淺談自動(dòng)站與人工觀(guān)測數據差異論文
摘 要：自動(dòng)站與人工觀(guān)測是收集氣象要素的兩大主要依據。由于儀器原理差異、觀(guān)測時(shí)空差異、采樣方式和樣本數差異、觀(guān)測時(shí)次差異等因素，這兩種觀(guān)測技術(shù)所獲取的氣象數據存在許多差異。本文著(zhù)力從兩種觀(guān)測方式的區別入手，對南雄站觀(guān)測的數據進(jìn)行整理與對比分析，以尋求提高觀(guān)測數據準確性與科學(xué)性的有效途徑。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)站 人工站 觀(guān)測數據 差異 南雄國家基準氣候站
地面大氣探測站在自動(dòng)觀(guān)測站運行前，要進(jìn)行兩年的氣象要素對比觀(guān)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備，即自動(dòng)站觀(guān)測儀器設備和人工觀(guān)測儀器設備。每日24小時(shí)人工站與自動(dòng)站都需要定時(shí)觀(guān)測氣象要素值，并進(jìn)行人工與自動(dòng)站觀(guān)測數據對比，一般認為差異在合理范圍內屬正常，反之即為疑誤記錄。
一、自動(dòng)站與人工觀(guān)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(guān)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，可以觀(guān)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(guān)測的風(fēng)向只有16個(gè)方位，而自動(dòng)測站觀(guān)測的風(fēng)向為36個(gè)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(dòng)氣象站可以避免人工觀(guān)測中的主觀(guān)誤差與人工誤差，在人工觀(guān)測中，觀(guān)測員往往有習慣誤差，讀數時(shí)可能偶然出現大的讀數錯誤，測溫時(shí)人體對溫度的影響。2分鐘風(fēng)的平均值受人的主觀(guān)判斷影響，深層地溫人工觀(guān)測時(shí)，從地中取出讀數，由于受環(huán)境改變造成的誤差等，而這些問(wèn)題在自動(dòng)觀(guān)測中都是不存在的。這些都是自動(dòng)優(yōu)于人工觀(guān)測，而兩者存在著(zhù)本質(zhì)差異。
但是，自動(dòng)氣象觀(guān)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(guān)測和真值有較大偏差。
2、時(shí)空差異
地面氣象觀(guān)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(shuō)存在較大的梯度變化。
正點(diǎn)報《地面氣象觀(guān)測規范》要求，人工觀(guān)測在45-60分觀(guān)測云、能見(jiàn)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(guān)測。由于人工觀(guān)測是靠觀(guān)測員逐項進(jìn)行的，時(shí)間跨度較大。
在一般情況下，人工觀(guān)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，氣象要素值會(huì )有不同程度的變化。從觀(guān)測中發(fā)現：夏季在氣溫上升時(shí)，觀(guān)測時(shí)間相差8分鐘，可造成0.2-0.3℃的差值,觀(guān)測地面0cm溫度時(shí)，在人工觀(guān)測時(shí)測站天頂無(wú)云，而在觀(guān)測后至正點(diǎn)前又有云移至天頂，遮擋太陽(yáng)光，此時(shí)觀(guān)測數據有可能存在幾度之差。在人工站觀(guān)測降水時(shí)，人工觀(guān)測會(huì )有雨量損失等等。自動(dòng)氣象觀(guān)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(jiàn)，由于兩種觀(guān)測體制在觀(guān)測時(shí)間上不同步，因此觀(guān)測結果必然會(huì )出現差異。
從空間上說(shuō)，雖然自動(dòng)氣象的各傳感器的安裝要求基本上與人工觀(guān)測相同，但其安裝地點(diǎn)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(lái)說(shuō)，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(guān)測是點(diǎn)讀數，就是說(shuō)觀(guān)測員在觀(guān)測時(shí)只讀一次儀器的示值。而自動(dòng)站觀(guān)測則不同，它的每一個(gè)觀(guān)測值都是多個(gè)樣本值的平均值.，樣本數目不同，測量結果必然會(huì )有差異。
4、時(shí)次差異
自動(dòng)氣象觀(guān)測數據每小時(shí)存儲觀(guān)測記錄一次，一天共24次，而一般的氣象站每天3次人工觀(guān)測，02時(shí)用自記記錄補充，全天共4次觀(guān)測，因而自動(dòng)站觀(guān)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(guān)測數據差值只相差0.1hpa，兩者相當接近。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(zhù)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，只要在省局規定的≤0.8hpa當中，固可作為正確值。
2、氣溫
在大氣中，氣溫的波動(dòng)相對較大，太陽(yáng)輻射造成的輻射誤差也不能忽略，從表1看雖然兩者觀(guān)測數據比較接近，但不能簡(jiǎn)單地、隨意地將單個(gè)對比數據進(jìn)行比較，而要看一個(gè)較完整的資料系列的對比結果才好， 因此，在資料對比時(shí)，最好分月予以比較。
3、相對濕度
在自動(dòng)氣象觀(guān)測中，用濕敏電容全程測濕，其測量原理與人工觀(guān)測數據差別較大。
濕敏電容在相對濕度80%以下，線(xiàn)性度較好，測濕性能較好，從表2中可以看出對比差值較��；從表2中看到在高溫、高濕相對濕度達80%以上時(shí)對比差值達0.5。省局有關(guān)規定沒(méi)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(guān)測所用的電接風(fēng)向風(fēng)速計與自動(dòng)氣象站中使用的風(fēng)傳感器，無(wú)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(guān)測時(shí)間不同步。年風(fēng)向風(fēng)速資料表明，人工觀(guān)測和自動(dòng)站觀(guān)測以靜風(fēng)(C)和ENE、E、W風(fēng)出現頻率最高。一般風(fēng)速較小時(shí)，自動(dòng)站風(fēng)速與人工觀(guān)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、感應靈敏的特點(diǎn)。而人工站風(fēng)感應器啟動(dòng)風(fēng)速為1.5 m/s
5、降雨量
在人工觀(guān)測中，普遍認為雨量器測出的結果是可靠的，其實(shí)不然，正當下雨時(shí)，人工觀(guān)測過(guò)程中就有雨量損失，這是分析自動(dòng)觀(guān)測測雨誤差時(shí)需注意的一個(gè)問(wèn)題，再加上觀(guān)測時(shí)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定給出的差值范圍內。但是從表3中我們可以看到，12月份降水量差值達6%，遠遠超出省局規定給定的差值范圍（3%）。在一次過(guò)程最大差值和相關(guān)文獻中，如果遇到強降水過(guò)程中的差值甚至可達到10%。所以在降水量對比差值較大時(shí)我們不能機械地判為該值為疑誤記錄，應視降水量大小情況來(lái)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(guò)程。
6、地溫
地溫測量的復雜性太陽(yáng)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。據有關(guān)機構試驗證明，在面積不大的觀(guān)測場(chǎng)內，土壤中水平溫場(chǎng)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；對流傳熱幾乎不存在；土壤不是熱的良導體，熱傳導進(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到應有的平衡。加之地表測溫受強烈太陽(yáng)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，均在省局規定給出的允許值范圍內。
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(lái)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)速數據列于表3。
三、結論
基于理論分析，人工與自動(dòng)站觀(guān)測的氣象要素數據之間必然會(huì )產(chǎn)生差異。利用南雄市國家基準站人工與自動(dòng)站觀(guān)測數據資料的對比，省局有關(guān)規定給出的差值區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，在今后工作中應當引起注意。
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