五臺山中臺自動站與人工觀測資料對比分析

楊勇

（山西省忻州市氣象局，山西忻州034000）

五臺山中臺自動站與人工觀測資料對比分析

楊勇

（山西省忻州市氣象局，山西忻州034000）

通過對五臺山中臺新建自動氣象站觀測資料和歷史人工觀測資料的降水、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、氣壓氣象要素的分析，發(fā)現(xiàn)月降水量與歷史平均值無差異；月平均氣溫高于歷史平均值，2104—2015年新建自動氣象站2年平均氣溫基本一致，并且均高于1960—1997年歷史平均氣溫；相對濕度、氣壓觀測值與歷史平均值接近；風(fēng)速觀測資料小于歷史平均值。

五臺山中臺；自動站資料；人工觀測資料；氣象資料

華北海拔最高的五臺山，其氣象資料在國內(nèi)乃至世界上具有極其重要的價(jià)值。但是，五臺山中臺頂氣候條件十分惡劣，年平均氣溫為－4.1℃，極端最低氣溫為－44.8℃。1998-01-01，遷移站址到五臺山南臺。隨著氣象自動化觀測技術(shù)的日漸成熟，2014-07，在五臺山中臺頂建立了無人值守自動氣象站，經(jīng)過2年多的運(yùn)行，得到了降水、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓氣象要素資料。國內(nèi)許多學(xué)者分析、研究了新舊氣象站資料，取得了重要的進(jìn)展[1-11]。曹麗娟、肖蘇君利用2006年內(nèi)蒙古自治區(qū)共36個自動站和人工站平行觀測資料，通過分析氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)等要素的對比差值及其標(biāo)準(zhǔn)差、對比差值的頻次分布和空間分布等，探討了自動站與人工觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異的原因；宋軍、高磊、王秀萍利用大連自動氣象站和人工站觀測到的2005—2006年的氣溫、氣壓、降水、相對濕度、0 cm地溫和風(fēng)速風(fēng)向等資料，對其差值、粗差率、一致率和風(fēng)向相符率等進(jìn)行對比、分析；李又君、梁國堅(jiān)通過對山東省東阿縣新舊地面氣象觀測站同期（2008-01，2008-04，2008-07）氣溫觀測資料的對比、分析，發(fā)現(xiàn)兩站之間氣溫存在明顯的正溫差，舊測站氣溫存在城市熱島效應(yīng)。鑒于此，有必要對2014—2015年自動站資料與1960-01-01—1997-12-31這38年有人值守期間的人工觀測資料作對比分析，以便了解氣候變化情況和自動站設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 資料與方法

1.1 資料來源

2014—2015年自動站資料和1960-01-01—1997-12-31有人值守期間的人工觀測資料來自山西省氣象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 差值法分析

分別計(jì)算1960-01-01—1997-12-31這38年有人值守期間的人工觀測資料和2014-01-01—2015-12-31這2年自動氣象站觀測資料的月平均氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫、月降水量、月平均相對濕度和月平均風(fēng)速的差值，并統(tǒng)計(jì)求取月、年差值。

設(shè)Ai為舊址某要素第i次觀測值，Ui為相應(yīng)時間新址自動站儀器觀測值，則第i次的差值為：xi＝Ai－Ui.

1.2.2 差異影響顯著性分析

為了驗(yàn)證人工觀測歷史資料與新建自動氣象站觀測資料序列的關(guān)系，利用現(xiàn)址近38年的觀測要素?cái)?shù)據(jù)月（年）平均值序列，對新建自動氣象站月（年）平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

假設(shè)x0為平行觀測期的某要素月（年）平均值，假定樣本容量為n月（年），這n年人工觀測的相應(yīng)要素月（年）平均值的樣本序列為x1，x2，…，xi，…，xn，統(tǒng)計(jì)量為：

當(dāng)顯著水平a為0.05（0.01），自由度為n時，|t|＞ta，則表示平均值x0與其他年份平均值差異顯著。

2 氣象要素差值分析

分別計(jì)算38年有人值守期間的人工觀測資料和2014年、2015年自動氣象站觀測資料的月平均氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫、月降水量、月平均相對濕度和月平均風(fēng)速的差值，并統(tǒng)計(jì)求取月、年差值。

2.1 降水資料差值分析

降水資料如表1所示。從表1中可以看出，自動氣象站觀測到1月份和12月份降水量為0，但1960—1997年人工觀測都有降水量，所以，降水觀測值存在疑誤。2月份歷史平均值為16.28 mm，最大值為23.8 mm，最小值為0 mm，所以，降水量觀測值基本正確，從3—11月降水量觀測值與歷史平均值比較的情況，其也在正常值范圍。從差值來看，差值為正觀測值小于歷史平均值，為負(fù)則觀測值大于歷史平均值。1960—1997年年平均值為793 mm，2014年降水量為608 mm，2015年降水量為601 mm，降水量小于歷史同期，主要原因是1月和12月降水量缺測導(dǎo)致。

表1 降水資料表（單位：mm）

2.2 氣溫資料差值分析

氣溫資料如表2所示。

表2 氣溫資料表

2.2.1 平均氣溫差值分析

從表2所示數(shù)據(jù)中可以看出，2014-01—03，09—11氣溫觀測值高于1960—1997年月氣溫平均值；12月平均氣溫低于1960—1997年月氣溫平均值；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近。2015年，1—4月、9月、11月、12月的月平均氣溫高于1960—1997年月氣溫平均值；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近。2104年、2015年年平均氣溫基本一致，并且均高于1960—1997年歷史平均氣溫。

2.2.2 極端最低氣溫差值分析

從表2中可以看出，2014年氣溫傳感器月極端最低氣溫觀測值在1月、2月、4月、6月、7月、9月、10月、12月不規(guī)律的高于1960—1997年月極端最低氣溫平均值；3月、5月的月極端最低氣溫低于1960—1997年月極端最低氣溫平均值；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近。2015年，1月、2月、5月、7—10月、12月的月極端最低氣溫高于1960—1997年月極端最低氣溫；3月、4月、11月極端最低氣溫低于1960—1997年月極端最低氣溫；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近。

2.2.3 極端最高氣溫差值分析

從表2中可以看出，2014年氣溫傳感器月極端最高氣溫觀測值在1月、2月、3月、5月不規(guī)律的高于1960—1997年月極端最低氣溫；4月、6月、11月、12月的月極端最高氣溫低于1960—1997年月極端最高氣溫；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近。2015年，1—4月、11月的月極端最高氣溫高于1960—1997年月極端最高氣溫；6月、9月、12月極端最高氣溫低于1960—1997年月極端最高氣溫；其余月份月平均氣溫與1960—1997年月氣溫平均值基本接近?？傮w來看，不論是月平均氣溫、年平均氣溫，還是月極端最氣溫、月極端最高氣溫，2014年和2015年的觀測值要高于歷史同期。這是否標(biāo)志著在全球氣溫變暖的大環(huán)境下，五臺山中臺年平均氣溫也有所升上？

2.3 相對濕度資料差值分析

表3 相對濕度資料表

相對濕度資料如表3所示。從表3中可以看出，2014年、2015年觀測值與歷史平均值的差值很小。這表明，濕度觀測值與歷史平均值基本趨于一致。

2.4 氣壓資料差值分析

氣壓資料如表4所示。

表4 氣壓資料表

從表4中可以看出，2014年和2015年氣壓觀測值與歷史平均值之間的差值很小。這說明，月值和年值基本都與歷史平均值趨于一致，氣壓觀測穩(wěn)定，變化不大。

2.5 風(fēng)速資料差值分析

表5 風(fēng)速資料表

風(fēng)速資料如表5所示。從表5中可以看出，2014年、2015年風(fēng)速觀測值小于歷史平均值。從年值中也可以看出，五臺山中臺2014年、2015年的平均風(fēng)速小于歷史平均值。

3 差異影響顯著性分析

五臺山中臺人工觀測歷史資料與新建無人值守自動氣象站t檢驗(yàn)（顯著性水平為0.05，n＝38時，標(biāo)準(zhǔn)值為2.024），在顯著水平a為0.05，自由度為n時，ta＝2.024.當(dāng)|t|＞ta時，則表示平均值x0與其他年份平均值差異顯著。采用t檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05，對歷史觀測資料的平均值和新建自動氣象站的平均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)要素包括平均氣溫、降水量、平均相對濕度、平均風(fēng)速月值和年值。

2014年觀測值與歷史觀測值t檢驗(yàn)情況如表6所示，2015年觀測值與歷史觀測值t檢驗(yàn)情況如表7所示。

表6 2014年觀測值與歷史觀測值t檢驗(yàn)

從表6中可以看出，2014年，在4個要素中，平均氣溫在10月超過臨界值，平均氣壓在3月、4月、7月超過臨界值，平均相對濕度在1月、4月超過臨界值，差異性顯著。對于年值，平均氣壓超過臨界值，差異性顯著。

表7 2015年觀測值與歷史觀測值t檢驗(yàn)

從表7中可以看出，2015年，在4個要素中，平均氣溫在1月超過臨界值，平均氣壓在1月、4月、7月超過臨界值，平均相對濕度在1月、6月、9月、11—12月超過臨界值，差異性顯著。對于年值，平均氣溫、平均氣壓均超過臨界值，差異性顯著。

4 結(jié)束語

差值分析結(jié)果表明，月降水量（除1月和12月缺測）與歷史平均值無差異；月平均氣溫高于歷史平均值，2104年、2015年年平均氣溫基本一致，并且均高于1960—1997年歷史平均氣溫；相對濕度觀測值與歷史平均值接近；氣壓觀測值與歷史平均值接近；2014—2015年風(fēng)速觀測值小于歷史平均值，從年值也可以看出五臺山中臺平均風(fēng)速在2014年、2015年小于歷史平均值。差異影響顯著性分析結(jié)果表明，在觀測的4個要素中，月平均氣溫、月平均氣壓、月平均相對濕度、月平均風(fēng)速差異性比較小。對于年值，平均氣壓超過臨界值，差異性顯著。由于五臺山中臺的自動站是2014年安裝的，資料積累序列時間太短，站點(diǎn)設(shè)備有時故障，導(dǎo)致資料不連續(xù)。由此可知，統(tǒng)計(jì)方法還有待優(yōu)化。只有優(yōu)化統(tǒng)計(jì)方法，才能更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

［1］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2003.

［2］中國氣象局.地面氣象測報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件操作手冊［M］.北京：氣象出版社，2005.

［3］王成，吳善材，謝愛瓊，等.開平新舊氣象站氣象要素的差異性［J］.廣東氣象，2009，31（4）：63-64.

［4］丁一匯，戴曉蘇.中國近百年來氣溫變化［J］.氣象，1994，20（12）：19-26.

［5］中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.關(guān)于地面氣象觀測站站址變動有關(guān)問題的函［M］.北京：氣象出版社，2009.

［6］李又君，梁國堅(jiān)，楊士恩，等.氣象站遷站前后氣溫同期觀測資料對比［J］.氣象科技，2010，38（5）：599-604.

［7］曹麗娟，肖蘇君.內(nèi)蒙古自動站與人工觀測數(shù)據(jù)差異對比分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26（5）：64-68.

［8］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2007.

［9］吳晶.習(xí)水自動站與人工站氣溫與本站氣壓觀測數(shù)據(jù)的差異對比［J］.農(nóng)技服務(wù)，2011，28（7）：1048，1050.

［10］宋軍，高磊，王秀萍，等.大連自動站與人工站觀測數(shù)據(jù)的差異對比分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，25（1）：58-61.

［11］梁劍峰.地面氣象觀測人工站與自動站記錄差異分析［J］.氣象水文海洋儀器，2010，27（4）：47-49，53.

［12］劉多嬌，王秀娟，龐松江.綏化市自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的差異分析［J］.黑龍江氣象，2006（02）：27-29.

［13］王寶鑒，陳旭輝，陶健紅，等.蘭州CAWS600-R自動站與人工觀測資料對比分析［J］.氣象科技，2004，32（04）：281-285.

［14］黨選發(fā)，李曉峰，袁志鵬.自動氣象站現(xiàn)場校準(zhǔn)和傳感器調(diào)整方法探討［J］.氣象科技，2007，35（03）：432-434.

［15］任芝花，涂滿紅，陳永清，等.玻璃鋼百葉箱與木制百葉箱內(nèi)溫濕度測量的對比分析［J］.氣象，2006（05）：35-40.

［16］任芝花，郭錫欽.淺層地溫對比試驗(yàn)結(jié)果［J］.氣象，1996（11）.

［17］舒?zhèn)鲝?qiáng)，陳玉芳.嘉祥氣象站自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)的比較［J］.山東氣象，2005，25（03）：24-25.

［18］王穎，劉小寧，鞠曉慧.自動觀測與人工觀測差異的初步分析［G］//中國氣象學(xué)會2006年年會“提高大氣監(jiān)測自動化水平、為業(yè)務(wù)技術(shù)體制改革作貢獻(xiàn)”分會場論文集.成都：中國氣象學(xué)會，2006.

［19］歐陽彩虹，歐陽細(xì)美.南雄自動站與人工站常規(guī)氣象要素的差值分析［G］//中國氣象學(xué)會2007年年會氣象綜合探測技術(shù)分會場論文集.廣州：中國氣象學(xué)會，2007.

［20］陳柏堃，毛智軍.金華自動與人工平行觀測資料差異特征分析［G］//中國氣象學(xué)會2007年年會氣象綜合探測技術(shù)分會場論文集.臺州：浙江省氣象學(xué)會，2007.

〔編輯：白潔〕

P415.1+1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.062

2095－6835（2017）19－0062－04