人工與自動(dòng)氣象站氣溫觀測結(jié)果的差異規(guī)律分析

鄭自君, 劉康平, 楊 麗

（1.涼山州氣象局,四川西昌 615000;2.什邡市氣象局,四川什邡 618400;3.延安市氣象局,陜西延安 716000）

21世紀(jì)初我國有了自動(dòng)氣象站,并逐漸取代人工觀測作為地面正式觀測記錄。自動(dòng)氣象站的觀測儀器、觀測原理、觀測方法與人工觀測相比均發(fā)生了很大變化,自動(dòng)站與人工觀測數(shù)據(jù)之間的差異是不可避免的,對(duì)觀測資料序列的時(shí)間上的均一性造成一定影響[1-5]。因此,對(duì)比分析兩個(gè)觀測系統(tǒng)觀測的氣象要素的差異并從中總結(jié)規(guī)律,以及提出訂正模型對(duì)觀測數(shù)據(jù)的均一性有重要意義。西昌地理位置特殊,并且西昌站的氣象數(shù)據(jù)對(duì)我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心有著極其重要的意義。

1 資料來源及研究方法

利用西昌站2007年1月1日—2008年12月31日人工與自動(dòng)24小時(shí)氣溫基準(zhǔn)觀測資料,用常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)氣溫的對(duì)比差值作日、月、季平均,對(duì)對(duì)比差值中出現(xiàn)的極值進(jìn)行等級(jí)分類統(tǒng)計(jì),并對(duì)最高、最低氣溫對(duì)比差值進(jìn)行作圖分析。

2 西昌地理氣候概況及臺(tái)站、使用儀器說明

2.1 西昌地理位置及氣候概況[6]

涼山州西昌市位于川西高原（海拔1500-2500m）的安寧河平原腹地,東經(jīng)101°46′-102°25′、北緯 27°32′-28°10′,南北最長約20km,東西最寬約43km,幅員面積2651km2。安寧河河谷子原和邛海湖盆平原,總面積約424km2。其地勢(shì)平坦,土壤肥沃。兩平原間有斷陷抬升的孤山——瀘山。高2317m,蒼松翠柏,林木蔥郁,掩映著十?dāng)?shù)座古寺,是號(hào)稱“川南勝境”的名山。瀘山東麓的斷陷湖邛海,是四川第二大淡水湖,面積29.3km2。西昌東到昭覺縣之上玄參壩,東南到普格縣有大箐梁子,加上瀘山,形成東邊屏障;西有小高山和磨盤山,形成西屏障;北近有北山,遠(yuǎn)有在冕寧縣的拖烏山。這些山相對(duì)邛海海平面均在500-1000m以上,形成北風(fēng)吹不進(jìn),只有南面從安寧河谷吹來的曖風(fēng),加上高原氣候和高原湖泊的調(diào)節(jié),形成與周邊30km不同的氣候。

這里氣候溫暖,四季宜人,夏能避暑、冬可御寒。年平均氣溫17.1℃,夏無酷暑（7月約為22.5℃）、冬無嚴(yán)寒（1月約為9.5℃）,有“小昆明”之稱。降水集中,有干季、雨季之分。

2.2 臺(tái)站和使用儀器說明

西昌站位于東經(jīng)102°16′,北緯27°54′,觀測場海拔高度1590.9m。人工觀測儀器干球溫度表由上海氣象儀器廠生產(chǎn);自動(dòng)觀測儀器鉑電阻溫度傳感器為DYYZII型,由長春氣象儀器廠生產(chǎn)。

3 氣溫對(duì)比差值分析

西昌站2007年1月1日-2008年12月31日地面人工24次觀測和自動(dòng)站24次觀測的氣溫資料,每天24個(gè)時(shí)次,無缺測,樣本總數(shù)為17544時(shí)次。以日、月、季不同的時(shí)間尺度及不同天氣狀況作統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 氣溫對(duì)比差值日平均分析

3.1.1 人工與自動(dòng)站日均氣溫的相關(guān)性分析

對(duì)2007年1月1日-2008年12月31日的氣溫觀測數(shù)據(jù),逐日以每天人工和自動(dòng)站各24個(gè)時(shí)次氣溫值作為樣本進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。相關(guān)系數(shù)共731個(gè),其中相關(guān)系數(shù)大于0.99的有582個(gè),大于0.98、小于0.99的有149個(gè)。而且全部通過顯著水平為0.01的信度檢驗(yàn),說明自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)差異較小,自動(dòng)站運(yùn)行穩(wěn)定。

3.1.2 氣溫對(duì)比差值日平均分析

利用西昌站2007年1月1日-2008年12月31日的每日24時(shí)次的人工和自動(dòng)站觀測資料,所有差值均為人工觀測數(shù)據(jù)減去同時(shí)次的自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)。對(duì)得到的每天24個(gè)時(shí)次的氣溫對(duì)比差值逐日求平均,所得結(jié)果如圖1所示。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定,人工與自動(dòng)站氣溫觀測對(duì)比差值在±1.0℃及以內(nèi)屬正常。

圖1 人工與自動(dòng)站氣溫對(duì)比差值日平均

由圖1可知,氣溫對(duì)比差值日平均范圍在-0.53℃-0.02℃,全部在±1.0℃的正常范圍內(nèi)。負(fù)值居多,自動(dòng)站觀測的氣溫值略高于人工觀測的氣溫值,這是由于觀測時(shí)間和觀測儀器的差異所導(dǎo)致,人工觀測比自動(dòng)站觀測提前10分鐘左右,這就導(dǎo)致當(dāng)氣溫變化大時(shí)二者的觀測結(jié)果存在較大差值;還可看出,對(duì)比差值日平均值有由大向小的漸降趨勢(shì);西昌有明顯的干季和雨季,雨季一般是從5月-9月,由氣溫對(duì)比差值日平均波動(dòng)趨勢(shì)看出,干季人工觀測與自動(dòng)站觀測差值較小,而雨季相對(duì)較大,但整體差別不大。

3.1.3 氣溫日對(duì)比差值上、下限分析

從每日的24個(gè)時(shí)次的氣溫對(duì)比差值中,統(tǒng)計(jì)出氣溫日對(duì)比差值的最大值和最小值,即逐日氣溫對(duì)比差值的上、下限,結(jié)果如圖2所示。

圖2 人工與自動(dòng)站逐日氣溫對(duì)比差值上下限

由圖2知,上限和下限均有向0℃靠近的趨勢(shì),即有漸降的趨勢(shì)。還統(tǒng)計(jì)了各個(gè)值出現(xiàn)的時(shí)刻,發(fā)現(xiàn)上限多出現(xiàn)于傍晚和夜間,而下限多出現(xiàn)于正午時(shí)分,太陽輻射較強(qiáng)的時(shí)刻。在圖中,上限大于1.0℃的日數(shù)有23天,下限小于-1.0℃的日數(shù)有451天,出現(xiàn)這種情況的原因是圖中的點(diǎn)均是一個(gè)月中某天某時(shí)差值最大的那個(gè)值,是瞬時(shí)差值,由于自動(dòng)站觀測的時(shí)間一般要晚于人工觀測10分鐘左右,所以瞬時(shí)差值的絕對(duì)值完全有可能超過1℃。所以統(tǒng)計(jì)日對(duì)比差值上、下限意義不大。

3.1.4 日最高、最低氣溫對(duì)比差值分析

根據(jù)西昌站地面觀測記錄中的每日最高、最低氣溫值,人工觀測值與自動(dòng)站觀測值進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì),最高氣溫對(duì)比差值范圍為-1.3℃-1.5℃,平均值為-0.58℃;最低溫度對(duì)比差值范圍為-1.6℃-0.4℃,平均值為-0.27℃。日最高氣溫對(duì)比差值高出日最低氣溫差值2倍多。

將逐時(shí)氣溫、日最高、最低氣溫分別計(jì)算的對(duì)比差值進(jìn)行等級(jí)劃分,分為7個(gè)等級(jí),分別為＜-2.0、[-2.0,-1.0）、[-1.0,0.0）、0.0、（0.0,1.0]、（1.0-2.0]、＞2.0,并統(tǒng)計(jì)各等級(jí)對(duì)比差值出現(xiàn)頻率,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,其中逐時(shí)氣溫對(duì)比差值的樣本總數(shù)為17544時(shí)次,日最高、日最低氣溫對(duì)比差值的樣本總數(shù)為731時(shí)次。

表1 人工與自動(dòng)站觀測氣溫對(duì)比差值統(tǒng)計(jì)表

由表1看出,超出正常范圍的逐時(shí)氣溫對(duì)比差值占6.35%,其中對(duì)比差值＜-2.0℃的占0.06%,在-2.0℃--1.1℃之間的占6.14%,＞2.0℃的占0.02%,在1.1℃-2.0℃之間的占0.13%。超出正常范圍的最高溫度對(duì)比差值占4.37%,其中＞1.0℃的有2天,占0.27%;-2.0℃--1.1℃之間有30天,占4.10%。最低溫度對(duì)比差值沒有大于 2.0℃的,＜-1.0℃的僅有2天,占0.27%;逐時(shí)氣溫、最高、最低溫度對(duì)比差值均在-1.0℃—0.0℃范圍內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)最多,分別占60.72%,87.41%,95.07%。最高溫度的對(duì)比差值相對(duì)較大,這與人工觀測氣溫儀器的滯后效應(yīng)有一定關(guān)系,水銀對(duì)氣溫變化的靈敏度小于鉑電阻,存在溫度變化的滯后性。

對(duì)超出正常范圍的日最高和日最低溫度對(duì)比差值出現(xiàn)時(shí)的天氣現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最高溫度對(duì)比差值＞1.0℃的2天中,出現(xiàn)了2次陣雨,2次雷暴;＜-1.0℃的30天中,出現(xiàn)了22次露,9次霜,7次陣雨,4次雷暴和輕霧,3次雨,2次無天氣現(xiàn)象。最低溫度對(duì)比差值＜-1.0℃的2天中,出現(xiàn)了1次陣雨,1次露,1次無天氣現(xiàn)象,見表2。

表2 日最高最低溫度對(duì)比差值異常值出現(xiàn)與天氣現(xiàn)象

通過表2看到,對(duì)最高溫度對(duì)比差值影響最大的是露,原因是有露時(shí),一般是晴天,溫度變化較為迅速,鉑電阻對(duì)溫度的靈敏度高于水銀和酒精,液體溫度表的滯后效應(yīng)就更明顯,所以最高溫度的差值就相對(duì)比較大。

3.1.5 氣溫對(duì)比差值日變化

對(duì)兩年氣溫對(duì)比差值數(shù)據(jù)24時(shí)次逐時(shí)作算術(shù)平均并作日變化圖,得到圖3。由圖3可看出夜間差值較小,甚至還出現(xiàn)了正值,而白天差值較大,尤其是在太陽輻射最強(qiáng)的時(shí)段12:00-14:00,差值達(dá)到最大,差值變化范圍在-0.82℃-0.10℃。從早8:00時(shí)左右差值開始迅速變大,正午時(shí)分略有穩(wěn)定,從14:00時(shí)后差值開始減小。這是由于鉑電阻高于水銀和酒精對(duì)氣溫的靈敏度。溫度升高時(shí),自動(dòng)站的氣溫感應(yīng)器先反映出來,而液體溫度表還有一定的滯后性,所以氣溫對(duì)比差值開始變大;溫度降低時(shí),也是自動(dòng)站的氣溫感應(yīng)器先反映出來,而液體溫度表還沒來得及降低,二者的差值就逐漸降低。

圖3 人工與自動(dòng)站氣溫對(duì)比差值日變化

3.2 氣溫對(duì)比差值月平均分析

3.2.1 氣溫對(duì)比差值月平均

圖4 人工與自動(dòng)站氣溫對(duì)比差值月平均

對(duì)氣溫對(duì)比差值進(jìn)行逐月平均得到圖4,從圖4可以更明顯的看到,月平均對(duì)比差值的變差范圍在-0.32℃--0.18℃。干季二者差值較小,而雨季差值相對(duì)較大,可達(dá)0.32℃。有較明顯的季節(jié)變化。

3.2.2 氣溫月對(duì)比差值上、下限分析

根據(jù)每日24個(gè)時(shí)次的對(duì)比差值,統(tǒng)計(jì)出每月出現(xiàn)的最大值和最小值,即每月氣溫對(duì)比差值的上、下限,如圖5所示。

圖5 人工與自動(dòng)站月平均氣溫對(duì)比差值上下限

從圖4看到,上限變差范圍在0.6℃-2.6℃,下限變差范圍在-2.6℃--1.4℃,差值較大,尤其是變差下限全部＜-1.0℃。出現(xiàn)這種情況的原因與氣溫日對(duì)比差值上下限相同,因?yàn)閳D中所用的值均是瞬時(shí)值。但可從圖中看到較為明顯的漸降趨勢(shì)。

3.2.3 最高、最低氣溫對(duì)比差值月平均比較

對(duì)日最高、日最低氣溫對(duì)比差值作逐月平均,如圖6所示。

圖6 人工與自動(dòng)站最高最低氣溫對(duì)比差值月平均

由圖6看出,最高溫度對(duì)比差值月平均與最低溫度對(duì)比差值月平均基本呈反位相,原因有待進(jìn)一步研究。

3.3 氣溫對(duì)比差值季平均分析

氣象上為了便于應(yīng)用和比較,通常以陽歷的3、4、5月為春季;6、7、8月為夏季;9、10、11月為秋季;12月和次年1、2月為冬季[10]。將這兩年的數(shù)據(jù)劃分為春夏秋冬,其中春季為2007年 3、4、5月和2008年 3、4、5月,夏季為 2007年 6、7、8月和 2008年 6、7、8月 ,秋季為 2007年 9、10、11月和 2008年 9、10、11月 ,由于數(shù)據(jù)不多,故將2007年1、2月平均,以及2008年12月的月平均作為冬季資料。

圖7 人工與自動(dòng)站氣溫對(duì)比差值季平均

由圖7可看出,氣溫對(duì)比差值季均值在2007-2008年有漸降的趨勢(shì),對(duì)于兩年的四季而言,冬季-夏季差值變大,夏季-冬季差值變小;以及干季差值較小,雨季相對(duì)較大。2007年夏季的對(duì)比差值平均值為-0.30℃,而冬季為-0.22℃,2008年夏季為-0.29℃,冬季為-0.18℃,氣溫對(duì)比差值有明顯的季節(jié)變化。

圖1、圖4、圖7中出現(xiàn)了季節(jié)性變化,雨季的氣溫對(duì)比差值比干季的氣溫對(duì)比差值大。

3.4 晴天、陰天氣溫對(duì)比差值分析

為了更準(zhǔn)確地分析人工與自動(dòng)站觀測的差異,將兩年的數(shù)據(jù)根據(jù)總云量分為晴天和陰天,總云量在3成以下（包含3成）為晴天,總云量在8成以上（包含8成）為陰天。2007年共有晴天99天,陰天148天,2008年共有晴天87天,陰天150天。其中2007年陰天有降水的日數(shù)為119天,2008年陰天有降水的日數(shù)為126天。根據(jù)晴天、陰天的氣溫資料作對(duì)比差值,得到圖8、圖9。

圖8 晴天氣溫對(duì)比差值日平均

圖9 陰天氣溫對(duì)比差值日平均

由圖8、圖9看出,干季晴天出現(xiàn)較多,雨季陰天出現(xiàn)較多,這是干季和雨季的氣候特征所決定的。晴天氣溫對(duì)比差值范圍在-0.46℃--0.09℃,平均值為-0.31℃;陰天氣溫對(duì)比差值范圍在-0.41℃-0.02℃,平均值為-0.30℃。陰天氣溫對(duì)比差值范圍略大于晴天,這與陰天有降水有一定的關(guān)系,說明天氣現(xiàn)象對(duì)氣溫的觀測有一定影響。

根據(jù)陰天有無降水的數(shù)據(jù),作圖10、11。對(duì)比圖9、10、11,發(fā)現(xiàn)氣溫對(duì)比差值的極值多出現(xiàn)于陰天有降水的情況下,說明降水對(duì)人工和自動(dòng)站的氣溫觀測有影響。

圖10 陰天有降水氣溫對(duì)比差值日平均

圖11 陰天無降水氣溫對(duì)比差值日平均

4 結(jié)論

利用西昌站2007年1月-2008年12月基準(zhǔn)觀測期間人工與自動(dòng)站的氣溫觀測資料進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

（1）人工與自動(dòng)站的氣溫相關(guān)系數(shù)都在0.98以上,全部通過顯著性水平為0.01的信度檢驗(yàn),說明自動(dòng)站運(yùn)行穩(wěn)定,為其單軌運(yùn)行的可靠性提供了依據(jù)。氣溫對(duì)比差值日平均范圍在-0.53℃-0.02℃,全部在正常范圍內(nèi);自動(dòng)站觀測的氣溫值比人工觀測的氣溫值略偏高;對(duì)比差值日平均值有由大向小的漸降趨勢(shì);有雨季和干季的季節(jié)波動(dòng)。

（2）由氣溫對(duì)比差值上下限看出,氣溫瞬時(shí)值差值可能會(huì)很大,可達(dá)到2℃-3℃,原因是人工與自動(dòng)站使用的觀測儀器的感應(yīng)原理差異和觀測時(shí)間不同步造成的。

（3）日最高溫度的對(duì)比差值大于日最低溫度的對(duì)比差值,且日最高溫度對(duì)比差值出現(xiàn)異常值的天氣現(xiàn)象最多為露,原因是有露時(shí),一般是晴天,溫度變化較為迅速,鉑電阻對(duì)溫度的感應(yīng)靈敏度高于水銀,液體溫度表的滯后效應(yīng)就更明顯,所以最高溫度的差值就相對(duì)比較大。

（4）氣溫對(duì)比差值有明顯的日變化,一般在夜間差值較小,白天差值較大,這是由于液體溫度表對(duì)溫度的感應(yīng)靈敏度小于鉑電阻。陰天的氣溫對(duì)比差值略大于晴天,但總的波動(dòng)范圍差別不大。

（5）氣溫對(duì)比差值的月平均和季平均分析看出,對(duì)比差值隨干季和雨季的變化,有明顯的波動(dòng)。

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