王新德

（昌吉水文勘测局，新疆 昌吉 831100）

1 基本情况

开垦河发源于天山东段北坡，径流的主要补给源为大气降水、中低山带的季节性积雪融水、地下水以及高山冰川融水。主要由大东沟、大西沟、及其它19 条支流组成，实测多年平均年径流量为1.630×108m3，最大年径流量为2007 年的2.625×108m3，最小年径流量为1974 年的0.8460×108m3。

开垦河水文站是开垦河小河站，属省级重要水文站和中央报汛站，设于1956 年10 月。开垦河水文站蒸发场位于出山口地带，海拔高度1502 m，蒸发场规格为16 m×20 m，区域代表性较好。障碍物两侧方位角之差所占整个圆的百分比为11.1%，折实系数0.6，遮挡率为6.3%。

蒸发是大气水文循环的重要环节,蒸发量大小对当地水资源可利用量起决定性作用,同时蒸发量的变化趋势对水资源可利用量也有直接影响。影响蒸发的主要因素是蒸发面性质、供水条件和气象因素。对相同性质的蒸发面，蒸发则取决于供水条件和气象因素[1]。其中气象因素包括温度、气压、湿度和风，最主要的气象因素是地表温度和相对湿度。由此可见，地表温度的准确性对蒸发的准确性有很大影响。

自动气象站具有获取资料时效性、时间分辨率高特点，它主要能读取和存储每分钟大气中的温度、湿度、气压、风和降水等的数据变化。TRM-ZS9 型中尺度自动气象站是按照国际气象WMO 组织气象观测标准研究开发生产的多要素自动观测站，可监测风向、风速、温度、湿度、气压、雨量、土壤温湿度等常规气象要素，具有自动记录、报警和数据通讯等功能，可以在室外无人环境工作，本地通讯和远程通讯可同时应用，充分保障自动站稳定性和可靠性。同时TRM-ZS9 型中尺度自动气象站配置灵活，可灵活增加或减少测量的气象要素，适应特定观测的需要，适宜大规模组网，同时支持远程维护。

2 比测方法及资料选取

比测采用同步观测方法进行，每天8：00、14：00、20：00 人工观测百叶箱内干球温度时，同时调取TRM-ZS9 型中尺度自动气象站记录环境气温，资料选取比测时段2019 年1 月1 日至6 月30 日数据。

3 分析方法及结果

3.1 相关分析

通过自动气象站记录的环境气温和人工同步观测的气温数据系列建立相关关系，分析相关性和变化是否连续、有无突变现象。

根据分别点绘的8：00、14：00、20：00 人工观测与自动气象记录环境气温相关图分析，两个气温数据系列变化连续，无突变现象。各时段观测气温数据密集成一带状，均呈线性关系，相关性很好，R2 值见图1、图2、图3。

图1 开垦河（三）站8：00 人工观测与自动气象记录气温相关图

图2 开垦河（三）站14：00 人工观测与自动气象记录气温相关图

图3 开垦河（三）站20：00 人工观测与自动气象记录气温相关图

3.2 差值分析

气温作为常规地面气象观测的基本要素之一，其观测方法和误差直接关系到预报精度和对大气过程的理解。开展不同气温观测系统间的对比和分析，保证观测数据的准确性、可靠性和一致性，对有气温作为影响因子的科学研究和应用具有重要意义。

目前我国气象台、气象站主要的温度测量仪器有两种：温湿传感器和玻璃水银温度表。造成地面气温观测误差的主要原因有3 种：仪器变化、太阳辐射和通风影响。

传感器的性能会系统性影响温度的准确性。TRM-ZS9 型中尺度自动气象站温度测量范围为-40～+80℃，分辨率为0.1℃，准确度为±0.2℃。温度传感器带来的误差主要来源于3个方面：1）对温度传感器信号的处理引入的误差。对信号放大、补偿、修正后产生的失真；例如有的温湿敏元件温度系数是个变量，常温下补偿后，高温时仍有误差。2）温度传感器、变送器在校准，标定时产生的误差。温度传感器在工作室停留位置不同产生的误差，平衡时间不够或难以达到平衡产生的误差。标定设备的干燥系统、饱和系统不理想，设备的压力、温度丈量控制不准。3）温度传感器的稳定性会随时间而变化。一方面由于敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值对温湿度响应的离散性；另一方面由于信号转换产生误差：即阻值、容值转换为电压、电流信号时产生。因此，在实际使用过程中，不能仅仅依赖于选用高质量高精度的优质温度传感器，重视温度传感器的使用技术和误差分析修正更是提高测量精度的可靠保证。

不洁白百叶箱会系统性影响气温观测的精准性。百叶箱是安装温、湿度仪器用的防护设备。作用是防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，并使仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。白天，空气对太阳辐射的吸收能力弱于任一种温度感应元件；夜晚，空气的红外辐射能力又弱于任一种温度感应元件的表面。任何直接暴露在空气中的测温元件，其测量值在白天将系统偏高于气温，夜间则系统偏低。为避免这种辐射误差，必须对测温元件采取有效的辐射屏蔽措施。不洁白百叶箱由于颜色较深导致吸收不同波长的区间变大，吸收的太阳辐射和地面辐射的能量更多,而洁白的百叶箱箱体会反射更多的太阳辐射和地面辐射，因此不洁白箱体温度高于干净洁白的百叶箱箱体温度,从而导致两种百叶箱箱内的气温不一样,观测结果也就存在差异。在无日照阴雨天气里，2 个百叶箱内干球温度记录无差别。另外,温度表或传感器本身附着灰尘等杂物,也会使温度表滞后系数增大,使观测记录到的温度不能真实反映实时温度[2]。人工观测百叶箱与自动气象站百叶箱存在色差，箱体洁白程度会带来两种仪器的测量误差。

风作为重要的气象要素之一，可以直接反映出大气环流的特征，流经百叶箱的风促使百叶箱内部空气产生对流，影响百叶箱内外热辐射传输，因此区域风速的变化对百叶箱内部流场有很大影响，流经温度表或传感器的风速是决定百叶箱气温测量精度的主要因素之一。研究表明，受长方体结构特征以及侧面叶片导流的影响，百叶箱内部风场具有明显的非均一性特征，在水平剖面和垂直剖面上分别出现明显的梭形流场和环形流场；百叶箱对环境空气的流动具有明显的阻挡作用，平均相对风速减小率在箱体中轴线上存在明显的垂直差异。结果表明，自然通风型防辐射装置和强制通风型防辐射装置的内外温差存在较大的差异，强制通风型防辐射装置间的内外温差较小；并且良好的通风可以有效地减小仪器的观测误差[3]。由此可知，百叶箱结构会影响内部风场特征以及通风情况，从而影响温度的精准性。人工观测百叶箱与自动气象站百叶箱在体积、结构都存在较大差异，需要考虑风速带来的两种仪器的测量误差。

根据以上理论，将自动气象站同步记录的环境气温减去人工观测气温得到差值在剔除异常数据后对数据进行分析，下文简称为差值。

为研究传感器本身特性，主要研究传感器在不同温度段里的精确性，排除风速和阳光辐射的影响，以0℃为界限，因为在0℃以下时，开垦河水文站在20：00 太阳基本已经落山，可以忽略阳关辐射影响。因此选取1 月～6 月风速小于1.0 m/s、晴天、气温低于0℃的20：00 气温共44 条，平均差值为0.18℃；风速小于1.0 m/s、晴天、气温高于0℃的20：00 气温共97 条，平均差值为0.11℃，两者平均差值相差0.7℃，由此可知，传感器在不同温度区间存在系统误差。因为传感器在不同温度区间所带来的误差趋向是相同的，都为正值，不影响研究风速和太阳辐射对温度观测的影响时的定性结果，所以下列不同温度区间的数据不做区别分析。

为研究太阳辐射对温度观测的影响，需要控制风速变量，在三个观测时段中，14：00 的太阳辐射最强烈，8：00、20：00 的太阳辐射处于弱和无的情况，是比较理想的对比时段，但是8：00 风速超过1.0 m/s 较多，因此选取20：00 的观测温度作为对比组。选取1 月～6 月风速小于1.0 m/s、晴天14：00 气温共87 条数据，平均差值为0.24℃；风速小于1.0 m/s、晴天20：00气温共108 条，平均差值为0.16℃，两者平均差值相差0.8℃，由此可见，太阳辐射会带来比较明显的差异。

为研究风速对温度观测带来的影响，需要排除太阳辐射的干扰，所以选取1 月～6 月有降水日期内的数据，在此基础上，日平均风速小于1.0 m/s 共27 天81 条数据，平均差值为0.19℃；日平均风速大于于1.0 m/s 共14 天42 条数据，平均差值为0.18℃，两者的平均差值相差0.1℃，基本相同，由此可以忽略风速对两者温度观测带来的影响。

4 结语

根据以上相关分析和差值分析结果可知，人工观测与TRM-ZS9 型中尺度自动气象站观测的气温数据相关关系很好，R2值均在0.99 以上，满足《地面气象观测规范》[4]的规范要求。由风速带来的误差可以忽略，阳光辐射带来的误差较大，传感器在不同温度区间存在系统误差。

为减少自动气象站长系列温度观测的误差，建议对晴天14：00 气温观测值进行订正，对以0℃为分界的两个温度区间的温度观测值进行订正。为方便统一起见，也可对所有观测数据进行订正，订正值为所有差值的均值。按期在有代表性地时间段里进行比测率定出订正值，例如北方地区1 月份和6 月份。使用时间越久，比测的时间间隔宜相应的缩短。通过分析，TRM-ZS9 型中尺度自动气象站可以在水文站使用。