楊志彪李中華何 菊

1）（湖北省氣象局，武漢430074）2）（湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢430074）

自動氣象站溫濕度傳感器更換的影響評估

楊志彪1）*李中華2）何 菊1）

1）（湖北省氣象局，武漢430074）2）（湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢430074）

選取湖北省自動觀測記錄較長的38個站作為被檢站，每個被檢站選取3個鄰近站，統(tǒng)計相對濕度、水汽壓序列與鄰近站的相關系數(shù)、平均值及方差變化情況，分析由人工觀測改變?yōu)樽詣託庀笳居^測后，兩者存在的差異，并對其中4個國家基準氣候站2003—2011年自動觀測和同期人工觀測進行對比，得到這4個站9年內(nèi)每次更換溫濕度傳感器對相對濕度、水汽壓記錄的影響情況。結果表明：對比自動觀測與人工觀測兩個序列，被檢站與對應鄰近站的相對濕度、水汽壓的相關系數(shù)呈減小趨勢，兩種觀測差值的平均值和方差差異顯著；溫濕度傳感器的更換易產(chǎn)生相對濕度和水汽壓記錄的跳變；溫濕度傳感器的檢定示值誤差是加劇自動觀測與人工觀測序列顯著差異的重要因素；改進觀測方法，完善自動氣象站檢定規(guī)程，是自動觀測與人工觀測序列均一性的重要保證。

溫濕度傳感器更換；濕度；影響評估

引 言

地面氣象資料序列是氣候分析和氣候變化研究的重要基礎資料。隨著科技發(fā)展，觀測系統(tǒng)的自動化程度不斷提高，更新?lián)Q代不可避免，由此產(chǎn)生的儀器技術特性和測量方法的變化，往往使資料序列產(chǎn)生差異，隨著自動化進程加快，這種差異引起人們的廣泛關注。

進入21世紀后，我國開始大范圍推廣使用自動氣象站（以下簡稱自動站），以代替原有人工觀測系統(tǒng)。國內(nèi)外學者對于不同觀測系統(tǒng)或不同觀測儀器所測量的氣溫進行了深入研究［1］，為不同觀測系統(tǒng)氣溫資料的連續(xù)使用提供了參考。我國自動站投入業(yè)務運行后，作為新型地面觀測系統(tǒng)，許多機構和研究人員一方面非常重視其數(shù)據(jù)質(zhì)量控制［2-6］，另一方面也非常關注該系統(tǒng)與人工觀測系統(tǒng)的差異［7-12］。其中，王穎等［8］對2001—2005年我國700個自動站人工平行觀測期間的數(shù)據(jù)進行分析，結果表明：自動觀測與人工觀測各氣象要素均存在一定差異，但大部分差異均在自動站誤差允許范圍內(nèi)；王寶鑒等［10］對蘭州兩種觀測系統(tǒng)進行對比分析，認為氣溫、本站氣壓、水汽壓、相對濕度及320 cm地溫等要素觀測差異較?。挥嗑龋?1］選取全國17個具有代表性站點的自動站與人工站相對濕度進行比較，認為兩者之間有一定的系統(tǒng)偏差，且自動觀測存在偏干的情況，在相對濕潤地區(qū)，這一現(xiàn)象更明顯。

濕度是氣象觀測中重要的氣象要素之一，自動觀測系統(tǒng)代替人工觀測系統(tǒng)后，其觀測原理、標校方法與人工觀測系統(tǒng)完全不同，為此開展兩種觀測系統(tǒng)濕度差異的研究，特別是對長年代序列連續(xù)性的研究就非常重要。本文利用湖北省自動觀測與人工觀測資料，對比分析兩種觀測系統(tǒng)相對濕度、水汽壓等要素的差異，并利用4個國家基準氣候站（以下簡稱基準站）2003—2011年自動觀測和同期人工觀測資料，詳細統(tǒng)計4個基準站9年內(nèi)每次更換溫濕度傳感器對相對濕度、水汽壓記錄的影響情況。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文所用資料包括湖北省各觀測站1991—2012年逐月水汽壓、相對濕度平均值以及1971—2000年平均值；湖北省恩施、麻城、鐘祥和鄖西4個基準站2003—2011年人工觀測和自動觀測的逐日相對濕度和水汽壓及4個基準站溫濕度傳感器更換時間等元數(shù)據(jù)信息。

對于相對濕度、水汽壓自動觀測與人工觀測差異的分析評估，選取較長時間序列自動觀測記錄的38個站（分別從2001，2003，2004年開始有自動觀測，其中包括4個基準站）作為被檢站。每個被檢站選取3個鄰近站，其選取原則是以被檢站為圓心、以100 km為半徑范圍內(nèi)、拔海高度差小于500 m且與被檢站要素相關系數(shù)最大的3個站。

2001年湖北省開始進行完整、正式的自動觀測，為了剔除多年平均值中既有人工觀測又有自動觀測的不一致性，采用全人工觀測時段（即1971—2000年）作為30年平均值的計算時段。至2012年，由于湖北省大部分站的自動觀測時間不到10年，如果直接采用并進行分析，則自動觀測序列太短，代表性較差，因此本文采用月時間尺度的資料進行分析，為消除年變化的影響，相對濕度和水汽壓采用月距平值。

上述資料均為經(jīng)過省級數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的歸檔數(shù)據(jù)文件。

1.2 方 法

對于長年代序列，采用平均值和方差的顯著性檢驗方法，分析自動觀測與人工觀測相對濕度記錄是否存在顯著性差異。統(tǒng)計檢驗方法參照文獻［13］。

更換溫濕度傳感器對濕度記錄造成的影響，采用跳變量來分析。根據(jù)觀測站更換儀器信息，篩選出更換溫濕度傳感器記錄，分別統(tǒng)計人工觀測與自動觀測相對濕度、水汽壓日平均值的差值，然后計算更換前、后（不含更換當日）5 d差值的平均值，再取絕對值，即

式（1）中，Δ為跳變量，表示更換溫濕度傳感器后，相對濕度（或水汽壓）的跳變幅度，其值越大，表示該次溫濕度傳感器更換對觀測記錄的影響越大；D為相對濕度（或水汽壓）人工觀測與自動觀測日平均值的差值；i表示日序，其中i=0表示傳感器更換當日。Δ的大小可表示更換溫濕度傳感器對各個要素影響程度，可以認為在自動觀測傳感器更換前后5 d之內(nèi)，人工觀測氣象要素發(fā)生非天氣氣候原因造成的人為影響可能性很低。

2 分析評估

2.1 人工觀測和自動觀測相對濕度及水汽壓對比

2.1.1 與鄰近站的相關性對比

根據(jù)自動站檢定規(guī)程，溫度傳感器檢定周期為2年，濕度傳感器檢定周期為1年，由于目前自動站使用的是溫度、濕度測量為一體的HMP45D溫濕度傳感器，故大多每年檢定1次。對于溫度和濕度均以被檢溫度或濕度傳感器在所選溫度或濕度檢定點上的示值誤差均滿足技術要求時，才確定為合格，發(fā)給檢定證書。其中，氣溫計量性能要求最大允許誤差為±0.2℃；濕度計量性能要求最大允許誤差在相對濕度不大于80%時為±4%，相對濕度大于80%時為±8%。這種由于檢定規(guī)程對示值誤差的最大允許值，自動站各要素傳感器檢定結果的不確定度［14］，會帶來濕度測量值的不連續(xù)。

對濕度參量作自動觀測與人工觀測不同序列的均一性分析，可以得到溫濕度傳感器更換對相對濕度和水汽壓記錄的影響。將整個序列（1991年1月—2012年12月）分成2個時間段，第1時間段為全人工觀測，序列的開始時間相同，均為1991年1月，而結束時間有所不同（其中，武漢等17個站結束時間為2001年12月，恩施等17個站結束時間為2003年12月，鄖西等4個站結束時間為2004年12月）；剩余序列為第2時間段，即全部為自動觀測。分段分析38個站相對濕度和水汽壓逐月距平值與鄰近站的相關系數(shù)。

首先統(tǒng)計第1時間段38個被檢站相對濕度逐月距平值分別與其鄰近站的相關系數(shù)，共114個，再求取114個相關系數(shù)的平均值。同樣，統(tǒng)計第2時間段相關系數(shù)的平均值。兩個時間段的相關系數(shù)均達到0.01顯著性水平。盡管第1時間段和第2時間段相關系數(shù)相差很小，但第2時間段絕大部分相關系數(shù)小于第1時間段，除2個站外，被檢站與對應鄰近站人工觀測與自動觀測序列相關系數(shù)差值大于0（圖1）。即開展自動觀測后，與鄰近站的相關性有所減小。

圖1 被檢站與對應鄰近站人工觀測與自動觀測序列相關系數(shù)差值Fig.1 The correlation coefficient difference of checked stations and their adjacent stations between manual and automatic observed sequences

2.1.2 平均值和方差顯著性檢驗

平均值和方差顯著性檢驗序列為1991年1月—2012年12月，按2.1.1的方法對序列進行時間分段，即人工觀測與自動觀測兩個時間序列。顯著性檢驗的數(shù)據(jù)序列分為兩類，一是單站逐月距平序列，二是被檢站與鄰近站的逐月距平差值。界定被檢站與鄰近站差值顯著性檢驗未通過的標準是3個鄰近站中有2個及以上未通過，即認為被檢站未通過顯著性檢驗。根據(jù)該標準，統(tǒng)計湖北省38個被檢站的相對濕度和水汽壓月距平、月距平差值的平均值和方差，顯著性水平取為0.05，人工觀測與自動觀測兩個時間序列未通過顯著性檢驗的站數(shù)如表1所示。

表1 相對濕度、水汽壓未通過顯著性檢驗的站數(shù)Table 1 The number of stations of relative humidity，water vapor pressure failed to pass the significant test

由表1可知，對于單站序列而言，相對濕度在人工觀測與自動觀測兩個時間段的平均值和方差顯著性差異不明顯，僅有4個站平均值存在顯著性差異；但水汽壓的平均值和方差顯著性差異較為明顯，其中水汽壓的平均值、方差分別有58%和45%的站未通過顯著性檢驗。

對于與鄰近站的差值序列，相對濕度和水汽壓的平均值有74%以上的站未通過顯著性檢驗，方差顯著性檢驗未通過率達92%以上。說明相對濕度和水汽壓在人工觀測轉(zhuǎn)為自動觀測后，與鄰近站的差值變化明顯。

2.1.3 個例分析

2.1.3.1 麻城站與黃岡站對比

麻城站為基準站，該站2004年正式采用自動觀測后，同時保留人工觀測。鄰近的黃岡站從2008年才開始進行自動觀測，這樣可比較麻城站在自動觀測后的影響。首先，進行兩站全人工觀測資料的分析，圖2給出了麻城站與黃岡站2004年1月—2007年12月水汽壓距平差值，兩站同期人工觀測資料距平差值無顯著性差異；結合2.1.2的顯著性檢驗分析，麻城站2004年開展自動觀測后，無論是與本站人工觀測資料相比，還是與鄰近黃岡站人工觀測資料相比（圖3），兩站水汽壓距平差值均有顯著性差異。所以，觀測方法的改變是造成這種顯著性差異的主要原因，而溫濕度傳感器不同檢定示值誤差加劇了這種差異。

2.1.3.2 仙桃站與鄰近站對比

為進一步說明與鄰近站差值的變化情況，選取仙桃站（2003年開始自動觀測）與天門、漢川和潛江3個鄰近站，給出相對濕度、水汽壓逐月距平值差異變化（圖4）。

圖2 2004—2007年麻城站與黃岡站人工觀測水汽壓月距平差值分布Fig.2 The monthly anomaly difference of the manual observed water vapor pressure between Macheng Station and Huanggang Station during 2004—2007

圖3 2004—2007年麻城站自動觀測與人工觀測水汽壓月距平差值分布Fig.3 The monthly anomaly difference of water vapor pressure between the automatic and manual observation at Macheng Station during 2004—2007

由圖4可知，仙桃站從2003年開展自動觀測后，與1991—2002年人工觀測相比，其相對濕度、水汽壓與3個鄰近站月距平差值發(fā)生了顯著變化。其中，仙桃站與潛江站1991—2002年相對濕度月距平差值為-4.6%～4.9%，水汽壓為-0.7～0.7 h Pa，而2003年以后相對濕度月距平差值為-12.7%～8.8%，水汽壓為-3.7～3.9 hPa。由此可見，開展自動觀測后，仙桃站的相對濕度、水汽壓與潛江站月距平差值的變化幅度增加明顯。另外，漢川、天門兩鄰近站也有類似結果。

圖4 1991—2012年仙桃站與鄰近站相對濕度、水汽壓月距平差值分布Fig.4 The monthly anomaly difference of water pressure and relative humidity between Xiantao Station and its adjacent stations during 1991—2012

2.2 基準站更換溫濕度傳感器影響

基準站采用自動觀測后，為進行對比分析，人工觀測仍然保留。湖北省4個基準站在2003—2011年自動站和人工站同時觀測。為此，利用4個基準站的自動站溫濕度傳感器更換元數(shù)據(jù)信息，按式（1），計算濕度參量的跳變量（表2），本文將相對濕度跳變量不小于2%或水汽壓跳變量不小于0.5 hPa視為產(chǎn)生跳變。由于處在同一觀測環(huán)境中且前后只有10 d的時間，如更換傳感器后，濕度參量發(fā)生明顯跳變，即可基本判定該跳變?yōu)楦鼡Q溫濕度傳感器所致。

2.2.1 更換溫濕度傳感器導致濕度記錄的差異

2003—2011年4個基準站共有28站次更換過溫濕度傳感器，每站平均約9個月更換1次。由表2可知，相對濕度有18站次跳變量超過2%，水汽壓也有18站次跳變量超過0.5 hPa，發(fā)生率均為64%；其中相對濕度平均跳變量為3.4%，最大達8.5%；水汽壓平均跳變量為0.74 hPa，最大達1.93 h Pa。有2站次相對濕度跳變量分別為0.0%和0.1%，而水汽壓跳變量在0.5 h Pa以上；2站次相對濕度跳變量在2.0%以上，而水汽壓跳變量在0.5 h Pa以下，這種跳變的不同步，可能與溫濕度傳感器更換前后氣溫檢定示值誤差存在不連續(xù)有關。溫濕度傳感器的更換，對水汽壓的影響更為復雜。

2.2.2 更換溫濕度傳感器個例分析

為了直觀地分析濕度傳感器更換對相對濕度、水汽壓的影響，給出鐘祥站2006年7月1日—2007年7月31日2個要素逐日平均差值隨時間變化曲線（圖5和圖6）。

表2 更換溫濕度傳感器引起相對濕度和水汽壓記錄的跳變量Table 2 The jumping value of relative humidity and water vapor pressure caused by the replacement of temperature-humidity sensor

圖5和圖6中點A，B，C分別表示2006年11月4日、2006年12月27日和2007年6月14日，為溫濕度傳感器更換日。由圖5和圖6可以看出，每次更換溫濕度傳感器都會造成相對濕度、水汽壓日平均值自動觀測與人工觀測差值的跳變。而在其他時間，自動觀測和人工觀測的差值變化較為穩(wěn)定。

2.3 平均值和方差顯著性差異產(chǎn)生原因

根據(jù)文獻［15］，人工觀測濕度是采用兩支相同型號的溫度表進行，一支為干球溫度表，另外一支為纏裹了濕紗布的濕球溫度表。由于采用干濕溫度表測量濕度較為穩(wěn)定，所以與鄰近站的差值也比較穩(wěn)定。而自動站溫濕度傳感器是直接測量相對濕度，水汽壓、露點溫度等通過相對濕度和氣溫計算得到，故相對濕度測量的準確性和穩(wěn)定性還影響到水汽壓、露點溫度等濕度要素的準確性和穩(wěn)定性。

通過對4個基準站28次溫濕度傳感器更換的影響評估表明，因溫濕度傳感器檢定示值誤差不同，更換傳感器導致濕度參量產(chǎn)生跳變可能性較大，這樣就會引起相關參量的變化幅度增大，即方差變大，導致與鄰近站差值的變化更為劇烈，進而使得與鄰近站差值的方差增加，即方差差異顯著。所以，自動觀測與人工觀測序列在平均值和方差差異不僅是觀測方法改變造成的，溫濕度傳感器的檢定示值誤差也是加劇這種顯著性差異的重要因素。當然傳感器測量性能漂移也會對濕度測量的準確性和穩(wěn)定性造成影響，這種影響更難處理。

2.4 跳變產(chǎn)生原因

圖5 2006年7月—2007年7月鐘祥站相對濕度日平均差值變化Fig.5 The daily change of relative humidity on average difference at Zhongxiang Staion from July 2006 to July 2007

圖6 2006年7月—2007年7月鐘祥站水汽壓日平均差值變化Fig.6 The daily change of water vapor pressure on average difference at Zhongxiang Sation from July 2006 to July 2007

由2.2節(jié)分析可知，4個基準站9年28次溫濕度傳感器的更換過程中，有超過60%的更換過程造成相對濕度2%的跳變和水汽壓0.5 hPa的跳變，其中相對濕度5%跳變的站次占1/4。由此可見，更換溫濕度傳感器對相對濕度和水汽壓觀測記錄有較大影響。

跳變主要是由溫濕度傳感器存在的檢定示值誤差造成的，目前，在自動站檢定規(guī)程中，只要各檢定點上的示值誤差在計量性能要求的最大允許誤差范圍內(nèi)，則認為傳感器檢定合格，這些示值誤差并不參與到自動站采集計算中。若傳感器更換前后，剛好一個為正示值誤差，另一個為負示值誤差，則這種由于示值誤差引起的測量值就會出現(xiàn)跳變，相對濕度最大跳變可達到8%～16%。往往更換前后的兩支傳感器在各檢定點示值誤差相同的概率較小，故更換傳感器后，觀測記錄發(fā)生跳變的可能性較高。同時，濕度傳感器與溫度傳感器為一體，兩者為同時更換，氣溫傳感器檢定示值誤差的前后不連續(xù)，也會造成水汽壓前后不連續(xù)。

3 小 結

本文利用自動觀測與人工觀測資料，對比分析兩種觀測系統(tǒng)相對濕度、水汽壓序列存在的差異，利用4個基準站自動和人工同期觀測資料，分析每次更換溫濕度傳感器對相對濕度、水汽壓記錄的影響情況，得到如下結論：

1）對比自動觀測與人工觀測序列，被檢站與對應鄰近站相對濕度、水汽壓的相關系數(shù)呈減小趨勢，其中水汽壓減小程度更為明顯，兩種觀測差值的平均值和方差差異顯著。

2）溫濕度傳感器的更換會對相對濕度、水汽壓觀測記錄產(chǎn)生一定跳變，記錄的跳變比例達64%，其中，相對濕度平均跳變量為3.4%，最大達8.5%；水汽壓平均跳變量為0.74 h Pa，最大達1.93 hPa，保留部分基準站人工對比觀測是資料均一性分析的重要基礎。

觀測方法的改變是引起自動觀測與人工觀測相對濕度、水汽壓差值顯著性差異的主要原因，溫濕度傳感器的檢定示值誤差是加劇這種差異的重要因素。為此，建議氣象站在更換溫濕度傳感器時，以選用和擬被更換的傳感器檢定示值誤差相差較小的傳感器為宜；在自動站觀測和數(shù)據(jù)加工處理業(yè)務系統(tǒng)軟件中，增加檢定示值誤差訂正程序，以抵消檢定示值誤差對濕度參量測量的影響，減小乃至消除對于長年代序列的非均一性潛在風險，進一步完善自動站檢定規(guī)程，并使之與日常觀測業(yè)務有機銜接。

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Impact Evaluation for Replacement of Temperature-humidity Sensor of Automatic Weather Station

Yang Zhibiao1）Li Zhonghua2）He Ju1）

1）（Hubei Provincial Meteorological Service，Wuhan 430074）
2）（Hubei Meteorological Information and Technology Support Center，Wuhan 430074）

To discuss the differences between automatic and manual observations for relative humidity and water vapor pressure，some comparative researches are implemented，analyzing the correlation coefficient，mean and variance between 38 long-time automatic observation meteorological stations and their adjacent stations in Hubei Province.Furthermore，based on the automatic and manual observations of four national reference climatological stations where the temperature-humidity sensors have been replaced 28 times from 2003 to 2011，impacts on relative humidity and water vapor pressure measurements are studied.

The correlation coefficients for relative humidity，water vapor pressure between the checked station and its adjacent stations show a decreasing trend when mannual observation is replaced by automatic observation，the mean and variance for relative humidity and water vapour pressure are also obviously different，and these differences may be caused by the change of observation method.

The relative humidity and water vapour pressure records jump caused by replacement of the temperature-humidity sensor appears in the ratio of 64%.The average relative humidity record jump is 3.4%，and the maximum reaches 8.5%，while the average for water vapor pressure is 0.74 hPa，and the maximum is up to 1.93 hPa.

The main cause for such difference appearing at the same station as described above is that calibration error of indication，for old temperature-humidity sensor is much different from the new one when replacing.So improving the method of observation and perfecting the verification procedure of automatic weather station are vary important to ensure the homogeneity of data.

Therefore，it suggests choosing the temperature-humidity sensor whose calibration error is smaller，and an error calibration module should be added to the data processing software or operational software of automatic weather stations.

temperature-humidity sensor replacement；humidity；impact evaluation

楊志彪，李中華，何菊.自動氣象站溫濕度傳感器更換的影響評估.應用氣象學報，2014，25（2）：135-142.

2013-07-19收到，2013-12-20收到再改稿。

*email：zhibiao_yang＠hotmail.com