柴達(dá)木盆地不同觀測(cè)方式降水資料的對(duì)比分析
——以格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站為例

韓廷芳 吳雙桂 伊俊蘭 李 興

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099)(2.青海省海西州氣象局，青海 德令哈 817099)

降水：是指從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài)(經(jīng)融化后)的水。降水量：是指某一時(shí)段內(nèi)的未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失的降水，在水平面上積累的深度。以毫米(mm)為單位，取一位小數(shù)[1]。人工觀測(cè)降水量由觀測(cè)員用雨量器手動(dòng)觀測(cè)得到，自動(dòng)觀測(cè)降水量采用翻斗式雨量計(jì)自動(dòng)獲取。格爾木是全國(guó)8個(gè)長(zhǎng)期保留人工器測(cè)觀測(cè)任務(wù)(含自記儀器記錄整理)的國(guó)家基準(zhǔn)氣候站之一，也是青海省唯一長(zhǎng)期保留人工器測(cè)觀測(cè)任務(wù)的國(guó)家基準(zhǔn)氣候站。很多學(xué)者對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)生變化而引起的氣象資料觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了大量分析研究，如茆佳佳等[2]在《自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)相對(duì)濕度比對(duì)分析》中對(duì)全國(guó)保留人工觀測(cè)的8個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2007～2013年的比對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行研究、評(píng)估和總結(jié)，揭示兩種觀測(cè)技術(shù)體制觀測(cè)資料的可比性及自動(dòng)觀測(cè)資料的穩(wěn)定性；張煥萍等[3-4]對(duì)不同區(qū)域人工站與自動(dòng)站降水資料進(jìn)行對(duì)比分析。而對(duì)格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站未見(jiàn)兩種觀測(cè)方式降水資料的詳細(xì)對(duì)比分析，對(duì)于干旱區(qū)特殊背景下的不同觀測(cè)方式降水資料對(duì)比分析也較少。本文利用格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2013～2017年人工器測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)5年地面降水量資料，從降水百分誤差率、時(shí)間變化規(guī)律及兩者的線性回歸擬合方程，分析降水資料人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的差異，對(duì)分析儀器更換和觀測(cè)方式的改變給氣象觀測(cè)資料均一性帶來(lái)的影響，并對(duì)探討自動(dòng)站數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性有重要意義，分析結(jié)論為開(kāi)展氣候及氣候變化方面的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概括和資料來(lái)源

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，格爾木市地處柴達(dá)木盆地南緣，屬于荒漠、半荒漠的戈壁灘，自然條件惡劣、少雨(格爾木市1981～2010年近30年平均年降水量45.1mm)、多風(fēng)、是沙塵暴天氣的頻發(fā)區(qū)。格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2013～2017年人工與自動(dòng)觀測(cè)5年降水資料由格爾木氣象臺(tái)提供。統(tǒng)計(jì)月、季節(jié)和年降水觀測(cè)數(shù)據(jù)。季節(jié)劃分：春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋節(jié)(9～11月)和冬季(12月至翌年2月)。

1.2 分析方法

依據(jù)國(guó)家氣象中心《對(duì)比觀測(cè)期間觀測(cè)資料評(píng)估技術(shù)方法》[5]，分析降水量的百分誤差。參考《地面氣象觀測(cè)遙測(cè)自動(dòng)化功能需求書(shū)》要求，降水評(píng)估項(xiàng)目參考標(biāo)準(zhǔn)：缺測(cè)率2%、降水量的百分誤差±8%。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和線性回歸方法建立兩者的線性回歸擬合方程及顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2013～2017年格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站人工器測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)降水缺測(cè)率為0，說(shuō)明數(shù)據(jù)完整性和儀器觀測(cè)的穩(wěn)定性高。

2.1 人工站與自動(dòng)站降水月、季、年百分誤差統(tǒng)計(jì)分析

表1是格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2013～2017年人工器測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)月、季節(jié)和年降水百分誤差統(tǒng)計(jì)，由表1可見(jiàn)，月降水百分誤差基本上都是負(fù)值，說(shuō)明降水量數(shù)據(jù)自動(dòng)站大于人工站，此結(jié)論與柴巖紅[3]等分析的烏魯木齊地區(qū)自動(dòng)與人工觀測(cè)降雨量差異的結(jié)論相一致。而且只在3月、7月、8月和12月共4個(gè)月符合標(biāo)準(zhǔn)參考百分誤差值，其余月降水百分誤差在-9%～-36%，均超出了標(biāo)準(zhǔn)百分誤差；年和季節(jié)中只有春季在標(biāo)準(zhǔn)百分誤差范圍內(nèi)，其余降水百分誤差在-9%～-22%，均超出標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍。

2.2 人工站與自動(dòng)站降水月、季、年變化規(guī)律

人工站與自動(dòng)站降水的月際變化趨勢(shì)基本一致，年內(nèi)最大值均出現(xiàn)在主汛期(人工站：7月份12.3mm、自動(dòng)站：6月份13.1mm)，最小值人工站出現(xiàn)在10月份(0.1mm)，自動(dòng)站出現(xiàn)在3月份(0.5mm)。

人工站與自動(dòng)站降水季節(jié)變化趨勢(shì)完全一致，夏季>秋季>春季>冬季，且降水?dāng)?shù)據(jù)均為自動(dòng)站大于人工站。

人工站與自動(dòng)站降水年變化趨勢(shì)完全一致，最大值出現(xiàn)在2017年(人工站：69.9mm、自動(dòng)站73.8mm)，最小值出現(xiàn)在2013年(人工站與自動(dòng)站均為19.0mm)。

2.3 人工站與自動(dòng)站之間回歸方程的建立及檢驗(yàn)

圖2為格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2013～2017年人工站與自動(dòng)站降水量季節(jié)和年數(shù)據(jù)線性擬合曲線圖。表2是格爾木國(guó)家基準(zhǔn)站2013～2017年人工站與自動(dòng)站月數(shù)據(jù)線性擬合相關(guān)分析結(jié)果。結(jié)合月、季節(jié)和年數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果可得，人工站與自動(dòng)站降水?dāng)?shù)據(jù)線性擬合結(jié)果非常好，沒(méi)有出現(xiàn)大的離散狀況，表明人工站和自動(dòng)站月、四季和年降水量數(shù)據(jù)相差不大，未出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。月、四季和年擬合中人工站和自動(dòng)站相關(guān)系數(shù)平方在0.9355～1，相關(guān)系數(shù)在0.96721～1.0000，均通過(guò)了0.001的極顯著性檢驗(yàn)。表明可用自動(dòng)站降水觀測(cè)值對(duì)人工站降水值進(jìn)行訂正和推算。

圖2 格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2013～2017年人工站與自動(dòng)站季節(jié)和年降水?dāng)?shù)據(jù)線性擬合曲線

表2 格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣象站2013～2017年人工站與自動(dòng)站月降水量線性方程和相關(guān)系數(shù)

續(xù)表

2.4不同觀測(cè)方式降水產(chǎn)生差異的原因

人工站和自動(dòng)站降水資料存在一定的差異，其中觀測(cè)儀器的改變是重要的原因之一，自動(dòng)站測(cè)量的降水大多比人工站偏多，主要原因?yàn)樽詣?dòng)站觀測(cè)較人工觀測(cè)儀器更為靈敏、能夠及時(shí)地觀測(cè)降雨量的微小變化，所得到數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的時(shí)效性。人工站所使用的雨量器由雨量筒(承水器、儲(chǔ)水瓶和外筒)與量杯組成，到一定量或定時(shí)人工進(jìn)行測(cè)量，人工觀測(cè)有視差、有誤讀的可能，而自動(dòng)站則沒(méi)有相類似的誤差。格爾木具有降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)的氣候特點(diǎn)，觀測(cè)的降雨以微量到小雨為主，降雨強(qiáng)度弱，過(guò)程降雨量小，微量降雨常有少量降水滯留或附在儲(chǔ)水瓶中，使得雨量偏小，在低量級(jí)降水中容易產(chǎn)生誤差；在氣溫較高，蒸發(fā)較強(qiáng)時(shí)，微到少量的降水因蒸發(fā)而使得降水量偏小。另外觀測(cè)時(shí)間及對(duì)儀器維護(hù)是否規(guī)范等[6-7]都是2種觀測(cè)方式降水資料產(chǎn)生差異的原因。

3 結(jié)論與討論

對(duì)格爾木國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2種觀測(cè)方式降水量資料進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

3.1月降水百分誤差基本上都是負(fù)值，說(shuō)明降水量數(shù)據(jù)自動(dòng)站大于人工站。且只在3月、7月、8月和12月共4個(gè)月符合標(biāo)準(zhǔn)參考百分誤差值，其余月降水百分誤差在-9%～-36%，均超出了標(biāo)準(zhǔn)百分誤差；年和季節(jié)中只有春季在標(biāo)準(zhǔn)百分誤差范圍內(nèi)，其余降水百分誤差在-9%～-22%，均超出標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍。

3.2人工站與自動(dòng)站降水的月際變化趨勢(shì)基本一致，年內(nèi)最大值均出現(xiàn)在主汛期，最小值人工站和自動(dòng)站分別出現(xiàn)在10月和3月份。人工站與自動(dòng)站降水季節(jié)變化趨勢(shì)完全一致，夏季>秋季>春季>冬季，且降水?dāng)?shù)據(jù)均為自動(dòng)站大于人工站。人工站與自動(dòng)站降水年變化趨勢(shì)完全一致，最大值出現(xiàn)在2017年，最小值出現(xiàn)在2013年。

3.3人工站與自動(dòng)站降水?dāng)?shù)據(jù)線性擬合結(jié)果非常好，沒(méi)有出現(xiàn)大的離散狀況，表明人工站和自動(dòng)站月、四季和年降水量數(shù)據(jù)相差不大，未出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。月、四季和年擬合中人工站和自動(dòng)站相關(guān)系數(shù)平方在0.9355～1，相關(guān)系數(shù)在0.96721～1.0000，均通過(guò)了0.001的極顯著性檢驗(yàn)。表明可用自動(dòng)站降水觀測(cè)值對(duì)人工站降水值進(jìn)行訂正和推算。

3.4月、季和年降水百分誤差分析中部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)參考值，但在降水量的線性擬合中均通過(guò)了0.001水平以上的顯著性檢驗(yàn)，降水量的觀測(cè)自動(dòng)站完全可取代人工站。

3.5造成自動(dòng)站與人工站差異原因有多方面，包括不同的采集方式、觀測(cè)時(shí)間、儀器原理以及對(duì)儀器維護(hù)是否規(guī)范等。