DZZ6型與CAWS600型雙套自動(dòng)站數(shù)據(jù)差異分析

白 明，張德玉，龐 成，許敏晶，王伏村

(1.甘肅省張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái),甘肅 張掖 734000；2.甘肅省張掖市氣象局,甘肅 張掖 734000；3.甘肅省高臺(tái)縣城關(guān)初級(jí)中學(xué),甘肅 高臺(tái) 734300)

1 引言

近年來，中國(guó)氣象局在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè)了各類自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，以有人值守站為主，區(qū)域站為輔的綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過增加觀測(cè)站點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集密度的方法，進(jìn)一步提高對(duì)大氣的監(jiān)測(cè)能力，自動(dòng)站相較人工站資料的時(shí)空分辯率更高，具有資料自動(dòng)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)上傳的優(yōu)異特性，能在氣象預(yù)報(bào)、決策服務(wù)和科研工作中發(fā)揮更顯著的作用。對(duì)于觀測(cè)資料的采集和質(zhì)控，中國(guó)氣象局有嚴(yán)格的質(zhì)量控制方法，然而有不少文獻(xiàn)分析指出[1-2]，在資料的對(duì)比分析與累年資料均一性檢驗(yàn)中，儀器的性能影響是重要因素之一，因此對(duì)資料進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，并對(duì)雙套資料進(jìn)行對(duì)比分析，通過差值的分布特征，尋找導(dǎo)致數(shù)據(jù)差異的原因就顯得十分必要，陳豫英[3]從觀測(cè)資料的差值、標(biāo)準(zhǔn)差、一致率和粗差率方面進(jìn)行了分析，余君[4]全國(guó)選取17個(gè)站點(diǎn)，在數(shù)據(jù)對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)相差不大，在允許的誤差范圍內(nèi)，對(duì)氣象預(yù)報(bào)無影響，但對(duì)氣候序列的均一性產(chǎn)生一定影響?？梢姴煌难芯浚浣Y(jié)論也存在一定差異。

通過對(duì)張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)2017年1—12月全年新型站和備份站數(shù)據(jù)在不同數(shù)值區(qū)間差異性分析，結(jié)合圖表查找數(shù)據(jù)差異的原因，為以后如何改進(jìn)綜合觀測(cè)方法和精確數(shù)據(jù)分析互相訂正替代提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料來源及處理方法

2.1 資料來源

張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)于2013年6月1日正式啟用DZZ6型新型自動(dòng)氣象站，正式切換為主要觀測(cè)設(shè)備，同時(shí)，CAWS600型備份站由主要采集設(shè)備切換為備份設(shè)備，兩套自動(dòng)氣象站同時(shí)運(yùn)行，日常同等維護(hù)。兩套氣象站均安裝在拔海高度為1 461.1 m的同一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，嚴(yán)格按照中國(guó)氣象局“地面氣象觀測(cè)場(chǎng)規(guī)范化圖冊(cè)”的布局進(jìn)行布設(shè)。新型站比備份站的氣壓傳感器高0.6 m。其它的觀測(cè)項(xiàng)目均為無差別的同一觀測(cè)環(huán)境。

資料來源為張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)2017年1—12月全年經(jīng)審核后的24次正點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、氣壓、10 min風(fēng)速、地面溫度等這些觀測(cè)項(xiàng)的平行觀測(cè)資料進(jìn)行差異分析。采用如下方法進(jìn)行對(duì)比分析評(píng)估。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)差異分析評(píng)估的方法一般有缺測(cè)率、差值平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、一致率和超差率等，從偏度系數(shù)和峰度系數(shù)是否服從正態(tài)分布等統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析。

2.2.1 差值標(biāo)準(zhǔn)差 標(biāo)準(zhǔn)差是用于衡量一組數(shù)據(jù)中某一數(shù)值與其平均值差異程度的指標(biāo)，能直觀地反映某一項(xiàng)數(shù)據(jù)與平均值的偏離程度。計(jì)算公式為：

(1)

2.2.2 超差率 超差率是表示兩套站數(shù)據(jù)差值超過該設(shè)備規(guī)定最大允許誤差2倍的比例。計(jì)算公式為：

(2)

d表示兩套站數(shù)據(jù)差值超過該設(shè)備允許最大誤差2倍的個(gè)數(shù)總和，n表示該要素采集到的有效數(shù)據(jù)總和。根據(jù)中國(guó)氣象局檢定規(guī)程的規(guī)定，氣溫、氣壓、地溫[5]、風(fēng)速[6]、相對(duì)濕度[7]等傳感器觀測(cè)要素的最大允許誤差如下表。

表1 中國(guó)氣象局檢定規(guī)程允許誤差Tab.1 Permission Error of the China Meteorological Bureau Verification Regulation

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)缺測(cè)率

2017年1—12月，新型自動(dòng)站和備份自動(dòng)站應(yīng)采集到正點(diǎn)數(shù)據(jù)為8 760組，4月份檢定儀器，新型站缺測(cè)2個(gè)時(shí)次的正點(diǎn)數(shù)據(jù)，備份站缺測(cè)3個(gè)時(shí)次的正點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定，兩套站并行運(yùn)行后，數(shù)據(jù)可以互相替代，本文中的實(shí)采數(shù)據(jù)為8 760組，按沒有缺測(cè)正常記錄處理，所有觀測(cè)要素的缺測(cè)率均為0.0%。

3.2 各要素?cái)?shù)據(jù)分析

3.2.1 氣溫 胡玉峰[8]以時(shí)間的順序進(jìn)行溫度差異分析，為尋找傳感器在不同溫度區(qū)間隨溫度變化的差異規(guī)律，制作了表2，在整個(gè)溫度區(qū)間，雙套站的差值平均值均為負(fù)值，表明新型站的氣溫普遍小于備份站的氣溫。差值標(biāo)準(zhǔn)差非常接近，說明兩套傳感器數(shù)據(jù)差異不明顯，氣溫在-20～30 ℃的范圍內(nèi)，平均差值變化比較小，一致率也在80%以上，差值波動(dòng)不明顯。氣溫在30 ℃以上時(shí)，一致率迅速降低，只有54%，兩套傳感器因溫度的升高性能差異變得更加明顯，同時(shí)雙套站的差值超過規(guī)程允許誤差的數(shù)量迅速增多。

對(duì)張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)的4項(xiàng)氣象要素按日、月、年差值進(jìn)行分析，結(jié)合天氣實(shí)況，雙套站數(shù)據(jù)差值與當(dāng)時(shí)的天氣實(shí)況和季節(jié)無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1是一日內(nèi)氣溫與氣溫差值對(duì)應(yīng)圖，當(dāng)氣溫在20～30 ℃時(shí)，差值在0.1 ℃和-0.2 ℃范圍內(nèi)，-0.1 ℃的頻次較多，與表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，當(dāng)氣溫高于35 ℃時(shí)，差值偏離狀態(tài)明顯，最大為-0.5 ℃，超過了氣溫的規(guī)程允許范圍，雙套站溫度傳感器均安裝在同一個(gè)百葉箱內(nèi)，外部影響因素是相同的，說明儀器的性能差異是造成數(shù)據(jù)差值的主因。

表2 張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)新型站、備份站氣溫差異Tab.2 Temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

圖1 2017年7月15日逐時(shí)氣溫與氣溫差值圖Fig.1 Difference of Hourly Temperature and Air Temperature in July 15, 2017

3.2.2 氣壓 圖2是張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)2017年4月逐時(shí)氣壓差值的變化情況，通過對(duì)儀器差值最大允許誤差的監(jiān)控能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較明顯的異常問題，全月雙套站的差值大部分在允許誤差±0.3 hPa之間，但4月8日前后差值有明顯的變化，4月1—7日差值在-0.1～-0.3 hPa之間，8—9日在-0.2～-0.3 hPa之間，10日后，差值在0.2～-0.5 hPa之間，離散程度變大，經(jīng)查，8日進(jìn)行了儀器檢定，新型站和備份站的氣壓傳感器均進(jìn)行了更換。表明數(shù)據(jù)的差異與儀器的更換有直接的關(guān)系。

圖2 2017年4月逐時(shí)氣壓差值圖Fig.2 Hourly Air Pressure Difference Diagram in April ,2017

3.2.3 風(fēng)速 風(fēng)速歷史記錄為10 min風(fēng)向、風(fēng)速。從資料的延續(xù)性上考慮，以10 min風(fēng)速作為樣本，圖3從不同的風(fēng)速區(qū)間進(jìn)行差異對(duì)比分析，風(fēng)速的整個(gè)區(qū)間，一致率隨風(fēng)速的遞增呈線性下降。最低為>10 m/s區(qū)間的88%，差值平均值呈V型，0～4 m/s，差值平均值從0.2 m/s降到0.1 m/s，6 m/s后呈明顯上升趨勢(shì)，全年差值平均值為-0.02 m/s，新型站風(fēng)速略小于備份站風(fēng)速，標(biāo)準(zhǔn)差在0.18～0.44之間，隨風(fēng)速遞增呈增大趨勢(shì)，數(shù)據(jù)差異性擴(kuò)大。風(fēng)速差值為0的樣本有3 587個(gè)，左側(cè)有2 620個(gè)，分布在-0.7～-0.1的區(qū)間，右側(cè)有2 553個(gè)，分布在0.1～0.7的區(qū)間，左右兩側(cè)的樣本比較均衡。偏度系數(shù)為0.14，與圖3一致，表明差值分布略右偏，峰度系數(shù)17.6，表明差值分布大于正態(tài)的凸起程度，曲線較為陡峭，數(shù)據(jù)比較集中，加之左右兩側(cè)數(shù)據(jù)不均衡，其差值不符合正態(tài)分布。

圖3 風(fēng)速在不同區(qū)間的頻次、一致率和超差率Fig.3 Frequency, Consistency Rate and Super Difference of Wind Speed in Different Intervals

3.2.4 地面溫度 白水成[9]從時(shí)間順序上分析了地溫差異，為查找除埋設(shè)安裝的因素外，傳感器本身的性能對(duì)測(cè)量值的差異影響，表3按溫度的不同區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，地面溫度在0～30 ℃之間，差值平均值在±0.1 ℃之間，觀測(cè)值非常接近，差值非常小，0～40 ℃的一致率均在90%以上，小于0 ℃和大于40 ℃，一致率呈線性下降。30 ℃以上，超差率隨溫度升高呈明顯的上升趨勢(shì)，最大達(dá)到94%。4月份剛剛進(jìn)行了檢定，地溫傳感器均符合檢定規(guī)程。地溫的安裝維護(hù)也嚴(yán)格按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)得的地面溫度超差率非常大。

表3 張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)新型站、備份站地面溫度差異Tab.3 Ground temperature Difference Between New Station and Backup Station in Zhangye National Climate Observatory

為進(jìn)一步查看儀器在不同溫度范圍內(nèi)差值的變化情況，利用一日地面溫度和差值制作了圖4，地面溫度在0～40 ℃時(shí)，差值在0～0.4 ℃之間，變化平緩，當(dāng)?shù)孛鏈囟壬?0 ℃以上時(shí)，絕對(duì)差值迅速變大，變動(dòng)范圍在-0.1～-1.2 ℃之間，波動(dòng)幅度非常大，有4組差值樣本超過規(guī)程允許誤差。表明地溫受下墊面、埋設(shè)和儀器性能的影響非常大。

圖4 2017年7月15日逐時(shí)地溫與地溫差值圖Fig.4 Hourly Ground Temperature and Ground Temperature difference in July 15, 2017

4 數(shù)據(jù)差異分析

4.1 兩套自動(dòng)氣象站型號(hào)不同

通過對(duì)4項(xiàng)氣象要素的分析表明，數(shù)據(jù)的差異與季節(jié)無明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，除了安裝和維護(hù)等影響因素，雙套站的主采集器型號(hào)不同，新型自動(dòng)氣象站采用DZZ6型主采集器，備份自動(dòng)氣象站采用CAWS600型主采集器，不同的采集器配套的傳感器不一樣，雖然均符合氣象儀器的檢定規(guī)程，但不同儀器性能是影響數(shù)據(jù)差異的因素之一。

4.2 兩套自動(dòng)氣象站安裝和日、周、月、年維護(hù)差異

4.2.1 氣壓差異 新型站比備份站的氣壓傳感器高0.6 m，根據(jù)壓—高公式可知，高度差對(duì)數(shù)據(jù)差值有一定的影響。

4.2.2 地溫差異 ①與地溫的埋設(shè)有關(guān)，地面溫度傳感器一半裸露在空氣中,一半埋入土壤中，而且要保持地溫傳感器與地面的緊密貼合，露出地面的一半要保持干凈，在雨、雪天氣后，要及時(shí)耙松地溫場(chǎng)。

②與地溫傳感器下墊面的土壤性質(zhì)有關(guān)[10]，張掖國(guó)家氣候觀象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)位于荒漠區(qū)，地溫觀測(cè)場(chǎng)全部是細(xì)沙土，高溫時(shí)，太陽輻射導(dǎo)致下墊面變熱，因下墊面細(xì)沙土輻射傳熱和地溫傳感器埋設(shè)的細(xì)微差別，對(duì)兩只傳感器的影響非常大。

③與特殊天氣條件有關(guān)，冬季遇積雪，融雪階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一支地面溫度傳感器上面的積雪已融化，另一支地面溫度傳感器仍被積雪覆蓋，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)差異明顯。

4.2.3 氣溫和風(fēng)速 儀器長(zhǎng)期運(yùn)行造成一定的性能衰減；風(fēng)向風(fēng)速儀不間歇運(yùn)轉(zhuǎn)造成磨損；有部分差值是隨機(jī)性的。

4.3 兩套自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集時(shí)間不一致

自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)微機(jī)和主采集器的時(shí)間互相獨(dú)立運(yùn)行。二者必須同步，才能保證數(shù)據(jù)采集的成功。新型自動(dòng)站以業(yè)務(wù)微機(jī)為主時(shí)間設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)對(duì)時(shí)，同時(shí)校正到采集器，備份自動(dòng)站以采集器為主時(shí)間設(shè)備，采用人工校時(shí)，與北京時(shí)存在誤差。特殊天氣導(dǎo)致觀測(cè)場(chǎng)要素劇變時(shí)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間的不同步，會(huì)導(dǎo)致兩套自動(dòng)站采集數(shù)據(jù)的明顯差異。

4.4 更換儀器

為避免儀器長(zhǎng)期運(yùn)行造成采集數(shù)據(jù)的失真，中國(guó)氣象局規(guī)定，兩年對(duì)自動(dòng)站全部?jī)x器進(jìn)行一次檢定，各傳感器均進(jìn)行更換。圖2表明，不同傳感器之間性能的系統(tǒng)性偏差，對(duì)資料序列的均一性有一定影響。

5 小結(jié)

①通過對(duì)以上觀測(cè)要素的對(duì)比差異分析，可以得出，同時(shí)運(yùn)行兩套自動(dòng)氣象站，對(duì)于提高數(shù)據(jù)采集的成功率，累積資料的完整性，降低甚至消滅數(shù)據(jù)缺測(cè)的發(fā)生具有積極的作用，也充分說明了運(yùn)行雙套站的合理性和必要性。但也要注意到，4項(xiàng)觀測(cè)要素中，只有部分觀測(cè)要素一致率比較好，差值平均值比較接近，地溫和氣壓數(shù)據(jù)的超差率很大，說明雙套站的數(shù)據(jù)差值超過允許誤差。 需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)資料的維護(hù)和質(zhì)控。

②對(duì)雙套站單個(gè)差值樣本和差值平均值的持續(xù)跟蹤，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)因儀器性能差異造成的細(xì)微變化，無法判定哪套儀器的測(cè)量值偏離真實(shí)值時(shí)，應(yīng)通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的辦法對(duì)異常值進(jìn)行判斷，溫華洋[11]的空間一致差值訂正合成法，劉靜[12]的雙套站氣象數(shù)據(jù)融合法，均能在一定程度上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估與質(zhì)量控制，確保測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

③通過對(duì)4項(xiàng)觀測(cè)要素的綜合分析，發(fā)現(xiàn)季節(jié)與數(shù)據(jù)差值無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，除了數(shù)據(jù)采集時(shí)間的不同步、更換儀器和安裝維護(hù)的細(xì)微差別外，影響數(shù)據(jù)差值主因還是儀器本身的性能差異，建議兩套自動(dòng)氣象站均安裝DZZ6型主采設(shè)備，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)管理，盡量減少儀器性能差異對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

④地溫不僅受儀器性能差異影響，受下墊面的細(xì)微差別、融雪等特殊天氣條件、傳感器埋設(shè)等影響非常明顯，建議將自動(dòng)氣象站地面溫度傳感器由1只增設(shè)為4只，同時(shí)采集到4組數(shù)值，求其平均值，最大程度的避免如融雪等個(gè)別氣象因素對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，更具有代表意義。