邵兵+?？?董寶磊等

摘 要：利用2014年本溪國家基本氣象站有效數(shù)據(jù)資料，將新型和備份2套自動氣象站逐時氣溫、氣壓等要素的觀測值進行了對比分析和探討，并根據(jù)相關(guān)標準對本溪氣象數(shù)據(jù)資料進行評估。結(jié)果表明：2套自動氣象站數(shù)據(jù)較為完整，缺測率較低，表明自動站設(shè)備較為穩(wěn)定。通過差值分析2套數(shù)據(jù)的差異，大部分要素差值小，數(shù)據(jù)一致率較高，粗差率和超差率較低，個別要素差異略大的原因可能與儀器的型號、性能有關(guān)，但檢驗中大多符合相應(yīng)的規(guī)范要求。2套站自動觀測數(shù)據(jù)可互相替代，從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性，大大提高了數(shù)據(jù)觀測的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新型自動氣象站；備份自動氣象站；數(shù)據(jù)評估；差異性分析

中圖分類號 P415.12 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）15-137-03

Difference Analysis of New Type of Automatic Weather Station and Backup Weather Station Data

Shao Bing et al.

（Meteorological Bureau of Benxi City，Benxi 117000，China）

Abstract：Using the valid data of Benxi national basic weather stations in 2014，air temperature and air pressure from the new type of automatic station and the backup of automatic station were analysed and discussed，and according to the relevant standards，Benxi meteorological data were evaluated. The results show that the two sets of automatic meteorological station data is relatively complete，lack of measurement rate is low，which indicates that automatic station equipment is relatively stable. Through the analysis of the difference between the difference of two sets of data，most of the elements of difference is small，the reason of the difference slightly may be associated with the performance of the instrument，most of the elements meet the requirements in the inspection. Two sets of automatic station observation data can replace each other，so as to ensure the integrity of the data，greatly improving the quality of observation data.

Key words：New type of automatic weather station；Backup of automatic weather station；Data evaluation；Variance analysis

隨著我國氣象自動化的發(fā)展，本溪國家基本氣象站于2002年完成了自動氣象站建設(shè)任務(wù)，使用的儀器是長春氣象儀器有限公司的DYYZ Ⅱ型自動氣象站，經(jīng)過2a的業(yè)務(wù)對比觀測時期，于2005年正式進入單軌運行，大大提高了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。但單套自動站運行穩(wěn)定率較差，因傳感器基點漂移或電磁干擾等造成要素觀測值異常[1-3]，缺少同要素正常數(shù)據(jù)對比，不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)異常情況，而人工補測數(shù)據(jù)有限且差異較大。伴隨著全國地面氣象觀業(yè)務(wù)改革的不斷深入，對自動氣象站技術(shù)進行升級換代，2013年5月在原有臺站觀測場內(nèi)因地制宜建立了標準新型自動站，采用的儀器設(shè)備是華云升達（北京）氣象科技有限公司的DZZ5型自動氣象站，并于2013年6月正式投入運行，DYYZ Ⅱ型自動站作為備份自動站被保留下來。當(dāng)標準新型站（DZZ5型）出現(xiàn)故障時，按規(guī)定要求及時啟用備份站（DYYZ Ⅱ型），從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性。但由于設(shè)備廠家、型號不同，2站數(shù)據(jù)是否存在差異，替代時2站數(shù)據(jù)是否連續(xù)，本文對此進行了深入的研究探討。

1 統(tǒng)計資料的來源

本文所用數(shù)據(jù)為本溪標準新型自動站（記為A站）、備份自動站（記為B站）2套設(shè)備2014年1～12月逐小時觀測值，A站數(shù)據(jù)缺測率為0，B站數(shù)據(jù)缺測率為0.13%（6月11日缺測1～11時），缺測數(shù)據(jù)按[4-5]，故各要素統(tǒng)計的有效樣本個數(shù)為8 749個。分析主要涉及的要素有氣壓、氣溫、相對濕度、地溫等要素。

2 分析方法

常用數(shù)據(jù)差異性評估方法[6-11]包括對比差值、差值平均值、差值標準差、一致率、粗差率、超差率等。以上各評估指標及評估參考標準依據(jù)自動氣象站功能書[12]而定。

2.1 對比差值及其平均值 Ai為標準新型自動站某要素第i次觀測值，Bi為備份自動站（記為B站）某要素第i次觀測值。Xi為某要素第i次對比差值（A站觀測值減去B站觀測值）。設(shè)2種觀測儀器對比觀測有效樣本數(shù)為n，則對比差值的平均值為：[Xi=Ai-Bi]，[X=1n-1i=1nXi]。

2.2 差值標準差 設(shè)對比差值標準差為σ，σ反映了A、B2站之間偏差的離散程度，則有：[σ=1n=1i=1nXi-X21/2]。

2.3 一致率 一致率表示A、B2站數(shù)據(jù)相一致的程度[18]，將對比差值小于等于標準差的2倍的即認為一致。一致率（%）=[一致次數(shù)有效樣本數(shù)×100]。

2.4 粗差率 粗差率反映了A、B2站數(shù)據(jù)異常值的多寡[19]，當(dāng)[X-Xi]>3σ時，視為粗差。粗差次數(shù)計算方法：先根據(jù)全部數(shù)據(jù)計算σ，逐個檢查對比差值，若有[X-Xi]>3σ時，剔除其中一個最大者，再按計算標準差的公式計算新的σ，若還有差值[X-Xi]>3σ者，再剔除其中的一個最大者，然后計算新的σ，直到無數(shù)據(jù)需要剔除為止。

2.5 超差率 結(jié)合要素以及儀器的性能分析，將自動氣象站測量值超過儀器探測靈敏性規(guī)定的最大允許誤差2倍的百分比定義為超差。其中各要素差值最大允許誤差為：氣溫0.2℃，相對濕度5%，氣壓0.3hPa，地溫0.3℃。超差率（%）=[超差次數(shù)有效次數(shù)×100]。

3 自動站數(shù)據(jù)資料的分析評估

3.1 差值的分析 對比差值直接反映了A、B2站間的偏差，其廣泛應(yīng)用于氣溫、氣壓、相對濕度、地溫等各要素的分析。根據(jù)相關(guān)文獻確定觀測要素數(shù)據(jù)資料評估的參考值，A、B站各觀測要素對比差平均值見表1。由表1可知，就均值而言，大部分要素差值的均值較小，且在最大允許誤差范圍內(nèi)。

表1 A、B站各觀測要素對比差

[項目要素＼&A、B站差值均值＼&最大允許誤差（±）＼&氣溫（℃）＼&-0.23＼&0.2＼&相對濕度（%）＼&2.22＼&5＼&氣壓（hPa）＼&0.03＼&0.3＼&地溫（℃）＼&0.55＼&0.3＼&]

3.2 各要素差值數(shù)值特征 對所有資料樣本進行統(tǒng)計計算，2014年本溪A、B站大部分要素一致率較高，粗差率低，表明2站數(shù)據(jù)較為一致（表2）。

表2 A、B站各觀測要素差值數(shù)值特征描述

[項目要素＼&樣本數(shù)＼&標準差＼&一致率（%）＼&粗差率（%）＼&超差率（%）＼&氣溫＼&8749＼&0.14＼&65.0＼&3.5＼&6.5＼&相對濕度＼&8749＼&1.30＼&95.6＼&0.3＼&0.5＼&氣壓＼&8749＼&0.05＼&99.8＼&0.2＼&0＼&地溫＼&8749＼&1.74＼&93.4＼&13.4＼&34.7＼&]

從一致率上看，相對濕度、氣壓、地溫一致率較高，雖然氣溫一致率僅為65.0%，但一致率并不能完全反應(yīng)差值之間的差異性，事實上氣溫的差值大多集中在-0.5℃，

-0.4℃，-0.3℃，-0.2℃，-0.1℃，0℃（圖1），而其2倍標準差為0.28，即認為差值絕對值≤0.28℃的為一致，其中一致次數(shù)僅為5 688個，而-0.3℃樣本個數(shù)高達1 799個，0.3℃樣本個數(shù)為3個，從而導(dǎo)致整體一致率下降。如果把氣溫差值絕對值為0.3℃（氣溫僅保留一位小數(shù)，可把0.28≈0.3）的樣本也認為是一致的，則一致率可達85.6%。

圖1 本溪A、B站氣溫差值的頻次分布

從粗差率上看，地溫的粗差率較高，而氣溫、相對濕度、氣壓粗差率均較小，其中相對濕度、氣壓的要素粗差率為0.3%、0.2%。從氣壓直方圖上看（圖2），差值基本在±0.1℃，其均值為0.03hPa，即A站值略高于B站。由標準差為0.05可以看出，差值比較穩(wěn)定，變化幅度小，兩者離散程度較好。由圖2可知，氣壓差值為0.0hPa，共有5 763個樣本，在±0.1℃，共有8 729個，占99.8%，表明A、B站氣壓變化大致相同，且無異常值。

圖2 本溪A、B站氣壓差值的頻次分布

3.3 差值日變化趨勢 根據(jù)北方氣候特點，將6、7、8月份作為夏季，1、2、12月作為冬季。利用公式計算A、B站24次0cm地溫觀測資料的每一時次的對比差年（月）、夏季、冬季平均值。根據(jù)計算結(jié)果繪制出本溪2014年夏季、冬季以及年0cm地溫對比差值均值的逐時變化（圖3），從圖3可看到，夏季和年地溫差值均值變化的時間區(qū)間基本一致，6：00～20：00期間的對比差值是夏季明顯高于全年，冬季差值成負值，與夏季、年差值變化正相反。而21：00～06：00期間的對比差值三者變化不大，且趨勢大致相同。這種變化說明A或B站存在明顯的日變化規(guī)律，主要原因可能由于儀器周邊存在光源、熱導(dǎo)體、電磁場等物質(zhì)的干擾，或是儀器本身受到太陽輻射及下墊面介質(zhì)分布不均影響所致。通過對A、B站差值日變化的監(jiān)控可發(fā)現(xiàn)這種變化規(guī)律，對異常數(shù)據(jù)及時監(jiān)控處理，從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖3 本溪A、B站0cm地溫差值均值日變化

4 小結(jié)

（1）通過對上述資料評估結(jié)果表明：2014年華云站（A站）無缺測，長春站（B站）數(shù)據(jù)缺測11時次，2站同時運行可明顯降低缺測率。換而言之，當(dāng)一套設(shè)備（A站）出現(xiàn)故障時，可及時啟用備份站設(shè)備（B站）替代，從而保證了數(shù)據(jù)資料的完整性。這種運行模式不僅能大大提升觀測自動化水平，減輕觀測員值班強度，更重要的是能夠提高觀測數(shù)據(jù)的準確性，但也相應(yīng)的增加了儀器采購、維護等運行成本。

（2）從數(shù)據(jù)差異性評估來看，A、B站大部分觀測要素（氣溫、相對濕度、氣壓、深層地溫等）等觀測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，差值小，尤其是氣壓一致率極高，粗差率幾乎為0，無異常數(shù)據(jù)。但個別要素差（地溫）差異略大，其產(chǎn)生的差異可能是長春站儀器運行時間較長，DYYZ Ⅱ型儀器設(shè)備自身形成的系統(tǒng)偏差。由此表明，A、B站數(shù)據(jù)可互相代替，大部分數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定性、連續(xù)性較好。

（3）0cm地溫差值均值的日變化規(guī)律表明，受太陽輻射及下墊面的影響，06：00～20：00期間的對比差值，本溪夏季差值均值明顯大于年差值均值，兩者具有比較一致、穩(wěn)定的變化趨勢；而冬季差值均值呈相反趨勢。初步考慮可能受特殊的小氣候影響、儀器自身系統(tǒng)誤差等，影響的具體氣候因子或是其它原因有待于進一步研究。

（4）鑒于本文所采用的數(shù)據(jù)時間較短，站點單一，故對于部分數(shù)據(jù)結(jié)論還有待于進一步的討論研究。

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（責(zé)編：張宏民）