淺談自動站與人工觀測數(shù)據(jù)差異論文

淺談自動站與人工觀測數(shù)據(jù)差異論文

　　摘 要：自動站與人工觀測是收集氣象要素的兩大主要依據(jù)。由于儀器原理差異、觀測時空差異、采樣方式和樣本數(shù)差異、觀測時次差異等因素，這兩種觀測技術(shù)所獲取的氣象數(shù)據(jù)存在許多差異。本文著力從兩種觀測方式的區(qū)別入手，對南雄站觀測的數(shù)據(jù)進行整理與對比分析，以尋求提高觀測數(shù)據(jù)準確性與科學(xué)性的有效途徑。

　　關(guān)鍵詞：自動站 人工站  觀測數(shù)據(jù)  差異  南雄國家基準氣候站

　　地面大氣探測站在自動觀測站運行前，要進行兩年的氣象要素對比觀測。南雄國家基準氣候站直至目前，仍保留兩套大氣探測儀器設(shè)備，即自動站觀測儀器設(shè)備和人工觀測儀器設(shè)備。每日24小時人工站與自動站都需要定時觀測氣象要素值，并進行人工與自動站觀測數(shù)據(jù)對比，一般認為差異在合理范圍內(nèi)屬正常，反之即為疑誤記錄。

　　一、自動站與人工觀測的差異因素

　　1、儀器原理差異

　　自動氣象站中使用的氣象傳感器與人工觀測用的儀器在原理上是不同的。這些傳感器有較小的時間常數(shù)，可以觀測到大氣中比較小的有意義的波動，使得所得到的極值更具有代表性，如溫度極值、濕度極值、風(fēng)速極值等等。這些傳感器有較高的分辨率，人工觀測的風(fēng)向只有16個方位，而自動測站觀測的風(fēng)向為36個方位；這些傳感器有較高的測量準確度，如溫度傳感器（尤其是地溫傳感器）、風(fēng)傳感器、低溫下的濕度傳感器等等。

　　自動氣象站可以避免人工觀測中的主觀誤差與人工誤差，在人工觀測中，觀測員往往有習(xí)慣誤差，讀數(shù)時可能偶然出現(xiàn)大的讀數(shù)錯誤，測溫時人體對溫度的影響。2分鐘風(fēng)的平均值受人的主觀判斷影響，深層地溫人工觀測時，從地中取出讀數(shù)，由于受環(huán)境改變造成的誤差等，而這些問題在自動觀測中都是不存在的。這些都是自動優(yōu)于人工觀測，而兩者存在著本質(zhì)差異。

　　但是，自動氣象觀測也存在不足之處，尤其是在特殊天氣狀況下，如高溫、高濕的下的測濕，大雨以上降雨量的測量，被雪覆蓋下的地溫極值等都與人工觀測和真值有較大偏差。

　　2、時空差異

　　地面氣象觀測是在近地層中進行的，而在近地層中各氣象要素存在較大的時間和空間的波動，也就是說存在較大的梯度變化。

　　正點報《地面氣象觀測規(guī)范》要求，人工觀測在45-60分觀測云、能見度、空氣溫度和濕度、降水、風(fēng)、氣壓、地溫等；而蒸發(fā)可安排在40分至正點后10分鐘之間觀測。由于人工觀測是靠觀測員逐項進行的，時間跨度較大。

　　在一般情況下，人工觀測距正點的時間約是：溫度和濕度相差約8分鐘，風(fēng)向、風(fēng)速相差5分鐘；氣壓相差2分鐘；地溫至少相差10分鐘。在上述相差時段內(nèi)，氣象要素值會有不同程度的變化。從觀測中發(fā)現(xiàn)：夏季在氣溫上升時，觀測時間相差8分鐘，可造成0.2-0.3℃的差值,觀測地面0cm溫度時，在人工觀測時測站天頂無云，而在觀測后至正點前又有云移至天頂，遮擋太陽光，此時觀測數(shù)據(jù)有可能存在幾度之差。在人工站觀測降水時，人工觀測會有雨量損失等等。自動氣象觀測是在正點按氣溫、濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、地溫、日照、蒸發(fā)的順序幾乎是在瞬間完成的。

　　由此可見，由于兩種觀測體制在觀測時間上不同步，因此觀測結(jié)果必然會出現(xiàn)差異。

　　從空間上說，雖然自動氣象的各傳感器的安裝要求基本上與人工觀測相同，但其安裝地點和位置也略有差別。對于像地溫這種與安裝位置密切相關(guān)的要素來說，地點的差別可能造成測量值的不小差異。

　　3、樣本差異

　　人工觀測是點讀數(shù)，就是說觀測員在觀測時只讀一次儀器的示值。而自動站觀測則不同，它的每一個觀測值都是多個樣本值的平均值.，樣本數(shù)目不同，測量結(jié)果必然會有差異。

　　4、時次差異

　　自動氣象觀測數(shù)據(jù)每小時存儲觀測記錄一次，一天共24次，而一般的氣象站每天3次人工觀測，02時用自記記錄補充，全天共4次觀測，因而自動站觀測資料密度大于人工站。

　　二、差值分析

　　1、氣壓

　　從表2中看出人工與自動站觀測數(shù)據(jù)差值只相差0.1hpa，兩者相當(dāng)接近。我們知道氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度、大氣密度有關(guān)，一般隨著高度升高，氣壓減小。因此在相同氣候環(huán)境下，安裝在室外的自動站的測值與人工站的稍微的偏差也是在所難免的，只要在省局規(guī)定的≤0.8hpa當(dāng)中，固可作為正確值。

　　2、氣溫

　　在大氣中，氣溫的波動相對較大，太陽輻射造成的輻射誤差也不能忽略，從表1看雖然兩者觀測數(shù)據(jù)比較接近，但不能簡單地、隨意地將單個對比數(shù)據(jù)進行比較，而要看一個較完整的資料系列的對比結(jié)果才好， 因此，在資料對比時，最好分月予以比較。

　　3、相對濕度

　　在自動氣象觀測中，用濕敏電容全程測濕，其測量原理與人工觀測數(shù)據(jù)差別較大。

　　濕敏電容在相對濕度80%以下，線性度較好，測濕性能較好，從表2中可以看出對比差值較小；從表2中看到在高溫、高濕相對濕度達80%以上時對比差值達0.5。省局有關(guān)規(guī)定沒有給出具體差值范圍，在日常工作中我們必須分段考慮。

　　4、風(fēng)向風(fēng)速

　　人工觀測所用的電接風(fēng)向風(fēng)速計與自動氣象站中使用的風(fēng)傳感器，無論從原理、分辨率、準確度等各方面差別都較大，加上大氣中風(fēng)速的不確定性，觀測時間不同步。年風(fēng)向風(fēng)速資料表明，人工觀測和自動站觀測以靜風(fēng)(C)和ENE、E、W風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。一般風(fēng)速較小時，自動站風(fēng)速與人工觀測比較誤差大，其原因在于自動站采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器，其啟動風(fēng)速僅為0.3 m/s，具有慣性小、啟動快、感應(yīng)靈敏的特點。而人工站風(fēng)感應(yīng)器啟動風(fēng)速為1.5 m/s

　　5、降雨量

　　在人工觀測中，普遍認為雨量器測出的結(jié)果是可靠的，其實不然，正當(dāng)下雨時，人工觀測過程中就有雨量損失，這是分析自動觀測測雨誤差時需注意的一個問題，再加上觀測時間上的差異，致使產(chǎn)生較大的對比誤差。

　　從表3中看到，4%的對比差值在省局規(guī)定給出的差值范圍內(nèi)。但是從表3中我們可以看到，12月份降水量差值達6%，遠遠超出省局規(guī)定給定的差值范圍（3%）。在一次過程最大差值和相關(guān)文獻中，如果遇到強降水過程中的差值甚至可達到10%。所以在降水量對比差值較大時我們不能機械地判為該值為疑誤記錄，應(yīng)視降水量大小情況來定。這里必須指出的是在兩者相比較時，最好選擇一次降水過程。

　　6、地溫

　　地溫測量的復(fù)雜性太陽輻射加熱下墊面后，使土壤溫度迅速上升。由于土壤各處的物理化學(xué)性能不同，即比熱不同，同樣的熱量，溫度升值卻不同。據(jù)有關(guān)機構(gòu)試驗證明，在面積不大的觀測場內(nèi)，土壤中水平溫場分布不均勻，垂直溫度梯度很大，特別是在夏日晴天時更為明顯。加之，在土壤中，輻射傳熱作用較弱；對流傳熱幾乎不存在；土壤不是熱的良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)進行較慢。這樣就使土壤中溫度水平不均勻性和垂直梯度不容易達到應(yīng)有的平衡。加之地表測溫受強烈太陽輻射影響，凡此種種，使得地溫測量中，難以獲得代表性的測量值，也難以判斷哪一種儀器的測量較為可靠。

　　從表5中看出0~20cm對比差值逐步遞減，均在省局規(guī)定給出的允許值范圍內(nèi)。

　　7、蒸發(fā)量

　　人工和自動測量蒸發(fā)量是安裝在同一個大型蒸發(fā)裝置中進行的，由表2可知，自動站蒸發(fā)量比人工站大得多，蒸發(fā)量存在明顯的差異。自動站蒸發(fā)量偏大主要受降水、濕度、風(fēng)、日照、溫度、儀器精度等方面影響。

　　隨機抽取自動站2006年7月15和16日有降水天氣的部分記錄時段來分析，其中15、16日的24次平均溫度分別都為26.0 ℃，日照時數(shù)為0.0 h，把這2 d的時降水量、時蒸發(fā)量、時濕度、時風(fēng)速數(shù)據(jù)列于表3。

　　三、結(jié)論

　　基于理論分析，人工與自動站觀測的氣象要素數(shù)據(jù)之間必然會產(chǎn)生差異。利用南雄市國家基準站人工與自動站觀測數(shù)據(jù)資料的對比，省局有關(guān)規(guī)定給出的差值區(qū)間在一般天氣情況下可以適用，但在特殊天氣狀況下明顯比實際情況偏小，在今后工作中應(yīng)當(dāng)引起注意。

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