新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器對(duì)比試驗(yàn)中氣溫測量差異及原因分析

李曉波，郭玉潔，張長春，史 靜，崔 明

(1.天津市氣象探測中心，天津 300061；2.中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司，天津 300083)

0 引言

新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器系統(tǒng)可同時(shí)采集3路氣溫傳感器的分鐘溫度值，并采用融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)某個(gè)傳感器受環(huán)境影響造成觀測數(shù)據(jù)缺失時(shí)，可使用其他兩個(gè)傳感器觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，以代替缺失值，從而保證觀測數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性。特別是因信號(hào)干擾或者維護(hù)不當(dāng)?shù)惹闆r造成某支傳感器數(shù)據(jù)異常時(shí)，利用其他兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合分析，剔除該類異常數(shù)據(jù)，使輸出氣溫值更接近“真值”的分鐘氣溫值，有效解決了單一傳感器數(shù)據(jù)缺失，觀測準(zhǔn)確度低等問題。另外，在強(qiáng)對(duì)流劇烈變化的天氣過程中，數(shù)據(jù)超極值或數(shù)據(jù)之間的變化幅度超過變化率質(zhì)控規(guī)則，自動(dòng)質(zhì)控提示“疑誤”時(shí)，也可以通過對(duì)3支傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比對(duì)融合分析，增加對(duì)此類“疑誤”正確數(shù)據(jù)的可信度。還可以通過數(shù)據(jù)融合記錄分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器使用過程中的性能變化，便于及時(shí)維護(hù)或更換傳感器，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

目前，自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器融合研究還不是很充足。何艷麗[1]等對(duì)氣溫、濕度、雨量3種氣象要素多種天氣狀況下的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)對(duì)比，結(jié)果證明，多傳感器融合結(jié)果與業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)一致性較高。對(duì)差值的規(guī)律和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯示多傳感器不但可以剔除由信號(hào)干擾或者誤操作導(dǎo)致的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，還可以增加強(qiáng)對(duì)流過程中奇異數(shù)據(jù)的可信度。張娟[2]等在多傳感器采集溫度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用分布圖法去除疏失差值，同時(shí)采用基于均值的遞推估計(jì)融合的方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)果表明，采用這種方法可以提高溫度采集的準(zhǔn)確度，同時(shí)有效地消除了由于傳感器失效引起的差值。

2019年8-10月，在天津市寧河區(qū)氣象局地面氣象觀測站備份自動(dòng)站進(jìn)行了氣溫多傳感器的對(duì)比試驗(yàn)。文章對(duì)多傳感器氣溫測量數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)站測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要對(duì)測量差異原因進(jìn)行初步研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器系統(tǒng)由3支鉑電阻傳感器和氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器組成。氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器由測量電路、監(jiān)測電路、處理器、供電電路、CAN和RS-232(485/422)接口等部件組成。

氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器采集3個(gè)氣溫測量值，通過融合計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)值和傳輸值，并將5個(gè)數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至主采集器，由主采集器和綜合集成硬件控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)數(shù)據(jù)下載命令發(fā)送至地面觀測業(yè)務(wù)軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)布局

新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有觀測場百葉箱內(nèi)位于正中位置的溫濕度傳感器支架上。支架上開有8個(gè)孔，其中3支氣溫傳感器分別安裝在支架的正東、正北、正南(其中正東為氣溫傳感器1，正北為氣溫傳感器2，正南為氣溫傳感器3)方向，1支濕度傳感器安裝在支架上的正西方向，并確保氣溫、濕度傳感器的感應(yīng)部分中部距地1.5 m；氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器安裝在百葉箱與下基座連接處，通過現(xiàn)有溫濕度分采集器的CAN總線與主采集器連接。

2 氣溫觀測數(shù)據(jù)融合算法

氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器對(duì)3支氣溫傳感器所測得的同一分鐘的瞬時(shí)氣溫要素值進(jìn)行融合計(jì)算，確定該分鐘的瞬時(shí)氣溫要素標(biāo)準(zhǔn)值。測試融合算法執(zhí)行《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》中“氣候觀測氣溫(3支氣溫傳感器)1 min平均值(瞬時(shí)值)”計(jì)算方法：“對(duì)3支氣溫傳感器所測得的瞬時(shí)氣象值進(jìn)行相互比較，根據(jù)兩兩偏差確定取值。在-50～50 ℃時(shí)，兩兩之間差值閾值設(shè)為0.3 ℃；在小于-50 ℃或大于50 ℃時(shí)，兩兩之間差值閾值設(shè)為0.6 ℃?！?/p>

第1步：兩兩偏差計(jì)算。

(1)

式中，T1，T2，T3分別為3支氣溫傳感器的1 min平均氣溫(即瞬時(shí)值)；D12，D23，D31分別為兩兩之間的差值(℃)。若某個(gè)瞬時(shí)氣溫值出現(xiàn)缺失，相關(guān)Dij按缺失處理。

第2步：定義兩兩偏差允許范圍。

當(dāng)-50.0 ℃≤Ti≤50.0 ℃，-50.0 ℃≤Tj≤50.0 ℃；

Tol(i，j)= 0.3 ℃

當(dāng)|Ti|>50.0 ℃或|Tj|>50.0 ℃

Tol(i，j)=0.6 ℃

1)若Dij≤Tol(i，j)，則Dij在允許范圍之內(nèi)；

2)若Dij>Tol(i，j)，則Dij在允許范圍之外；

3)若Dij缺失，則按Dij在允許范圍之外處理。

第3步：計(jì)算結(jié)果。

1)如果Dij均在允許范圍之內(nèi)，取T1，T2，T3的中間值作為標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果；

2)如果Dij有2個(gè)在允許范圍之內(nèi)，取T1，T2，T3的中間值作為標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果；

3)如果僅有1個(gè)Dij在允許范圍之內(nèi)，取形成該Dij的兩支氣溫值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果；

4)如果所有Dij都不在允許范圍之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果標(biāo)識(shí)為缺測。

第4步：氣溫?cái)?shù)據(jù)源選取

標(biāo)準(zhǔn)控制器選取氣溫傳感器Ⅰ的測量結(jié)果作為業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，氣溫傳感器Ⅱ和Ⅲ的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，將3支傳感器的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如超出閾值±0.3 ℃，輸出相應(yīng)狀態(tài)碼。若現(xiàn)用氣溫傳感器異常，標(biāo)準(zhǔn)控制器可自動(dòng)切換至下一個(gè)狀態(tài)正常的氣溫?cái)?shù)據(jù)源，切換順序?yàn)闅鉁貍鞲衅?、2、3、1依次切換，根據(jù)氣溫?cái)?shù)據(jù)源形成氣溫傳輸值序列，若標(biāo)準(zhǔn)值缺測，或3支氣溫傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測。將標(biāo)準(zhǔn)控制碼通過CAN總線發(fā)送給主采集器[3-5]。

3 測量結(jié)果分析

3.1 總體運(yùn)行情況

寧河試點(diǎn)站從8月1日開始試運(yùn)行，至10月23日，共計(jì)運(yùn)行84 d。應(yīng)觀測數(shù)據(jù)120，960條，到報(bào)情況如表1所示。

表1 8月1日-10月23日到報(bào)率

由表1可見，主站與備份站到報(bào)率基本持平，備份站缺測率略高于主站的原因是運(yùn)行期間主站發(fā)生1次故障，備份站主采集器被挪用，造成測試中斷約1 h。

3.2 氣溫日變化一致性

新型自動(dòng)氣象站每分鐘的3個(gè)氣溫觀測數(shù)據(jù)通過規(guī)定的數(shù)據(jù)融合方法最終得到一個(gè)氣溫觀測數(shù)據(jù)傳輸值，以地面觀測站業(yè)務(wù)站數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行兩組氣溫?cái)?shù)據(jù)差值的一致率計(jì)算：

(2)

式中，一致率Cr表示兩組氣溫?cái)?shù)據(jù)的一致性程度；n為有效樣本數(shù)，指除缺測以外的觀測樣本數(shù)；m為對(duì)比差值的絕對(duì)值在新型自動(dòng)氣象站相應(yīng)的氣象要素觀測最大允許差值范圍(0.2 ℃)內(nèi)的個(gè)數(shù)[6，7]。

以8月份氣溫分鐘觀測數(shù)據(jù)為例，計(jì)算本月的一致率，結(jié)果顯示：8月份僅有6 d一致率沒有達(dá)到100%，最低出現(xiàn)在8月1日，為99.51%，其余25 d均達(dá)100%，且每天有效樣本均占95%以上，表明多傳感器系統(tǒng)與業(yè)務(wù)站測量值一致性較好。非有效值的缺測主要原因是新型自動(dòng)氣象站對(duì)溫度數(shù)據(jù)質(zhì)控而產(chǎn)生可疑數(shù)據(jù)，造成標(biāo)準(zhǔn)值的缺測，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸值缺測，產(chǎn)生無效樣本[8]。

3.3 氣溫月變化一致性

對(duì)試驗(yàn)期間8-10月的業(yè)務(wù)站和多傳感器系統(tǒng)氣溫的一致性和差值進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器系統(tǒng)融合后的傳輸值和主業(yè)務(wù)站的觀測值趨勢基本一致，差值在0.2 ℃范圍內(nèi)。同時(shí)也存在部分觀測時(shí)次超過0.2 ℃的情況，將業(yè)務(wù)站氣象測量數(shù)據(jù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，多溫度系統(tǒng)控制輸出的傳輸值與之相比，兩者之差作為差值；

2)備份站和主站之間溫度差值在0.1 ℃以內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到了98.45%，0.2 ℃以內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到了99.45%，其中，差值大于0.2 ℃的樣本僅占到0.09%。以上充分說明新型站溫度多傳感器通過相互印證，數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性是有保障的。

3.4 異常數(shù)據(jù)分析

新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器總體無故障運(yùn)行，單支傳感器的故障很快被發(fā)現(xiàn)并解除。從采集到的異常數(shù)據(jù)分析，多傳感器自動(dòng)氣象站相對(duì)于單一傳感器自動(dòng)氣象站在觀測數(shù)據(jù)連續(xù)采集以及數(shù)據(jù)可信度、傳感器性能判斷方面具有一定優(yōu)勢，同時(shí)也存在以下數(shù)據(jù)異常情況：

1)3路溫度中一路出現(xiàn)了異常值，傳輸值和標(biāo)準(zhǔn)值正常。3號(hào)氣溫傳感器采集的溫度明顯偏小于其他兩支溫度傳感器，變化趨勢相同，經(jīng)過現(xiàn)場排查，確定為有一支溫度傳感器線纜虛焊導(dǎo)致，更換為另一支傳感器后故障得到解決。通過該故障可以反映出多傳感器的優(yōu)勢，在其中一支傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，不影響最終的傳輸值的輸出情況。

2)氣溫差值超過0.3 ℃。通過分析氣溫變化率和氣溫差值(多傳感器傳輸值和業(yè)務(wù)站測量差值)的關(guān)系，可以看出，氣溫差值較大的情況，常出現(xiàn)在當(dāng)前氣溫升高較快或者下降較快的時(shí)段，主要存在于下降較快階段，當(dāng)分鐘氣溫下降超過0.7 ℃時(shí)，兩個(gè)氣象觀測值差值能達(dá)到0.5 ℃。分析其原因，可能是氣溫上升和下降時(shí)，不同鉑電阻傳感器的響應(yīng)時(shí)間不一致造成[9]。

選取2019-T08-0101：56-2019-08-01T02：26氣溫要素變化，疊加分鐘內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速和降雨量的資料圖分析出現(xiàn)差值偏大的情況。當(dāng)氣溫變化率較大時(shí)，通常分鐘內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速也顯著增大，并且伴有分鐘降雨量達(dá)到0.7 mm的強(qiáng)降雨。因此，造成這種現(xiàn)象的原因，可能是由于風(fēng)速增大情況下，百葉箱內(nèi)安裝傳感器位置造成氣流不均勻所致，如果只是單純的輻射降溫，并不會(huì)造成融合后的氣溫?cái)?shù)據(jù)和業(yè)務(wù)站的觀測數(shù)據(jù)較大差值。

3)3支傳感器正常，傳輸值缺測。2019-08-09T01：00，氣溫傳感器1和2采集的溫度是25.9 ℃，氣溫傳感器3采集的溫度是26.0 ℃，直到01：58，3支氣溫傳感器采集的溫度值未發(fā)生變化，01：58，標(biāo)準(zhǔn)值缺測，傳輸值缺測。02：04，氣溫傳感器1和2分別觀測到的溫度為26 ℃，此刻開始，標(biāo)準(zhǔn)值和傳輸值開始正常計(jì)算。

原因分析：根據(jù)新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能需求書(修訂版)》中氣溫質(zhì)量控制參數(shù)“60 min最小變化率”指標(biāo)，目前氣溫多傳感器控制器將該參數(shù)設(shè)置為0.1 ℃，即當(dāng)氣溫連續(xù)60 min變化小于0.1 ℃時(shí)，該數(shù)據(jù)標(biāo)記為“存疑”，規(guī)格書要求當(dāng)數(shù)據(jù)“存疑”或“錯(cuò)誤”時(shí)不參與后續(xù)數(shù)據(jù)融合運(yùn)算。在平原地區(qū)靜穩(wěn)天氣條件下，存在氣溫長時(shí)間變化<0.1 ℃情況，當(dāng)3支氣溫傳感器中有2支觀測數(shù)據(jù)被標(biāo)記為“存疑”后，無法參與后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)值的運(yùn)算和傳輸值的挑選，從而造成標(biāo)準(zhǔn)值和傳輸值的缺測。因此，建議在新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器系統(tǒng)中對(duì)氣溫的60 min最小變化率不做控制，避免造成觀測值缺失，發(fā)送如下指令即可：

RQCPM T01-75.0 80.0 3.0 5.0/

RQCPM T02-75.0 80.0 3.0 5.0/

RQCPM T03-75.0 80.0 3.0 5.0/

另外，在實(shí)際計(jì)算過程中，用于參與計(jì)算的氣溫觀測數(shù)據(jù)均是未進(jìn)行四舍五入的測量值，往往不到60 min數(shù)據(jù)時(shí)就開始進(jìn)行質(zhì)控，從而造成氣溫傳輸值的缺測。

4)傳感器兩兩差值超過0.3 ℃。在采集器中傳感器兩兩偏差小于0.3 ℃認(rèn)為數(shù)據(jù)正常。但是在實(shí)際情況中也出現(xiàn)了3支傳感器的兩兩偏差均超過0.3 ℃的情況。2019-10-03T07：40-2019-10-03T08：09的觀測數(shù)據(jù)顯示，3支氣溫傳感器測量值均正常，根據(jù)氣溫?cái)?shù)據(jù)融合算法，任意兩支傳感器溫度數(shù)據(jù)之間的差值絕對(duì)值超過了0.3 ℃，按照氣溫融合算法，標(biāo)志值和傳輸值都缺測。

原因分析：由于使用差值判定時(shí)采用的是原始計(jì)算結(jié)果，未經(jīng)過四舍五入，因此當(dāng)直觀看到兩兩偏差等于0.3 ℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值和輸出值為缺測。這種情況下可以通過計(jì)算平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值的方法保證數(shù)據(jù)完整性，經(jīng)過重新計(jì)算后的傳輸值完全可用，因此有必要對(duì)現(xiàn)有新型自動(dòng)氣象站氣溫多傳感器的溫度融合方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

傳感器2的測量值和主站溫度數(shù)據(jù)最為接近，其次是氣溫1，偏離最大的是氣溫3。溫度的差異和3支傳感器在百葉箱中的位置關(guān)系相符。因此，新型站氣溫多傳感器系統(tǒng)在布局的時(shí)候建議應(yīng)確保在同一方位，可將氣溫1放置于正東、氣溫2放置于東北，氣溫3放置于東南。

4 結(jié)束語

初步對(duì)比結(jié)果顯示采用氣溫多傳感器系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)融合算法的新型自動(dòng)氣象站具有良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制能力，總體滿足業(yè)務(wù)要求，其具備的熱備份功能，更加適合長期無人值守的自動(dòng)觀測業(yè)務(wù)使用。