DZZ6型与CAWS600型双套自动站数据差异分析

白 明，张德玉，庞 成，许敏晶，王伏村

(1.甘肃省张掖国家气候观象台,甘肃 张掖 734000；2.甘肃省张掖市气象局,甘肃 张掖 734000；3.甘肃省高台县城关初级中学,甘肃 高台 734300)

1 引言

近年来，中国气象局在全国范围内布设了各类自动观测设备，以有人值守站为主，区域站为辅的综合观测网络，通过增加观测站点和数据采集密度的方法，进一步提高对大气的监测能力，自动站相较人工站资料的时空分辩率更高，具有资料自动存储和实时上传的优异特性，能在气象预报、决策服务和科研工作中发挥更显著的作用。对于观测资料的采集和质控，中国气象局有严格的质量控制方法，然而有不少文献分析指出[1-2]，在资料的对比分析与累年资料均一性检验中，仪器的性能影响是重要因素之一，因此对资料进行质量评估，并对双套资料进行对比分析，通过差值的分布特征，寻找导致数据差异的原因就显得十分必要，陈豫英[3]从观测资料的差值、标准差、一致率和粗差率方面进行了分析，余君[4]全国选取17个站点，在数据对比分析中发现，数据相差不大，在允许的误差范围内，对气象预报无影响，但对气候序列的均一性产生一定影响。可见不同的研究，其结论也存在一定差异。

通过对张掖国家气候观象台2017年1—12月全年新型站和备份站数据在不同数值区间差异性分析，结合图表查找数据差异的原因，为以后如何改进综合观测方法和精确数据分析互相订正替代提供科学依据。

2 资料来源及处理方法

2.1 资料来源

张掖国家气候观象台于2013年6月1日正式启用DZZ6型新型自动气象站，正式切换为主要观测设备，同时，CAWS600型备份站由主要采集设备切换为备份设备，两套自动气象站同时运行，日常同等维护。两套气象站均安装在拔海高度为1 461.1 m的同一个观测场内，严格按照中国气象局“地面气象观测场规范化图册”的布局进行布设。新型站比备份站的气压传感器高0.6 m。其它的观测项目均为无差别的同一观测环境。

资料来源为张掖国家气候观象台2017年1—12月全年经审核后的24次正点数据，包括空气温度、气压、10 min风速、地面温度等这些观测项的平行观测资料进行差异分析。采用如下方法进行对比分析评估。

2.2 数据处理方法

数据差异分析评估的方法一般有缺测率、差值平均值、标准差、一致率和超差率等，从偏度系数和峰度系数是否服从正态分布等统计特征进行分析。

2.2.1 差值标准差 标准差是用于衡量一组数据中某一数值与其平均值差异程度的指标，能直观地反映某一项数据与平均值的偏离程度。计算公式为：

(1)

2.2.2 超差率 超差率是表示两套站数据差值超过该设备规定最大允许误差2倍的比例。计算公式为：

(2)

d表示两套站数据差值超过该设备允许最大误差2倍的个数总和，n表示该要素采集到的有效数据总和。根据中国气象局检定规程的规定，气温、气压、地温[5]、风速[6]、相对湿度[7]等传感器观测要素的最大允许误差如下表。

表1 中国气象局检定规程允许误差Tab.1 Permission Error of the China Meteorological Bureau Verification Regulation

3 数据分析

3.1 数据缺测率

2017年1—12月，新型自动站和备份自动站应采集到正点数据为8 760组，4月份检定仪器，新型站缺测2个时次的正点数据，备份站缺测3个时次的正点数据，根据业务技术规定，两套站并行运行后，数据可以互相替代，本文中的实采数据为8 760组，按没有缺测正常记录处理，所有观测要素的缺测率均为0.0%。

3.2 各要素数据分析

3.2.1 气温 胡玉峰[8]以时间的顺序进行温度差异分析，为寻找传感器在不同温度区间随温度变化的差异规律，制作了表2，在整个温度区间，双套站的差值平均值均为负值，表明新型站的气温普遍小于备份站的气温。差值标准差非常接近，说明两套传感器数据差异不明显，气温在-20～30 ℃的范围内，平均差值变化比较小，一致率也在80%以上，差值波动不明显。气温在30 ℃以上时，一致率迅速降低，只有54%，两套传感器因温度的升高性能差异变得更加明显，同时双套站的差值超过规程允许误差的数量迅速增多。

对张掖国家气候观象台的4项气象要素按日、月、年差值进行分析，结合天气实况，双套站数据差值与当时的天气实况和季节无明显对应关系。图1是一日内气温与气温差值对应图，当气温在20～30 ℃时，差值在0.1 ℃和-0.2 ℃范围内，-0.1 ℃的频次较多，与表2的统计结果一致，当气温高于35 ℃时，差值偏离状态明显，最大为-0.5 ℃，超过了气温的规程允许范围，双套站温度传感器均安装在同一个百叶箱内，外部影响因素是相同的，说明仪器的性能差异是造成数据差值的主因。

表2 张掖国家气候观象台新型站、备份站气温差异Tab.2 Temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

图1 2017年7月15日逐时气温与气温差值图Fig.1 Difference of Hourly Temperature and Air Temperature in July 15, 2017

3.2.2 气压 图2是张掖国家气候观象台2017年4月逐时气压差值的变化情况，通过对仪器差值最大允许误差的监控能发现数据比较明显的异常问题，全月双套站的差值大部分在允许误差±0.3 hPa之间，但4月8日前后差值有明显的变化，4月1—7日差值在-0.1～-0.3 hPa之间，8—9日在-0.2～-0.3 hPa之间，10日后，差值在0.2～-0.5 hPa之间，离散程度变大，经查，8日进行了仪器检定，新型站和备份站的气压传感器均进行了更换。表明数据的差异与仪器的更换有直接的关系。

图2 2017年4月逐时气压差值图Fig.2 Hourly Air Pressure Difference Diagram in April ,2017

3.2.3 风速 风速历史记录为10 min风向、风速。从资料的延续性上考虑，以10 min风速作为样本，图3从不同的风速区间进行差异对比分析，风速的整个区间，一致率随风速的递增呈线性下降。最低为>10 m/s区间的88%，差值平均值呈V型，0～4 m/s，差值平均值从0.2 m/s降到0.1 m/s，6 m/s后呈明显上升趋势，全年差值平均值为-0.02 m/s，新型站风速略小于备份站风速，标准差在0.18～0.44之间，随风速递增呈增大趋势，数据差异性扩大。风速差值为0的样本有3 587个，左侧有2 620个，分布在-0.7～-0.1的区间，右侧有2 553个，分布在0.1～0.7的区间，左右两侧的样本比较均衡。偏度系数为0.14，与图3一致，表明差值分布略右偏，峰度系数17.6，表明差值分布大于正态的凸起程度，曲线较为陡峭，数据比较集中，加之左右两侧数据不均衡，其差值不符合正态分布。

图3 风速在不同区间的频次、一致率和超差率Fig.3 Frequency, Consistency Rate and Super Difference of Wind Speed in Different Intervals

3.2.4 地面温度 白水成[9]从时间顺序上分析了地温差异，为查找除埋设安装的因素外，传感器本身的性能对测量值的差异影响，表3按温度的不同区间进行统计，地面温度在0～30 ℃之间，差值平均值在±0.1 ℃之间，观测值非常接近，差值非常小，0～40 ℃的一致率均在90%以上，小于0 ℃和大于40 ℃，一致率呈线性下降。30 ℃以上，超差率随温度升高呈明显的上升趋势，最大达到94%。4月份刚刚进行了检定，地温传感器均符合检定规程。地温的安装维护也严格按照规范的标准进行，测得的地面温度超差率非常大。

表3 张掖国家气候观象台新型站、备份站地面温度差异Tab.3 Ground temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

为进一步查看仪器在不同温度范围内差值的变化情况，利用一日地面温度和差值制作了图4，地面温度在0～40 ℃时，差值在0～0.4 ℃之间，变化平缓，当地面温度升到50 ℃以上时，绝对差值迅速变大，变动范围在-0.1～-1.2 ℃之间，波动幅度非常大，有4组差值样本超过规程允许误差。表明地温受下垫面、埋设和仪器性能的影响非常大。

图4 2017年7月15日逐时地温与地温差值图Fig.4 Hourly Ground Temperature and Ground Temperature difference in July 15, 2017

4 数据差异分析

4.1 两套自动气象站型号不同

通过对4项气象要素的分析表明，数据的差异与季节无明显的对应关系，除了安装和维护等影响因素，双套站的主采集器型号不同，新型自动气象站采用DZZ6型主采集器，备份自动气象站采用CAWS600型主采集器，不同的采集器配套的传感器不一样，虽然均符合气象仪器的检定规程，但不同仪器性能是影响数据差异的因素之一。

4.2 两套自动气象站安装和日、周、月、年维护差异

4.2.1 气压差异 新型站比备份站的气压传感器高0.6 m，根据压—高公式可知，高度差对数据差值有一定的影响。

4.2.2 地温差异 ①与地温的埋设有关，地面温度传感器一半裸露在空气中,一半埋入土壤中，而且要保持地温传感器与地面的紧密贴合，露出地面的一半要保持干净，在雨、雪天气后，要及时耙松地温场。

②与地温传感器下垫面的土壤性质有关[10]，张掖国家气候观象台观测场位于荒漠区，地温观测场全部是细沙土，高温时，太阳辐射导致下垫面变热，因下垫面细沙土辐射传热和地温传感器埋设的细微差别，对两只传感器的影响非常大。

③与特殊天气条件有关，冬季遇积雪，融雪阶段，经常会出现一支地面温度传感器上面的积雪已融化，另一支地面温度传感器仍被积雪覆盖，必然导致数据差异明显。

4.2.3 气温和风速 仪器长期运行造成一定的性能衰减；风向风速仪不间歇运转造成磨损；有部分差值是随机性的。

4.3 两套自动站数据采集时间不一致

自动气象站业务微机和主采集器的时间互相独立运行。二者必须同步，才能保证数据采集的成功。新型自动站以业务微机为主时间设备，网络自动对时，同时校正到采集器，备份自动站以采集器为主时间设备，采用人工校时，与北京时存在误差。特殊天气导致观测场要素剧变时，数据采集时间的不同步，会导致两套自动站采集数据的明显差异。

4.4 更换仪器

为避免仪器长期运行造成采集数据的失真，中国气象局规定，两年对自动站全部仪器进行一次检定，各传感器均进行更换。图2表明，不同传感器之间性能的系统性偏差，对资料序列的均一性有一定影响。

5 小结

①通过对以上观测要素的对比差异分析，可以得出，同时运行两套自动气象站，对于提高数据采集的成功率，累积资料的完整性，降低甚至消灭数据缺测的发生具有积极的作用，也充分说明了运行双套站的合理性和必要性。但也要注意到，4项观测要素中，只有部分观测要素一致率比较好，差值平均值比较接近，地温和气压数据的超差率很大，说明双套站的数据差值超过允许误差。 需要加强对数据资料的维护和质控。

②对双套站单个差值样本和差值平均值的持续跟踪，能及时发现因仪器性能差异造成的细微变化，无法判定哪套仪器的测量值偏离真实值时，应通过数据质量控制的办法对异常值进行判断，温华洋[11]的空间一致差值订正合成法，刘静[12]的双套站气象数据融合法，均能在一定程度上对数据进行评估与质量控制，确保测量值的准确性。

③通过对4项观测要素的综合分析，发现季节与数据差值无明显对应关系，除了数据采集时间的不同步、更换仪器和安装维护的细微差别外，影响数据差值主因还是仪器本身的性能差异，建议两套自动气象站均安装DZZ6型主采设备，进行网络授时管理，尽量减少仪器性能差异对数据的影响。

④地温不仅受仪器性能差异影响，受下垫面的细微差别、融雪等特殊天气条件、传感器埋设等影响非常明显，建议将自动气象站地面温度传感器由1只增设为4只，同时采集到4组数值，求其平均值，最大程度的避免如融雪等个别气象因素对采集数据的影响，更具有代表意义。