔位于值班室楼顶,也是造成差异较大的原因之一)。此外,自动站风向风速仪采用低惯性轻金属的风传感器,其启动风速仅为0.3m/s,具有惯性小、启动快、感应灵敏的特点;而人工站风速传感器惯性大、启动慢、不灵敏,启动风速可达1.5m/s,这是造成两者数据相差较大的原因。

2.3 气温

除2010年1月、2月自动站气温比人工观测值略偏高以外,其余月份均偏低,气温差值为0.1℃～0.3℃,平均差值0.2℃。符合自动站资料评估允许的0.2℃的标准。一致率符合“对比观测期间监测资料评估技术方法”评估标准。说明自动站气温传感器运行稳定可靠。

2.4 相对湿度

自动站相对湿度均比人工观测值低,相对湿度差值为3～7%,平均差值4%,差值最高达10%。自动站与人工观测比较偏差偏大,这与自动站湿敏电容测湿原理是相一致的,在高湿时自动站湿敏电容观测误差较大,尤其是长时间在高温高湿环境中使用,误差更大。自动站与人工站湿度存在差异的主要原因：(1)仪器测量原理不同,人工站用干湿球温度表间接测定湿度,湿球纱布及其表面状况难以始终保持一致,自动站是介电层直接吸收空气中的水分后影响电容量后测定;(2)仪器安装环境不同;(3)人工观测产生的随机误差。

2.5 地面温度

自动站地温与人工观测值差值的正负变化无明显变化规律,但差值为正的幅度明显大于差值为负的幅度,地温差值为0.1～0.6℃,平均差值0.3℃,差值最高达1.2℃。自动站与人工观测地温存在差异的主要原因：(1)仪器测量原理不同,人工观测用玻璃液体温度表测定,而自动观测地温使用铂电阻温度传感器测量;(2)土壤各处比热不同,所以同样的热量、不同的地块,温度升值不同,在地面温度突变时,地温表的滞后性会影响温度示值;(3)人工观测产生的随机误差;(4)自动站为00分的数据采样,人工站则为45分观测值,在这一时段内不仅受气温日变化的影响外,还受到天气变化的影响,导致人工观测地温和自动站测量地温的差异。

3 结论与讨论

综上分析结果表明,两种观测值存在一定的差异,究其原因,主要有以下几个方面：

(1)仪器原理差异：自动气象站中使用的气象传感器与人工观测用的仪器在原理上是不同的。自动站采集的数据为每分钟的平均值,每1次测量值均为多个观测样本的平均值;而人工站只是由观测员观测瞬时值,因此自动站与人工站记录值采集方式和算法均有不同程度差异。

(2)时次差异：地面气象测报规范要求人工观测在观测时次的45～60分钟完成气温、湿度、降水、风、气压、地温的观测,而自动站是在00～01分钟内按一定的顺序瞬间完成各项目观测的。一般而言,气象要素随时间的变率越大则自动站与人工观测数据间的差异越大。

(3)观测环境和方式造成的差异：自动站和人工观测一般处于同一观测场,而且两者在有些项目的观测环境存在差异的,所以造成观测数据存在差异。人工站冬季气压观测数据受到室内供暖的影响,气温表读数时受人体温度的影响,湿球纱布的清洁度对湿度计算也有影响,从而使观测环境对人工观测的数据有一定的影响。

(4)由于怀化站已经进入以自动站为主阶段,人工站只有在20时才进行观测,两种观测方式每日只有1次对比值,因此未能进行每日4次定时观测的对比,这是造成对比差值、一致率、风向相符率误差较大的原因。

4 结束语

怀化站在自动气象站正式投入业务运行后,对自动观测资料进行了严格的质量控制,使得正式运行后的自动观测数据质量比平行观测期间有了很大的提高,由于自动站观测资料序列比较短,仅是对这方面的初步分析,从而找出怀化站各气象要素差异性的原因,同时,随着观测序列的延长,还需要进行更加深入的分析,探讨自动观测与人工观测产生差异的原因。所以,质量控制和评估对于保证自动观测资料的质量有着重要作用。

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