摘 要：【目的】研究自動(dòng)站與人工站歷史風(fēng)資料的數(shù)據(jù)質(zhì)量?！痉椒ā恳?005—2019年長(zhǎng)春國(guó)家基準(zhǔn)氣候站自動(dòng)站與人工站風(fēng)資料為樣本，對(duì)風(fēng)向月相符率、風(fēng)速對(duì)比差值、風(fēng)速月粗差率和風(fēng)速月相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?！窘Y(jié)果】10分鐘風(fēng)向相符率多于2分鐘，10分鐘風(fēng)向相符率大多集中在40%～60%，平均49%，2分鐘風(fēng)向集中在30%～50%之間，平均39%；自動(dòng)站風(fēng)速大于人工站風(fēng)速，10分鐘年平均風(fēng)速相差最大達(dá)0.6 m/s，2分鐘年平均風(fēng)速相差達(dá)0.4 m/s；自動(dòng)站和人工站風(fēng)速10分鐘平均較2分鐘平均相關(guān)性好。【結(jié)論】為今后風(fēng)要素的數(shù)據(jù)使用起到良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)站；人工站；風(fēng)向月相符率；風(fēng)速對(duì)比差值；風(fēng)速月粗差率

中圖分類號(hào)：P412" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）13-0110-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.022

Comparative Analysis of Wind Data of Automatic Station and Artificial Station from 2005 to 2019

YU Wannan ZHANG Junru SUN Xiaoyu WANG Xu

（1.Lvyuan Meteorological Bureau ，Changchun 130061 ，China;2.Changchun Meteorological Information Technology Support Center ，Changchun 130061 ，China;3. Jilin Meteorological observation Support Center ， Changchun 130062， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the quality of historical wind data of automatic and manual stations.[Methods] the data of automatic and manual stations in Changchun National Reference Climate Station from 2005 to 2019 were taken as samples to analyze the monthly coincidence rate of wind direction， the contrast difference of wind speed， the monthly gross difference rate of wind speed and the monthly correlation of wind speed. [Findings] The analysis results show that the wind direction matching rate in 10 minutes is more than that in 2 minutes， and the wind direction matching rate in 10 minutes is mostly concentrated in 40%～60%， with an average of 49%. Within 2 minutes， the wind direction was concentrated between 30% and 50%， with an average of 39%; The wind speed of the automatic station was higher than that of the manual station， and the difference of the 10-minute annual average wind speed was up to 0.6 m/s， and the difference of the 2-minute annual average wind speed was up to 0.4 m/s. The 10-minute average of wind speed of automatic and manual stations is better than that of 2-minute average. [Conclusions] It will provide a good reference for the data use of wind elements in the future.

Keywords： automatic station; manual station; monthly coincidence rate of wind direction; contrast difference of wind speed; monthly gross difference of wind speed

0 引言

風(fēng)是由許多在時(shí)空上隨機(jī)變化的小尺度脈動(dòng)疊加在大尺度規(guī)則氣流上的一種三維矢量［1］。風(fēng)是水汽輸送的唯一重要的介質(zhì)，是人類生產(chǎn)生活不可缺少的元素，也是天氣預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容，因此掌握風(fēng)要素的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量意義重大。

目前，吉林省長(zhǎng)春站風(fēng)要素采用人工站和自動(dòng)站兩種方式觀測(cè)。在氣象上人工站采用EL型電接風(fēng)向風(fēng)速傳感器，自動(dòng)站采用EL15-2C、EL15-1C型風(fēng)向風(fēng)速傳感器［2］。 為研究其自動(dòng)站與人工站歷史風(fēng)資料的數(shù)據(jù)差異性，以長(zhǎng)春國(guó)家基準(zhǔn)氣候站自動(dòng)站與人工站風(fēng)資料為樣本，對(duì)風(fēng)向月相符率、風(fēng)速對(duì)比差值、風(fēng)速月粗差率及風(fēng)速相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［3］。

1 資料來源

長(zhǎng)春國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2005年1月1日至2012年3月31日逐日24小時(shí)、 2012年4月1日至2019年12月31日逐日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)自動(dòng)站與人工站并行風(fēng)向觀測(cè)資料；2005年1月1日至2019年12月31日自動(dòng)站與人工站并行風(fēng)速觀測(cè)資料（以A、J、Y文件為主要研究來源）。

2 分析方法

2.1 風(fēng)向相符率

若風(fēng)向觀測(cè)值（只對(duì)自動(dòng)站或人工站風(fēng)速＞1.0 m/s的記錄統(tǒng)計(jì)）自動(dòng)氣象站與人工站相差1個(gè)以上方位，則為1次不相符，小于1個(gè)方位則為相符。例如人工觀測(cè)風(fēng)向?yàn)镋，若自動(dòng)站觀測(cè)的風(fēng)向在68°～112°之間，則該次觀測(cè)視為相符［4，5］。月相符率的計(jì)算如式（1）。

η=（n/N）×100% （1）

式中：η為月相符率；n為相符次數(shù)；N為有效總次數(shù)。

2.2 風(fēng)速對(duì)比差值

所有對(duì)比差值均以人工觀測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)比差值的計(jì)算如式（2）。對(duì)比差值的絕對(duì)值大小即可表明兩者偏離程度，差值越大偏差就大，反之偏差就小。

X_i=A_i-U_i （2）

式中：A_i為第i次自動(dòng)站觀測(cè)值; U_i為第i次人工站的觀測(cè)值。

對(duì)比差值的月平均值計(jì)算如式（3）。

對(duì)比差值月標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如式（4）。

2.3 風(fēng)速月粗差率

2.4 t檢驗(yàn)法

用t分布理論來推論差異發(fā)生的概率，從而比較兩個(gè)平均數(shù)的差異是否顯著［6］。

3 資料分析

3.1 風(fēng)向月相符率

2005—2012 年3月2分鐘及10分鐘定時(shí)風(fēng)向的月相符率以24個(gè)時(shí)次統(tǒng)計(jì)；2012年4月—2019年12月2分鐘及10分鐘定時(shí)風(fēng)向的月相符率以2、8、14、20時(shí)共計(jì)4個(gè)時(shí)次統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

由圖1可知，2分鐘風(fēng)向相符率低于10分鐘風(fēng)向相符率。這與人工站EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)風(fēng)向部分漏跳較多（雨季感應(yīng)部分容易進(jìn)水、凍雨天氣風(fēng)向凍住）、相應(yīng)10分鐘風(fēng)向用自動(dòng)站代替有一定的關(guān)系，取10分鐘滑動(dòng)最多風(fēng)向較2分鐘滑動(dòng)最多風(fēng)向時(shí)自動(dòng)站與人工站風(fēng)向更容易接近。

10分鐘最多風(fēng)向兩者最高相符率達(dá)93%，出現(xiàn)在2014年12月；最低相符率為32%，出現(xiàn)在2016年5月。大多集中在40%～60%之間，平均月相符率49%。2分鐘最多風(fēng)向最高月相符率54%，出現(xiàn)在2018年11月；最低相符率為17%，出現(xiàn)在2017年1月，大多集中在30%～50%之間，平均月相符率39%。

2014年8月之前，2分鐘及10分鐘風(fēng)向月相符率變化趨勢(shì)相同，之后出現(xiàn)拐點(diǎn)（116點(diǎn)），兩者趨勢(shì)正好相反，這與更換儀器有一定關(guān)系。自動(dòng)站切換為新型站，兩套自動(dòng)站的風(fēng)向有一定差異（兩者安裝均在正南正北5°準(zhǔn)確度范圍內(nèi)）。兩套風(fēng)感應(yīng)器均安裝在風(fēng)塔上，平行相距約1.5 m，因風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流可能對(duì)其瞬時(shí)風(fēng)向造成一定影響采集的時(shí)間（對(duì)時(shí)上）與算法略有不同，兩者還會(huì)出現(xiàn)偏差，因?yàn)轱L(fēng)呈陣性，幾秒鐘內(nèi)風(fēng)向可能就會(huì)有變動(dòng)。

3.2 風(fēng)速對(duì)比差值

3.2.1 日平均差值分析。2005—2019年自動(dòng)站與人工站2分鐘及10分鐘風(fēng)速日平均差值統(tǒng)計(jì)如圖2、圖3所示。

從圖2和圖3可看出，2分鐘風(fēng)速日平均差值集中在±1.0 m/s之間，占98.0%，10分鐘風(fēng)速日平均差值集中在±0.8 m/s之間，占97.1%。2分鐘和10分鐘風(fēng)速日平均正差值，均多于負(fù)差值接近3倍，說明自動(dòng)站風(fēng)速普遍大于人工站風(fēng)速，并有明顯的日變化，8時(shí)、14時(shí)差值多大于20時(shí)、02時(shí)風(fēng)速差值。

3.2.2 月平均差值分析。2005—2019年 自動(dòng)站與人工站2分鐘、10分鐘風(fēng)速月差值如圖4所示。

由圖4可看出，2分鐘、10分鐘風(fēng)速月差值集中在-0.2m/s～0.4m/s之間，且變化趨勢(shì)相同，存在明顯季節(jié)性，冬季（1、2、11、12月）偏差較其他季節(jié)大。

3.2.3 年平均差值分析。2005—2019年自動(dòng)站與人工站 2分鐘、10分鐘風(fēng)速年差值如圖5所示。

由圖5可看出，2分鐘、10分鐘年平均值風(fēng)速差值均≥0.6 m/s，且變化趨勢(shì)一致，10分鐘風(fēng)速比2分鐘風(fēng)速的年差值大，2005、2008、2015—2017年差值≥0.4 m/s。

3.3 風(fēng)速月粗差率

2005—2019年2分鐘、10分鐘風(fēng)速月粗差率統(tǒng)計(jì)如圖6所示。由圖6可看出，月粗差率較大的月份與圖4風(fēng)速差值較大的月份相對(duì)應(yīng)，且粗差率最大的月份同圖1風(fēng)向月相符率最高的月份相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)在2014年12月份。

3.4 風(fēng)速月相關(guān)性

通過t檢驗(yàn)法得出2005—2019年2分鐘風(fēng)速月相關(guān)系數(shù)較10分鐘風(fēng)速月相關(guān)系數(shù)小。10分鐘風(fēng)速月相關(guān)系數(shù)均大于0.95，相關(guān)性較好，2分鐘風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均大于0.88，相關(guān)性稍差。

4 資料差異原因分析

4.1 觀測(cè)時(shí)間和方法不同

人工站接近正點(diǎn)（54～56分）時(shí)讀取2分鐘風(fēng)向指示器，取出現(xiàn)次數(shù)最多的方位。而自動(dòng)觀測(cè)是采集正點(diǎn)前2分鐘（58～00分）滑動(dòng)最多風(fēng)向。人工站2分鐘風(fēng)向?yàn)槿斯す浪悖?0分鐘風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)自計(jì)記錄中挑??；而自動(dòng)站是通過計(jì)算，以3秒鐘風(fēng)向?yàn)樗矔r(shí)風(fēng)向，計(jì)算1分鐘、2分鐘、10分鐘最多風(fēng)向。

4.2 風(fēng)傳感器的工作原理不同

兩套系統(tǒng)風(fēng)速部分工作原理差別是主要因素。兩者啟動(dòng)風(fēng)速不一致：自動(dòng)站啟動(dòng)風(fēng)速0.5 m/s，人工站1.5 m/s。兩者計(jì)算風(fēng)速的方法不同：自動(dòng)站計(jì)算3秒風(fēng)速為瞬時(shí)值，滑動(dòng)計(jì)算1分鐘、2分鐘、10分鐘平均風(fēng)速，而人工站則以轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來計(jì)算風(fēng)速的，每轉(zhuǎn)動(dòng)200圈約為0.25 m/s，大概轉(zhuǎn)動(dòng)800圈為1.0 m/s。

5 結(jié)論

本研究以2015—2019年長(zhǎng)春國(guó)家基準(zhǔn)氣候站自動(dòng)站與人工站風(fēng)資料為樣本，從風(fēng)向月相符率、風(fēng)速對(duì)比差值、風(fēng)速月粗差率的相關(guān)性角度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，掌握了二者的數(shù)據(jù)差異。結(jié)果表明：10分鐘風(fēng)向相符率多于2分鐘，10分鐘風(fēng)向相符率大多集中在40%～60%，平均49%；2分鐘集中在30%～50%之間，平均39%；自動(dòng)站風(fēng)速大于人工站風(fēng)速，10分鐘年平均風(fēng)速相差最大達(dá)0.6 m/s，2分鐘達(dá)0.4 m/s；自動(dòng)站和人工站風(fēng)速10分鐘平均較2分鐘平均相關(guān)性好。本研究可為今后風(fēng)要素的數(shù)據(jù)使用提供參考。

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