自動氣象站監(jiān)測誤差及比測成果分析

王新德

（昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

1 基本情況

開墾河發(fā)源于天山東段北坡，徑流的主要補(bǔ)給源為大氣降水、中低山帶的季節(jié)性積雪融水、地下水以及高山冰川融水。主要由大東溝、大西溝、及其它19 條支流組成，實測多年平均年徑流量為1.630×108m3，最大年徑流量為2007 年的2.625×108m3，最小年徑流量為1974 年的0.8460×108m3。

開墾河水文站是開墾河小河站，屬省級重要水文站和中央報汛站，設(shè)于1956 年10 月。開墾河水文站蒸發(fā)場位于出山口地帶，海拔高度1502 m，蒸發(fā)場規(guī)格為16 m×20 m，區(qū)域代表性較好。障礙物兩側(cè)方位角之差所占整個圓的百分比為11.1%，折實系數(shù)0.6，遮擋率為6.3%。

蒸發(fā)是大氣水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),蒸發(fā)量大小對當(dāng)?shù)厮Y源可利用量起決定性作用,同時蒸發(fā)量的變化趨勢對水資源可利用量也有直接影響。影響蒸發(fā)的主要因素是蒸發(fā)面性質(zhì)、供水條件和氣象因素。對相同性質(zhì)的蒸發(fā)面，蒸發(fā)則取決于供水條件和氣象因素[1]。其中氣象因素包括溫度、氣壓、濕度和風(fēng)，最主要的氣象因素是地表溫度和相對濕度。由此可見，地表溫度的準(zhǔn)確性對蒸發(fā)的準(zhǔn)確性有很大影響。

自動氣象站具有獲取資料時效性、時間分辨率高特點，它主要能讀取和存儲每分鐘大氣中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)和降水等的數(shù)據(jù)變化。TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站是按照國際氣象WMO 組織氣象觀測標(biāo)準(zhǔn)研究開發(fā)生產(chǎn)的多要素自動觀測站，可監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度等常規(guī)氣象要素，具有自動記錄、報警和數(shù)據(jù)通訊等功能，可以在室外無人環(huán)境工作，本地通訊和遠(yuǎn)程通訊可同時應(yīng)用，充分保障自動站穩(wěn)定性和可靠性。同時TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站配置靈活，可靈活增加或減少測量的氣象要素，適應(yīng)特定觀測的需要，適宜大規(guī)模組網(wǎng)，同時支持遠(yuǎn)程維護(hù)。

2 比測方法及資料選取

比測采用同步觀測方法進(jìn)行，每天8：00、14：00、20：00 人工觀測百葉箱內(nèi)干球溫度時，同時調(diào)取TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站記錄環(huán)境氣溫，資料選取比測時段2019 年1 月1 日至6 月30 日數(shù)據(jù)。

3 分析方法及結(jié)果

3.1 相關(guān)分析

通過自動氣象站記錄的環(huán)境氣溫和人工同步觀測的氣溫數(shù)據(jù)系列建立相關(guān)關(guān)系，分析相關(guān)性和變化是否連續(xù)、有無突變現(xiàn)象。

根據(jù)分別點繪的8：00、14：00、20：00 人工觀測與自動氣象記錄環(huán)境氣溫相關(guān)圖分析，兩個氣溫數(shù)據(jù)系列變化連續(xù)，無突變現(xiàn)象。各時段觀測氣溫數(shù)據(jù)密集成一帶狀，均呈線性關(guān)系，相關(guān)性很好，R2 值見圖1、圖2、圖3。

圖1 開墾河（三）站8：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關(guān)圖

圖2 開墾河（三）站14：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關(guān)圖

圖3 開墾河（三）站20：00 人工觀測與自動氣象記錄氣溫相關(guān)圖

3.2 差值分析

氣溫作為常規(guī)地面氣象觀測的基本要素之一，其觀測方法和誤差直接關(guān)系到預(yù)報精度和對大氣過程的理解。開展不同氣溫觀測系統(tǒng)間的對比和分析，保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性，對有氣溫作為影響因子的科學(xué)研究和應(yīng)用具有重要意義。

目前我國氣象臺、氣象站主要的溫度測量儀器有兩種：溫濕傳感器和玻璃水銀溫度表。造成地面氣溫觀測誤差的主要原因有3 種：儀器變化、太陽輻射和通風(fēng)影響。

傳感器的性能會系統(tǒng)性影響溫度的準(zhǔn)確性。TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站溫度測量范圍為-40～+80℃，分辨率為0.1℃，準(zhǔn)確度為±0.2℃。溫度傳感器帶來的誤差主要來源于3個方面：1）對溫度傳感器信號的處理引入的誤差。對信號放大、補(bǔ)償、修正后產(chǎn)生的失真；例如有的溫濕敏元件溫度系數(shù)是個變量，常溫下補(bǔ)償后，高溫時仍有誤差。2）溫度傳感器、變送器在校準(zhǔn)，標(biāo)定時產(chǎn)生的誤差。溫度傳感器在工作室停留位置不同產(chǎn)生的誤差，平衡時間不夠或難以達(dá)到平衡產(chǎn)生的誤差。標(biāo)定設(shè)備的干燥系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)不理想，設(shè)備的壓力、溫度丈量控制不準(zhǔn)。3）溫度傳感器的穩(wěn)定性會隨時間而變化。一方面由于敏感元件分散性造成：即元件阻值、容值對溫濕度響應(yīng)的離散性；另一方面由于信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差：即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號時產(chǎn)生。因此，在實際使用過程中，不能僅僅依賴于選用高質(zhì)量高精度的優(yōu)質(zhì)溫度傳感器，重視溫度傳感器的使用技術(shù)和誤差分析修正更是提高測量精度的可靠保證。

不潔白百葉箱會系統(tǒng)性影響氣溫觀測的精準(zhǔn)性。百葉箱是安裝溫、濕度儀器用的防護(hù)設(shè)備。作用是防止太陽對儀器的直接輻射和地面對儀器的反射輻射，保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等的影響，并使儀器感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，能真實地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。白天，空氣對太陽輻射的吸收能力弱于任一種溫度感應(yīng)元件；夜晚，空氣的紅外輻射能力又弱于任一種溫度感應(yīng)元件的表面。任何直接暴露在空氣中的測溫元件，其測量值在白天將系統(tǒng)偏高于氣溫，夜間則系統(tǒng)偏低。為避免這種輻射誤差，必須對測溫元件采取有效的輻射屏蔽措施。不潔白百葉箱由于顏色較深導(dǎo)致吸收不同波長的區(qū)間變大，吸收的太陽輻射和地面輻射的能量更多,而潔白的百葉箱箱體會反射更多的太陽輻射和地面輻射，因此不潔白箱體溫度高于干凈潔白的百葉箱箱體溫度,從而導(dǎo)致兩種百葉箱箱內(nèi)的氣溫不一樣,觀測結(jié)果也就存在差異。在無日照陰雨天氣里，2 個百葉箱內(nèi)干球溫度記錄無差別。另外,溫度表或傳感器本身附著灰塵等雜物,也會使溫度表滯后系數(shù)增大,使觀測記錄到的溫度不能真實反映實時溫度[2]。人工觀測百葉箱與自動氣象站百葉箱存在色差，箱體潔白程度會帶來兩種儀器的測量誤差。

風(fēng)作為重要的氣象要素之一，可以直接反映出大氣環(huán)流的特征，流經(jīng)百葉箱的風(fēng)促使百葉箱內(nèi)部空氣產(chǎn)生對流，影響百葉箱內(nèi)外熱輻射傳輸，因此區(qū)域風(fēng)速的變化對百葉箱內(nèi)部流場有很大影響，流經(jīng)溫度表或傳感器的風(fēng)速是決定百葉箱氣溫測量精度的主要因素之一。研究表明，受長方體結(jié)構(gòu)特征以及側(cè)面葉片導(dǎo)流的影響，百葉箱內(nèi)部風(fēng)場具有明顯的非均一性特征，在水平剖面和垂直剖面上分別出現(xiàn)明顯的梭形流場和環(huán)形流場；百葉箱對環(huán)境空氣的流動具有明顯的阻擋作用，平均相對風(fēng)速減小率在箱體中軸線上存在明顯的垂直差異。結(jié)果表明，自然通風(fēng)型防輻射裝置和強(qiáng)制通風(fēng)型防輻射裝置的內(nèi)外溫差存在較大的差異，強(qiáng)制通風(fēng)型防輻射裝置間的內(nèi)外溫差較?。徊⑶伊己玫耐L(fēng)可以有效地減小儀器的觀測誤差[3]。由此可知，百葉箱結(jié)構(gòu)會影響內(nèi)部風(fēng)場特征以及通風(fēng)情況，從而影響溫度的精準(zhǔn)性。人工觀測百葉箱與自動氣象站百葉箱在體積、結(jié)構(gòu)都存在較大差異，需要考慮風(fēng)速帶來的兩種儀器的測量誤差。

根據(jù)以上理論，將自動氣象站同步記錄的環(huán)境氣溫減去人工觀測氣溫得到差值在剔除異常數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下文簡稱為差值。

為研究傳感器本身特性，主要研究傳感器在不同溫度段里的精確性，排除風(fēng)速和陽光輻射的影響，以0℃為界限，因為在0℃以下時，開墾河水文站在20：00 太陽基本已經(jīng)落山，可以忽略陽關(guān)輻射影響。因此選取1 月～6 月風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天、氣溫低于0℃的20：00 氣溫共44 條，平均差值為0.18℃；風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天、氣溫高于0℃的20：00 氣溫共97 條，平均差值為0.11℃，兩者平均差值相差0.7℃，由此可知，傳感器在不同溫度區(qū)間存在系統(tǒng)誤差。因為傳感器在不同溫度區(qū)間所帶來的誤差趨向是相同的，都為正值，不影響研究風(fēng)速和太陽輻射對溫度觀測的影響時的定性結(jié)果，所以下列不同溫度區(qū)間的數(shù)據(jù)不做區(qū)別分析。

為研究太陽輻射對溫度觀測的影響，需要控制風(fēng)速變量，在三個觀測時段中，14：00 的太陽輻射最強(qiáng)烈，8：00、20：00 的太陽輻射處于弱和無的情況，是比較理想的對比時段，但是8：00 風(fēng)速超過1.0 m/s 較多，因此選取20：00 的觀測溫度作為對比組。選取1 月～6 月風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天14：00 氣溫共87 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.24℃；風(fēng)速小于1.0 m/s、晴天20：00氣溫共108 條，平均差值為0.16℃，兩者平均差值相差0.8℃，由此可見，太陽輻射會帶來比較明顯的差異。

為研究風(fēng)速對溫度觀測帶來的影響，需要排除太陽輻射的干擾，所以選取1 月～6 月有降水日期內(nèi)的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，日平均風(fēng)速小于1.0 m/s 共27 天81 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.19℃；日平均風(fēng)速大于于1.0 m/s 共14 天42 條數(shù)據(jù)，平均差值為0.18℃，兩者的平均差值相差0.1℃，基本相同，由此可以忽略風(fēng)速對兩者溫度觀測帶來的影響。

4 結(jié)語

根據(jù)以上相關(guān)分析和差值分析結(jié)果可知，人工觀測與TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站觀測的氣溫數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系很好，R2值均在0.99 以上，滿足《地面氣象觀測規(guī)范》[4]的規(guī)范要求。由風(fēng)速帶來的誤差可以忽略，陽光輻射帶來的誤差較大，傳感器在不同溫度區(qū)間存在系統(tǒng)誤差。

為減少自動氣象站長系列溫度觀測的誤差，建議對晴天14：00 氣溫觀測值進(jìn)行訂正，對以0℃為分界的兩個溫度區(qū)間的溫度觀測值進(jìn)行訂正。為方便統(tǒng)一起見，也可對所有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，訂正值為所有差值的均值。按期在有代表性地時間段里進(jìn)行比測率定出訂正值，例如北方地區(qū)1 月份和6 月份。使用時間越久，比測的時間間隔宜相應(yīng)的縮短。通過分析，TRM-ZS9 型中尺度自動氣象站可以在水文站使用。