黄立丹王俊骄朱耀福董 哲

1.杭州市气象局，浙江 杭州 310015 2.建德市气象局，浙江 建德 311600

杭州地区自动和人工观测资料差异特征分析评估

黄立丹1王俊骄1朱耀福1董 哲2

1.杭州市气象局，浙江 杭州 310015 2.建德市气象局，浙江 建德 311600

随着我国大气探测现代化水平的不断提高，自动气象站日趋完善，浙江省杭州地区地面观测于2003年1月1日起启用自动站，2005年实行单轨业务运行至今已有7年，有效地提高了观测效率和观测数据的连续性和准确性, 但它与人工观测时间和仪器存在一定的差异导致与人工观测站资料存在着一定的差异。因此, 通过统计对比分析, 找出它们之间的相互关系, 使自动气象站资料和人工观测站资料更好地衔接。本文从气候学角度, 运用国家气象局统一下发的《自动观测和人工观测资料对比评估方案》对自动和人工观测的气温、相对湿度、降水和风等四大气象要素差异特征进行评估分析, 检验全市7个国家观测站的气温、相对湿度、降水和风等四大气象要素自动替换人工观测后对历史资料序列连续性的客观定量影响情况，对提高杭州地区气象要素气候系列连续性以及气候统计的可靠性有着重要作用。

1 资料来源与处理

1.1 资料来源

比对评估数据来源为全市7个国家级台站地面观测资料，其中基准站1个，基本站2个，一般站4个。

杭州地区于2003年1月启用自动站，2003.1～2004.12为平行观测对比期，其中2003.1～2003.12以人工站观测为主，自动观测为辅；2004.1～2004.12以自动观测为主，人工观测为辅。 本文对比评估的数据源为各站审核后的A文件、A0文件、A6文件、V0文件等。比对评估所需数据的时间段为：

（1）自动站数据文件的起止时间均为2004.1～2004.12， 02: 00、08: 00、14: 00、20: 00 (北京时: 下同)相应要素。

（2）人工站数据文件为1991.1～2003.12间的A1（基准站）文件和A0（基本站和一般站）文件中，02: 00、08: 00、14: 00、20: 00的相应要素。

1.2 资料处理

平均值为02: 00、08: 00、14: 00、20: 00观测值的平均, 差值为自动观测值减人工观测值。

1.3 使用仪器

我市自动站采用的观测仪器总体上可分两种类型，杭州基准站使用的是华创CAWS600SE系列的仪器，其余各站使用的均是无锡ZQZ-CII系列的仪器。压、温、湿、风、雨量等传感器型号，具体见下表1。

表1 杭州市各台站自动站传感器型号表

2 要素及对比分析项目

2.1 要素

本文比对分析评估的要素有：（1）气温：日平均气温、日最高气温、日最低气温；（2）相对湿度：日平均相对湿度；（3）风：2分钟的日平均风速、10分钟日最大风速。（4）雨量：日降水总量。

2.2 对比分析项目

本文比对分析评估的项目为对比差值、差值平均值、差值标准差、雨量累计相对差值、风向相符率、自动与人工观测数据差异的显著性检验。其中（1）日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速、日最大风速分别参加各月差值平均值、对比期差值平均值和差值标准差的分析；（2）雨量仅进行对比期累计相对差值的统计；（3）定时观测的10分钟风向进行对比期相符率统计；（4）参加对比差值分析的为《地面气象月报表数据文件查询软件》统计的下列要素项目的月值和年值：平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速、最大风速；（5）平行观测期第2年的要素数据进行月平均值和年平均值的显著性检验，具体要素有：平均气温、平均最高气温、平均最低气温、平均相对湿度、平均风速、最大风速。

3 对比分析评估主要内容

3.1 差值平均值分析评估

3.1.1 对比差值和差值平均值的计算

设Ui为第i 次自动站观测值，Ai为第i次人工观测值，则第i 次的对比差值为：

设两种观测仪器数据的观测次数均为n， 则对比差值的平均值为：

3.1.2 全市差值平均值平均状况

分析2004.1～2004.12对比期间我市的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速、日最大风速等共6个要素的对比期差值平均值，对比期平均差值通过自动观测值减去人工观测值的差值日平均值对比差值求平均而得，具体见表2。

表2 全市2004.1～2004.12各台站各要素对比期差值平均值表

对对比分析评估来说，差值平均值越小越好。从上表2中可知，全市平均来看自动观测值小于人工观测值的有日平均气温和日平均相对湿度二个要素，自动观测值大于人工观测值的有日最高和最低气温、日平均风速和日最大风速四个要素。对气温来说，气温的日平均自动观测小于人工观测，但其极值却相反。其中最低气温的差值大于最高气温的差值，说明自动测量的最低极值序列偏向于低值方向，即说明对极值的测量自动观测方式更易于突破最低气温历史极值记录，但不易突破最高气温历史极值记录。对风速来说，由于日平均风速是2分钟的平均值，而日最大风速是10分钟的平均值，所以两者不能直接相比较只能说明自动观测值大于人工观测值，且自动观测更易突破风速历史极值。对相对湿度来说，自动观测值小于人工观测值，与实际业务观测中是相符的。其中日平均相对湿度的差值平均值绝对值是最大的，达到了3.59，表明自动与人工两种观测方式的真值距离最远。其次是日最大风速，达到了0.35。差值平均值最小的是日最高气温和日平均气温，说明两种观测方式的真值最接近。

3.1.3 差值平均值空间分布特征及原因

全市各台站各要素对比期差值平均值空间分布特征见下表3和图1。

表3 全市2004.1～2004.12各台站各要素对比期差值平均值分布表

图1 全市各要素对比期差值平均值的空间分布图

从全市各要素对比期差值平均值的空间分布表和图中，对分布特征及特征原因分析如下：从全市差值平均值绝对值来看并无明显的特殊原因，分析引起差异的主要方面有（1）是仪器结构、材质、性能之间存在不同，如杭州站采用的华创CAWS600SE系列的传感器，除了日最高气温和日最低气温外其余各要素自动观测值与人工观测值的差值较小，而其它站均为无锡ZQZ-CII系列的传感器，差值相对较大。（2）是测量时间上不同步，对平均风速和最大风速等会有较大影响。（3）是仪器本身出现不明显的故障时，不易及时发现，从而影响数据，如萧山站在所有Ⅱ型自动站设备中，各要素差值基本超过全地区平均值，尤其是日最高气温、相对湿度、平均和最大风速。（4）是场地环境导致的差异，如淳安站可能是受千岛湖小气候影响，日平均风速和日最大风速差值较大，其余各要素差值均较小；又如富阳站除了日平均相对湿度差值较大外，其余各要素差值均较小。

3.2 差值标准差评估分析

3.2.1 差值标准差的计算 对比差值的标准差σ为：

3.2.2 全市差值标准差平均状况

对对比分析评估而言，差值标准差越小越好。从表4中可知，全市平均来看日平均风速的差值标准差最大，达到了0.44，表明其离散程度最严重。差值标准差最小的是日平均气温和日最低气温，说明其最聚集，波动最小。对气温而言日平均的标准差小于极值，说明自动与人工两种测量方式对日值的测量相较极值测量更为一致，换言之即对极值的测量其离散程度更严重一些，且最高气温的离散程度比最低气温大。从要素的物理性质来说，说明风速的瞬间变化幅度能力要强于气温。注意上述表3中差值平均值与表4中差值标准差并不呈现一一对应关系，因为前者是真值的一个近似，而后者描述的是其离散程度。

表4 全市2004.1～2004.12各台站和要素对比期差值标准差表

3.2.3 差值标准差空间分布特征

从全市各要素对比期差值标准差的空间分布表5和图2中，对分布特征及特征原因分析如下：1）台站的日平均风速离散程度最严重，这可能是观测时间的不同步造成，人工站一般在正点前52-54分左右，而自动站采集的是正点前58-00分的资料。2）是地域差异造成。如杭州站和淳安站最大风速其离散程度最严重，尤其是杭州站，当瞬间风速较大时，一般在大于17米/秒时，人工站风速大于自动站。又如临安和淳安可能是地域差异造成最高气温离散程度的严重。

表5 全市2004.1～2004.12各台站对比期差值标准差空间分布表

图2 全市各要素对比期差值标准差的空间分布图

3.2.4 全市各台站各要素差值平均值频率分布特征图

全市7个自动站，对比期2004.1～2004.12的日平均气温、日最低气温、日最高气温、日平均相对湿度、日平均风速和日最大风速等各要素总频次（站次）均为2562次，具体各要素差值平均值频率（站次）分布图见图3至图8。

图3 日平均气温对比差值频率图

图4 日最低气温对比差值频率图

图5 日最高气温对比差值频率图

图6 日相对湿度对比差值频率图

图7 日平均风速对比差值频率图

图8 日最大风速对比差值频率图

3.3 雨量相对差值分析

从全市平均状况分析2004.1～2004.12期间所有站的累计雨量相对差值具体计算值可见一下表6。

表6 2004.1～2004.12对比期累计雨量相对差值表

从上表6中可知，全市各站累计雨量相对差值平均为1.78%(除临安外)，说明总体来说自动观测到的降水量略大于人工观测到的降水量。其中最大的临安站达到13.7%，说明临安站两种测量方式差异较为显著，自动测得的雨量明显偏多。而差值最小的杭州站只有0.60%，说明杭州站两种测量方式相符的较好。

3.4 风向相符率分析

只有自动站观测风速大于0.2m/s时，才参入统计风向相符率。

自动与人工仪器所测风向对应附表1中所给范围时，即认为两者相符。全市平均状况分析2004.1～2004.12期间所有站的风向相符率的平均状况可见下表7。

表7 2004.1～2004.12对比期风向相符率表

从上表中可知，全市各站平均风向相符率为64.7%，最大的富阳站达到77.0%，最小的淳安站为57.5%，说明各站之间的差异较大。除了测量仪器（如启动风速偏大等）以外，风向受观测场地的环境影响也较大，障碍物的高度、方位等会影响风向的测量。风向相符率偏小，分析可能原因是（1）是测量时间上不同步。（2）是仪器启动风速偏大。

4 自动与人工观测的月和年平均气温等6要素显著水平检验(t检验)

以1991.1-2003.12期间我市所有站的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、月平均相对湿度、月平均风速、月最大风速等6个人工观测要素数据为检验序列，对2004.1～2004.12期间的自动观测要素数据的被检验序列进行显著性检验，当显著水平a绝对值超过5%时认为存在显著差异。

在显著水平a为5%（1%），自由度为n时，当|t|>ta，则表示平均值x0与其他年份平均值差异显著。（ta取值见附表2）。

从检验结果分析，杭州地区各台站各月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、平均风速、最大风速等5个要素的月平均及年平均均通过显著性水平为0.05的显著性检验，说明2004.1～2004.12期间以上5个要素自动和人工观测的各月平均和年平均数据无显著性差异，而除淳安站月和年平均相对湿度通过显著性水平为0.05的检验外，其余各站月和年平均相对湿度通过率均未达100%，其中富阳站通过率只有41.67%，其次是临安站为66.67%，说明2004.1～2004.12期间除淳安站外全市各台站的月和年平均相对数据差异较为显著，可见下表8和表9。

表8 杭州各台站各月各要素值显著性检验通过比率（T0.05（13）=2.16）

表9 杭州各台站各要素年平均值显著性检验（T0.05（13）=2.16）

5 原因分析

对杭州地区7个各站对比期差值平均值绝对值最大站的分析表明，其除了仪器故障外并无十分明显的特殊原因，分析引起差异的主要方面有（1）是仪器结构、材质、性能之间存在不同。（2）是测量时间上不同步，如风人工观测一般在正点前6-4分钟进行，而自动站则为正点前2-10分钟进行（平均风速为2分钟，最大风速为10分钟），雨量人工为正点前15-10分钟观测，而自动站为正点进行，故对风和雨量会有较大影响。（3）是仪器本身出现不明显的故障时，不易及时发现，从而影响数据。（4）是场地环境导致的差异，当某个方位有特定的障碍物时（如围边的树等）会有影响。另雨量存在差异除了仪器故障外主要还有以下几个方面：（1）是冬季固态降水时因缺测而使总量减少，但人工站仍可以用称量法取得降水，如临安站由于冬季固态降水比其它站出现的频次高，故雨量相对差值较大。（2）是雨强很大时，延迟与堵塞会使自动与人工之间出现较大差异。

6 评估结论

就杭州地区2004.1～2004.12期间7个站的评估分析情况来看，全市平均值主要有以下几点结论：（1）日最高气温、日最低气温、日平均风速、日最大风速四个要素全市平均来说自动观测值大于人工观测值。日平均气温和日平均相对湿度二个要素全市平均来说自动观测值小于人工观测值。其中日平均相对湿度的差值平均值是最大的，达到了3.59，表明自动与人工两种观测方式的真值距离最远。其次是日最大风速，达到了0.35。差值平均值最小的是日最高气温和日平均气温，说明两种观测方式的真值最接近。（2）对气温来说，气温的日平均自动观测小于人工观测，但其极值却相反。其中最低气温的差值大于最高气温的差值，说明自动测量的极值序列偏向于低值方向，即说明对极值的测量自动观测方式更易于突破最低气温历史极值记录，但不易突破最高气温历史极值记录。（3）对风速来说，由于日平均风速是2分钟的平均值，而日最大风速是10分钟的平均值，所以两者不能直接相比较，只能说自动观测值大于人工观测值，且自动观测更易突破风速历史极值。（4）对相对湿度来说，自动观测值小于人工观测值，与实际业务观测中自动站湿度传感器在长时间处于高湿状态时不易下降的经验是相符的。（5）离散程度最严重的是日平均风速，其差值标准差达到了0.44。差值标准差最小的是日平均气温，说明其最聚集，波动最小。对气温来说，日平均的标准差小于极值，即对极值的测量其离散程度更严重一些，且最高气温的离散程度比最低气温大。（6）对雨量来说，全市各站累计雨量相对差值平均为1.78%(不包括临安站)，说明总体来说自动观测到的降水量略小于人工观测到的降水量。其中最大的临安站达到13.70%，说明自动测得的雨量明显偏小，据分析和了解为仪器故障和固态降水所至。（7）对风向来说，全市各站平均风向相符率为64.7%，最大的达到77.0%，最小的为57.5%，说明各站之间的差异很大。除了测量仪器以外，风向受观测场地的环境影响也较大，障碍物的高度、方位等会影响风向的测量，且测量时间上也存在差异。

7 建议

根据上述评估分析情况，建议为：（1）加强仪器的检定和维护，仪器原因造成的偏差若非十分明显，台站往往不易发现，或持续较长时间以后才能发现，以致影响观测数据质量。（2）自动与人工两种观测数据之间存在差异是必然的，建议每月给出一张月平均值的差异表（目前我市各台站仍在制作和上报），超出时可以联系检定部门及时检查，以便能较早发现仪器偏差。（3）若取消人工观测，最好给自动站安装三探头感应器或三套仪器同时观测，才能在确保观测数据质量的同时真正解放测报人员劳动力。

附表1 自动与人工仪器所测风向对应范围表

附表2 显著水平为a，自由度为n时的t检验临界值ta

[1]中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 北京:气象出版社, 2003.

[2]浙江省自动观测和人工观测资料对比评估报告

[3]注：上文图中的差值和差值标准差除平均相对湿度外，其它5要素均为扩大10倍绘制

The Analysis and Evaluation of Different Characteristics of Automatic Station and Artificial Station Observation Data of Hangzhou Area

Huang Lidan1, Wang Junjiao1, Zhu Yaofu1, Dong Zhe2
1.Hangzhou Meteorological Bureau ,Hangzhou 310015; 2.Jiande Meteorological Bureau, Jiande 311600

本文利用2004.1-12全市7个国家人工站和自动站观测资料，通过对比差值、差值平均值、差值标准差、雨量累计相对差值、风向相符率、数据差异的显著性检验等方法，分析自动代替人工观测后，气温、相对湿度、风和降水等四大要素的时间和空间差异情况。结果表明, 全市的日最高气温、日最低气温、日平均风速、日最大风速等四个要素的自动观测值大于人工观测值；日平均气温和日平均相对湿度二个要素的自动观测值小于人工观测值。

自动；人工；资料；分析

According to the observational data from seven national artificial and automatic stations in 2004, this article analyses time and space disparities of four factors, temperature, relative humidity, wind and precipitation, after automatic station replaced artificial station by contrasting difference value, mean value of difference value, standard deviation of difference value, relative difference value of accumulated rainfall, wind direction consistent rate and significance tests of the data difference. The research result reveals that, on the whole, the automatic observed value of the daily maximum temperature，the daily minimum temperature, the average daily wind speed, and the daily maximum wind speed are greater than their artificial observed value; the automatic observed value of the average daily temperature and the average daily relative humidity are less than their artificial observed value.

automatic station；artificial station; observational data; analysis and evaluation

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.008