浅析气象自动站对历史资料的连续性影响
【摘要】：随着科学技术不断革新，我国偏远地区较为广泛地使用了气象自动站来采集、观测气象资料。气象自动站的投入使用更新了大气观测的技术方式，但是气象自动站的气象观测与人工气象观测仪器原理不同、观测时间不同、采样方式和算法不同、观测时次不同，使得气象自动站采集的气象数据与人工观测数据存在一定差别。随着时间的推移，气象自动站采集、观测的气象数据与人工采集数据的产生的差异是气象观测工作值得重视的问题。气象自动站所采集的气象数据是否准确，对气象自动站的周期运转、修复气象数据检测程序、提高历史气象数据的连续性以及气象灾害预测的可靠性有重要作用。作者通过对西藏那曲地区气象自动站所观测的温度资料与即时记录的人工数据进行对比，分析气象自动站与人工数据的差异和变化规律，对气象自动站替换人工观测对温度历史资料的连续性影响进行讨论。关键词：气象自动站历史资料连续性影响
引言：
西藏那曲地区气象局经历了从军队建制到地方政府管理、再到地方政府和军队双重领导的演变。1981年自治区气象局开始对地、县级气象部门进行体制接收工作。那曲地区下辖嘉黎、班戈、索县、申扎、安多、比如气象站。1983年以后，那曲地区气象站实行以气象部门为主、气象部门和地方政府双重领导的管理体制；主要监理着以畜牧业为主的气象监测业务：大气探测、地面观测、牧气观测、酸雨观测、天气预报、防风灾、防旱灾、防雪灾等等。多年来，那曲地区气象局都在不断的加强对于气象自动站方面的技术建设，尤其是对牧区灾害天气的观测。由于灾害天气一旦出现，就会引起牧区群众生命和财产造成很大的损失。气象自动站是一种无人操作，能自动定时观测、发报或记录的地面气象观测站，能够自动采集、观测并存储地面气象数据的气象监测仪器。气象自动站可以通过Argos系统和全球电信系统进行实时上报，或者储存下所采集的气象数据留作日后传输。现在，太阳能电池板，风力涡轮机和移动电话技术使自动气象站能在供电网络和通讯网络外，透过无线型式传送资料。实施气象自动站观测灾害天气，能够为藏区群众生命财产安全起到很好的保障作用。1、资料的选取和处理
本论文中选取了西藏那曲地区安多气象站2012年1月至2013年7月共19个月的气象自动观测和人工观测的降水、湿度、气温三个气象数据。采用c语言对19个月的气象自动站数据和人工采集数据进行整理。因为2012年1 月至2013 年7 月期间，安多站是一般性气象站，凌晨2时人工气温和相对湿度为内插求得。为确保分析结果的正确性和科学性，凌晨2时观测数据不进入统计。根据气象数据对比观测期间观测资料评估技术方法，使用Fortran计算气温和相对湿度的气象自动站缺测率、对比差值、粗差率和一致率。
1.1自动站缺测率
自动站缺测率为自动站累计缺测次数与应观测次数的比值。计算公示为：
1.2 对比差值
设 Ui 为第 i 次人工观测值， Ai 为第 i 次新仪器观测值，则第 i 次的对比差值为：
观测次数均为 n，则对比差值的月平均值为：
式中 x 为对比差值的月平均值，xi为第 i 次的对比差值。
1.3 粗差率
粗差率是反映记录离散程度的量。粗差是指自动站与人工站观测数据的对比差值与月对比差值平均值之差的绝对值大于3倍标准差的数据。粗差率为粗差次数与样本的比值。设第i次观测值的对比差值为Xi，对比差值月平均值为X，对比差值的月标准差为σ，当|Xi-X|>3σ时，视为粗差。计算粗差次数方法：首先根据全部数据计算σ，逐个检查对比差值，若有|Xi-X|>3σ时，剔除其中一个最大者，再按计算标准差的公式计算新的σ，若还有差值|Xi-X|>3σ者，再剔除其中的一个最大者，又计算新的σ，……，一直到没有数据需要剔除为止。
1.4 一致率
一致率表示自动站数据局与人工观测数据相一致的程度。对比差值小于其平均值标准差2 倍的次数与有效总次数的比值为一致率。
1.5 评估项目标准
评估项目标准如表 1 所示：
表1 各数据评估项目标准表
2、资料数据结果分析
使用 FORTRAN语言编译程序进行计算得到各要素的统计和评估参数如表 2所示：
表2 各数据统计和评估参数
2.1 评估分析
对照表1与表2对气温和相对湿度两个要素进行分析，结果如下：
2.1.1 缺测率
评估数据为2012年1月1日至2013年7月 31 日共578日对比观测数据。每日分别取08、14、20三个时次的气温和相对湿度数据。样本总量为1734。气温有效样本1734，相对湿度因人工缺测 5 次，有效样本为1729。自动站气温和相对湿度的缺测次数均为 0，缺测率 0.0%。表明仪器运行状况非常好。
2.1.2 平均差
人工与自动站气温平均差为0.15℃，自动站气温较人工平均偏低0.15℃，相对湿度平均差为-3.02%，自动站相对湿度较人工平均偏大-3.02%。气温的平均差在标准值0.3以内，系统误差较小，仪器性能优越。相对湿度的平均差为-3.02%，超出标准值0.99%，表明相对湿度观测仪器性能有待于提高。
2.1.3 粗差率
气温的粗差次数42，粗差1.85%，在标准值3%以内，相对湿度粗差次数为32，粗差率为 1.36%，在标准值3%以内。表明仪器性能稳定，测量的数据有效可靠。
2.1.4 一致率
气温的一致率为76.58%，相对湿度一致率为56.28%，均低于标准值78%。表明应加强人工与自动仪器的校准。08时人工气温低于自动站气温，14、20时，人工气温高于自动站气温。20时人工气温与自动站气温相差较大。14时人工与自动相对湿度平均差值较08、20时小。气温和相对湿度的月平均差都有一定的周期性。气温月平均差的变化周期约为8个月，平均差在0.05-0.2之间做正弦式波动，这是仪器系统误差自然波动的结果。气温平均差有减小的趋势，表明仪器性能趋向改进。相对湿度的变化周期约为12个月，夏季平均差大，冬季平均差小。表现出显著的季节波动特征。相对湿度平均差有增大，表明仪器性能趋向变差。
3、气象自动站观测数据与人工观测气温数据差别和显著性差别原因
3.1气象观测仪器性能和工作原理造成的差别
气象自动站温湿度工作原理是通过气象要素的变化使传感器感应元件的电量产生变化，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选得出气象要素值；仪器的精密度高，数据从采集到生成处理按照统一的格式；并具有数据监控、自检、诊断等功能。
3.2观测的周围环境差别
不同的观测环境、人工操作误差和极端天气也可能是造成观测数据差异的主要原因。人工观测的气象数据可以产生误差的因素很多，例如低温时人工观测温度数据读取数据照明设备散热、人体接近温度表呼吸升温、人眼睛读取视差等原因，都会使观测温度数据发生细微变化。另外，人工观测时，会调试观测仪器，有时调试不当或者调试误差都有可能造成观测数据的差别。
【结束语】：
综上所述，作者认为在同一时段内的气象数据和气温资料，气象自动站数据与人工观测数据虽有一定差别，但是就平均值而言，细微的差别都在气象自动站差值允许的范围之内，然而有些月份的差值却在气象自动站差值的允许范围之外，所以气象自动站所采集到的年平均气温和年平均最低气温与历史资料存在差异，使得全年气温序列受到影响。气象自动站观测数据与人工观测数据的差别不是很明显，当两者同时使用时，所采用的气象数据还应该进行统一平均估算和修改。
参考文献：
[1]尹作晨.气象灾害监测预警系统设计与研究[J];环境科学,2012.
[2]中国气象局．地面气象测报业务系统软件操作手册［M］;北京气象出版社，2005.
[3]王成, 吴善材, 谢爱琼等.开平新旧气象站气象要素的差异性［J］;广东气象，2009.
