新型站与备份站自动气象站数据差异性分析

2015-08-19邵兵祝奎董宝磊等

安徽农学通报 2015年15期

邵兵+祝奎+董宝磊等

摘要：利用2014年本溪国家基本气象站有效数据资料，将新型和备份2套自动气象站逐时气温、气压等要素的观测值进行了对比分析和探讨，并根据相关标准对本溪气象数据资料进行评估。结果表明：2套自动气象站数据较为完整，缺测率较低，表明自动站设备较为稳定。通过差值分析2套数据的差异，大部分要素差值小，数据一致率较高，粗差率和超差率较低，个别要素差异略大的原因可能与仪器的型号、性能有关，但检验中大多符合相应的规范要求。2套站自动观测数据可互相替代，从而保证了数据资料的完整性，大大提高了数据观测的质量。

关键词：新型自动气象站；备份自动气象站；数据评估；差异性分析

中图分类号 P415.12 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）15-137-03

Difference Analysis of New Type of Automatic Weather Station and Backup Weather Station Data

Shao Bing et al.

（Meteorological Bureau of Benxi City，Benxi 117000，China）

Abstract：Using the valid data of Benxi national basic weather stations in 2014，air temperature and air pressure from the new type of automatic station and the backup of automatic station were analysed and discussed，and according to the relevant standards，Benxi meteorological data were evaluated. The results show that the two sets of automatic meteorological station data is relatively complete，lack of measurement rate is low，which indicates that automatic station equipment is relatively stable. Through the analysis of the difference between the difference of two sets of data，most of the elements of difference is small，the reason of the difference slightly may be associated with the performance of the instrument，most of the elements meet the requirements in the inspection. Two sets of automatic station observation data can replace each other，so as to ensure the integrity of the data，greatly improving the quality of observation data.

Key words：New type of automatic weather station；Backup of automatic weather station；Data evaluation；Variance analysis

随着我国气象自动化的发展，本溪国家基本气象站于2002年完成了自动气象站建设任务，使用的仪器是长春气象仪器有限公司的DYYZ Ⅱ型自动气象站，经过2a的业务对比观测时期，于2005年正式进入单轨运行，大大提高了观测数据的质量和精度。但单套自动站运行稳定率较差，因传感器基点漂移或电磁干扰等造成要素观测值异常[1-3]，缺少同要素正常数据对比，不能及时发现设备和数据异常情况，而人工补测数据有限且差异较大。伴随着全国地面气象观业务改革的不断深入，对自动气象站技术进行升级换代，2013年5月在原有台站观测场内因地制宜建立了标准新型自动站，采用的仪器设备是华云升达（北京）气象科技有限公司的DZZ5型自动气象站，并于2013年6月正式投入运行，DYYZ Ⅱ型自动站作为备份自动站被保留下来。当标准新型站（DZZ5型）出现故障时，按规定要求及时启用备份站（DYYZ Ⅱ型），从而保证了数据资料的完整性。但由于设备厂家、型号不同，2站数据是否存在差异，替代时2站数据是否连续，本文对此进行了深入的研究探讨。

1 统计资料的来源

本文所用数据为本溪标准新型自动站（记为A站）、备份自动站（记为B站）2套设备2014年1～12月逐小时观测值，A站数据缺测率为0，B站数据缺测率为0.13%（6月11日缺测1～11时），缺测数据按[4-5]，故各要素统计的有效样本个数为8 749个。分析主要涉及的要素有气压、气温、相对湿度、地温等要素。

2 分析方法

常用数据差异性评估方法[6-11]包括对比差值、差值平均值、差值标准差、一致率、粗差率、超差率等。以上各评估指标及评估参考标准依据自动气象站功能书[12]而定。

2.1 对比差值及其平均值 Ai为标准新型自动站某要素第i次观测值，Bi为备份自动站（记为B站）某要素第i次观测值。Xi为某要素第i次对比差值（A站观测值减去B站观测值）。设2种观测仪器对比观测有效样本数为n，则对比差值的平均值为：[Xi=Ai-Bi]，[X=1n-1i=1nXi]。

2.2 差值标准差设对比差值标准差为σ，σ反映了A、B2站之间偏差的离散程度，则有：[σ=1n=1i=1nXi-X21/2]。

2.3 一致率一致率表示A、B2站数据相一致的程度[18]，将对比差值小于等于标准差的2倍的即认为一致。一致率（%）=[一致次数有效样本数×100]。

2.4 粗差率粗差率反映了A、B2站数据异常值的多寡[19]，当[X-Xi]>3σ时，视为粗差。粗差次数计算方法：先根据全部数据计算σ，逐个检查对比差值，若有[X-Xi]>3σ时，剔除其中一个最大者，再按计算标准差的公式计算新的σ，若还有差值[X-Xi]>3σ者，再剔除其中的一个最大者，然后计算新的σ，直到无数据需要剔除为止。

2.5 超差率结合要素以及仪器的性能分析，将自动气象站测量值超过仪器探测灵敏性规定的最大允许误差2倍的百分比定义为超差。其中各要素差值最大允许误差为：气温0.2℃，相对湿度5%，气压0.3hPa，地温0.3℃。超差率（%）=[超差次数有效次数×100]。

3 自动站数据资料的分析评估

3.1 差值的分析对比差值直接反映了A、B2站间的偏差，其广泛应用于气温、气压、相对湿度、地温等各要素的分析。根据相关文献确定观测要素数据资料评估的参考值，A、B站各观测要素对比差平均值见表1。由表1可知，就均值而言，大部分要素差值的均值较小，且在最大允许误差范围内。

表1 A、B站各观测要素对比差

[项目要素＼&A、B站差值均值＼&最大允许误差（±）＼&气温（℃）＼&-0.23＼&0.2＼&相对湿度（%）＼&2.22＼&5＼&气压（hPa）＼&0.03＼&0.3＼&地温（℃）＼&0.55＼&0.3＼&]

3.2 各要素差值数值特征对所有资料样本进行统计计算，2014年本溪A、B站大部分要素一致率较高，粗差率低，表明2站数据较为一致（表2）。

表2 A、B站各观测要素差值数值特征描述

[项目要素＼&样本数＼&标准差＼&一致率（%）＼&粗差率（%）＼&超差率（%）＼&气温＼&8749＼&0.14＼&65.0＼&3.5＼&6.5＼&相对湿度＼&8749＼&1.30＼&95.6＼&0.3＼&0.5＼&气压＼&8749＼&0.05＼&99.8＼&0.2＼&0＼&地温＼&8749＼&1.74＼&93.4＼&13.4＼&34.7＼&]

从一致率上看，相对湿度、气压、地温一致率较高，虽然气温一致率仅为65.0%，但一致率并不能完全反应差值之间的差异性，事实上气温的差值大多集中在-0.5℃，

-0.4℃，-0.3℃，-0.2℃，-0.1℃，0℃（图1），而其2倍标准差为0.28，即认为差值绝对值≤0.28℃的为一致，其中一致次数仅为5 688个，而-0.3℃样本个数高达1 799个，0.3℃样本个数为3个，从而导致整体一致率下降。如果把气温差值绝对值为0.3℃（气温仅保留一位小数，可把0.28≈0.3）的样本也认为是一致的，则一致率可达85.6%。

图1 本溪A、B站气温差值的频次分布

从粗差率上看，地温的粗差率较高，而气温、相对湿度、气压粗差率均较小，其中相对湿度、气压的要素粗差率为0.3%、0.2%。从气压直方图上看（图2），差值基本在±0.1℃，其均值为0.03hPa，即A站值略高于B站。由标准差为0.05可以看出，差值比较稳定，变化幅度小，两者离散程度较好。由图2可知，气压差值为0.0hPa，共有5 763个样本，在±0.1℃，共有8 729个，占99.8%，表明A、B站气压变化大致相同，且无异常值。

图2 本溪A、B站气压差值的频次分布

3.3 差值日变化趋势根据北方气候特点，将6、7、8月份作为夏季，1、2、12月作为冬季。利用公式计算A、B站24次0cm地温观测资料的每一时次的对比差年（月）、夏季、冬季平均值。根据计算结果绘制出本溪2014年夏季、冬季以及年0cm地温对比差值均值的逐时变化（图3），从图3可看到，夏季和年地温差值均值变化的时间区间基本一致，6：00～20：00期间的对比差值是夏季明显高于全年，冬季差值成负值，与夏季、年差值变化正相反。而21：00～06：00期间的对比差值三者变化不大，且趋势大致相同。这种变化说明A或B站存在明显的日变化规律，主要原因可能由于仪器周边存在光源、热导体、电磁场等物质的干扰，或是仪器本身受到太阳辐射及下垫面介质分布不均影响所致。通过对A、B站差值日变化的监控可发现这种变化规律，对异常数据及时监控处理，从而保证数据质量。

图3 本溪A、B站0cm地温差值均值日变化

4 小结

（1）通过对上述资料评估结果表明：2014年华云站（A站）无缺测，长春站（B站）数据缺测11时次，2站同时运行可明显降低缺测率。换而言之，当一套设备（A站）出现故障时，可及时启用备份站设备（B站）替代，从而保证了数据资料的完整性。这种运行模式不仅能大大提升观测自动化水平，减轻观测员值班强度，更重要的是能够提高观测数据的准确性，但也相应的增加了仪器采购、维护等运行成本。

（2）从数据差异性评估来看，A、B站大部分观测要素（气温、相对湿度、气压、深层地温等）等观测数据较为稳定，差值小，尤其是气压一致率极高，粗差率几乎为0，无异常数据。但个别要素差（地温）差异略大，其产生的差异可能是长春站仪器运行时间较长，DYYZ Ⅱ型仪器设备自身形成的系统偏差。由此表明，A、B站数据可互相代替，大部分数据资料稳定性、连续性较好。

（3）0cm地温差值均值的日变化规律表明，受太阳辐射及下垫面的影响，06：00～20：00期间的对比差值，本溪夏季差值均值明显大于年差值均值，两者具有比较一致、稳定的变化趋势；而冬季差值均值呈相反趋势。初步考虑可能受特殊的小气候影响、仪器自身系统误差等，影响的具体气候因子或是其它原因有待于进一步研究。

（4）鉴于本文所采用的数据时间较短，站点单一，故对于部分数据结论还有待于进一步的讨论研究。

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