五台山中台自动站与人工观测资料对比分析

2017-10-10杨勇

科技与创新 2017年19期

关键词：气象站差值平均气温

杨勇

（山西省忻州市气象局，山西忻州034000）

五台山中台自动站与人工观测资料对比分析

杨勇

（山西省忻州市气象局，山西忻州034000）

通过对五台山中台新建自动气象站观测资料和历史人工观测资料的降水、气温、相对湿度、风速、气压气象要素的分析，发现月降水量与历史平均值无差异；月平均气温高于历史平均值，2104—2015年新建自动气象站2年平均气温基本一致，并且均高于1960—1997年历史平均气温；相对湿度、气压观测值与历史平均值接近；风速观测资料小于历史平均值。

五台山中台；自动站资料；人工观测资料；气象资料

华北海拔最高的五台山，其气象资料在国内乃至世界上具有极其重要的价值。但是，五台山中台顶气候条件十分恶劣，年平均气温为－4.1℃，极端最低气温为－44.8℃。1998-01-01，迁移站址到五台山南台。随着气象自动化观测技术的日渐成熟，2014-07，在五台山中台顶建立了无人值守自动气象站，经过2年多的运行，得到了降水、气温、相对湿度、风速、风向、气压气象要素资料。国内许多学者分析、研究了新旧气象站资料，取得了重要的进展[1-11]。曹丽娟、肖苏君利用2006年内蒙古自治区共36个自动站和人工站平行观测资料，通过分析气温、气压、相对湿度、风等要素的对比差值及其标准差、对比差值的频次分布和空间分布等，探讨了自动站与人工观测数据出现差异的原因；宋军、高磊、王秀萍利用大连自动气象站和人工站观测到的2005—2006年的气温、气压、降水、相对湿度、0 cm地温和风速风向等资料，对其差值、粗差率、一致率和风向相符率等进行对比、分析；李又君、梁国坚通过对山东省东阿县新旧地面气象观测站同期（2008-01，2008-04，2008-07）气温观测资料的对比、分析，发现两站之间气温存在明显的正温差，旧测站气温存在城市热岛效应。鉴于此，有必要对2014—2015年自动站资料与1960-01-01—1997-12-31这38年有人值守期间的人工观测资料作对比分析，以便了解气候变化情况和自动站设备数据质量。

1 资料与方法

1.1 资料来源

2014—2015年自动站资料和1960-01-01—1997-12-31有人值守期间的人工观测资料来自山西省气象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 差值法分析

分别计算1960-01-01—1997-12-31这38年有人值守期间的人工观测资料和2014-01-01—2015-12-31这2年自动气象站观测资料的月平均气温、月最高气温、月最低气温、月降水量、月平均相对湿度和月平均风速的差值，并统计求取月、年差值。

设Ai为旧址某要素第i次观测值，Ui为相应时间新址自动站仪器观测值，则第i次的差值为：xi＝Ai－Ui.

1.2.2 差异影响显著性分析

为了验证人工观测历史资料与新建自动气象站观测资料序列的关系，利用现址近38年的观测要素数据月（年）平均值序列，对新建自动气象站月（年）平均值进行显著性检验。

假设x0为平行观测期的某要素月（年）平均值，假定样本容量为n月（年），这n年人工观测的相应要素月（年）平均值的样本序列为x1，x2，…，xi，…，xn，统计量为：

当显著水平a为0.05（0.01），自由度为n时，|t|＞ta，则表示平均值x0与其他年份平均值差异显著。

2 气象要素差值分析

分别计算38年有人值守期间的人工观测资料和2014年、2015年自动气象站观测资料的月平均气温、月最高气温、月最低气温、月降水量、月平均相对湿度和月平均风速的差值，并统计求取月、年差值。

2.1 降水资料差值分析

降水资料如表1所示。从表1中可以看出，自动气象站观测到1月份和12月份降水量为0，但1960—1997年人工观测都有降水量，所以，降水观测值存在疑误。2月份历史平均值为16.28 mm，最大值为23.8 mm，最小值为0 mm，所以，降水量观测值基本正确，从3—11月降水量观测值与历史平均值比较的情况，其也在正常值范围。从差值来看，差值为正观测值小于历史平均值，为负则观测值大于历史平均值。1960—1997年年平均值为793 mm，2014年降水量为608 mm，2015年降水量为601 mm，降水量小于历史同期，主要原因是1月和12月降水量缺测导致。

表1 降水资料表（单位：mm）

2.2 气温资料差值分析

气温资料如表2所示。

表2 气温资料表

2.2.1 平均气温差值分析

从表2所示数据中可以看出，2014-01—03，09—11气温观测值高于1960—1997年月气温平均值；12月平均气温低于1960—1997年月气温平均值；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。2015年，1—4月、9月、11月、12月的月平均气温高于1960—1997年月气温平均值；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。2104年、2015年年平均气温基本一致，并且均高于1960—1997年历史平均气温。

2.2.2 极端最低气温差值分析

从表2中可以看出，2014年气温传感器月极端最低气温观测值在1月、2月、4月、6月、7月、9月、10月、12月不规律的高于1960—1997年月极端最低气温平均值；3月、5月的月极端最低气温低于1960—1997年月极端最低气温平均值；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。2015年，1月、2月、5月、7—10月、12月的月极端最低气温高于1960—1997年月极端最低气温；3月、4月、11月极端最低气温低于1960—1997年月极端最低气温；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。

2.2.3 极端最高气温差值分析

从表2中可以看出，2014年气温传感器月极端最高气温观测值在1月、2月、3月、5月不规律的高于1960—1997年月极端最低气温；4月、6月、11月、12月的月极端最高气温低于1960—1997年月极端最高气温；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。2015年，1—4月、11月的月极端最高气温高于1960—1997年月极端最高气温；6月、9月、12月极端最高气温低于1960—1997年月极端最高气温；其余月份月平均气温与1960—1997年月气温平均值基本接近。总体来看，不论是月平均气温、年平均气温，还是月极端最气温、月极端最高气温，2014年和2015年的观测值要高于历史同期。这是否标志着在全球气温变暖的大环境下，五台山中台年平均气温也有所升上？

2.3 相对湿度资料差值分析

表3 相对湿度资料表

相对湿度资料如表3所示。从表3中可以看出，2014年、2015年观测值与历史平均值的差值很小。这表明，湿度观测值与历史平均值基本趋于一致。

2.4 气压资料差值分析

气压资料如表4所示。

表4 气压资料表

从表4中可以看出，2014年和2015年气压观测值与历史平均值之间的差值很小。这说明，月值和年值基本都与历史平均值趋于一致，气压观测稳定，变化不大。

2.5 风速资料差值分析

表5 风速资料表

风速资料如表5所示。从表5中可以看出，2014年、2015年风速观测值小于历史平均值。从年值中也可以看出，五台山中台2014年、2015年的平均风速小于历史平均值。

3 差异影响显著性分析

五台山中台人工观测历史资料与新建无人值守自动气象站t检验（显著性水平为0.05，n＝38时，标准值为2.024），在显著水平a为0.05，自由度为n时，ta＝2.024.当|t|＞ta时，则表示平均值x0与其他年份平均值差异显著。采用t检验，显著性水平为0.05，对历史观测资料的平均值和新建自动气象站的平均值进行显著性检验，检验要素包括平均气温、降水量、平均相对湿度、平均风速月值和年值。

2014年观测值与历史观测值t检验情况如表6所示，2015年观测值与历史观测值t检验情况如表7所示。

表6 2014年观测值与历史观测值t检验

从表6中可以看出，2014年，在4个要素中，平均气温在10月超过临界值，平均气压在3月、4月、7月超过临界值，平均相对湿度在1月、4月超过临界值，差异性显著。对于年值，平均气压超过临界值，差异性显著。

表7 2015年观测值与历史观测值t检验

从表7中可以看出，2015年，在4个要素中，平均气温在1月超过临界值，平均气压在1月、4月、7月超过临界值，平均相对湿度在1月、6月、9月、11—12月超过临界值，差异性显著。对于年值，平均气温、平均气压均超过临界值，差异性显著。

4 结束语

差值分析结果表明，月降水量（除1月和12月缺测）与历史平均值无差异；月平均气温高于历史平均值，2104年、2015年年平均气温基本一致，并且均高于1960—1997年历史平均气温；相对湿度观测值与历史平均值接近；气压观测值与历史平均值接近；2014—2015年风速观测值小于历史平均值，从年值也可以看出五台山中台平均风速在2014年、2015年小于历史平均值。差异影响显著性分析结果表明，在观测的4个要素中，月平均气温、月平均气压、月平均相对湿度、月平均风速差异性比较小。对于年值，平均气压超过临界值，差异性显著。由于五台山中台的自动站是2014年安装的，资料积累序列时间太短，站点设备有时故障，导致资料不连续。由此可知，统计方法还有待优化。只有优化统计方法，才能更好地进行数据分析。

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