黃山黟縣雙套自動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估

黃興友　唐云志　張長(zhǎng)春

摘要 利用2011年2月安徽省黃山市黟縣試點(diǎn)雙套自動(dòng)觀測(cè)氣象站（A站和B站）和黟縣本站（z站，自動(dòng)站）的氣象要素（氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度、地溫等）觀測(cè)資料，進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)自動(dòng)氣象站儀器換型后數(shù)據(jù)的連續(xù)性進(jìn)行了全面的評(píng)估。評(píng)估的內(nèi)容為：數(shù)據(jù)的完整性和差異性，其中，差異性通過均值、標(biāo)準(zhǔn)差、誤差率、粗差率和一致率得到體現(xiàn)。評(píng)估的結(jié)果表明：1）雙套自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性較好，大多數(shù)要素接收率高達(dá)100%，B站濕度接收率較低，只有83.3%，是由于B站的相對(duì)濕度傳感器故障造成的；2）雙套站觀測(cè)的多要素有較好的一致性，但AB、AZ的地溫差值和AB的氣壓差值一致率較低，部分要素差值存在少量的奇異值；3）T-檢驗(yàn)表明，雙套自動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)與歷史序列無(wú)顯著差異，連續(xù)性很好；4）雙套自動(dòng)站可用于氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)，但還要進(jìn)行一定時(shí)間的并行運(yùn)行，以便日后更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析和訂正。

關(guān)鍵詞 差值均值 差值標(biāo)準(zhǔn)差 一致率 誤差率 粗差率

自2000年以來，我國(guó)加快了地面自動(dòng)氣象站的建設(shè)，目前的自動(dòng)氣象站數(shù)量已達(dá)近萬(wàn)個(gè)，所有地面人工觀測(cè)臺(tái)站將全部升級(jí)到自動(dòng)氣象站觀測(cè)。與人工觀測(cè)相比，自動(dòng)氣象站的觀測(cè)原理、觀測(cè)方法均發(fā)生了很大變化。觀測(cè)資料在時(shí)間上的不均一性可能由許多原因造成，但觀測(cè)儀器的變化是其中的重要原因之一（Guttman and Baker，1996；顧潤(rùn)源等，2014；苗春生等，2017）。對(duì)自動(dòng)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，國(guó)內(nèi)外開展了較全面的研究。陳豫英等（2006）對(duì)寧夏氣溫進(jìn)行研究分析；沈艷等（2008）對(duì)全國(guó)蒸發(fā)量進(jìn)行對(duì)比分析；苑躍等（2010）對(duì)四川省的相對(duì)濕度進(jìn)行評(píng)估；劉小寧等（2008）對(duì)全國(guó)地溫進(jìn)行研究；張紅娟等（2010）對(duì)陜西氣壓的差值分析；任芝花等（2007）對(duì)全國(guó)降雨量進(jìn)行初步研究。國(guó)外學(xué)者（Jutta and Cerhard，1996；Sun et al.，2005）也進(jìn)行自動(dòng)站數(shù)據(jù)可靠性的研究。研究表明：自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)有很好的均一性和連續(xù)性，可以投入到氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中。

2010年中國(guó)華云公司開發(fā)了一套新型自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)一雙套自動(dòng)站觀測(cè)，并在10個(gè)氣象臺(tái)站建設(shè)了雙套自動(dòng)氣象站。期望通過雙套自動(dòng)站同時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行、觀測(cè)數(shù)據(jù)互為驗(yàn)證的方式，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

安徽省黃山市黟縣氣象觀測(cè)站的“雙套站”2011年1月1日開始試運(yùn)行，并取得了一批可用于對(duì)比分析的數(shù)據(jù)。本文對(duì)黟縣氣象站“雙套站”的2011年2月資料進(jìn)行分析評(píng)估，從雙套站數(shù)據(jù)的完整性、差異性以及連續(xù)性方面進(jìn)行對(duì)比分析，以便了解雙套站數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況和開展業(yè)務(wù)運(yùn)行的可行性。所用的資料包括“雙套站”觀測(cè)資料和本站觀測(cè)資料，時(shí)段為2011年1月31日2l時(shí)至2011年2月28日21時(shí)。資料內(nèi)容包括氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度、地面溫度、草面溫度、淺層和深層地溫。主要評(píng)估的要素為：氣溫、氣壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度，次要評(píng)估的要素為：地面溫度、草面溫度、淺層和深層地溫。

1評(píng)估方法

對(duì)雙套站數(shù)據(jù)資料的評(píng)估，主要體現(xiàn)在資料的完整性、資料的差異性和資料的連續(xù)性，以便反映雙套站資料的可靠性和業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性，這是新型氣象儀器投入業(yè)務(wù)運(yùn)行前，必須要進(jìn)行的評(píng)估工作，有關(guān)的評(píng)估方案可參考溫華洋等（2012）。

雙套站測(cè)量數(shù)據(jù)的缺測(cè)率是指缺測(cè)次數(shù)與應(yīng)測(cè)次數(shù)的比例，可以反映資料的完整性。數(shù)據(jù)的差異性除了用均值和方差表示外，還包括誤差率、粗差率和一致率。誤差率代表儀器測(cè)值的可靠性超出了最大允許誤差（這里指超出標(biāo)準(zhǔn)差的2倍）的次數(shù)與應(yīng)測(cè)次數(shù)的比例。粗差率表示儀器出現(xiàn)異常差值（差值大于標(biāo)準(zhǔn)差的3倍）的次數(shù)與應(yīng)測(cè)次數(shù)的比例。一致率表示在兩倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的有效測(cè)量數(shù)據(jù)次數(shù)與應(yīng)測(cè)數(shù)據(jù)次數(shù)的比例。

為了評(píng)估雙套站數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的連續(xù)性，利用本站近30 a的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速等資料，對(duì)雙套站儀器月值的連續(xù)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的T-檢驗(yàn)方法，評(píng)估兩站資料是否具有良好的連續(xù)性。

2雙套自動(dòng)站觀測(cè)與本站觀測(cè)的差異分析

2.1完整性

2011年2月黟縣站的雙套自動(dòng)站數(shù)據(jù)總體來說較完整，A站未出現(xiàn)缺測(cè)情況，B站在2011年2月13日04時(shí)—15日11時(shí)濕度傳感器故障，一直顯示100%，在這里作缺測(cè)處理，黟縣本站在2月26日09：05—11：54進(jìn)行年檢，缺測(cè)2 h的數(shù)據(jù)。

圖1給出了黟縣2月“雙套站”及本站的逐日數(shù)據(jù)接收率?？梢钥闯?011年2月“雙套站”及本站小時(shí)數(shù)據(jù)接收率隨日期的變化，A站、B站數(shù)據(jù)接收率均為100%，本站在26日的數(shù)據(jù)接收率是91.67%，反之可以得出數(shù)據(jù)缺測(cè)率8.33%。圖2是黟縣2月“雙套站”及本站月數(shù)據(jù)接收率，A站及B站均為100%，本站在26日因年檢缺測(cè)兩次，接收率為99.71%。由此說明，“雙套站”數(shù)據(jù)的接收較完整。

2.2差異性

2.2.1 A站和B站的差值分析

2月13日04時(shí)—15日11時(shí)B站濕度傳感器故障，所以2月“雙套站”B站相對(duì)濕度有效觀測(cè)次數(shù)只有616次。表1給出了“雙套站”AB逐時(shí)差值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、誤差率、一致率、粗差率以及是否符合正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)。

差值均值——首先求出兩站逐時(shí)數(shù)據(jù)的差值，然后再求出差值的月均值。從差值均值數(shù)據(jù)看，黟縣“雙套站”各要素差值都在要求的精度范圍內(nèi)。

標(biāo)準(zhǔn)差——A站和B站各要素標(biāo)準(zhǔn)差基本正常，但草面溫度的標(biāo)準(zhǔn)差偏高，達(dá)到0.984℃。

誤差率——除地面溫度、草面溫度、5 cm和10cm淺層地溫誤差率較大之外，A站和B站的其他要素誤差率都非常小。

粗差率——“雙套站”地面溫度異常差值數(shù)較多，達(dá)到了18%。其次是5 cm（5.2%）、10 cm地溫（1.64%）和2 min平均風(fēng)速（1.64%）；接著是相對(duì)濕度（≤80%）的達(dá)到0.63%以及15 cm淺層地溫是0.15%。

一致率——“雙套站”氣溫、氣壓、40 cm地溫、160 cm地溫和320 cm地溫一致率較低，其中320cm地溫最為特殊，其差值穩(wěn)定好，不超過最大允許誤差，但一致率為0。其他要素一致率都較高。

綜上所述，“雙套站”AB站的數(shù)據(jù)雖有差異，但差異不大，有較好的一致性。

2.2.2“雙套站”（A站、B站）與本站（z站）差值分析

在2月26日年檢以后，本站濕度傳感器出現(xiàn)故障，偏小超10%，因此不做26日08時(shí)后的相對(duì)濕度與“雙套站”的比較。在13日04時(shí)—15日11時(shí)B站濕度傳感器故障，B站和z站的比較時(shí)，忽略這一段的數(shù)據(jù)。

圖3是A、B和Z三站氣溫之間差值的誤差率、一致率和粗差率，三站之間的誤差率和粗差率都較低；A、B站和A、Z站之間的一致率也不高，分別為28.87%和34.03%，但B、Z站一致率較好，達(dá)86.58%。說明三站的儀器正常，性能穩(wěn)定，測(cè)值差異可能是場(chǎng)地和儀器本身靈敏度的不同造成的。圖4是“雙套站”和本站氣壓差值誤差率、一致率及粗差率對(duì)比，A、B和Z三站間氣壓誤差率都為0，從粗差率看B、Z站異常差值多于A、Z站的情況，AB站的誤差率（0）、粗差率（0）和一致率（30.06%），反映了“雙套站”氣壓傳感器差值基本穩(wěn)定，且兩套儀器都性能良好。“雙套站”與本站的一致性也很好，分別為91.94%和93.73%。

圖5和圖6分別給出了相對(duì)濕度小于80%和大于80%的誤差率、一致率、粗差率的對(duì)比。從圖5中可以看出A、B和Z三站相對(duì)濕度（≤80%）誤差率都為0；AB站的一致性最高，達(dá)到97.79%；ABZ三站相對(duì)濕度（≤80%）差值基本穩(wěn)定。從圖6可以看出，高相對(duì)濕度（>80%）時(shí)，AZ（1.02%）和BZ（1.12%）的誤差率都高于AB的誤差率，ABZ三站一致率都很高，AB站的一致率達(dá)到了99.33%；AZ和BZ的相對(duì)濕度（>80%）差值有少量的奇異值。這些數(shù)據(jù)說明傳感器正常工作，性能穩(wěn)定。

圖7是“雙套站”和本站兩分鐘風(fēng)速差值的誤差率、一致率、粗差率的對(duì)比?？梢钥闯鯝BZ三站的誤差率很低，最高的BZ僅0.15%；ABZ三站的一致性都很好，其中AZ最高達(dá)到94.93%；ABZ三站差值僅有少量奇異值，說明儀器的測(cè)風(fēng)性能良好。圖8是“雙套站”和本站地表溫差值的誤差率、一致率、粗差率對(duì)比圖。可看出ABZ三站地表溫度的一致性較好，最低的BZ地表溫差一致率為87.46%；但誤差率較高，AB為18.01%，AZ和BZ分別達(dá)到76.57%和76.87%；粗差率也較高，最高的AB達(dá)到14.14%。這么高的地表溫度差異，表明了“雙套站”地表溫度感器裝置需要檢查。

圖9給出了“雙套站”和本站草面溫度差值的誤差率、一致率和粗差率對(duì)比，可以看出，ABZ三站的一致率很高，最低的AB也達(dá)到了95.21%；三站之間的誤差率很高，超過了48%；差值有少量的奇異值。草面溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，“雙套站”的草面溫度傳感器裝置需要檢查。

考慮到處理和分析方法的相似，“雙套站”AB站之間淺層地溫和深層地溫差值不再統(tǒng)計(jì)描述，40cm和160 cm地溫一致性較差，但誤差率和粗差率都為0，32 cm地溫誤差率、粗差率和一致率均為0，表明AB站40、160和320 cm地溫儀器性能良好，差值穩(wěn)定。

綜上所述，AB站儀器性能良好，差值比較穩(wěn)定，地溫和草面溫度傳感器需要校正檢查。

2.2.3“雙套站”與本站差值頻率分布

圖10給出了A、B和Z三站間氣溫差值頻次，其中A、B站氣溫差值主要集中在-0.2和-0.1℃；A、Z站氣溫差值集中在-0.4～-0.2℃；B、Z站氣溫差值主要集中在-0.2～0℃。圖11給出了ABZ三站之間的氣壓差值頻次，其中，AB氣壓差主要集中在-0.1～0 hPa；AZ氣壓差值集中在-0.1～0 hPa；BZ氣壓差值集中在-0.1～0.1 hPa。

圖12給出了ABZ三站之間的2 min平均風(fēng)速差值頻率，其中AB風(fēng)速差值重要集中在-0.1～0.1m/s；AZ風(fēng)速差值重要集中在-0.3～0 m/s；BZ氣壓差值重要集中在0.3～0 m/s。圖13和圖14給出了地表溫度和草面溫度的差值頻次分布，地表溫度和草面溫度差值分布較零亂，分布區(qū)間較廣。

2.3日統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

先計(jì)算出站點(diǎn)各要素的日平均值，再求兩站點(diǎn)某要素的差值，最后計(jì)算差值的日均值。分別對(duì)A、B站進(jìn)行差值統(tǒng)計(jì)，以及A、Z站和B、Z站的差值統(tǒng)計(jì)，要素包括氣壓、溫度、風(fēng)等，表4列出了差值均值及差值分布。

2.3.1氣溫

從圖15和圖16中看出，AB站差值平均值為-0.175℃，差值范圍在-0.3～-0.2℃，全為負(fù)值，說明A站測(cè)量的溫度均低于B站，與本站z的差值（A-Z，B-Z）分別是-0.295℃，-0.120℃。除2月25日、26日和27日AZ差值異常外，其余差值范圍分別是-0.4～-0.1℃和-0.4～0.0℃。從差值頻率看AB站頻率最多的差值為-0.2℃～-0.1℃之間，AZ站頻率最多的差值在-0.3℃～-0.2℃之間，而BZ站頻率最多的差值在-0.1℃～0.0℃之間。

2.3.2氣壓

圖17中，AB站差值均值為-0.070 hPa，均為負(fù)值，說明A站測(cè)量的氣壓低于B站；與本站z的差值（A-Z，B-Z）分別為為-0.075 hPa和-0.005 hPa，主要差值范圍分別為-0.1～0.0 hPa，0～0.1 hPa。從差值頻率看，AB站和AZ站頻率最多的在-0.1～0 hPa之間，BZ站最多的則是在0～0.1 hPa之間。圖18表明，A站與本站z相符較好。

2.3.3風(fēng)

風(fēng)速數(shù)據(jù)分為2 min和10 min的情況，這里只對(duì)2 min風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行說明。圖19顯示AB站差值平均值為0.006 m/s，差值范圍在-0.1～0.1 m/s之間，正值偏多，占57.14%，說明A站風(fēng)速高于B站，與本站差值（A-Z，B-Z）分別是-0.099m/s，-0.105 m/s，無(wú)異常數(shù)據(jù)，差值范圍均為-0.2～0.1 m/s。圖20表明，AB站頻次最多的差值在0.0～0.1 m/s之間；而AZ站頻次最多的差值在-0.2～-0.1 m/s；在-0.2～-0.1 m/s和-0.1～0m/s之間，BZ站的差值頻次大致相等。

2.3.4相對(duì)濕度

在年檢后，本站Z的濕度明顯偏小，出現(xiàn)了傳感器故障，所以不再做“雙套站”與本站的濕度對(duì)比，只統(tǒng)計(jì)A、B站的情況。圖21表明，在B站濕度傳感器出現(xiàn)故障以前，AB站濕度的日平均差值均為負(fù)值，說明A站濕度大部分小于B站，2月15日排除B站濕度傳感器故障，此后AB站日平均差值均為正值，A站濕度大于B站所占比例超半，這個(gè)結(jié)果可能是儀器性能所引起的。

2.4連續(xù)性

利用本站1980—2010年2月的資料，對(duì)雙套站儀器月值的連續(xù)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，要素包括溫、壓、風(fēng)、濕等，結(jié)果表明：要素溫、壓、風(fēng)、濕的數(shù)據(jù)與本站歷史數(shù)據(jù)有很好的連續(xù)性，也可以進(jìn)一步說明雙套站的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)與歷史序列無(wú)顯著差異。

圖22—25給出了黟縣2月“雙套站”AB與本站之間氣溫、氣壓、濕度和2 min平均風(fēng)速隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步說明了“雙套站”與歷史數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異。

3結(jié)論

通過對(duì)比分析雙套自動(dòng)站（AB）和本站（Z）三站之間的數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1）完整性：經(jīng)過雙套站3個(gè)月的試運(yùn)行，解決了設(shè)備和技術(shù)上的問題，正常運(yùn)行時(shí)，雙套站觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺測(cè)率較低，有非常好的完整性。

2）差異性：在儀器正常運(yùn)行下，雙套站觀測(cè)的大多數(shù)氣象要素差值有很高的一致性，除AB、AZ的氣溫差值和AB的氣壓差值一致率較低；地表溫度和草面溫度差值存在一些奇異值，其他要素奇異值都很少，原因可能是儀器的檢修或者儀器本身性能所引起的偏差，但數(shù)據(jù)差異性較小。

3）連續(xù)性：在儀器正常運(yùn)行時(shí)，雙套自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)與本站歷史數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異，表明雙套站數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)有良好的連續(xù)性。

統(tǒng)計(jì)和分析表明，“雙套站”數(shù)據(jù)不僅有很好的可用性，也有助于減少缺測(cè)率，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的潛在優(yōu)勢(shì)。由于本文采用的數(shù)據(jù)僅為2011年2月的雙套自動(dòng)站觀測(cè)資料，所得結(jié)論還需更多數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。黟縣試點(diǎn)站仍需要在保持原有觀測(cè)的同時(shí)，進(jìn)行雙套站觀測(cè)的運(yùn)行，并保持2～3 a的平行觀測(cè)，這樣才能有完整連續(xù)的數(shù)據(jù)，以便更好地檢驗(yàn)雙套站的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及與歷史數(shù)據(jù)的均一性。