智慧城市微型自動(dòng)氣象站試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析與評(píng)估

魯峻麟，黃惺惺，顧桃峰，張志堅(jiān)，賈寧遠(yuǎn)

(1.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣州 511430；2.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣州 510641)

0 引言

社會(huì)氣象觀測(cè)作為綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其對(duì)于提升防災(zāi)減災(zāi)能力，助力生態(tài)文明建設(shè)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要作用。為響應(yīng)“智慧城市”氣象發(fā)展建設(shè)，廣州市氣象局以多功能智能桿微型傳感器作為智慧氣象先行示范，全力推進(jìn)“監(jiān)測(cè)精密”，有效提高廣州氣象服務(wù)水平。

在廣州市氣象局觀測(cè)場(chǎng)現(xiàn)有自動(dòng)氣象站(站號(hào)：G1000)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比國內(nèi)外氣象儀器特點(diǎn)及性能，經(jīng)過嚴(yán)格篩選，最終選取4套滿足氣象儀器選型標(biāo)準(zhǔn)的智慧型微型自動(dòng)氣象站[1-3]安裝在廣州市氣象局觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析研究。

1 觀測(cè)資料與方法

1.1 觀測(cè)資料

文章觀測(cè)資料數(shù)據(jù)來源于廣州市氣象局智慧城市觀測(cè)試驗(yàn)提供的G1000設(shè)備數(shù)據(jù)和S、J、W、L 4套試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析時(shí)段選用2019年11月—2020年2月的風(fēng)、氣溫、濕度、氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)；選取2020-06-04—2020-06-18的雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析以G1000設(shè)備數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)器，4套設(shè)備分別與標(biāo)準(zhǔn)器做各要素的數(shù)據(jù)對(duì)比分析[4-6]。

1.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

1)相關(guān)系數(shù)：相關(guān)系數(shù)是反映兩個(gè)研究變量之間線性相關(guān)程度的量，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1時(shí)，表示兩個(gè)研究變量之間線性相關(guān)程度越大，當(dāng)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近0時(shí)，表示兩個(gè)研究變量之間線性相關(guān)程度越弱。

(1)

式中，ρXY表示相關(guān)系數(shù)；X表示標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)；Y表示測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)；Cov(X，Y)代表X、Y的協(xié)方差；X(X)、D(Y)分別為X、Y的方差。

2)相對(duì)誤差：為絕對(duì)誤差與真值的比值。一般來說，相對(duì)誤差更能反映測(cè)量的可信程度。

(2)

式中，δ表示相對(duì)誤差；X表示標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)據(jù)；Y表示測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)。

3)平均絕對(duì)離差：平均絕對(duì)離差表示每個(gè)誤差值與平均誤差值之間的差的平均值，一般表示數(shù)據(jù)分布的離散程度。

(3)

式中，MD為平均絕對(duì)離差；xi為1組誤差值；μ為xi的算術(shù)平均數(shù)；N為項(xiàng)數(shù)。

4)標(biāo)準(zhǔn)差：標(biāo)準(zhǔn)差是1組數(shù)值自平均值分散開來的程度的一種測(cè)量觀念。一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表大部分的數(shù)值和其平均值之間差異較大；一個(gè)較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值較接近平均值。

(4)

式中，標(biāo)準(zhǔn)差為σ；xi為1組誤差值；xi的平均值(算術(shù)平均值)為μ；N為項(xiàng)數(shù)。

2 數(shù)據(jù)到報(bào)率

統(tǒng)計(jì)各設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器同時(shí)段內(nèi)所獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)到報(bào)率，數(shù)據(jù)到報(bào)率可以在一定程度上表征設(shè)備的穩(wěn)定性。

(5)

式中，η表示數(shù)據(jù)到報(bào)率；y為測(cè)試設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)分鐘數(shù)；x為標(biāo)準(zhǔn)器在同一時(shí)段獲取的數(shù)據(jù)分鐘數(shù)。

各設(shè)備的數(shù)據(jù)到報(bào)率詳見表1所示。

表1 數(shù)據(jù)到報(bào)率

由表1可知：W設(shè)備的數(shù)據(jù)到報(bào)率最高，為99.95%，L和J設(shè)備的數(shù)據(jù)到報(bào)率最低，分別為81.04%和81.01%。

3 各要素對(duì)比分析

3.1 風(fēng)速

通過對(duì)比分析4套觀測(cè)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器在瞬時(shí)風(fēng)速、2 min風(fēng)速和10 min風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)和誤差可以看出，S設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器在瞬時(shí)風(fēng)速、2 min風(fēng)速和10 min風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均為最大，與標(biāo)準(zhǔn)器觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性最好；從4套設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的平均誤差、絕對(duì)離差和標(biāo)準(zhǔn)差來看，J設(shè)備、W設(shè)備的平均誤差相對(duì)較小，W設(shè)備的絕對(duì)離差和標(biāo)準(zhǔn)差較??；L設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器有較大差異。從相關(guān)性和誤差結(jié)果來看，W設(shè)備在風(fēng)速觀測(cè)上與標(biāo)準(zhǔn)器觀測(cè)結(jié)果較為接近，結(jié)果較好(表2)。

表2 各設(shè)備風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

3.2 風(fēng)向

經(jīng)對(duì)比分析得出，對(duì)于瞬時(shí)風(fēng)向，S設(shè)備、J設(shè)備、W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)分別為0.308、0.241、0.303；對(duì)于2 min風(fēng)向，S設(shè)備、J設(shè)備、W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)分別為0.561、0.517、0.529；對(duì)于10 min風(fēng)向，S設(shè)備、J設(shè)備、W設(shè)備、L設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)分別為0.641、0.625、0.550、0.173。4種設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器在風(fēng)向觀測(cè)上相關(guān)系數(shù)均不高(表3)。

表3 各設(shè)備風(fēng)向與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)

3.3 溫度

從4種設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器溫度的觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性和誤差來看，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最好；從誤差來看，S設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的絕對(duì)離差和標(biāo)準(zhǔn)差最小，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的絕對(duì)離差和標(biāo)準(zhǔn)差次之。

綜合以上4種設(shè)備所測(cè)溫度與標(biāo)準(zhǔn)器所測(cè)結(jié)果的相關(guān)性和誤差結(jié)果分析，S設(shè)備在溫度觀測(cè)上與標(biāo)準(zhǔn)器觀測(cè)結(jié)果較為接近，結(jié)果較好，略優(yōu)于其他設(shè)備(表4)。

表4 各設(shè)備溫度與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

3.4 相對(duì)濕度

從4種設(shè)備相對(duì)濕度的觀測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)比來看，S設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)最大，其相關(guān)性最高；從誤差來看，J設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的平均誤差、絕對(duì)離差最小，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)差最小。綜合相關(guān)系數(shù)和誤差分析，S設(shè)備和J設(shè)備在相對(duì)濕度觀測(cè)上與標(biāo)準(zhǔn)器觀測(cè)結(jié)果較為接近，結(jié)果較好(表5)。

表5 各設(shè)備相對(duì)濕度與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

3.5 氣壓

從4種設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器氣壓觀測(cè)的對(duì)比來看，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)性最高；從誤差來看，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的絕對(duì)離差、標(biāo)準(zhǔn)差最小，J設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的平均誤差最小。綜合氣壓觀測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)和誤差分析，W設(shè)備的觀測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)器最為接近，結(jié)果較好(表6)。

表6 各設(shè)備氣壓與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

3.6 降雨量

通過對(duì)降雨量數(shù)據(jù)對(duì)比分析[7-11]，4種設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器在小時(shí)雨量、日雨量的相關(guān)性和誤差上，W設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)最為接近，誤差最小。對(duì)比結(jié)果見表7、表8。

表7 各設(shè)備小時(shí)雨量與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

表8 各設(shè)備日雨量與標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)系數(shù)及誤差

4 結(jié)束語

文章根據(jù)智慧城市建設(shè)需要，將4套智慧型微型自動(dòng)氣象站[12，13]實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果為智慧城市建設(shè)氣象設(shè)備選型提供參考依據(jù)。