卡倫山站自動氣象站應(yīng)用分析

馬文喜，常春超，曲志強(qiáng)

（松遼水利委員會水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河 164300）

0 引言

氣象觀測是水文監(jiān)測的重要組成部分，并且隨著信息時代的發(fā)展，現(xiàn)代化、信息化建設(shè)在氣象觀測方面得到廣泛應(yīng)用，只有充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)開發(fā)和利用水文信息資源，才能進(jìn)一步提升水文行業(yè)的技術(shù)和管理水平，適應(yīng)、滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和新時期治水思路對水文行業(yè)的新要求。為此黑龍江上游中心6月中旬在卡倫山水文站引進(jìn)安裝了DZZ5型新型自動氣象站，開展自動站與人工站氣象數(shù)據(jù)資料分析工作，探討自動氣象站在北方界河水文站應(yīng)用的可能性。

1 系統(tǒng)概述

DZZ5型自動氣象站通過采用模塊化的方式，設(shè)計(jì)完成的全自動氣象業(yè)務(wù)的站型。可根據(jù)不同需求，進(jìn)行觀測要素、通訊方式以及供電方式的不同配置方案，既能滿足無人值守的野外惡劣環(huán)境，也能適應(yīng)城市或近郊等較理想環(huán)境。能夠根據(jù)客戶需求對風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、降水、蒸發(fā)等常規(guī)氣象要素進(jìn)行自動監(jiān)測。

1.1 系統(tǒng)組成

自動氣象站由采集系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)四大部分組成。

1.2 參數(shù)指標(biāo)

卡倫山站安裝的DZZ5型新型自動氣象站為6要素站，即風(fēng)度、風(fēng)向、降水、蒸發(fā)、溫度和濕度6要素。其中溫度、降水、蒸發(fā)參數(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 自動氣象站工作參數(shù)

1.3 系統(tǒng)功能

DZZ5型新型自動氣象站可根據(jù)用戶的不同需求，配置觀測要素。采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)自動氣象站所有數(shù)據(jù)的接收、存儲及分析運(yùn)算。通訊系統(tǒng)用以將采集核心處理后的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綔y站計(jì)算機(jī)，分為有線和無線通訊，測站接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送中心服務(wù)器，同時該采集器也通過網(wǎng)絡(luò)接受中心服務(wù)的遠(yuǎn)程集中管理與配置，真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化智能管理。供電系統(tǒng)一般分為交流、太陽能和交流與太陽能并用的3種方式。

2 自動氣象站安裝的必要性和適用性

2.1 自動氣象站安裝的必要性

卡倫山水文站作為界河一類精度水文站，承擔(dān)著黑龍江干流上游段水文信息采集、分析整理工作。水文資料中，氣象觀測資料是其重要的組成部分，氣象觀測現(xiàn)代化和信息化發(fā)展逐漸成為一種趨勢。為此，在卡倫山水文站安裝自動氣象站，實(shí)現(xiàn)氣象信息自動采集和傳輸，提高氣象要素觀測的連續(xù)性和統(tǒng)計(jì)的可靠性有重要意義。

2.2 自動氣象站安裝的適用性

卡倫山水文站位于黑龍江干流澤雅河口下游18.9 km處，多年平均氣溫為-0.5℃，其中6—9月平均氣溫為16.5℃，極端最高氣溫36.5℃（發(fā)生在2000年7月10日），極端最低氣溫-47.0℃（發(fā)生在1994年1月29日），最大日降水為88.1 mm（發(fā)生在1990年7月23日），最大日蒸發(fā)量為11.9 mm（發(fā)生在1989年8月6日）。

根據(jù)卡倫山站氣象特性，對照DZZ5型自動氣象站參數(shù)指標(biāo)，降水、蒸發(fā)項(xiàng)目適用于卡倫山站汛期需要，溫度適用于卡倫山站全年需要。自動氣象站對于各項(xiàng)觀測項(xiàng)目的分辨率較人工觀測要高，且自動站觀測頻率較高，能夠詳細(xì)記錄各要素變化過程。

3 資料的選取

根據(jù)人工觀測與自動氣象站對應(yīng)的觀測項(xiàng)目，本次資料選取只有氣溫（含最高最低氣溫）、降水、蒸發(fā)3項(xiàng)。

選取分析資料樣本時，考慮到卡倫山站所處地區(qū)受溫度及安裝時間等因素，降水、蒸發(fā)項(xiàng)目分析時段定為6月中旬至9月底，氣溫（含最高、最低氣溫）分析時段定為6月中旬至12月底。

自動站觀測數(shù)據(jù)同人工觀測數(shù)據(jù)對比分析時，摘錄時段同人工觀測時段相同。其中，人工觀測氣溫摘錄的是每日8：00，20：00觀測的氣溫值及20時觀測的最高最低氣溫值；日均氣溫取2次觀測值的算術(shù)平均值；自動氣象站摘錄每日8：00，20：00觀測的氣溫，日均氣溫取2次觀測的算術(shù)平均值，當(dāng)日最高、最低氣溫從上一日20：00至當(dāng)日20：00氣溫中摘錄。根據(jù)SL460-2009《水文年鑒匯編刊印規(guī)范》中規(guī)定岸上氣溫記至0.5℃。降水量摘錄8：00觀測值；自動氣象站摘錄的日降水量為上一日8：00至當(dāng)日8：00累積值。根據(jù)SL460-2009《水文年鑒匯編刊印規(guī)范》中規(guī)定，降水量記至0.1 mm。蒸發(fā)觀測摘錄每日8：00觀測的蒸發(fā)量；自動氣象站蒸發(fā)量為上一日8：00至當(dāng)日8：00累積值。根據(jù)SL460-2009《水文年鑒匯編刊印規(guī)范》中規(guī)定，蒸發(fā)量記至0.1 mm。

4 分析技術(shù)方法

為了分析自動氣象站與人工觀測氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，采用兩者氣溫（含最高、最低氣溫）、降水、蒸發(fā)等相關(guān)氣象要素的對比差值、標(biāo)準(zhǔn)差、不確定度、一致率進(jìn)行分析。

4.1 對比差值及其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

4.1.1 對比差值的計(jì)算

設(shè)Ui為第i次人工觀測值，Ai為第i次自動氣象站觀測值，則第i次的對比差值Xi為：

公式標(biāo)序號，并解釋變量，加單位

4.1.2 對比差值平均值的計(jì)算

設(shè)2種觀測儀器數(shù)據(jù)的觀測次數(shù)為n，則對比差值的平均值X為：

4.1.3 對比差值標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算

設(shè)對比差值的標(biāo)準(zhǔn)差為σ，則標(biāo)準(zhǔn)差σ計(jì)算公式為：

4.2 不確定度

期望一個量的真值，在規(guī)定的概率落入的區(qū)間，即表示測量真值所在量值范圍，用對比差值標(biāo)準(zhǔn)差的2倍表示。

4.3 一致率

一致率表示自動氣象站觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)相一致的程度。對比差值小于其平均值標(biāo)準(zhǔn)差2倍的次數(shù)與其有效總次數(shù)的比值為一致率（用百分?jǐn)?shù)表示）。

5 氣溫（含最高、最低氣溫）、降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)的對比分析

5.1 氣溫的對比分析

自動氣象站與人工觀測氣溫?cái)?shù)據(jù)對比分析如下圖1～6。由圖可知，自動站與人工觀測氣溫?cái)?shù)據(jù)一致性較好。氣溫（含最高、最低氣溫）的對比差值在-2.0～+2.0℃之間，對比差值的月平均值在-0.5～+0.1℃之間，標(biāo)準(zhǔn)差在0.33～1.21℃之間，一致率在87%～100%之間。

5.2 降水的對比分析

圖1 自動站與人工觀測逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)對比圖

圖2 逐日氣溫對比差值與對比差值

圖3 自動站與人工觀測最高氣溫?cái)?shù)據(jù)對比圖

圖4 最高氣溫對比差值與對比差值的年均值比較圖

圖5 自動站與人工觀測最低氣溫?cái)?shù)據(jù)對比圖

自動氣象站與人工觀測降水?dāng)?shù)據(jù)對比分析如下圖7和圖8。由圖可知，自動氣象站較人工觀測降水?dāng)?shù)據(jù)偏大，但總體兩者降水?dāng)?shù)據(jù)一致性較好。降水日偏差在0～2 d之間，降水的對比差值在-3.2～+1.1 mm之間，對比差值的月平均值在-0.9～0.6mm之間，標(biāo)準(zhǔn)差在1.04～2.56 mm之間，一致率在90%～94%之間。

圖6 最低氣溫對比差值與對比差值的年均值比較圖

圖7 自動站與人工觀測降水量數(shù)據(jù)對比圖

圖8 降水量對比差值與對比差值的年均值比較圖

5.3 蒸發(fā)的對比分析

自動站與人工觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析如下圖9和圖10。由圖可知，自動觀測蒸發(fā)量的數(shù)值較人工觀測的E601型蒸發(fā)器數(shù)值偏大。蒸發(fā)的對比差值在-2.4～+1.6 mm之間，對比差值的月平均值在-0.6～-0.4 mm之間，標(biāo)準(zhǔn)差在0.86～1.49 mm之間，一致率在87%～94%之間。

圖9 自動站與人工觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比圖

6 結(jié)論

1）人工站相關(guān)的觀測儀器與自動氣象站儀器在構(gòu)造、性能方面、采集頻次不同，自動氣象站能夠更詳細(xì)監(jiān)測到各要素的變化，檢測范圍可根據(jù)測站條件配置，適用性更廣。

圖10 蒸發(fā)量對比差值與對比差值的年均值比較圖

2）通過對各要素的對比分析，自動氣象站適用于卡倫山站的氣象觀測，可以替代人工觀測工作，減少了人工成本。

3）自動氣象站可實(shí)時監(jiān)測各要素變化，監(jiān)測的各要素可通過網(wǎng)絡(luò)在測站及中心實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了測站氣象觀測信息化要求。

4）自動氣象站監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲在中心數(shù)據(jù)庫，滿足水文整編需要。

5）卡倫山站自動氣象站的成功應(yīng)用，為下步在奇乾水文站、洛古河水文站的推廣提供技術(shù)條件。