自動(dòng)站替換人工站對(duì)相對(duì)濕度資料連續(xù)性影響分析

周英 袁久坤

（重慶市萬州區(qū)氣象局，重慶 404000）

自動(dòng)站替換人工站對(duì)相對(duì)濕度資料連續(xù)性影響分析

周英 袁久坤

（重慶市萬州區(qū)氣象局，重慶 404000）

利用萬州國家基本氣象站2007～2008年的自動(dòng)站和人工站對(duì)比觀測數(shù)據(jù)，對(duì)資料的完整性、差異性、連續(xù)性進(jìn)行評(píng)估，分析自動(dòng)站替換人工站對(duì)本站相對(duì)濕度歷史資料序列連續(xù)性的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)：自動(dòng)站的穩(wěn)定性較高，代替人工觀測能夠保證氣象要素的實(shí)測率。兩者相對(duì)濕度月平均差值達(dá)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，一致率為100%，同時(shí)自動(dòng)站相對(duì)濕度通過了顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明以自動(dòng)站替換人工觀測對(duì)相對(duì)濕度歷史資料序列連續(xù)性的影響較小。

自動(dòng)站 替換 人工觀測 相對(duì)濕度 連續(xù)性

萬州區(qū)位于三峽庫區(qū)核心地帶，萬州國家基本氣象站自2003年開始自動(dòng)站觀測和人工站觀測的雙軌業(yè)務(wù)運(yùn)行，2007～2008年曾升級(jí)為觀象臺(tái)，實(shí)行每小時(shí)人工觀測。因?yàn)槎喾矫娴脑?，地面自?dòng)氣象站觀測系統(tǒng)替代人工氣象觀測后二者觀測數(shù)據(jù)之間存在著一定差異。國內(nèi)外相關(guān)方面的專家對(duì)氣溫觀測的差異及其原因研究較多［1-2］，而關(guān)于兩種觀測系統(tǒng)所測得的相對(duì)濕度的差異及其原因研究卻比較少。相對(duì)濕度作為揭示空氣中水汽變化的一個(gè)重要標(biāo)志，對(duì)其氣候序列的均一性考察有著非常重要的意義。本文通過對(duì)自動(dòng)和人工兩個(gè)不同觀測系統(tǒng)所采集的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，分析自動(dòng)站替換人工觀測后對(duì)相對(duì)濕度歷史資料序列連續(xù)性的影響。

1　資料來源及處理方法

1.1資料來源

本文選取萬州國家基本氣象站2007～2008年的自動(dòng)站和人工站觀測相對(duì)濕度資料，通過對(duì)兩套觀測設(shè)備的逐小時(shí)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)及年數(shù)據(jù)進(jìn)行全面整理分析評(píng)估。

1.2資料處理方法

表1　自動(dòng)站和人工站相對(duì)濕度評(píng)估項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)表

表2　不同自由度的ta取值

表3　相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)和評(píng)估參數(shù)

表4　2007～2008年各月（年）平均相對(duì)濕度T檢驗(yàn)結(jié)果

主要利用自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件（AWSDataQC）對(duì)自動(dòng)站和人工站A文件進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)出相對(duì)濕度的缺測率、粗差率、月平均差值、一致（相符）率。同時(shí)統(tǒng)計(jì)出各月日最小相對(duì)濕度月平均差值，對(duì)自動(dòng)氣象站觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)及比較，給出系統(tǒng)誤差［3］。最后利用近30年資料對(duì)2007～2008年自動(dòng)站相對(duì)濕度的月、年平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2　評(píng)估內(nèi)容與方法［4］

2.1完整性

數(shù)據(jù)完整性主要通過缺測率來反映，主要評(píng)估相對(duì)濕度的逐小時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)的完整性。

2.2差異性

差異性評(píng)估的指標(biāo)較多，本文主要使用較為常見的幾種指標(biāo)。首先對(duì)相對(duì)濕度利用差值平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、一致率、粗差率等對(duì)逐小時(shí)數(shù)據(jù)、日平均值、月平均值進(jìn)行評(píng)估。對(duì)相對(duì)濕度的極端值主要利用差值均值指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)估。

圖1　相對(duì)濕度對(duì)比差值平均值的年變化

2.2.1對(duì)比差值均值及標(biāo)準(zhǔn)差

設(shè)Ui為第i次自動(dòng)觀測值，Ai為第i次人工觀測值，則第i次的對(duì)比差值為：Xi=Ui-Ai，觀測次數(shù)均為n，則對(duì)比差值的月平均值為：

2.2.4評(píng)估項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《自動(dòng)氣象站通用技術(shù)規(guī)范》及《自動(dòng)觀測和人工觀測資料對(duì)比評(píng)估方案》，評(píng)估項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)如表1所示［5］。

對(duì)比差值的月標(biāo)準(zhǔn)差σ為：

2.2.2一致率

一致率表示自動(dòng)站數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)相一致的程度，主要對(duì)逐小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。月一致率按如下公式計(jì)算：

一致率的范圍按要素對(duì)比差值月平均值的2倍考慮，其中相對(duì)濕度為2%。

2.2.3粗差率

粗差率表示兩套儀器異常差值的多寡，主要對(duì)逐小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。粗差是指自動(dòng)站與人工站觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比差值與月對(duì)比差值平均值之差的絕對(duì)值大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)。粗差率為粗差次數(shù)與樣本的比值。

設(shè)第i次觀測值的對(duì)比差值為 xi，對(duì)比差值月平均值為 x，對(duì)比差值的月標(biāo)準(zhǔn)差為σ視為粗差。公式如下：

2.3連續(xù)性

利用1977～2006年和1978～2007年30年本站人工觀測相對(duì)濕度的月平均值和年平均值，分別對(duì)2007年和2008年的自動(dòng)站相對(duì)濕度各月平均值和年平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。評(píng)估主要方法為T檢驗(yàn)［6］。

圖2　相對(duì)濕度對(duì)比差值平均值日變化

假設(shè)0x為2007～2008年自動(dòng)站相對(duì)濕度月（年）平均值，1977年至2006年共 30n=年，這n年本站相對(duì)濕度月（年）平均值的樣本序列為，統(tǒng)計(jì)量其中，

在顯著水平a為5%（1%），自由度為n時(shí)，當(dāng)|t|＞ta，（ta取值見表2）則表示平均值0x與其他年份平均值差異顯著，未能通過顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)|t|≤ta，則表示平均值0x通過顯著性檢驗(yàn)，與其他年份平均值差異不顯著。

3　結(jié)果分析

根據(jù)2007～2008年月逐小時(shí)數(shù)據(jù)，共獲取有效對(duì)比樣本數(shù)17544個(gè)，計(jì)算得出相對(duì)濕度的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估參數(shù)如表3所示。

3.1缺測率

自動(dòng)站相對(duì)濕度缺測次數(shù)為0，缺測率為0.0%，說明自動(dòng)站儀器運(yùn)行狀況良好。

3.2對(duì)比差值均值

自動(dòng)站與人工觀測相對(duì)濕度對(duì)比差值的月平均值在符號(hào)上都具有較好的一致性，這說明在相對(duì)濕度測量中，自動(dòng)觀測與人工觀測兩個(gè)系統(tǒng)之間存在一定程度的“系統(tǒng)偏差”。其月平均差值在0～4%之間，年平均差值為1.9%，自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站平均偏高2%左右。日最小相對(duì)濕度月平均差值在－2～3.5%之間，年平均差值為-0.4%。

相對(duì)濕度月平均差值及日最小相對(duì)濕度的月平均差值的年變化如圖1所示。由圖1可見，相對(duì)濕度月平均差值全年為正，說明自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站偏高，春季相對(duì)于其他季節(jié)而言偏差較小。相對(duì)濕度月平均差值與最小相對(duì)濕度月平均差值的年變化規(guī)律基本一致，但最小相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)較多。

相對(duì)濕度對(duì)比差值平均值的日變化如圖2所示。由圖2可見，自動(dòng)站與人工觀測相對(duì)濕度對(duì)比差值在全天24小時(shí)均為正值，為0. 5%～3.5%之間，其日變化規(guī)律與相對(duì)濕度的日變化規(guī)律相似。在一日中高濕時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比差值較大，低濕時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比差值較小。

3.3粗差率

根據(jù)分析，相對(duì)濕度粗差率9～12月均大于2%，全年平均粗差率為1.8%。說明自動(dòng)站儀器總體性能穩(wěn)定，測量的數(shù)據(jù)有效可靠。其中，2008年9～12月和2007年12月粗差率較其它月份偏大，原因可能為這幾個(gè)月相對(duì)濕度較大，也就是說在高濕環(huán)境下粗差率較大。

3.4一致率

根據(jù)《地面氣象觀測遙測自動(dòng)化功能需求書》要求，相對(duì)濕度一致率范圍為±80%。而通過計(jì)算全年及各月相對(duì)濕度的一致率均為100%，高于標(biāo)準(zhǔn)值80%，說明自動(dòng)站和人工站相對(duì)濕度一致性非常好，該要素的指標(biāo)滿足要求。

3.5連續(xù)性

利用1977～2006年和1978～2007年30年本站人工觀測相對(duì)濕度的月平均值和年平均值，分別對(duì)2007年和2008年自動(dòng)站相對(duì)濕度各月平均值和年平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。其T檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可見，在顯著水平a為5%（1%），自由度為30時(shí)，|t|＜ta，該自動(dòng)站相對(duì)濕度通過了顯著性檢驗(yàn)，說明用自動(dòng)站替換人工站觀測方式的變更沒有影響到數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

4　誤差分析

自動(dòng)站與人工站相對(duì)濕度產(chǎn)生差異的主要原因有［7］：一是由于兩者采集時(shí)間不同造成的誤差。人工站相對(duì)濕度觀測時(shí)間一般在正點(diǎn)前15～10分鐘左右，而自動(dòng)站采集的正點(diǎn)相對(duì)濕度是正點(diǎn)前1分鐘滑動(dòng)平均值，這是造成自動(dòng)站和人工站數(shù)據(jù)差異的主要原因。二是兩者觀測儀器不同，由儀器本身造成的誤差不同。特別是當(dāng)自動(dòng)站附近出現(xiàn)大雷暴或被雷擊、有電磁波干擾源等，導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化沒有規(guī)律，甚至出現(xiàn)缺測。三是兩者采集的數(shù)據(jù)算法不同。自動(dòng)站數(shù)據(jù)采用的是1分鐘內(nèi)采集6個(gè)樣本值，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，剩余的4個(gè)樣本值求算術(shù)平均值；而人工站數(shù)據(jù)則是觀測時(shí)的瞬時(shí)值。四是人工干預(yù)引起的誤差。濕球紗布包扎不規(guī)范、紗布不清潔，干濕球溫度表人工讀數(shù)誤差，干濕球溫度表的通風(fēng)狀態(tài)，觀測時(shí)間的不一致，自動(dòng)觀測在高濕狀況下的非線性以及其他原因均會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)與人工觀測濕度產(chǎn)生差異，甚至是顯著差異。干濕球溫度表總的誤差大小主要取決于空氣的溫度和濕度。在干空氣條件下，誤差可以容易地達(dá)到10%相對(duì)濕度，而在溫帶，誤差約在百分之幾相對(duì)濕度的量級(jí)［8］。

5　結(jié)語

（1）對(duì)比觀測期內(nèi)相對(duì)濕度自動(dòng)站缺測次數(shù)為0，表明自動(dòng)站的穩(wěn)定性較高，代替人工觀測能夠保證氣象要素的實(shí)測率。相對(duì)濕度粗差率在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，說明自動(dòng)站運(yùn)行良好穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效可靠，有能力良好地保持氣象要素氣候序列的連續(xù)性。各月相對(duì)濕度一致率均為100%，說明自動(dòng)站和人工觀測相對(duì)濕度一致性非常好。

（2）相對(duì)濕度月平均差值全年為正，說明自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站偏高，春季相對(duì)于其他季節(jié)而言偏差較小。相對(duì)濕度月平均差值與最小相對(duì)濕度月平均差值的年變化規(guī)律基本一致，但最小相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)較多。

（3）顯著性檢驗(yàn)表明用自動(dòng)站替換人工站觀測方式的變更對(duì)相對(duì)濕度歷史資料序列的連續(xù)性無影響。

由于樣本數(shù)量偏少，本文只是一個(gè)初步的分析結(jié)果。

［1］顧品強(qiáng)，王美華.Ⅱ型自動(dòng)站與常規(guī)站溫濕度觀測記錄的比較［J］.氣象，2003，29（1）：35-38.

［2］余君，胡玉峰.我國中部地區(qū)自動(dòng)站與人工站氣溫的差異及原因分析［J］.氣象，2007，33（5）：94-99.

［3］地面氣象測報(bào)業(yè)務(wù)軟件操作手冊.楊志彪.中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.北京：氣象出版社，2004.

［4］自動(dòng)觀測與人工觀測對(duì)比評(píng)估方案，2010，5.

［5］陳雅蓮，楊建東.晉江自動(dòng)站與人工站對(duì)比觀測資料的質(zhì)量評(píng)估與誤差分析［J］.福建氣象，2006（3）：33-36.

［6］黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法［M］.北京：氣象出版社，2000：19-28.

［7］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范.北京：氣象出版社，2003.

［8］苑躍，趙曉莉，王小蘭等.相對(duì)濕度自動(dòng)與人工觀測的差異分析［J］.氣象，2010，36（2）：102-108.