自动气象站与人工站观测结果差异及原因分析

2015-07-25钟超

陕西水利 2015年1期

钟超

（阿勒泰水文水资源勘测局新疆阿勒泰 836500）

人工观测仪器在我国气象观测中使用的时间较长，而自动站建立的时间较短，新疆目前采用自动站进行观测的为数不多，但是采用自动站进行气象观测是发展的必然趋势，所以自动站的观测数据质量如何控制、与人工站相比有何差异、人工站与自动站转型的过程中如何才能保证数据资料的完整性与连续性等问题必须引起人们的关注。由于各种原因，自动站与人工站观测数据存在一定差异是正常的，但是其差异超出规定标准时，必须针对差异找出原因所在，以提高自动站与人工站观测记录的准确性。

1 基本资料

本文选取新疆同时拥有自动观测系统和人工观测系统的19个测站2011年与2012年两年的观测数据进行对比分析。为了把复杂问题简单化，暂且将人工观测数据作为参考标准，然后用同时刻、同站点的自动观测值减去人工观测值，通过分析找出两类观测数据之间的误差是否达到了气象业务所允许的程度。文中所使用的自动观测数据均进行了定时自动采集、传输、计算和存储，以确保地面自动气象业务的正常运行和气候资料的连续使用，并保证了自动观测资料与人工观测资料的有机衔接。

2 观测结果差异分析

2.1 气温

2.1.1 气温差异分布特点

从表1可以看出，2012年自动观测与人工观测的年气温平均差比上年低0.08℃，2012年有10个月气温平均差值小于上年，这说明2012年自动观测气温结果更接近人工观测值，这与自动站运行一段时间后，仪器趋于稳定有很大关系。

2.1.2 资料处理

按照《地面气象观测规范》规定，人工观测数据与自动观测数据的气温差值应该＜1.0℃，也即人工观测数据与自动观测数据的气温误差如果不超过1.0℃的话，无需进行差异订正。为了进行详细分析，需要将各月“某日自动观测最高（低）气温-该日人工观测最高（低）气温≥1.0℃”的天数进行统计，见表2。

据上表，2011年和2012年内，每月不正常记录均未超过6d，完全符合《地面气象观测规范》要求，这说明自动观测和人工观测数据具有很好的相关性，而且通过分析“各日自动观测最高（低）气温-该日人工观测最高（低）气温”的差值，可以确定各月最高最低气温的最大差值范围。经分析，各月自动观测的最高最低气温均高于人工观测结果。

表1 新疆某测站自动观测与人工观测的气温平均差表单位：℃

表2 测站“自动观测最高（低）气温-人工观测最高（低）气温≥1.0℃”的天数表单位：天

2.2 降水量

2.2.1 降水量差异分布特点

在进行降水量观测时，一般以20:00作为界限，所以20:00既可以是某日观测的结束时间，也可以是下一日观测的开始时间。人工观测一般在正点前15min内进行，自动观测是在正点时采样。从下表可以看出，这种时间上的差异对降雨量观测值影响不大。

2.2.2 资料处理

（1）降水量的百分误差

降水量的百分误差用来表示人工观测值与自动观测值之间的误差，主要是由于两种观测体制的差异、仪器精度不够等原因引起。按照《地面气象观测规范》的规定，降水量百分误差应保持在5%以内。

（2）缺测率

缺测率用来反应所研究测站的资料完整程度。缺测率越高，则资料完整程度越差。

为了对两类观测数据的差异进行分析，表4统计了降水量的缺测率与百分误差，可以看出，各测站缺测率均为0，说明降水资料较完整，有部分分布在高原地区的测站降水百分误差超过8%，其他测站降水误差在允许范围内。

从总体上来看，自动站与人工站降水量的差异比气温差异要大，主要是由于自动站与人工站两种仪器的差异及时间差异所造成。

3 产生差异的原因分析

3.1 设备差别影响

目前新疆人工站采用的是EL型风向风速计，风记录器则采用EL或EN型。众所周知，EL系列机械存在很多缺陷，最为突出的如部件多、精度差，在测风原理下，完全根据电流大小计算风速。而自动站风速传感器由于其构造不同，观测精度较高。综上所述，人工观测与自动站的仪器感应元件、测量原理、数据采样方式、精度等方面存在很大差异，这必然会造成观测结果差异，对于人工测站，观测数据是瞬时的；而自动测站各类气象要素是1min进行6次采样，去掉其中的最大值和最小值之后计算剩下的4次观测数值的平均值。但是当偶尔误差超过1.0m/s的话是无须处理的。

与自动测站所采用的设备仪器不同，普通雨量器由于其容器会吸附降雨，产生湿润误差。湿润误差的大小可以用下述公式判断：

式中，Δpω表示润湿误差的大小（mm）；

C1、C2表示在一次降雨量观测过程中承雨器与储水瓶的湿润误差（mm）；

n为湿润次数。

湿润误差的正常取值范围在0.05mm～0.3mm。雨量器内壁越光滑、口径越小、湿润误差便越小。

3.2 时间差影响

例如观察风速这个气象要素时，在2min风速观测中，一般没有人会整整进行长达2min的观测，所以人工站风速的观测为估计值。即使真正进行观测，由于个人因素的不同，其观测值也会存在或多或少误差。相反，自动站对风速的观测是通过采集器读取，故而较为真实。

3.3 特殊气象现象的影响

在出现强对流天气的情况下，各种气象要素变化很突然，人工站与自动站的观测时间一般相差不到5min，在这短短几分钟内，突变的气象因素定会导致人工站与自动站观测数据的不一致。这种不一致是对气象现象的真实反映，无须进行记录处理。

4 结语

综上所述，导致自动观测记录与人工观测记录差异的因素有很多，例如误读或输入错误、天气因素的影响、参数设置错误等会导致气压差值≥0.8hPa；设备日常维护不当不规范或损坏、时间擦痕、仪器故障等原因会造成温度差值≥1.0；时间差和仪器故障会引起风速差值≥1.0m/s等等，造成这些差异的原因主要是仪器故障。除此之外，其余绝大多数差异都是合理的，是由于两种观测体制的不同所造成。