自动站与人工观测气温数值的比较分析

来源:用户上传      作者: 蔡敬东 王立成 王文志 刘宝坤

　　摘要将内蒙古索伦国家基准气候站2008年自动站与人工并行观测气温资料进行对比分析,根据相关标准对自动站气温资料进行了评估。分析结果表明:自动站与人工观测气温的偏差有日变化和季节差异,产生偏差原因有观测仪器的系统性偏差、观测仪器对气温变化响应的灵敏度、观测时间的差异、太阳辐射对观测仪器的影响等,这为人工和自动观测气候资料的前后连续性使用提供了订正的思路和方法。
　　关键词自动站;人工观测;气温;比较分析
　　中图分类号 P416 文献标识码B文章编号 1007-5739(2009)11-0321-01
　　
　　为了提高大气监测能力,我国从2001年启动了大气监测自动化系统一期工程。由于自动站与人工观测2种观测体系的观测原理、观测采样时间不同,其观测结果可能会有差异。这种差异将影响我国气温资料序列的均一性,从而影响天气预报和气候变化研究的结果。如何把差异的大小控制在气象业务所允许的范围内以确保历史观测资料的连续性是自动站观测资料应用上面临的问题。为此,国内外许多学者对自动站和人工观测2种资料进行了对比分析和研究,结果表明:气温自动观测仪器的引入,导致台站观测月和年的平均气温增加0.2~0.3℃。而太阳辐射对不同仪器的影响是导致其差异的主要原因。然而研究选取的自动气象站地理环境不同,研究结果也有不一致的地方。如熊安元等利用青海省刚察站分析自动站与人工站观测的最高气温的差异分析结果与王颖等对利用河南省郑州站资料以及美国的研究结果就不太一样。观测资料中系统误差其均值不为零,直接影响气候变化的研究结果。笔者针对内蒙古索伦区域特定的地理环境,利用自动站与人工观测气温数值进行比较分析。
　　
　　1材料与方法
　　
　　对内蒙古索伦国家基准气候站2007~2008年自动气象站与人工站观测的差值及月(年)平均值进行对比分析。对比差值是表示自动站与人工观测之间差异的指标。对比差应保持在±0.2℃之间。设Ui为第i次人工观测值,Ai为第i次自动站观测值,则第i次的对比差值为:
　　Xi=Ui-Ai (1)
　　设某月(年)内2种观测共获取n个有效的对比差值,则对比差值的月(年)平均值为:
　　X=(∑Xi)/n(2)
　　
　　2结果与分析
　　
　　2.1日变化
　　根据内蒙古索伦国家基准气候站自动观测的2008年的观测样本(每个样本包括24次气温观测数据),按照公式(1)、(2)计算每天逐时比较年平均值。结果发现,1d中逐时的对比差年平均值均为负值,说明同一时次自动观测气温的年平均值比人工观测的要高。呈现了3个阶段的特征:23∶00~次日09∶00各时次对比差变化不大,较为稳定;9∶00~16∶00各时次对比差值线性增大,也就是说明自动观测的气温与人工观测气温差值加大,在15∶00~16∶00间达到最大偏差;16∶00~23∶00各时次对比差逐渐减小,自动观测的气温与人工观测气温差值在逐时减小。
　　
　　2.2对比差的季节变化
　　选6月作为夏季代表月,1月作为冬季代表月。利用公式(1)、(2)计算1月和6月人工和自动24次气温观测资料的每1时次的对比差月平均值。根据计算结果绘制冬、夏季代表月平均气温对比差的逐时变化。从中可以发现:1d中对比差的月平均变化趋势与年平均变化趋势类似,3个阶段变化的时间区间基本一致,数值上夜间23∶00~9∶00期间差值变化不大。白天9∶00~23∶00期间的对比差数值是夏季明显大于冬季。
　　
　　2.3气温对比差变化趋势的原因分析
　　根据以上分析结果,对自动站与人工观测气温偏差的原因进行了分析,初步认为:①测量元件的精度及对气温变化响应的灵敏度造成偏差。气温对比差逐时日变化都呈现3个阶段的相同的变化趋势,在气温快速升温阶段(9∶00~16∶00)和快速降温阶段(16∶00~23∶00)两者差值快速变化,不同的测量元件对气温的变化量具有线性(指数)放大或缩小作用,造成当气温变化量较小时对比差比较接近,而变化量较大时对比差则显著增大。②观测时间差异。按照地面观测规范,常规观测时间为正点观测前10min,自动站观测时间为正点,二者相差10min,从而造成在白天气温升温和降温幅度较大期间,自动站与人工观测气温值差值会逐时加大和逐时减小,在夜间23∶00后气温波动较小时基本保持稳定。③太阳辐射差异。由于夏季的太阳辐射强度明显高于冬季,因此夏季白天气温对比差明显大于冬季。④观测场地的小气候差异。使用同一型号的自动站,当观测场环境差别较大时,两观测站常年风速、气温等差异较大。结果分析可能是观测场小气候的差异造成两站自动站观测与人工站观测之间呈现相反符号的年平均对比差值。
　　
　　3结论与讨论
　　
　　通过研究发现,对比差的日变化趋势基本一致,仅受太阳辐射的影响,夏季对比差值明显大于冬季。观测时间的差异也是造成两者差异的主要原因之一。常规观测时间为正点观测前10min,自动站观测时间为正点,二者相差10min,若白天气温升温和降温幅度较大期间,自动站与人工观测气温值差值会逐时加大和逐时减小,在夜间23∶00后气温波动较小时基本保持稳定。至于年平均对比差值呈现相反符号的现象,初步分析原因之一可能是受特殊的观测场地的小气候影响,影响的具体气候因素或其他原因有待进一步深入研究和探讨。人工和自动观测资料的误差各地都有存在,应引起足够重视,特别是以自动观测为主以后,人工与自动观测资料的稳定连续性处理上应建立规范的工作流程,对资料进行订正,以保证气温资料分析时前后的连续和稳定性,以免对气候变化诊断与模拟等研究和业务工作造成影响。
　　
　　4参考文献
　　
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