黃興友 唐云志 張長春
摘要 利用2011年2月安徽省黃山市黟縣試點雙套自動觀測氣象站(A站和B站)和黟縣本站(z站,自動站)的氣象要素(氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對濕度、地溫等)觀測資料,進行了對比分析,并對自動氣象站儀器換型后數(shù)據(jù)的連續(xù)性進行了全面的評估。評估的內(nèi)容為:數(shù)據(jù)的完整性和差異性,其中,差異性通過均值、標(biāo)準差、誤差率、粗差率和一致率得到體現(xiàn)。評估的結(jié)果表明:1)雙套自動站觀測數(shù)據(jù)的可靠性較好,大多數(shù)要素接收率高達100%,B站濕度接收率較低,只有83.3%,是由于B站的相對濕度傳感器故障造成的;2)雙套站觀測的多要素有較好的一致性,但AB、AZ的地溫差值和AB的氣壓差值一致率較低,部分要素差值存在少量的奇異值;3)T-檢驗表明,雙套自動站的觀測數(shù)據(jù)與歷史序列無顯著差異,連續(xù)性很好;4)雙套自動站可用于氣象業(yè)務(wù)觀測,但還要進行一定時間的并行運行,以便日后更好地對數(shù)據(jù)進行對比分析和訂正。
關(guān)鍵詞 差值均值 差值標(biāo)準差 一致率 誤差率 粗差率
自2000年以來,我國加快了地面自動氣象站的建設(shè),目前的自動氣象站數(shù)量已達近萬個,所有地面人工觀測臺站將全部升級到自動氣象站觀測。與人工觀測相比,自動氣象站的觀測原理、觀測方法均發(fā)生了很大變化。觀測資料在時間上的不均一性可能由許多原因造成,但觀測儀器的變化是其中的重要原因之一(Guttman and Baker,1996;顧潤源等,2014;苗春生等,2017)。對自動站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,國內(nèi)外開展了較全面的研究。陳豫英等(2006)對寧夏氣溫進行研究分析;沈艷等(2008)對全國蒸發(fā)量進行對比分析;苑躍等(2010)對四川省的相對濕度進行評估;劉小寧等(2008)對全國地溫進行研究;張紅娟等(2010)對陜西氣壓的差值分析;任芝花等(2007)對全國降雨量進行初步研究。國外學(xué)者(Jutta and Cerhard,1996;Sun et al.,2005)也進行自動站數(shù)據(jù)可靠性的研究。研究表明:自動站觀測數(shù)據(jù)有很好的均一性和連續(xù)性,可以投入到氣象觀測業(yè)務(wù)中。
2010年中國華云公司開發(fā)了一套新型自動觀測技術(shù)一雙套自動站觀測,并在10個氣象臺站建設(shè)了雙套自動氣象站。期望通過雙套自動站同時業(yè)務(wù)運行、觀測數(shù)據(jù)互為驗證的方式,提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
安徽省黃山市黟縣氣象觀測站的“雙套站”2011年1月1日開始試運行,并取得了一批可用于對比分析的數(shù)據(jù)。本文對黟縣氣象站“雙套站”的2011年2月資料進行分析評估,從雙套站數(shù)據(jù)的完整性、差異性以及連續(xù)性方面進行對比分析,以便了解雙套站數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況和開展業(yè)務(wù)運行的可行性。所用的資料包括“雙套站”觀測資料和本站觀測資料,時段為2011年1月31日2l時至2011年2月28日21時。資料內(nèi)容包括氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對濕度、地面溫度、草面溫度、淺層和深層地溫。主要評估的要素為:氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對濕度,次要評估的要素為:地面溫度、草面溫度、淺層和深層地溫。
1評估方法
對雙套站數(shù)據(jù)資料的評估,主要體現(xiàn)在資料的完整性、資料的差異性和資料的連續(xù)性,以便反映雙套站資料的可靠性和業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性,這是新型氣象儀器投入業(yè)務(wù)運行前,必須要進行的評估工作,有關(guān)的評估方案可參考溫華洋等(2012)。
雙套站測量數(shù)據(jù)的缺測率是指缺測次數(shù)與應(yīng)測次數(shù)的比例,可以反映資料的完整性。數(shù)據(jù)的差異性除了用均值和方差表示外,還包括誤差率、粗差率和一致率。誤差率代表儀器測值的可靠性超出了最大允許誤差(這里指超出標(biāo)準差的2倍)的次數(shù)與應(yīng)測次數(shù)的比例。粗差率表示儀器出現(xiàn)異常差值(差值大于標(biāo)準差的3倍)的次數(shù)與應(yīng)測次數(shù)的比例。一致率表示在兩倍標(biāo)準差范圍內(nèi)的有效測量數(shù)據(jù)次數(shù)與應(yīng)測數(shù)據(jù)次數(shù)的比例。
為了評估雙套站數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的連續(xù)性,利用本站近30 a的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速等資料,對雙套站儀器月值的連續(xù)性進行顯著性檢驗。通過數(shù)理統(tǒng)計中的T-檢驗方法,評估兩站資料是否具有良好的連續(xù)性。
2雙套自動站觀測與本站觀測的差異分析
2.1完整性
2011年2月黟縣站的雙套自動站數(shù)據(jù)總體來說較完整,A站未出現(xiàn)缺測情況,B站在2011年2月13日04時—15日11時濕度傳感器故障,一直顯示100%,在這里作缺測處理,黟縣本站在2月26日09:05—11:54進行年檢,缺測2 h的數(shù)據(jù)。
圖1給出了黟縣2月“雙套站”及本站的逐日數(shù)據(jù)接收率??梢钥闯?011年2月“雙套站”及本站小時數(shù)據(jù)接收率隨日期的變化,A站、B站數(shù)據(jù)接收率均為100%,本站在26日的數(shù)據(jù)接收率是91.67%,反之可以得出數(shù)據(jù)缺測率8.33%。圖2是黟縣2月“雙套站”及本站月數(shù)據(jù)接收率,A站及B站均為100%,本站在26日因年檢缺測兩次,接收率為99.71%。由此說明,“雙套站”數(shù)據(jù)的接收較完整。
2.2差異性
2.2.1 A站和B站的差值分析
2月13日04時—15日11時B站濕度傳感器故障,所以2月“雙套站”B站相對濕度有效觀測次數(shù)只有616次。表1給出了“雙套站”AB逐時差值的均值、標(biāo)準差、誤差率、一致率、粗差率以及是否符合正態(tài)分布的統(tǒng)計。
差值均值——首先求出兩站逐時數(shù)據(jù)的差值,然后再求出差值的月均值。從差值均值數(shù)據(jù)看,黟縣“雙套站”各要素差值都在要求的精度范圍內(nèi)。
標(biāo)準差——A站和B站各要素標(biāo)準差基本正常,但草面溫度的標(biāo)準差偏高,達到0.984℃。
誤差率——除地面溫度、草面溫度、5 cm和10cm淺層地溫誤差率較大之外,A站和B站的其他要素誤差率都非常小。
粗差率——“雙套站”地面溫度異常差值數(shù)較多,達到了18%。其次是5 cm(5.2%)、10 cm地溫(1.64%)和2 min平均風(fēng)速(1.64%);接著是相對濕度(≤80%)的達到0.63%以及15 cm淺層地溫是0.15%。
一致率——“雙套站”氣溫、氣壓、40 cm地溫、160 cm地溫和320 cm地溫一致率較低,其中320cm地溫最為特殊,其差值穩(wěn)定好,不超過最大允許誤差,但一致率為0。其他要素一致率都較高。
綜上所述,“雙套站”AB站的數(shù)據(jù)雖有差異,但差異不大,有較好的一致性。
2.2.2“雙套站”(A站、B站)與本站(z站)差值分析
在2月26日年檢以后,本站濕度傳感器出現(xiàn)故障,偏小超10%,因此不做26日08時后的相對濕度與“雙套站”的比較。在13日04時—15日11時B站濕度傳感器故障,B站和z站的比較時,忽略這一段的數(shù)據(jù)。
圖3是A、B和Z三站氣溫之間差值的誤差率、一致率和粗差率,三站之間的誤差率和粗差率都較低;A、B站和A、Z站之間的一致率也不高,分別為28.87%和34.03%,但B、Z站一致率較好,達86.58%。說明三站的儀器正常,性能穩(wěn)定,測值差異可能是場地和儀器本身靈敏度的不同造成的。圖4是“雙套站”和本站氣壓差值誤差率、一致率及粗差率對比,A、B和Z三站間氣壓誤差率都為0,從粗差率看B、Z站異常差值多于A、Z站的情況,AB站的誤差率(0)、粗差率(0)和一致率(30.06%),反映了“雙套站”氣壓傳感器差值基本穩(wěn)定,且兩套儀器都性能良好?!半p套站”與本站的一致性也很好,分別為91.94%和93.73%。
圖5和圖6分別給出了相對濕度小于80%和大于80%的誤差率、一致率、粗差率的對比。從圖5中可以看出A、B和Z三站相對濕度(≤80%)誤差率都為0;AB站的一致性最高,達到97.79%;ABZ三站相對濕度(≤80%)差值基本穩(wěn)定。從圖6可以看出,高相對濕度(>80%)時,AZ(1.02%)和BZ(1.12%)的誤差率都高于AB的誤差率,ABZ三站一致率都很高,AB站的一致率達到了99.33%;AZ和BZ的相對濕度(>80%)差值有少量的奇異值。這些數(shù)據(jù)說明傳感器正常工作,性能穩(wěn)定。
圖7是“雙套站”和本站兩分鐘風(fēng)速差值的誤差率、一致率、粗差率的對比??梢钥闯鯝BZ三站的誤差率很低,最高的BZ僅0.15%;ABZ三站的一致性都很好,其中AZ最高達到94.93%;ABZ三站差值僅有少量奇異值,說明儀器的測風(fēng)性能良好。圖8是“雙套站”和本站地表溫差值的誤差率、一致率、粗差率對比圖??煽闯鯝BZ三站地表溫度的一致性較好,最低的BZ地表溫差一致率為87.46%;但誤差率較高,AB為18.01%,AZ和BZ分別達到76.57%和76.87%;粗差率也較高,最高的AB達到14.14%。這么高的地表溫度差異,表明了“雙套站”地表溫度感器裝置需要檢查。
圖9給出了“雙套站”和本站草面溫度差值的誤差率、一致率和粗差率對比,可以看出,ABZ三站的一致率很高,最低的AB也達到了95.21%;三站之間的誤差率很高,超過了48%;差值有少量的奇異值。草面溫度數(shù)據(jù)的對比表明,“雙套站”的草面溫度傳感器裝置需要檢查。
考慮到處理和分析方法的相似,“雙套站”AB站之間淺層地溫和深層地溫差值不再統(tǒng)計描述,40cm和160 cm地溫一致性較差,但誤差率和粗差率都為0,32 cm地溫誤差率、粗差率和一致率均為0,表明AB站40、160和320 cm地溫儀器性能良好,差值穩(wěn)定。
綜上所述,AB站儀器性能良好,差值比較穩(wěn)定,地溫和草面溫度傳感器需要校正檢查。
2.2.3“雙套站”與本站差值頻率分布
圖10給出了A、B和Z三站間氣溫差值頻次,其中A、B站氣溫差值主要集中在-0.2和-0.1℃;A、Z站氣溫差值集中在-0.4~-0.2℃;B、Z站氣溫差值主要集中在-0.2~0℃。圖11給出了ABZ三站之間的氣壓差值頻次,其中,AB氣壓差主要集中在-0.1~0 hPa;AZ氣壓差值集中在-0.1~0 hPa;BZ氣壓差值集中在-0.1~0.1 hPa。
圖12給出了ABZ三站之間的2 min平均風(fēng)速差值頻率,其中AB風(fēng)速差值重要集中在-0.1~0.1m/s;AZ風(fēng)速差值重要集中在-0.3~0 m/s;BZ氣壓差值重要集中在0.3~0 m/s。圖13和圖14給出了地表溫度和草面溫度的差值頻次分布,地表溫度和草面溫度差值分布較零亂,分布區(qū)間較廣。
2.3日統(tǒng)計值對比
先計算出站點各要素的日平均值,再求兩站點某要素的差值,最后計算差值的日均值。分別對A、B站進行差值統(tǒng)計,以及A、Z站和B、Z站的差值統(tǒng)計,要素包括氣壓、溫度、風(fēng)等,表4列出了差值均值及差值分布。
2.3.1氣溫
從圖15和圖16中看出,AB站差值平均值為-0.175℃,差值范圍在-0.3~-0.2℃,全為負值,說明A站測量的溫度均低于B站,與本站z的差值(A-Z,B-Z)分別是-0.295℃,-0.120℃。除2月25日、26日和27日AZ差值異常外,其余差值范圍分別是-0.4~-0.1℃和-0.4~0.0℃。從差值頻率看AB站頻率最多的差值為-0.2℃~-0.1℃之間,AZ站頻率最多的差值在-0.3℃~-0.2℃之間,而BZ站頻率最多的差值在-0.1℃~0.0℃之間。
2.3.2氣壓
圖17中,AB站差值均值為-0.070 hPa,均為負值,說明A站測量的氣壓低于B站;與本站z的差值(A-Z,B-Z)分別為為-0.075 hPa和-0.005 hPa,主要差值范圍分別為-0.1~0.0 hPa,0~0.1 hPa。從差值頻率看,AB站和AZ站頻率最多的在-0.1~0 hPa之間,BZ站最多的則是在0~0.1 hPa之間。圖18表明,A站與本站z相符較好。
2.3.3風(fēng)
風(fēng)速數(shù)據(jù)分為2 min和10 min的情況,這里只對2 min風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行說明。圖19顯示AB站差值平均值為0.006 m/s,差值范圍在-0.1~0.1 m/s之間,正值偏多,占57.14%,說明A站風(fēng)速高于B站,與本站差值(A-Z,B-Z)分別是-0.099m/s,-0.105 m/s,無異常數(shù)據(jù),差值范圍均為-0.2~0.1 m/s。圖20表明,AB站頻次最多的差值在0.0~0.1 m/s之間;而AZ站頻次最多的差值在-0.2~-0.1 m/s;在-0.2~-0.1 m/s和-0.1~0m/s之間,BZ站的差值頻次大致相等。
2.3.4相對濕度
在年檢后,本站Z的濕度明顯偏小,出現(xiàn)了傳感器故障,所以不再做“雙套站”與本站的濕度對比,只統(tǒng)計A、B站的情況。圖21表明,在B站濕度傳感器出現(xiàn)故障以前,AB站濕度的日平均差值均為負值,說明A站濕度大部分小于B站,2月15日排除B站濕度傳感器故障,此后AB站日平均差值均為正值,A站濕度大于B站所占比例超半,這個結(jié)果可能是儀器性能所引起的。
2.4連續(xù)性
利用本站1980—2010年2月的資料,對雙套站儀器月值的連續(xù)性進行顯著性檢驗,要素包括溫、壓、風(fēng)、濕等,結(jié)果表明:要素溫、壓、風(fēng)、濕的數(shù)據(jù)與本站歷史數(shù)據(jù)有很好的連續(xù)性,也可以進一步說明雙套站的所有觀測數(shù)據(jù)與歷史序列無顯著差異。
圖22—25給出了黟縣2月“雙套站”AB與本站之間氣溫、氣壓、濕度和2 min平均風(fēng)速隨時間的變化,進一步說明了“雙套站”與歷史數(shù)據(jù)無顯著差異。
3結(jié)論
通過對比分析雙套自動站(AB)和本站(Z)三站之間的數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:
1)完整性:經(jīng)過雙套站3個月的試運行,解決了設(shè)備和技術(shù)上的問題,正常運行時,雙套站觀測數(shù)據(jù)的缺測率較低,有非常好的完整性。
2)差異性:在儀器正常運行下,雙套站觀測的大多數(shù)氣象要素差值有很高的一致性,除AB、AZ的氣溫差值和AB的氣壓差值一致率較低;地表溫度和草面溫度差值存在一些奇異值,其他要素奇異值都很少,原因可能是儀器的檢修或者儀器本身性能所引起的偏差,但數(shù)據(jù)差異性較小。
3)連續(xù)性:在儀器正常運行時,雙套自動站觀測數(shù)據(jù)與本站歷史數(shù)據(jù)無顯著差異,表明雙套站數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)有良好的連續(xù)性。
統(tǒng)計和分析表明,“雙套站”數(shù)據(jù)不僅有很好的可用性,也有助于減少缺測率,并及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的潛在優(yōu)勢。由于本文采用的數(shù)據(jù)僅為2011年2月的雙套自動站觀測資料,所得結(jié)論還需更多數(shù)據(jù)的檢驗。黟縣試點站仍需要在保持原有觀測的同時,進行雙套站觀測的運行,并保持2~3 a的平行觀測,這樣才能有完整連續(xù)的數(shù)據(jù),以便更好地檢驗雙套站的觀測數(shù)據(jù)以及與歷史數(shù)據(jù)的均一性。