福州4县(市)自动气象站双套草面温度数据对比分析

谢建芳 何兴林 于 丽

(1.福建省永泰县气象局，福建 福州 350700；2.罗源县气象局，福建 福州 350600)

0 引言

根据中国气象局气测函〔2020〕39号文件要求，福建省气象局各级气象台站于2020 年11月1日新增草面温度观测项目，并按“双套站”建设。气象业务中设备按“双套站”建设运行可以有效减少缺测率，保证数据完整性，帮助判断异常数据，仪器漂移等[1]。草面温度通常用来代表生长季开始后、结束前近地层最低温度，对作物是否受到冻害具有重要的指示意义，预报服务方面通常用草面温度分析霜冻情况和预报霜冻。例如，贾杨等根据最低气温、地面温度、草面温度、湿度和露点温度进行霜的预报[2]。赵艳玲等采用露点温度、判别图、最低草面温度和7～20时草面温度降幅建立2级判别方程，提高霜的预报准确率[3]。代晓丽等利用最低草面温度和 16～20时草面温度降幅建立方程进行初霜预报[4]。郝玲等采用草温构建训练样本集，并结合KNN数据挖掘算法构建草面温度预报模型，霜的预报准确率高达90.2%[5]。可见草面温度对霜的预报很有意义，要提高霜的预报准确率，草面温度的准确性是前提。为了获取准确的草面温度，中国气象局作了严格规定：观测区域位于浅层地温场西侧50cm处，占地约1m2，草丛应低于10cm，草面温度传感器距地6cm，与地面大致平行[6]。

近年来，许多学者在草面温度的准确性方面开展了相关研究。例如，张翠华等利用石家庄5个观测站2008—2010年逐日的草面温度、地面温度和气温，分析讨论了该地区草面温度平均值、极端值、日较差特征以及草面温度与地面温度、气温在不同气象条件下三者之间的变化关系[7]。莫海燕等对不同季节天气情况下的草温、地温和气温的变化进行了综合性的对比分析[8]。柴安龙等对草温和地温的春夏两季、晴天和阴雨天的不同天气条件下，草面温度和地面温度的变化规律进行分析[9]。前人研究主要倾向于草面温度和其他气象要素的对比关系，有关草面温度的准确性评估、差异性分析较少。对新增气象设备进行数据对比分析、评估是大气探测自动化系统建设的重要组成部分，数据对比、评估的要求通常以中国气象局文件为依据。基于此，本文选取福州市罗源县、闽侯县、永泰县、福清市4县(市)国家气象观测站，对比分析2020年11月—2021年7月“双套站”草面温度，评估草面温度的准确性，分析草面温度的差异性。

1 研究资料来源与处理

研究资料选用福州市罗源县、闽侯县、永泰县、福清市4县(市)国家气象观测站，2020年11月—2021年7月“双套站”逐时、最高和最低草面温度。“双套站”业务规定，现行气象业务使用的自动站(简称现用站)也称为A站，当现用站设备故障时备份使用的自动站(简称备用站)也称为B站，数据以A站为主。A站草面温度观测值减去B站观测值为“双套站”草面温度差值。统计时段内，“双套站”草面温度未同时出现缺测。因A站草面温度出现缺测，用B站草面温度代替的频次有：罗源站25次、闽侯站0次、永泰站0次、福清站1次。涉及资料处理方法如下。

1.1 标准差

标准差表示“双套站”差值方差的离散程度。标准差计算公式：

(1)

1.2 一致率

一致率计算公式[10]：

(2)

式(2)中，m为“双套站”差值绝对值在新型自动站相应的气象要素观测最大允许误差范围内的个数；n为采集到的有效样本数。一致率越高，说明对比数据一致性程度越好,一致率越低，说明对比数据一致性程度越差。

1.3 粗差率

(3)

式(3)中，Gr为粗差率；ge为粗差次数；n为采集到的有效样本数。

2 结果与分析

2.1 统计时段一致率

现行台站作业指导书对草面温度对比标准未做定量规定，故参考地温对比标准，“双套站”差值允许范围为±0.5℃[13]。统计时段“双套站”草面温度平均一致率77.6%，见表1。4县(市)草面温度一致率(纵向平均)：永泰站85.1%，福清站79.4%，闽侯站78.8%，罗源站73.6%，可见一致率最高的是永泰站，最低的是罗源站。逐时、最高和最低草面温度一致率(横向平均)：逐时草面温度81.8%、最低草面温度79.0%和最高草面温度72.1%，一致率最高的是逐时草面温度，最低的是最高草面温度。根据《地面气象观测遥测自动化功能需求书》[14]，永泰站一致率达到评估标准，其余县(市)草面温度一致率低于评估标准。

表1 2020年11月—2021年7月“双套站”草面温度一致率

2.2 统计时段粗差率

统计时段“双套站”草面温度平均粗差率3.4%。4县(市)的粗差率(纵向平均)：罗源站6.2%，福清站3.2%，永泰站2.2%，闽侯站2.0%，见表2。粗差率最高的是罗源站，最低的是闽侯站。逐时、最高和最低草面温度粗差率(横向平均)：最高草面温度粗差率4.8%、最低草面温度粗差率2.8%、逐时草面温度粗差率2.6%。粗差率最高的是最高草面温度，最低的是逐时草面温度。根据《地面气象观测遥测自动化功能需求书》，各要素粗差率应<2.0%，可见4县(市)的粗差率偏高。

表2 2020年11月—2021年7月“双套站”草面温度平均粗差率

统计时段4县(市)逐月粗差率，见表3。4县(市)的逐月粗差率≥2.0 %的月份数量有：罗源站平均4.7个月，其中逐时草面温度4个月(11月、12月、1月、2月)，最高草面温度5个月(11月、12月、1月、2月、3月)，最低草面温度5个月(11月、12月、1月、2月，3月)；福清站平均4.3个月，其中逐时草面温度4个月(12月、1月、2月、3月)，最高草面温度6个月(11月，12月、1月、2月、3月、4月)，最低草面温度3个月(12月、1月、2月)；永泰站平均3.7个月，其中逐时草面温度4个月(11月、2月、3月、7月)，最高草面温度7个月(12月、1月、2月、3月、4月、5月、6月)；闽侯站平均3.3个月，其中逐时草面温度4个月(3月、4月、5月、6月)，最高草面温度4个月(3月、4月、5月、6月)，最低草面温度2个月(4月、6月)。逐月粗差率≥2.0 %的月份数最多的是罗源站，最低的是闽侯站。逐时、最高和最低草面温度的逐月粗差率≥2.0 %的月份数有：最高草面温度5.5个月，逐时草面温度4个月，最低草面温度2.5个月。月份数最多的是最高草面温度，最少的是最低草面温度。罗源站粗差率、粗差率≥2.0%的月份数均大于其它县(市)，经分析，11月至3月草面温度观测区域草丛过于稀疏，有祼土，测得的草面温度更接近于地面温度，受太阳辐射影响更大，因此粗差率高。2020年4月份以后随着草丛的修复，粗差率降到1.9%以下。

表3 “双套站”草面温度逐月粗差率

2.3 不同草面温度区间草面温度差值变化

草面温度一致率在不同温度区间的变化趋势呈现“两头低、中间高”状态。在草面温度<5℃、>30℃时，一致率较低(分别<80.9%、 57.1%)，离散度较大(分别>62.8%、62.1%)，在10℃～30℃时，一致率较高(分别为90.7%、95.6%、91.9%、87.7%、82.3%)，离散度较小(分别为16.2%、6.9%、15.0%、15.6%、18.2%)。草面温度一致率大多随着温度的升高而降低(见图1)。

图1 “双套站”草面温度一致率在不同温度区间变化

4县(市)不同温度区间的草面温度一致率略有差异。变化幅度最小的是罗源站，最大的是福清站。罗源站和永泰站变化趋势基本一致，闽侯站和福清站有些差异，闽侯站在草面温度<5℃时，一致率随着温度升高而升高，一致率由71.4%升高至92.0%，其余草面温度区间变化趋势和罗源站、永泰站基本一致。福清站在草面温度小于5℃时，一致率随着温度升高而降低，一致率由54.5%下降至43.0%；在草面温度5～10℃时，一致率随着温度升高而升高，一致率由43.0%上升至82.8%，其余草面温度区间变化趋势和其它县(市)基本一致。

2.4 差值日变化

2.4.1 差值变化趋势

草面温度的差值(A站草面温度观测值减去B站草面温度观测值)具有日变化特征：在一天当中(21时～20时)，夜间差值绝对值较小，白天差值绝对值较大，且白天差值绝对值呈现先递增、后递减趋势，见图2。因草面温度传感器性能存在个体差异，闽侯站、罗源站和福清站A站草面温度观测值大于B站草面温度观测值，所以差值为正数，永泰站A站草面温度观测值小于B站草面温度观测值，所以差值为负数。

图2 “双套站”草面温度差值的日变化

2.4.2 差值日变化幅度与差值的峰值出现时间

草面温度差值日变化幅度如下：日变化幅度最大的是福清站，最小的是闽侯站。罗源站差值的峰值出现在9时前后，其余县(市)差值的峰值出现在13时前后。

2.5 粗差数据集中时段

一天当中，草面温度粗差数据集中在7～18时，峰值集中在9～12时，峰值分别为：罗源站26次，闽侯站26次，永泰站23次，福清站45次。峰值出现时间：罗源站9时，闽侯站12时，永泰站11时，福清站12时，见图3。粗差数据集中时段多出现在日出后，草面温度传感器受太阳辐射、地面反辐射的影响比较大且云量少的时次。当太阳辐射、地面反辐射越强时，草面温度数据粗差率越高，多数县(市)12时前后达到最高，罗源站例外，罗源站粗差数据9时前后达到最高。

图3 “双套站”草面温度粗差数据集中时段

3 结论

① 4县(市)草面温度一致率分别为：永泰站85.1%，福清站79.4%，闽侯站78.8%，罗源站73.6%。根据《地面气象观测遥测自动化功能需求书》永泰站一致率85.1%达到评估标准，其余县(市)一致率低于评估标准。逐时草面温度一致率达到评估标准。

② 4县(市)草面温度粗差率分别为：罗源站6.2%，福清站3.2%，永泰站2.2%，闽侯站2.0%，均低于评估标准。逐时、最高和最低草面温度粗差率分别为：2.6%、4.8%、2.8%，也低于评估标准。逐月粗差率≥2.0%的月份数最多的是罗源站，最少的是闽侯站。逐时、最高和最低草面温度逐月粗差率≥2.0%月份数最多的是最高草面温度，最少的是最低草面温度。造成粗差率偏高的主要原因是草面温度观测环境影响和太阳辐射影响。

③草面温度一致率在不同的温度区间变化趋势呈现“两头低、中间高”的状态：在草面温度<5℃、>30℃时，一致率分别低于80.9%、57.1%，离散度分别大于62.8%、62.1%；在10℃～30℃时，一致率均高于82.3%，离散度均小于18.2%。罗源站一致率变化幅度最小，福清站最大。罗源站和永泰站变化趋势基本

一致，闽侯站和福清站略有差异。一致率大多随着温度的升高而降低。

④草面温度差值具有日变化，夜间差值绝对值变化小，白天差值绝对值变化大。福清站日变化幅度最大，闽侯站最小。罗源站日变化的峰值出现在9时前后，其余县(市)峰值出现在13时前后。

⑤草面温度粗差数据集中在7～18时，峰值集中在9～12时。罗源站粗差数据峰值出现在9时前后，其余县(市)出现在12时前后。粗差数据集中时段多出现在日出后，太阳辐射较强且云量少的时次。