朝陽市國家基準氣候站自動站與人工觀測數據差異分析

蘇長新，耿文杰，王平華，劉 瑩

（1.朝陽市氣象局；2.朝陽縣氣象局，遼寧 朝陽122000）

氣象觀測是氣象工作的基礎，其獲取的數據具有代表性、準確性和比較性，在政治、經濟、農業(yè)以及各種突發(fā)事件的應急響應中提供了可靠的天氣、氣候信息，發(fā)揮著重要的作用。近百年來，人工氣象觀測站作為氣象資料的主要來源，提供了較長時間的氣象觀測記錄，人工觀測氣象數據的質量已經得到了公認。自2000年以來，我國地面自動氣象站開始逐步替代人工觀測。目前，我國地面臺站基本實現自動觀測。自動站的觀測原理、觀測方法與人工觀測相比發(fā)生了較大的變化，而氣象觀測資料序列在時間上的不統一性或由許多原因造成，觀測儀器變化只是其中之一。因觀測系統變化導致觀測結果差異不可避免。從氣候科學上來看，這種差異會造成均一性數據集開發(fā)以及極端天氣事件分析的誤差甚至錯誤，所以將兩種系統所獲取的資料進行對比是非常重要的[1]。

目前全國的氣象技術人員已經分別對不同地區(qū)氣象站的人工觀測數據和自動站觀測數據，在氣溫、氣壓、降水、相對濕度等基本氣象要素方面進行了對比分析，并得到了相應數據差異的一些原因。從自動氣象觀測站業(yè)務運行開始，自動觀測資料與人工觀測資料之間能否連續(xù)使用等問題一直備受關注。由于朝陽縣氣象局是國家基準氣候站，從2007年初至2011年底，在24次自動觀測的同時保留了24次人工觀測，因此有足夠的資料進行對比分析，方便人工對自動站數據進行準確的數據質量控制。

本文基于朝陽市國家基準氣候站2007年～2011年的自動站數據以及相應的人工觀測數據（氣溫、降水、相對濕度）之間的差異進行統計分析，分析對比差值特征、變化規(guī)律及其原因，為基層觀測員更多的了解自動站性能、正確使用和維護自動站、及時發(fā)現自動站故障、做好數據質量控制等提供一定的參考意義。

1 資料和方法

1.1 資料

選取朝陽市國家基準氣候站2007年～2011年的自動觀測與人工平行觀測的氣溫和相對濕度日數據資料，分別進行對比分析。降水量選取2007年～2011年平行觀測期間的日總量資料進行分析。

1.2 統計方法

1.2.1溫度對比差計算對比差=人工觀測值-自動站觀測值。月對比差的平均值：月n次對比差的和除以月觀測次數n。根據《地面氣象觀測規(guī)范》要求，氣溫對比差值以及標準差、月平均偏差允許范圍為±0.2℃，否則認為偏差超出正常范圍。

1.2.2降水量誤差統計統計分析自動站與人工觀測值的月百分誤差，即人工觀測值與自動觀測值的差值占人工觀測值的百分率，允許誤差范圍±8%。本文使用的降水數據僅為每年4～10月（使用翻斗式雨量計期間）的自動站及人工數據。

1.2.3相對濕度誤差統計統計2007年～2011年各年和累年月平均對比差值，即人工觀測值減去自動觀測值。根據《地面氣象觀測規(guī)范》要求，相對濕度對比差值月平均偏差允許范圍為±2%，否則認為偏差超出正常范圍。

2 氣溫對比分析

圖12007年～2011年氣溫對比差值月變化

2.1 氣溫差異

由2007年～2011年氣溫對比差值月變化（見圖1）可以看出：日平均氣溫對比差值的月平均值和高溫對比差值均在0.0℃～0.3℃，低溫對比差值在0.0℃～0.5℃。其中，月平均值和高溫對比差值在60個數據中均僅有一個超出正常范圍，低溫對比差值超出誤差允許范圍的有5個，且主要集中在2007年。所有的對比差值均為正值，即人工觀測數值均大于自動站觀測數值。

2.2 差異原因

觀測時間不同步[2]。自動觀測設備是正點采集數據，而人工站是正點前15分鐘內讀取數據，這導致兩者有時間偏差。由于氣溫是隨時間連續(xù)變化的要素，且存在明顯日變化。已有研究表明，夏季氣溫上升時，觀測時間相差10分鐘，可造成 0.2℃～0.3℃的偏差[2-3]。

儀器精度存在差異。自動溫度傳感器的精度為0.1℃，而水銀溫度表精度為0.2℃，在溫度變化較大時，自動溫度傳感器的測量值比水銀溫度表讀數更接近真實值。

數據采集有誤差。自動傳感器由于灰塵等原因會有環(huán)境誤差，而人工觀測則可能出現誤讀或錯讀的情況，這使得兩者的數據會存在一定偏差。

3 降水對比分析

3.1 降水差異

由圖2和圖3對比分析可以看出，降水月百分誤差在-8%～28%，只有小部分超出了誤差允許范圍，降水量級較大的月份其百分比誤差也較高，但正負值之間沒有明顯傾向。

3.2 差異原因

降水采集時間不同。自動站的雨量記錄是一個連續(xù)的過程，人工站觀測時間一般為正點前15分鐘內，使得在降水強度較大的時候對比誤差較大。自動站的翻斗式雨量計采取了中間緩沖處理，緩沖有一定的延時，會造成一定的誤差，且雨越大的時候正誤差越大，但自動站的雨量誤差主要還是翻斗誤差造成的[4-10]。

圖22007年～2011年降水對比月百分誤差

圖32007年～2011年月雨量對比圖

圖42007年～2011年相對濕度對比差值變化

降水采集方式有差異。自動站降水是分鐘采集，降水強度較大時，翻斗翻轉會由于慣性、翻斗內壁殘留水滴等造成較大誤差，同時還可能出現滯后降水、無效降水等問題。而人工站要定時分次量取雨量，這就會出現視差、瓶壁粘滯誤差等。當降水較大時換取儲水瓶過程也會造成較大誤差。降水持續(xù)時間較長時，進行多次量杯量取也會造成較大誤差[11]。

4 相對濕度對比分析

4.1 相對濕度差異

從圖4可見：2007年～2011年各年相對濕度對比差值月變化范圍在-6%～4%，變化趨勢除了2011年以外較為一致，且大部分呈現負值，表明朝陽站相對濕度自動站觀測值較人工站觀測值普遍偏大，因此自動觀測相對于人工觀測而言有偏濕的現象出現。從累年月平均差值變化來看，1～3月以及7～8月差值最大，為-3%，其余月份差值均在質量控制范圍內（±2%）。

4.2 差異原因

儀器測量原理不同。人工觀測中，當氣溫低于-10℃時，相對濕度觀測由干濕球溫度表轉換為毛發(fā)濕度表（經訂正圖訂正），誤差很大。而自動氣象站全年使用濕敏電容全程測濕，相對濕度低于80%時濕敏電容線形度好。因此在低溫時，濕敏電容測濕比毛發(fā)濕度表更為準確，但在高濕情況下誤差較大，尤其是長時間在高溫高濕中使用，誤差會更大，雖然通過軟件可以進行糾正，但此時降濕速度明顯下降[12]。朝陽地區(qū)1～2月是正值交替使用干濕球溫度表和毛發(fā)濕度表人工測濕的季節(jié)，使用的儀器增多必然會增加人工觀測的系統誤差；而7～8月正處于高溫、高濕的汛期，濕敏電容測濕誤差變大從而導致了自動——人工差值的增大。

測量環(huán)境不同。自動站的濕度表常年密閉在百葉箱中，而人工觀測相對濕度時需要開關百葉箱，從而產生空氣對流，進而降低相對濕度，增大誤差。尤其朝陽地區(qū)3月是氣溫相對較低，風速較大的季節(jié)，人工相對濕度會普遍低于自動觀測。

人為測量誤差。干濕球溫度表讀數誤差會產生相對濕度的誤差。一般玻璃溫度表讀數誤差在±0.1℃，如果干濕球任意一支溫度表誤讀0.1℃，對產生的相對濕度誤差隨溫度降低呈增大趨勢[13]。此外，濕球紗布的包扎質量、濕潤狀況以及溶冰情況等也會直接影響到測濕的準確性。上述2011年的相對濕度人工-自動站差值對比2007年～2010年有較大的偏差，此現象不排除有人為原因的干擾。

5 結論

自動站溫濕傳感器性能年際變化較為穩(wěn)定。其中氣溫人工站數值普遍大于自動站，月平均氣溫及高、低溫之間的差異基本滿足質量控制（±2℃）要求，除2007年低溫差異較大。而相對濕度自動站觀測值普遍大于人工站觀測值，2007年～2011年整體的月平均差值在1～3月以及7～8月最大，為-3%，其余月份差值均在質量控制范圍內（±2%）。降水在某些月百分比誤差較大，年際變化在-3%～8%，降水累計量較大的月份及年份其百分比誤差也相對較大。

形成上述差異的原因有三點：觀測時間不統一；自動站觀測是連續(xù)性的、實時的，而人工觀測是定點的；規(guī)范規(guī)定正點前15分鐘到正點為觀測時段。

采集方式及精度不同。自動站的采集環(huán)境相對人工更為嚴格，除去儀器本身的系統誤差，干擾因子較少，精度高。而人工站不但有儀器設備上的固有誤差，還會受環(huán)境（如風、沙塵等）的干擾，再加上視覺誤差、操作失誤等情況，出現誤差的概率相對更大一些。