謝建芳 何興林 于 麗
(1.福建省永泰縣氣象局,福建 福州 350700;2.羅源縣氣象局,福建 福州 350600)
根據(jù)中國(guó)氣象局氣測(cè)函〔2020〕39號(hào)文件要求,福建省氣象局各級(jí)氣象臺(tái)站于2020 年11月1日新增草面溫度觀測(cè)項(xiàng)目,并按“雙套站”建設(shè)。氣象業(yè)務(wù)中設(shè)備按“雙套站”建設(shè)運(yùn)行可以有效減少缺測(cè)率,保證數(shù)據(jù)完整性,幫助判斷異常數(shù)據(jù),儀器漂移等[1]。草面溫度通常用來(lái)代表生長(zhǎng)季開(kāi)始后、結(jié)束前近地層最低溫度,對(duì)作物是否受到凍害具有重要的指示意義,預(yù)報(bào)服務(wù)方面通常用草面溫度分析霜凍情況和預(yù)報(bào)霜凍。例如,賈楊等根據(jù)最低氣溫、地面溫度、草面溫度、濕度和露點(diǎn)溫度進(jìn)行霜的預(yù)報(bào)[2]。趙艷玲等采用露點(diǎn)溫度、判別圖、最低草面溫度和7~20時(shí)草面溫度降幅建立2級(jí)判別方程,提高霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[3]。代曉麗等利用最低草面溫度和 16~20時(shí)草面溫度降幅建立方程進(jìn)行初霜預(yù)報(bào)[4]。郝玲等采用草溫構(gòu)建訓(xùn)練樣本集,并結(jié)合KNN數(shù)據(jù)挖掘算法構(gòu)建草面溫度預(yù)報(bào)模型,霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高達(dá)90.2%[5]。可見(jiàn)草面溫度對(duì)霜的預(yù)報(bào)很有意義,要提高霜的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,草面溫度的準(zhǔn)確性是前提。為了獲取準(zhǔn)確的草面溫度,中國(guó)氣象局作了嚴(yán)格規(guī)定:觀測(cè)區(qū)域位于淺層地溫場(chǎng)西側(cè)50cm處,占地約1m2,草叢應(yīng)低于10cm,草面溫度傳感器距地6cm,與地面大致平行[6]。
近年來(lái),許多學(xué)者在草面溫度的準(zhǔn)確性方面開(kāi)展了相關(guān)研究。例如,張翠華等利用石家莊5個(gè)觀測(cè)站2008—2010年逐日的草面溫度、地面溫度和氣溫,分析討論了該地區(qū)草面溫度平均值、極端值、日較差特征以及草面溫度與地面溫度、氣溫在不同氣象條件下三者之間的變化關(guān)系[7]。莫海燕等對(duì)不同季節(jié)天氣情況下的草溫、地溫和氣溫的變化進(jìn)行了綜合性的對(duì)比分析[8]。柴安龍等對(duì)草溫和地溫的春夏兩季、晴天和陰雨天的不同天氣條件下,草面溫度和地面溫度的變化規(guī)律進(jìn)行分析[9]。前人研究主要傾向于草面溫度和其他氣象要素的對(duì)比關(guān)系,有關(guān)草面溫度的準(zhǔn)確性評(píng)估、差異性分析較少。對(duì)新增氣象設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析、評(píng)估是大氣探測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分,數(shù)據(jù)對(duì)比、評(píng)估的要求通常以中國(guó)氣象局文件為依據(jù)?;诖耍疚倪x取福州市羅源縣、閩侯縣、永泰縣、福清市4縣(市)國(guó)家氣象觀測(cè)站,對(duì)比分析2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度,評(píng)估草面溫度的準(zhǔn)確性,分析草面溫度的差異性。
研究資料選用福州市羅源縣、閩侯縣、永泰縣、福清市4縣(市)國(guó)家氣象觀測(cè)站,2020年11月—2021年7月“雙套站”逐時(shí)、最高和最低草面溫度?!半p套站”業(yè)務(wù)規(guī)定,現(xiàn)行氣象業(yè)務(wù)使用的自動(dòng)站(簡(jiǎn)稱現(xiàn)用站)也稱為A站,當(dāng)現(xiàn)用站設(shè)備故障時(shí)備份使用的自動(dòng)站(簡(jiǎn)稱備用站)也稱為B站,數(shù)據(jù)以A站為主。A站草面溫度觀測(cè)值減去B站觀測(cè)值為“雙套站”草面溫度差值。統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi),“雙套站”草面溫度未同時(shí)出現(xiàn)缺測(cè)。因A站草面溫度出現(xiàn)缺測(cè),用B站草面溫度代替的頻次有:羅源站25次、閩侯站0次、永泰站0次、福清站1次。涉及資料處理方法如下。
標(biāo)準(zhǔn)差表示“雙套站”差值方差的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式:
(1)
一致率計(jì)算公式[10]:
(2)
式(2)中,m為“雙套站”差值絕對(duì)值在新型自動(dòng)站相應(yīng)的氣象要素觀測(cè)最大允許誤差范圍內(nèi)的個(gè)數(shù);n為采集到的有效樣本數(shù)。一致率越高,說(shuō)明對(duì)比數(shù)據(jù)一致性程度越好,一致率越低,說(shuō)明對(duì)比數(shù)據(jù)一致性程度越差。
(3)
式(3)中,Gr為粗差率;ge為粗差次數(shù);n為采集到的有效樣本數(shù)。
現(xiàn)行臺(tái)站作業(yè)指導(dǎo)書對(duì)草面溫度對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)未做定量規(guī)定,故參考地溫對(duì)比標(biāo)準(zhǔn),“雙套站”差值允許范圍為±0.5℃[13]。統(tǒng)計(jì)時(shí)段“雙套站”草面溫度平均一致率77.6%,見(jiàn)表1。4縣(市)草面溫度一致率(縱向平均):永泰站85.1%,福清站79.4%,閩侯站78.8%,羅源站73.6%,可見(jiàn)一致率最高的是永泰站,最低的是羅源站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度一致率(橫向平均):逐時(shí)草面溫度81.8%、最低草面溫度79.0%和最高草面溫度72.1%,一致率最高的是逐時(shí)草面溫度,最低的是最高草面溫度。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)遙測(cè)自動(dòng)化功能需求書》[14],永泰站一致率達(dá)到評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),其余縣(市)草面溫度一致率低于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
表1 2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度一致率
統(tǒng)計(jì)時(shí)段“雙套站”草面溫度平均粗差率3.4%。4縣(市)的粗差率(縱向平均):羅源站6.2%,福清站3.2%,永泰站2.2%,閩侯站2.0%,見(jiàn)表2。粗差率最高的是羅源站,最低的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度粗差率(橫向平均):最高草面溫度粗差率4.8%、最低草面溫度粗差率2.8%、逐時(shí)草面溫度粗差率2.6%。粗差率最高的是最高草面溫度,最低的是逐時(shí)草面溫度。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)遙測(cè)自動(dòng)化功能需求書》,各要素粗差率應(yīng)<2.0%,可見(jiàn)4縣(市)的粗差率偏高。
表2 2020年11月—2021年7月“雙套站”草面溫度平均粗差率
統(tǒng)計(jì)時(shí)段4縣(市)逐月粗差率,見(jiàn)表3。4縣(市)的逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)量有:羅源站平均4.7個(gè)月,其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(11月、12月、1月、2月),最高草面溫度5個(gè)月(11月、12月、1月、2月、3月),最低草面溫度5個(gè)月(11月、12月、1月、2月,3月);福清站平均4.3個(gè)月,其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(12月、1月、2月、3月),最高草面溫度6個(gè)月(11月,12月、1月、2月、3月、4月),最低草面溫度3個(gè)月(12月、1月、2月);永泰站平均3.7個(gè)月,其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(11月、2月、3月、7月),最高草面溫度7個(gè)月(12月、1月、2月、3月、4月、5月、6月);閩侯站平均3.3個(gè)月,其中逐時(shí)草面溫度4個(gè)月(3月、4月、5月、6月),最高草面溫度4個(gè)月(3月、4月、5月、6月),最低草面溫度2個(gè)月(4月、6月)。逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)最多的是羅源站,最低的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度的逐月粗差率≥2.0 %的月份數(shù)有:最高草面溫度5.5個(gè)月,逐時(shí)草面溫度4個(gè)月,最低草面溫度2.5個(gè)月。月份數(shù)最多的是最高草面溫度,最少的是最低草面溫度。羅源站粗差率、粗差率≥2.0%的月份數(shù)均大于其它縣(市),經(jīng)分析,11月至3月草面溫度觀測(cè)區(qū)域草叢過(guò)于稀疏,有祼土,測(cè)得的草面溫度更接近于地面溫度,受太陽(yáng)輻射影響更大,因此粗差率高。2020年4月份以后隨著草叢的修復(fù),粗差率降到1.9%以下。
表3 “雙套站”草面溫度逐月粗差率
草面溫度一致率在不同溫度區(qū)間的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”狀態(tài)。在草面溫度<5℃、>30℃時(shí),一致率較低(分別<80.9%、 57.1%),離散度較大(分別>62.8%、62.1%),在10℃~30℃時(shí),一致率較高(分別為90.7%、95.6%、91.9%、87.7%、82.3%),離散度較小(分別為16.2%、6.9%、15.0%、15.6%、18.2%)。草面溫度一致率大多隨著溫度的升高而降低(見(jiàn)圖1)。
圖1 “雙套站”草面溫度一致率在不同溫度區(qū)間變化
4縣(市)不同溫度區(qū)間的草面溫度一致率略有差異。變化幅度最小的是羅源站,最大的是福清站。羅源站和永泰站變化趨勢(shì)基本一致,閩侯站和福清站有些差異,閩侯站在草面溫度<5℃時(shí),一致率隨著溫度升高而升高,一致率由71.4%升高至92.0%,其余草面溫度區(qū)間變化趨勢(shì)和羅源站、永泰站基本一致。福清站在草面溫度小于5℃時(shí),一致率隨著溫度升高而降低,一致率由54.5%下降至43.0%;在草面溫度5~10℃時(shí),一致率隨著溫度升高而升高,一致率由43.0%上升至82.8%,其余草面溫度區(qū)間變化趨勢(shì)和其它縣(市)基本一致。
2.4.1 差值變化趨勢(shì)
草面溫度的差值(A站草面溫度觀測(cè)值減去B站草面溫度觀測(cè)值)具有日變化特征:在一天當(dāng)中(21時(shí)~20時(shí)),夜間差值絕對(duì)值較小,白天差值絕對(duì)值較大,且白天差值絕對(duì)值呈現(xiàn)先遞增、后遞減趨勢(shì),見(jiàn)圖2。因草面溫度傳感器性能存在個(gè)體差異,閩侯站、羅源站和福清站A站草面溫度觀測(cè)值大于B站草面溫度觀測(cè)值,所以差值為正數(shù),永泰站A站草面溫度觀測(cè)值小于B站草面溫度觀測(cè)值,所以差值為負(fù)數(shù)。
圖2 “雙套站”草面溫度差值的日變化
2.4.2 差值日變化幅度與差值的峰值出現(xiàn)時(shí)間
草面溫度差值日變化幅度如下:日變化幅度最大的是福清站,最小的是閩侯站。羅源站差值的峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后,其余縣(市)差值的峰值出現(xiàn)在13時(shí)前后。
一天當(dāng)中,草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中在7~18時(shí),峰值集中在9~12時(shí),峰值分別為:羅源站26次,閩侯站26次,永泰站23次,福清站45次。峰值出現(xiàn)時(shí)間:羅源站9時(shí),閩侯站12時(shí),永泰站11時(shí),福清站12時(shí),見(jiàn)圖3。粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段多出現(xiàn)在日出后,草面溫度傳感器受太陽(yáng)輻射、地面反輻射的影響比較大且云量少的時(shí)次。當(dāng)太陽(yáng)輻射、地面反輻射越強(qiáng)時(shí),草面溫度數(shù)據(jù)粗差率越高,多數(shù)縣(市)12時(shí)前后達(dá)到最高,羅源站例外,羅源站粗差數(shù)據(jù)9時(shí)前后達(dá)到最高。
圖3 “雙套站”草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段
① 4縣(市)草面溫度一致率分別為:永泰站85.1%,福清站79.4%,閩侯站78.8%,羅源站73.6%。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)遙測(cè)自動(dòng)化功能需求書》永泰站一致率85.1%達(dá)到評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),其余縣(市)一致率低于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。逐時(shí)草面溫度一致率達(dá)到評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
② 4縣(市)草面溫度粗差率分別為:羅源站6.2%,福清站3.2%,永泰站2.2%,閩侯站2.0%,均低于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。逐時(shí)、最高和最低草面溫度粗差率分別為:2.6%、4.8%、2.8%,也低于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。逐月粗差率≥2.0%的月份數(shù)最多的是羅源站,最少的是閩侯站。逐時(shí)、最高和最低草面溫度逐月粗差率≥2.0%月份數(shù)最多的是最高草面溫度,最少的是最低草面溫度。造成粗差率偏高的主要原因是草面溫度觀測(cè)環(huán)境影響和太陽(yáng)輻射影響。
③草面溫度一致率在不同的溫度區(qū)間變化趨勢(shì)呈現(xiàn)“兩頭低、中間高”的狀態(tài):在草面溫度<5℃、>30℃時(shí),一致率分別低于80.9%、57.1%,離散度分別大于62.8%、62.1%;在10℃~30℃時(shí),一致率均高于82.3%,離散度均小于18.2%。羅源站一致率變化幅度最小,福清站最大。羅源站和永泰站變化趨勢(shì)基本
一致,閩侯站和福清站略有差異。一致率大多隨著溫度的升高而降低。
④草面溫度差值具有日變化,夜間差值絕對(duì)值變化小,白天差值絕對(duì)值變化大。福清站日變化幅度最大,閩侯站最小。羅源站日變化的峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后,其余縣(市)峰值出現(xiàn)在13時(shí)前后。
⑤草面溫度粗差數(shù)據(jù)集中在7~18時(shí),峰值集中在9~12時(shí)。羅源站粗差數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)在9時(shí)前后,其余縣(市)出現(xiàn)在12時(shí)前后。粗差數(shù)據(jù)集中時(shí)段多出現(xiàn)在日出后,太陽(yáng)輻射較強(qiáng)且云量少的時(shí)次。