楊 云, 楊曉蕊, 王曉波, 李 俊

(湖南省懷化市鶴城區(qū)氣象局,湖南鶴城418000)

0 引言

懷化市局觀測(cè)站從2004年開始使用ZQZ-CⅡ型自動(dòng)氣象站,2005～2006年為自動(dòng)站人工站并軌運(yùn)行階段,2007年起實(shí)行自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)單軌運(yùn)行。單軌運(yùn)行后只在20時(shí)進(jìn)行人工定時(shí)觀測(cè),ZQZ-CII型自動(dòng)氣象站投入懷化市業(yè)務(wù)運(yùn)行7年多以來(lái),有效地提高了觀測(cè)效率和觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性,但它與人工觀測(cè)站資料存在著一定的差異。通過對(duì)單軌后2009年至2010年20時(shí)的氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度、地溫等資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,通過不斷的完善儀器性能,充分發(fā)揮自動(dòng)觀測(cè)儀器的客觀定量的優(yōu)點(diǎn),有利于自動(dòng)站設(shè)備性能的充分發(fā)揮,對(duì)于了解自動(dòng)站測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提高氣象要素氣候系列的連續(xù)性以及氣候統(tǒng)計(jì)的可靠性有著重要作用。

1 資料來(lái)源與處理

1.1 資料來(lái)源

資料取自2009年1月至2010年12月懷化市局觀測(cè)站自動(dòng)氣象站與人工觀測(cè)的20時(shí)定時(shí)氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度、地溫要素值。其中,自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)為正點(diǎn)時(shí)刻觀測(cè)要素值,人工觀測(cè)溫度、濕度、地溫為正點(diǎn)前15min內(nèi)的觀測(cè)值、氣壓為接近正點(diǎn)的觀測(cè)值。

1.2 資料處理

根據(jù)氣象資料對(duì)比觀測(cè)期間監(jiān)測(cè)資料評(píng)估技術(shù)辦法,對(duì)照人工觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算對(duì)比觀測(cè)期間每月20時(shí)定時(shí)氣壓、溫度、濕度、地溫、淺層地溫等要素值的對(duì)比差值和一致率。

1.2.1 對(duì)比差值

對(duì)比差值Xi=Ai-Ui,其中Ai和Ui分別為第i次自動(dòng)站和人工站觀測(cè)值。對(duì)比差值的月平均值：

上式中n為觀測(cè)次數(shù)。對(duì)比差值直接反映了自動(dòng)站和人工站之間的相對(duì)偏差。

1.2.2 一致率

一致率是反映自動(dòng)站與人工站觀測(cè)記錄相一致的程度。對(duì)比差值小于其平均值標(biāo)準(zhǔn)差2倍的次數(shù)與有效總次數(shù)的比值為一致率。

1.2.3 風(fēng)向記錄分析方法

自動(dòng)站所測(cè)風(fēng)向?qū)?yīng)表1中所給范圍時(shí),即認(rèn)為兩者相符(人工觀測(cè)風(fēng)速大于等于2m/s)。

表1 人工觀測(cè)與自動(dòng)站風(fēng)向?qū)?yīng)范圍

1.3 資料處理結(jié)果

通過對(duì)2009～2010年逐月的20時(shí)定時(shí)氣壓、溫度、濕度、地溫、淺層地溫等要素對(duì)比差值、一致率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算,得到懷化觀測(cè)站2009～2010年對(duì)比綜合分析結(jié)果如表2所示。

表2 懷化觀測(cè)站2009～2010年對(duì)比綜合分析表

2 結(jié)果分析

2.1 本站氣壓

由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,自動(dòng)站的氣壓均比人工站高,氣壓差值為0.1～0.5hPa,平均差值0.3hPa,差值最高達(dá)0.7hPa。導(dǎo)致上述差異的主要原因：(1)自動(dòng)站與人工站觀測(cè)儀器的工作原理不同,造成系統(tǒng)性偏差;(2)采集的方法不同,人工站用動(dòng)槽式水銀氣壓表,自動(dòng)站用電測(cè)氣壓傳感器;(3)采集的時(shí)間不同,人工站觀測(cè)時(shí)間是接近正點(diǎn),自動(dòng)站是正點(diǎn)前1分鐘滑動(dòng)平均值;(4)人工觀測(cè)的視差,自動(dòng)站采集器故障等都是造成誤差的原因。

2.2 風(fēng)向

自動(dòng)站與人工站風(fēng)向相符率分別為58.01%、55.25%,均低于評(píng)估參考標(biāo)準(zhǔn)值70%。其主要原因是由于自動(dòng)站風(fēng)塔和人工站風(fēng)塔高度不一致造成的(自動(dòng)站風(fēng)塔高度為10.2m,人工站風(fēng)塔高度為7.0m,且人工站風(fēng)塔位于值班室樓頂,也是造成差異較大的原因之一)。此外,自動(dòng)站風(fēng)向風(fēng)速儀采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器,其啟動(dòng)風(fēng)速僅為0.3m/s,具有慣性小、啟動(dòng)快、感應(yīng)靈敏的特點(diǎn);而人工站風(fēng)速傳感器慣性大、啟動(dòng)慢、不靈敏,啟動(dòng)風(fēng)速可達(dá)1.5m/s,這是造成兩者數(shù)據(jù)相差較大的原因。

2.3 氣溫

除2010年1月、2月自動(dòng)站氣溫比人工觀測(cè)值略偏高以外,其余月份均偏低,氣溫差值為0.1℃～0.3℃,平均差值0.2℃。符合自動(dòng)站資料評(píng)估允許的0.2℃的標(biāo)準(zhǔn)。一致率符合“對(duì)比觀測(cè)期間監(jiān)測(cè)資料評(píng)估技術(shù)方法”評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。說明自動(dòng)站氣溫傳感器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2.4 相對(duì)濕度

自動(dòng)站相對(duì)濕度均比人工觀測(cè)值低,相對(duì)濕度差值為3～7%,平均差值4%,差值最高達(dá)10%。自動(dòng)站與人工觀測(cè)比較偏差偏大,這與自動(dòng)站濕敏電容測(cè)濕原理是相一致的,在高濕時(shí)自動(dòng)站濕敏電容觀測(cè)誤差較大,尤其是長(zhǎng)時(shí)間在高溫高濕環(huán)境中使用,誤差更大。自動(dòng)站與人工站濕度存在差異的主要原因：(1)儀器測(cè)量原理不同,人工站用干濕球溫度表間接測(cè)定濕度,濕球紗布及其表面狀況難以始終保持一致,自動(dòng)站是介電層直接吸收空氣中的水分后影響電容量后測(cè)定;(2)儀器安裝環(huán)境不同;(3)人工觀測(cè)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。

2.5 地面溫度

自動(dòng)站地溫與人工觀測(cè)值差值的正負(fù)變化無(wú)明顯變化規(guī)律,但差值為正的幅度明顯大于差值為負(fù)的幅度,地溫差值為0.1～0.6℃,平均差值0.3℃,差值最高達(dá)1.2℃。自動(dòng)站與人工觀測(cè)地溫存在差異的主要原因：(1)儀器測(cè)量原理不同,人工觀測(cè)用玻璃液體溫度表測(cè)定,而自動(dòng)觀測(cè)地溫使用鉑電阻溫度傳感器測(cè)量;(2)土壤各處比熱不同,所以同樣的熱量、不同的地塊,溫度升值不同,在地面溫度突變時(shí),地溫表的滯后性會(huì)影響溫度示值;(3)人工觀測(cè)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差;(4)自動(dòng)站為00分的數(shù)據(jù)采樣,人工站則為45分觀測(cè)值,在這一時(shí)段內(nèi)不僅受氣溫日變化的影響外,還受到天氣變化的影響,導(dǎo)致人工觀測(cè)地溫和自動(dòng)站測(cè)量地溫的差異。

3 結(jié)論與討論

綜上分析結(jié)果表明,兩種觀測(cè)值存在一定的差異,究其原因,主要有以下幾個(gè)方面：

(1)儀器原理差異：自動(dòng)氣象站中使用的氣象傳感器與人工觀測(cè)用的儀器在原理上是不同的。自動(dòng)站采集的數(shù)據(jù)為每分鐘的平均值,每1次測(cè)量值均為多個(gè)觀測(cè)樣本的平均值;而人工站只是由觀測(cè)員觀測(cè)瞬時(shí)值,因此自動(dòng)站與人工站記錄值采集方式和算法均有不同程度差異。

(2)時(shí)次差異：地面氣象測(cè)報(bào)規(guī)范要求人工觀測(cè)在觀測(cè)時(shí)次的45～60分鐘完成氣溫、濕度、降水、風(fēng)、氣壓、地溫的觀測(cè),而自動(dòng)站是在00～01分鐘內(nèi)按一定的順序瞬間完成各項(xiàng)目觀測(cè)的。一般而言,氣象要素隨時(shí)間的變率越大則自動(dòng)站與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)間的差異越大。

(3)觀測(cè)環(huán)境和方式造成的差異：自動(dòng)站和人工觀測(cè)一般處于同一觀測(cè)場(chǎng),而且兩者在有些項(xiàng)目的觀測(cè)環(huán)境存在差異的,所以造成觀測(cè)數(shù)據(jù)存在差異。人工站冬季氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)受到室內(nèi)供暖的影響,氣溫表讀數(shù)時(shí)受人體溫度的影響,濕球紗布的清潔度對(duì)濕度計(jì)算也有影響,從而使觀測(cè)環(huán)境對(duì)人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)有一定的影響。

(4)由于懷化站已經(jīng)進(jìn)入以自動(dòng)站為主階段,人工站只有在20時(shí)才進(jìn)行觀測(cè),兩種觀測(cè)方式每日只有1次對(duì)比值,因此未能進(jìn)行每日4次定時(shí)觀測(cè)的對(duì)比,這是造成對(duì)比差值、一致率、風(fēng)向相符率誤差較大的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

懷化站在自動(dòng)氣象站正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行后,對(duì)自動(dòng)觀測(cè)資料進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制,使得正式運(yùn)行后的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量比平行觀測(cè)期間有了很大的提高,由于自動(dòng)站觀測(cè)資料序列比較短,僅是對(duì)這方面的初步分析,從而找出懷化站各氣象要素差異性的原因,同時(shí),隨著觀測(cè)序列的延長(zhǎng),還需要進(jìn)行更加深入的分析,探討自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)產(chǎn)生差異的原因。所以,質(zhì)量控制和評(píng)估對(duì)于保證自動(dòng)觀測(cè)資料的質(zhì)量有著重要作用。

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