淺談自動(dòng)站與人工觀測數(shù)據(jù)差異論文

　　摘 要：自動(dòng)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(shí)空差異、采樣方式和樣本數(shù)差異、觀測時(shí)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(duì)南雄站觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與對(duì)比分析，以尋求提高觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與科學(xué)性的有效途徑。

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

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

　　一、自動(dòng)站與人工觀測的差異因素

　　1、儀器原理差異

　　自動(dòng)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(shí)間常數(shù)，可以觀測到大氣中比較小的有意義的波動(dòng)，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(gè)方位，而自動(dòng)測站觀測的風(fēng)向?yàn)?6個(gè)方位；這些傳感器有較高的測量準(zhǔn)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(dòng)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(shí)可能偶然出現(xiàn)大的讀數(shù)錯(cuò)誤，測溫時(shí)人體對(duì)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(shí)，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(dòng)觀測中都是不存在的。這些都是自動(dòng)優(yōu)于人工觀測，而兩者存在著本質(zhì)差異。

　　但是，自動(dòng)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(shí)空差異

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

　　正點(diǎn)報(bào)《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(diǎn)后10分鐘之間觀測。由于人工觀測是靠觀測員逐項(xiàng)進(jìn)行的，時(shí)間跨度較大。

　　在一般情況下，人工觀測距正點(diǎn)的時(shí)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(shí)段內(nèi)，氣象要素值會(huì)有不同程度的變化。從觀測中發(fā)現(xiàn)：夏季在氣溫上升時(shí)，觀測時(shí)間相差8分鐘，可造成0.2-0.3℃的差值,觀測地面0cm溫度時(shí)，在人工觀測時(shí)測站天頂無云，而在觀測后至正點(diǎn)前又有云移至天頂，遮擋太陽光，此時(shí)觀測數(shù)據(jù)有可能存在幾度之差。在人工站觀測降水時(shí)，人工觀測會(huì)有雨量損失等等。自動(dòng)氣象觀測是在正點(diǎn)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(shí)間上不同步，因此觀測結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)差異。

　　從空間上說，雖然自動(dòng)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(diǎn)和位置也略有差別。對(duì)于像地溫這種與安裝位置密切相關(guān)的要素來說，地點(diǎn)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(diǎn)讀數(shù)，就是說觀測員在觀測時(shí)只讀一次儀器的示值。而自動(dòng)站觀測則不同，它的每一個(gè)觀測值都是多個(gè)樣本值的平均值.，樣本數(shù)目不同，測量結(jié)果必然會(huì)有差異。

　　4、時(shí)次差異

　　自動(dòng)氣象觀測數(shù)據(jù)每小時(shí)存儲(chǔ)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(shí)用自記記錄補(bǔ)充，全天共4次觀測，因而自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)相對(duì)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(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，而要看一個(gè)較完整的資料系列的對(duì)比結(jié)果才好， 因此，在資料對(duì)比時(shí)，最好分月予以比較。

　　3、相對(duì)濕度

　　在自動(dòng)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(duì)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(duì)比差值較��；從表2中看到在高溫、高濕相對(duì)濕度達(dá)80%以上時(shí)對(duì)比差值達(dá)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(jì)與自動(dòng)氣象站中使用的風(fēng)傳感器，無論從原理、分辨率、準(zhǔn)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(shí)間不同步。年風(fēng)向風(fēng)速資料表明，人工觀測和自動(dòng)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(shí)，自動(dòng)站風(fēng)速與人工觀測比較誤差大，其原因在于自動(dòng)站采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器，其啟動(dòng)風(fēng)速僅為0.3 m/s，具有慣性小、啟動(dòng)快、感應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。而人工站風(fēng)感應(yīng)器啟動(dòng)風(fēng)速為1.5 m/s

　　5、降雨量

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

　　從表3中看到，4%的對(duì)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(dá)6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)中，如果遇到強(qiáng)降水過程中的差值甚至可達(dá)到10%。所以在降水量對(duì)比差值較大時(shí)我們不能機(jī)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(shí)，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(jī)構(gòu)試驗(yàn)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(shí)更為明顯。加之，在土壤中，輻射傳熱作用較弱；對(duì)流傳熱幾乎不存在；土壤不是熱的良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)進(jìn)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(dá)到應(yīng)有的平衡。加之地表測溫受強(qiáng)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(duì)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(dòng)測量蒸發(fā)量是安裝在同一個(gè)大型蒸發(fā)裝置中進(jìn)行的，由表2可知，自動(dòng)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(dòng)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(jī)抽取自動(dòng)站2006年7月15和16日有降水天氣的部分記錄時(shí)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(shí)數(shù)為0.0 h，把這2 d的時(shí)降水量、時(shí)蒸發(fā)量、時(shí)濕度、時(shí)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(dòng)站觀測的氣象要素?cái)?shù)據(jù)之間必然會(huì)產(chǎn)生差異。利用南雄市國家基準(zhǔn)站人工與自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù)資料的對(duì)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(shí)際情況偏小，在今后工作中應(yīng)當(dāng)引起注意。

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