新型站與備份站自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)差異性分析

邵兵+祝奎+董寶磊等

摘 要：利用2014年本溪國(guó)家基本氣象站有效數(shù)據(jù)資料，將新型和備份2套自動(dòng)氣象站逐時(shí)氣溫、氣壓等要素的觀測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析和探討，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本溪?dú)庀髷?shù)據(jù)資料進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：2套自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)較為完整，缺測(cè)率較低，表明自動(dòng)站設(shè)備較為穩(wěn)定。通過(guò)差值分析2套數(shù)據(jù)的差異，大部分要素差值小，數(shù)據(jù)一致率較高，粗差率和超差率較低，個(gè)別要素差異略大的原因可能與儀器的型號(hào)、性能有關(guān)，但檢驗(yàn)中大多符合相應(yīng)的規(guī)范要求。2套站自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可互相替代，從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性，大大提高了數(shù)據(jù)觀測(cè)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新型自動(dòng)氣象站；備份自動(dòng)氣象站；數(shù)據(jù)評(píng)估；差異性分析

中圖分類號(hào) P415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）15-137-03

Difference Analysis of New Type of Automatic Weather Station and Backup Weather Station Data

Shao Bing et al.

（Meteorological Bureau of Benxi City，Benxi 117000，China）

Abstract：Using the valid data of Benxi national basic weather stations in 2014，air temperature and air pressure from the new type of automatic station and the backup of automatic station were analysed and discussed，and according to the relevant standards，Benxi meteorological data were evaluated. The results show that the two sets of automatic meteorological station data is relatively complete，lack of measurement rate is low，which indicates that automatic station equipment is relatively stable. Through the analysis of the difference between the difference of two sets of data，most of the elements of difference is small，the reason of the difference slightly may be associated with the performance of the instrument，most of the elements meet the requirements in the inspection. Two sets of automatic station observation data can replace each other，so as to ensure the integrity of the data，greatly improving the quality of observation data.

Key words：New type of automatic weather station；Backup of automatic weather station；Data evaluation；Variance analysis

隨著我國(guó)氣象自動(dòng)化的發(fā)展，本溪國(guó)家基本氣象站于2002年完成了自動(dòng)氣象站建設(shè)任務(wù)，使用的儀器是長(zhǎng)春氣象儀器有限公司的DYYZ Ⅱ型自動(dòng)氣象站，經(jīng)過(guò)2a的業(yè)務(wù)對(duì)比觀測(cè)時(shí)期，于2005年正式進(jìn)入單軌運(yùn)行，大大提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。但單套自動(dòng)站運(yùn)行穩(wěn)定率較差，因傳感器基點(diǎn)漂移或電磁干擾等造成要素觀測(cè)值異常[1-3]，缺少同要素正常數(shù)據(jù)對(duì)比，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)異常情況，而人工補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)有限且差異較大。伴隨著全國(guó)地面氣象觀業(yè)務(wù)改革的不斷深入，對(duì)自動(dòng)氣象站技術(shù)進(jìn)行升級(jí)換代，2013年5月在原有臺(tái)站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)因地制宜建立了標(biāo)準(zhǔn)新型自動(dòng)站，采用的儀器設(shè)備是華云升達(dá)（北京）氣象科技有限公司的DZZ5型自動(dòng)氣象站，并于2013年6月正式投入運(yùn)行，DYYZ Ⅱ型自動(dòng)站作為備份自動(dòng)站被保留下來(lái)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)新型站（DZZ5型）出現(xiàn)故障時(shí)，按規(guī)定要求及時(shí)啟用備份站（DYYZ Ⅱ型），從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性。但由于設(shè)備廠家、型號(hào)不同，2站數(shù)據(jù)是否存在差異，替代時(shí)2站數(shù)據(jù)是否連續(xù)，本文對(duì)此進(jìn)行了深入的研究探討。

1 統(tǒng)計(jì)資料的來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)為本溪標(biāo)準(zhǔn)新型自動(dòng)站（記為A站）、備份自動(dòng)站（記為B站）2套設(shè)備2014年1～12月逐小時(shí)觀測(cè)值，A站數(shù)據(jù)缺測(cè)率為0，B站數(shù)據(jù)缺測(cè)率為0.13%（6月11日缺測(cè)1～11時(shí)），缺測(cè)數(shù)據(jù)按[4-5]，故各要素統(tǒng)計(jì)的有效樣本個(gè)數(shù)為8 749個(gè)。分析主要涉及的要素有氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、地溫等要素。

2 分析方法

常用數(shù)據(jù)差異性評(píng)估方法[6-11]包括對(duì)比差值、差值平均值、差值標(biāo)準(zhǔn)差、一致率、粗差率、超差率等。以上各評(píng)估指標(biāo)及評(píng)估參考標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)自動(dòng)氣象站功能書[12]而定。

2.1 對(duì)比差值及其平均值 Ai為標(biāo)準(zhǔn)新型自動(dòng)站某要素第i次觀測(cè)值，Bi為備份自動(dòng)站（記為B站）某要素第i次觀測(cè)值。Xi為某要素第i次對(duì)比差值（A站觀測(cè)值減去B站觀測(cè)值）。設(shè)2種觀測(cè)儀器對(duì)比觀測(cè)有效樣本數(shù)為n，則對(duì)比差值的平均值為：[Xi=Ai-Bi]，[X=1n-1i=1nXi]。

2.2 差值標(biāo)準(zhǔn)差 設(shè)對(duì)比差值標(biāo)準(zhǔn)差為σ，σ反映了A、B2站之間偏差的離散程度，則有：[σ=1n=1i=1nXi-X21/2]。

2.3 一致率 一致率表示A、B2站數(shù)據(jù)相一致的程度[18]，將對(duì)比差值小于等于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍的即認(rèn)為一致。一致率（%）=[一致次數(shù)有效樣本數(shù)×100]。

2.4 粗差率 粗差率反映了A、B2站數(shù)據(jù)異常值的多寡[19]，當(dāng)[X-Xi]>3σ時(shí)，視為粗差。粗差次數(shù)計(jì)算方法：先根據(jù)全部數(shù)據(jù)計(jì)算σ，逐個(gè)檢查對(duì)比差值，若有[X-Xi]>3σ時(shí)，剔除其中一個(gè)最大者，再按計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的公式計(jì)算新的σ，若還有差值[X-Xi]>3σ者，再剔除其中的一個(gè)最大者，然后計(jì)算新的σ，直到無(wú)數(shù)據(jù)需要剔除為止。

2.5 超差率 結(jié)合要素以及儀器的性能分析，將自動(dòng)氣象站測(cè)量值超過(guò)儀器探測(cè)靈敏性規(guī)定的最大允許誤差2倍的百分比定義為超差。其中各要素差值最大允許誤差為：氣溫0.2℃，相對(duì)濕度5%，氣壓0.3hPa，地溫0.3℃。超差率（%）=[超差次數(shù)有效次數(shù)×100]。

3 自動(dòng)站數(shù)據(jù)資料的分析評(píng)估

3.1 差值的分析 對(duì)比差值直接反映了A、B2站間的偏差，其廣泛應(yīng)用于氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、地溫等各要素的分析。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)資料評(píng)估的參考值，A、B站各觀測(cè)要素對(duì)比差平均值見表1。由表1可知，就均值而言，大部分要素差值的均值較小，且在最大允許誤差范圍內(nèi)。

表1 A、B站各觀測(cè)要素對(duì)比差

[項(xiàng)目要素＼&A、B站差值均值＼&最大允許誤差（±）＼&氣溫（℃）＼&-0.23＼&0.2＼&相對(duì)濕度（%）＼&2.22＼&5＼&氣壓（hPa）＼&0.03＼&0.3＼&地溫（℃）＼&0.55＼&0.3＼&]

3.2 各要素差值數(shù)值特征 對(duì)所有資料樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，2014年本溪A、B站大部分要素一致率較高，粗差率低，表明2站數(shù)據(jù)較為一致（表2）。

表2 A、B站各觀測(cè)要素差值數(shù)值特征描述

[項(xiàng)目要素＼&樣本數(shù)＼&標(biāo)準(zhǔn)差＼&一致率（%）＼&粗差率（%）＼&超差率（%）＼&氣溫＼&8749＼&0.14＼&65.0＼&3.5＼&6.5＼&相對(duì)濕度＼&8749＼&1.30＼&95.6＼&0.3＼&0.5＼&氣壓＼&8749＼&0.05＼&99.8＼&0.2＼&0＼&地溫＼&8749＼&1.74＼&93.4＼&13.4＼&34.7＼&]

從一致率上看，相對(duì)濕度、氣壓、地溫一致率較高，雖然氣溫一致率僅為65.0%，但一致率并不能完全反應(yīng)差值之間的差異性，事實(shí)上氣溫的差值大多集中在-0.5℃，

-0.4℃，-0.3℃，-0.2℃，-0.1℃，0℃（圖1），而其2倍標(biāo)準(zhǔn)差為0.28，即認(rèn)為差值絕對(duì)值≤0.28℃的為一致，其中一致次數(shù)僅為5 688個(gè)，而-0.3℃樣本個(gè)數(shù)高達(dá)1 799個(gè)，0.3℃樣本個(gè)數(shù)為3個(gè)，從而導(dǎo)致整體一致率下降。如果把氣溫差值絕對(duì)值為0.3℃（氣溫僅保留一位小數(shù)，可把0.28≈0.3）的樣本也認(rèn)為是一致的，則一致率可達(dá)85.6%。

圖1 本溪A、B站氣溫差值的頻次分布

從粗差率上看，地溫的粗差率較高，而氣溫、相對(duì)濕度、氣壓粗差率均較小，其中相對(duì)濕度、氣壓的要素粗差率為0.3%、0.2%。從氣壓直方圖上看（圖2），差值基本在±0.1℃，其均值為0.03hPa，即A站值略高于B站。由標(biāo)準(zhǔn)差為0.05可以看出，差值比較穩(wěn)定，變化幅度小，兩者離散程度較好。由圖2可知，氣壓差值為0.0hPa，共有5 763個(gè)樣本，在±0.1℃，共有8 729個(gè)，占99.8%，表明A、B站氣壓變化大致相同，且無(wú)異常值。

圖2 本溪A、B站氣壓差值的頻次分布

3.3 差值日變化趨勢(shì) 根據(jù)北方氣候特點(diǎn)，將6、7、8月份作為夏季，1、2、12月作為冬季。利用公式計(jì)算A、B站24次0cm地溫觀測(cè)資料的每一時(shí)次的對(duì)比差年（月）、夏季、冬季平均值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出本溪2014年夏季、冬季以及年0cm地溫對(duì)比差值均值的逐時(shí)變化（圖3），從圖3可看到，夏季和年地溫差值均值變化的時(shí)間區(qū)間基本一致，6：00～20：00期間的對(duì)比差值是夏季明顯高于全年，冬季差值成負(fù)值，與夏季、年差值變化正相反。而21：00～06：00期間的對(duì)比差值三者變化不大，且趨勢(shì)大致相同。這種變化說(shuō)明A或B站存在明顯的日變化規(guī)律，主要原因可能由于儀器周邊存在光源、熱導(dǎo)體、電磁場(chǎng)等物質(zhì)的干擾，或是儀器本身受到太陽(yáng)輻射及下墊面介質(zhì)分布不均影響所致。通過(guò)對(duì)A、B站差值日變化的監(jiān)控可發(fā)現(xiàn)這種變化規(guī)律，對(duì)異常數(shù)據(jù)及時(shí)監(jiān)控處理，從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖3 本溪A、B站0cm地溫差值均值日變化

4 小結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)上述資料評(píng)估結(jié)果表明：2014年華云站（A站）無(wú)缺測(cè)，長(zhǎng)春站（B站）數(shù)據(jù)缺測(cè)11時(shí)次，2站同時(shí)運(yùn)行可明顯降低缺測(cè)率。換而言之，當(dāng)一套設(shè)備（A站）出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)啟用備份站設(shè)備（B站）替代，從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性。這種運(yùn)行模式不僅能大大提升觀測(cè)自動(dòng)化水平，減輕觀測(cè)員值班強(qiáng)度，更重要的是能夠提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但也相應(yīng)的增加了儀器采購(gòu)、維護(hù)等運(yùn)行成本。

（2）從數(shù)據(jù)差異性評(píng)估來(lái)看，A、B站大部分觀測(cè)要素（氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、深層地溫等）等觀測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，差值小，尤其是氣壓一致率極高，粗差率幾乎為0，無(wú)異常數(shù)據(jù)。但個(gè)別要素差（地溫）差異略大，其產(chǎn)生的差異可能是長(zhǎng)春站儀器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，DYYZ Ⅱ型儀器設(shè)備自身形成的系統(tǒng)偏差。由此表明，A、B站數(shù)據(jù)可互相代替，大部分?jǐn)?shù)據(jù)資料穩(wěn)定性、連續(xù)性較好。

（3）0cm地溫差值均值的日變化規(guī)律表明，受太陽(yáng)輻射及下墊面的影響，06：00～20：00期間的對(duì)比差值，本溪夏季差值均值明顯大于年差值均值，兩者具有比較一致、穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；而冬季差值均值呈相反趨勢(shì)。初步考慮可能受特殊的小氣候影響、儀器自身系統(tǒng)誤差等，影響的具體氣候因子或是其它原因有待于進(jìn)一步研究。

（4）鑒于本文所采用的數(shù)據(jù)時(shí)間較短，站點(diǎn)單一，故對(duì)于部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)論還有待于進(jìn)一步的討論研究。

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（責(zé)編：張宏民）