定時(shí)觀測(cè)自動(dòng)站與人工站氣象要素差異對(duì)比分析

朱吉體　吳芳　齊興仁

摘要 根據(jù)藍(lán)山縣2009 年自動(dòng)與人工平行觀測(cè)的氣溫、相對(duì)濕度資料，對(duì)氣溫和相對(duì)濕度兩要素在自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)下的差異進(jìn)行分析，并闡述其差值的日變化、年變化及在不同氣象條件下的差異特征。結(jié)果表明：自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)日平均氣溫差值、日最高氣溫差值、日最低氣溫差值分別為0.1、0.3、0.5 ℃左右；從差值的年變化看，日平均氣溫和最高氣溫的存在季節(jié)性波動(dòng)，而最低氣溫?zé)o這種變化；從差值的日變化看，白天（8：00和14：00）自動(dòng)站氣溫普遍高于人工站，夜間20：00自動(dòng)站氣溫總體較人工站偏低，但其差值絕對(duì)值低于8：00和14：00，2：00的差值則無明顯規(guī)律；隨著氣溫上升，日最高氣溫差值的絕對(duì)值明顯增大，而日最低氣溫差值的絕對(duì)值無明顯變化。自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站明顯偏小，平均偏小4.0%，其中1—9月差值為負(fù)值，10—12月差值為正值，但其絕對(duì)值明顯低于1—9月；從差值的日變化來看，14：00自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站明顯偏大，其他時(shí)次則明顯偏小，其中2：00偏小幅度超過20%；相對(duì)濕度差值的絕對(duì)值隨著最高氣溫的上升呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，但與相對(duì)濕度值的大小無明顯相關(guān)性存在。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)站；人工觀測(cè)；氣溫；相對(duì)濕度；差異分析；湖南藍(lán)山

中圖分類號(hào) P415.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）03-0182-03

Abstract Based on the temperature and relative humidity data from the automatic and manual parallel observation of Lanshan Meteorological Station in 2009，the differences of each meteorological element between automatic station and manual station were analyzed，and their diurnal and annual variations and changes under different meteorological conditions were described. The results showed that the differences of daily average temperature，maximum temperature and minimum temperature between automatic and manual observation were 0.1 ℃，0.3 ℃ and 0.5 ℃ respectively. The daily average temperature and maximum temperature showed seasonal fluctuations，but the minimum temperature did not show such change in the annual variations. In diurnal variations，the daytime（8：00 and 14：00） temperature of the automatic station was higher than that of the manual station and the opposite phenomenon at 20：00，but the absolute value of the difference at 20：00 was lower than that at 8：00 and 14：00，the difference at 2：00 was not significant. As the temperature rose，the absolute value of the daily maximum temperature difference increased obviously，but the minimum temperature suggested no obvious change. The relative humidity of the automatic station was smaller than that of the manual station，with an average difference of 4%.The difference from January to September was negative，and from October to December was positive，but its absolute value was significantly lower than that from January to September. In diurnal variations，the relative humidity of the automatic station was significantly larger than manual station at 14：00，and significantly smaller in the other time（2：00，8：00 and 20：00），of which the smallest amplitude was more than 20% at 2：00；the absolute value of the difference of relative humidity showed a significantly increasing trend with the rise of the maximum temperature，but it had no significant correlation with the relative humidity values.

Key words automatic station；manual observation；temperature；relative humidity；difference analysis；Lanshan Hunan

自動(dòng)站替代人工觀測(cè)項(xiàng)目以來，自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)在氣溫等要素上存在不同程度的系統(tǒng)偏差和不可忽視的偶然偏差[1]。研究表明，全國大部分臺(tái)站自動(dòng)觀測(cè)氣溫和人工觀測(cè)氣溫在都在±0.1 ℃以內(nèi)，對(duì)于極端氣溫，自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)的差異明顯大于平均氣溫[2]。產(chǎn)生這種差異的原因很多，儀器的測(cè)量原理、觀測(cè)方法、太陽輻射和觀測(cè)環(huán)境是產(chǎn)生差異的主要原因，人工觀測(cè)讀數(shù)誤差等也是重要原因，自動(dòng)與人工2種觀測(cè)體制在觀測(cè)時(shí)間、傳感器安裝位置以及玻璃液體溫度表固有的儀器誤差，以及測(cè)溫元件的滯后效應(yīng)，都會(huì)造成觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)差異[3-5]。此外，干濕球溫度表的通風(fēng)狀態(tài)、濕球紗布包扎和不清潔，以及濕度儀器的變更都會(huì)引起濕度誤差[6]。相對(duì)濕度的差異與溫度也有一定的關(guān)系，在高溫高濕的條件下，自動(dòng)站溫濕傳感器出現(xiàn)非線性，相對(duì)濕度對(duì)比差值偏大[7-9]。但上述研究主要分析各氣象要素的整體差異及原因，但這種觀測(cè)手段變更導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差并非一成不變，這種差異在不同時(shí)次、不同季節(jié)、不同氣象條件下可能會(huì)有不同的結(jié)果。

有鑒于此，本文以藍(lán)山縣為例，開展溫度和相對(duì)濕度人工與自動(dòng)觀測(cè)差異的分析，特別是差值的年變化、日變化以及不同氣象條件下的變化特征分析，可為深入開展人工站及自動(dòng)站氣象要素差異的原因分析提供依據(jù)，同時(shí)也可為后期開展精確分類的均一性訂正工作奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

所用資料為藍(lán)山國家地面氣象觀測(cè)站2009年（即自動(dòng)與人工平行觀測(cè)第2年）自動(dòng)站及人工站氣溫、相對(duì)濕度小時(shí)觀測(cè)資料，經(jīng)過臺(tái)站級(jí)、省級(jí)、國家級(jí)三級(jí)質(zhì)量校驗(yàn)[10]。其中人工觀測(cè)資料8：00、14：00、20：00定時(shí)觀測(cè)資料，2：00氣溫資料為雙金屬溫度計(jì)，相對(duì)濕度為毛發(fā)濕度計(jì)加上器差訂正求得。自動(dòng)觀測(cè)儀器是由天津天儀集團(tuán)儀表有限公司生產(chǎn)的HMP45A和HMP45D溫濕傳感器。對(duì)比分析日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、相對(duì)濕度自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)資料，觀察并分析其差異。本文所有對(duì)比差值均為自動(dòng)站減去人工站。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫

2.1.1 日平均氣溫差異分析。對(duì)比自動(dòng)與人工觀測(cè)1—12月逐月平均的日平均氣溫差值發(fā)現(xiàn)，各月自動(dòng)站均比人工觀測(cè)氣溫值略高，平均日差值為0.087 ℃，單日出現(xiàn)的最大差值為0.9 ℃（2009年6月27日）。各月氣溫差分布顯示1—8月差值較大，其中1月、4月、6月和8月平均差值超過0.1 ℃，9—12月差值相對(duì)較小（圖1）。

2.1.2 日最高及最低氣溫差異分析。從日最高及最低氣溫對(duì)比看，自動(dòng)站日最高和最低氣溫總體上要比人工站偏高，且偏高幅度均明顯高于日平均氣溫，其中日最高氣溫平均偏高0.347 ℃，單日最高差值為1.1 ℃（2009年9月17日）；日最低氣溫平均偏高0.471 ℃，單日最大差值為0.8 ℃（2009年2月22日，3月21日，11月7日，12月23日）。日最高氣溫差值以5—10月最大，其中8月最大，差值超過0.5 ℃；11月至次年4月差值相對(duì)較?。▓D2）。日最低氣溫的差值相對(duì)穩(wěn)定，除1月差值相對(duì)較小外，其他各月差值均在0.4～0.6 ℃之間（圖3）。

2.1.3 定時(shí)氣溫差異分析。從藍(lán)山站2009年定時(shí)觀測(cè)的自動(dòng)和人工站差值分布看，白天（8：00和14：00）差值為正，即自動(dòng)站觀測(cè)值高于人工站；而夜間（20：00和2：00）差值為負(fù)值，即自動(dòng)站觀測(cè)值低于人工站，且白天差值的絕對(duì)值明顯高于夜間。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2：00氣溫差值絕對(duì)值雖然最小，但標(biāo)準(zhǔn)差較大，反映出這一時(shí)次的氣溫差值無明顯規(guī)律，正值和負(fù)值所占比例均較高；而8：00和14：00氣溫差值絕對(duì)值和標(biāo)準(zhǔn)差均較大，反映出這2個(gè)時(shí)次氣溫差值以正值為主，且14：00氣溫差值絕對(duì)值和正值比例均明顯高于8：00；20：00隨著氣溫下降，差值絕對(duì)值有所減小，方差則為最小，反映出該時(shí)次氣溫差值以負(fù)值為主（圖4）。

2.1.4 不同區(qū)間氣溫對(duì)比差異分析。以人工站氣溫為基準(zhǔn)，將最高氣溫和最低氣溫以5 ℃為間隔劃分為若干區(qū)間，分別比較各區(qū)間的氣溫差值。從日最高氣溫各區(qū)間的對(duì)比差值看，最高氣溫0～4.9 ℃時(shí)人工站比自動(dòng)站氣溫高，隨著溫度的升高人工和自動(dòng)觀測(cè)的溫度差異也逐漸增大，在高溫達(dá)35 ℃或以上時(shí)，人工與自動(dòng)觀測(cè)溫度差異最大，見圖5（a）。而最低氣溫雖然隨著氣溫升高差值也有所增大，但總體而言更加平穩(wěn)，差值增加幅度明顯小于最高氣溫，見圖5（b）。

2.2 相對(duì)濕度

2.2.1 日平均相對(duì)濕度的差異分析。分析結(jié)果顯示，日平均相對(duì)濕度差值的年均值約-4.0個(gè)百分點(diǎn)，自動(dòng)站明顯低于人工站。分月來看，1—9月自動(dòng)站日平均相對(duì)濕度值整體均比人工觀測(cè)偏小，其中差值絕對(duì)值又以3—8月最大，差值絕對(duì)值均超過5個(gè)百分點(diǎn)；10—12月則變化為自動(dòng)觀測(cè)值比人工觀測(cè)略高（圖6）。

2.2.2 定時(shí)平均相對(duì)濕度的差異分析。圖7為藍(lán)山人工與自動(dòng)站相對(duì)濕度定時(shí)觀測(cè)差值變化，從差值分布上看，藍(lán)山2009年人工與自動(dòng)站相對(duì)濕度2：00和14：00人工和自動(dòng)站相對(duì)濕度差異最大，其中2：00自動(dòng)比人工站相對(duì)濕度小，年均偏小20.3個(gè)百分點(diǎn)；14：00自動(dòng)比人工站相對(duì)濕度大，年均偏大16.1個(gè)百分點(diǎn)；8：00和20：00人工和自動(dòng)站相對(duì)濕度差異相對(duì)較小，但自動(dòng)站觀測(cè)值仍均低于人工站，偏小幅度在7～9個(gè)百分點(diǎn)之間。

2.2.3 相對(duì)濕度分段對(duì)比差異分析。以人工站相對(duì)濕度和最高氣溫為基準(zhǔn)，將日平均相對(duì)濕度和日最高氣溫分別以10%和5 ℃為間隔劃分為若干段，分別比較各段的相對(duì)濕度差值。

從按相對(duì)濕度分段的差值對(duì)比來看，除40%～49%區(qū)間差值絕對(duì)值相對(duì)較小外，其他各分段相對(duì)濕度差值的無明顯變化，各分段差值絕對(duì)值均在4個(gè)百分點(diǎn)左右，見圖8（a）。按最高氣溫分段則顯示各分段差值存在明顯的差異，氣溫越高，差值絕對(duì)值越大，0.0～4.9 ℃區(qū)間差值絕對(duì)值僅為1.8個(gè)百分點(diǎn)，而35 ℃以上區(qū)間差值絕對(duì)值則增大到6.7個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)藍(lán)山2009年人工站和自動(dòng)站氣溫及相對(duì)濕度資料進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）自動(dòng)站氣溫總體較人工站偏高，其中日平均氣溫偏高幅度較小，最高氣溫和最低氣溫偏高幅度相對(duì)較大。從差值的年內(nèi)變化看，日平均氣溫和最高氣溫存在季節(jié)性波動(dòng)，而最低氣溫?zé)o這種變化。從差值的日內(nèi)變化看，白天（8：00和14：00）自動(dòng)站氣溫普遍高于人工站，夜間20：00自動(dòng)站氣溫總體較人工站偏低，但其差值絕對(duì)值低于8：00和14：00，2：00的差值則無明顯規(guī)律。另外，隨著氣溫上升，日最高氣溫差值的絕對(duì)值明顯增大，而日最低氣溫差值的絕對(duì)值無明顯變化。

（2）自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站明顯偏小，日平均相對(duì)濕度差值的年均值達(dá)到了4.0個(gè)百分點(diǎn)。分月來看，1—9月差值為負(fù)值，差值絕對(duì)值最大出現(xiàn)在3—8月；10—12月差值為正值，但差值絕對(duì)值明顯低于1—9月。從差值的日內(nèi)變化來看，14：00自動(dòng)站相對(duì)濕度較人工站明顯偏大，其他時(shí)次則明顯偏小，其中2：00偏小超過20個(gè)百分點(diǎn)。相對(duì)濕度差值的絕對(duì)值隨著最高氣溫的上升呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，但與相對(duì)濕度值的大小無明顯相關(guān)性存在。

由于本文所用的資料時(shí)間和空間尺度均有限，可能導(dǎo)致人工站和自動(dòng)站氣象要素差異的分析結(jié)果存在一定的局限性。隨著自動(dòng)觀測(cè)儀器的廣泛投入使用，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，使得氣象資料的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)一步提升。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 陳煒，張成軍，李湘娟.自動(dòng)站與人工站觀測(cè)數(shù)據(jù)差值的統(tǒng)計(jì)特征[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2010（11）：26-27.

[2] 王穎，劉小寧，鞠曉慧.自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)差異的初步分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（6）：849-855.

[3] 陳麗紅，周穎.南昌自動(dòng)站和人工站溫度觀測(cè)結(jié)果差異分析[J].氣象水文海洋儀器，2012（3）：26-30.

[4] 李蕓，王新堂，王新.自動(dòng)氣象站溫濕度測(cè)量數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].山東氣象，2006，26（1）：72-74.

[5] 趙曉莉，王英，苑躍，等.四川自動(dòng)與人工觀測(cè)氣溫的差異分析[J].高原山地氣象研究，2010，30（1）：45-49.

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

[7] 曾英，任芝花，陳高峰，等.陜西自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)相對(duì)濕度差異分析[J].陜西氣象，2010（4）：18-21.

[8] 余君，牟容.自動(dòng)站與人工站相對(duì)濕度觀測(cè)結(jié)果的差異及原因分析[J].氣象，2008，34（12）：96-102.

[9] 楊玉霞，宋瑩華，胡雪紅.德州地區(qū)相對(duì)濕度自動(dòng)與人工觀測(cè)對(duì)比分析[J].寧夏農(nóng)林科技，2011，52（11）：121-122.

[10] 任芝花，熊安元.地面自動(dòng)站觀測(cè)資料三級(jí)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研制[J].氣象，2007，33（1）：19-24.