北京大氣試驗站雙套自動氣象站數(shù)據(jù)評估與比對分析

高蒙，賴俊濱，劉明，孫志華

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095）

引言

北京大氣試驗站是可良好代表我國華北地區(qū)典型暖溫帶半鄉(xiāng)村氣候的自然環(huán)境試驗站，是國防大氣環(huán)境試驗站網(wǎng)之一[1]。北京大氣試驗站自從建站以來一直是單套自動氣象站運(yùn)行，這就存在數(shù)據(jù)缺失無法補(bǔ)充和數(shù)據(jù)異常[2,3]無法及時發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險，難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了解決上述問題，北京大氣試驗站于2019年引入一套新自動氣象站，并于2019年9月投入運(yùn)行。雙套自動氣象站運(yùn)行機(jī)制可以進(jìn)一步提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及對疑誤數(shù)據(jù)的判別能力，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性[4,5]。本文選取北京大氣試驗站暴曬場氣溫與相對濕度兩個因素的逐小時數(shù)據(jù)，采用粗差率、一致率、超差率等統(tǒng)計方法，對雙套自動氣象站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，科學(xué)評估雙套站運(yùn)行情況，提高氣象觀測數(shù)據(jù)的可用率，為裝備環(huán)境適應(yīng)性評價提供重要依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)自然環(huán)境因素對裝備環(huán)境適應(yīng)性的影響程度，北京大氣試驗站監(jiān)測的環(huán)境因素主要包括大氣溫度、相對濕度、降水、日照時數(shù)、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓以及太陽輻射量，采集點布置見圖1。上述環(huán)境因素主要通過DZZ5型（記為新站）與CAWS600型（記為舊站）兩套自動氣象站進(jìn)行監(jiān)測和采集。本文所用數(shù)據(jù)為新舊站2019年10月～2020年6月逐小時觀測值，所選取的環(huán)境因素為暴曬場氣溫和相對濕度。

2 研究方法

本文規(guī)定新站與舊站差值為新站觀測值減去舊站觀測值，記為新舊站差值，涉及到的主要研究方法如下。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差表示新舊站差值偏差的離散程度。其公式為：

式中：

σ—新舊站差值的標(biāo)準(zhǔn)差；

xi—第i次觀測差值；

n—采集到的有效樣本數(shù)，即除去缺測以外的觀測樣本數(shù)。

圖1 北京大氣試驗站氣象環(huán)境因素監(jiān)測采集點

2.2 一致率

一致率表示新舊自動站觀測數(shù)據(jù)的一致性程度[6]，其公式為：

式中：

n—采集到的有效樣本數(shù)；

m—新舊站差值絕對值小于等于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的個數(shù)。

2.3 粗差率

粗差率表示新舊自動站異常差值的多寡[7]，當(dāng)新舊站差值與差值平均值的差值的絕對值超出標(biāo)準(zhǔn)差的3倍，即時，視為粗差，其公式為：

式中：

Gr—粗差率；

n—采集到的有效樣本數(shù)；

ge—粗差次數(shù)。

統(tǒng)計方法為：首先根據(jù)全部差值數(shù)據(jù)計算σ，逐個檢查差值，若有時，剔除該差值數(shù)據(jù)，再按公式（1）計算剩余差值數(shù)據(jù)的σ，若有差值者，再進(jìn)行剔除，然后計算剩余差值數(shù)據(jù)的σ，直到無差值數(shù)據(jù)需要剔除為止，剔除差值數(shù)據(jù)的總個數(shù)記為粗差次數(shù)。

2.4 超差率

超差率表示新舊站差值超過傳感器探測靈敏性規(guī)定的最大允許誤差2倍的百分比[8-10]，公式為：

式中：

Tr—超差率；

n—有效樣本數(shù)；

t—超差次數(shù)，即差值超過最大允許誤差2倍的次數(shù)。

儀器設(shè)備的最大允許誤差根據(jù)兩套自動氣象站說明書確定，本文中選取的環(huán)境因素為氣溫與相對濕度，根據(jù)兩套自動氣象站系統(tǒng)說明書中規(guī)定，氣溫的最大允許誤差為±0.2 ℃，相對濕度的最大允許誤差為±3 %。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)完整性分析

分別統(tǒng)計了北京大氣試驗站新舊自動氣象站每日24個時次暴曬場氣溫與相對濕度的缺測情況，結(jié)果見表1。2019年10月～12月期間，新站氣溫與相對濕度的缺測率依次為0.1 %、0、0，舊站兩個因素的缺測率則依次為0，0.7 %，0.1 %；2020年1月～6月期間，新站氣溫與相對濕度的缺測率為0，而舊站兩個因素的缺測率依次為11.3 %，9.3 %，8.3 %，6.0 %，0，5.0 %。由此可以看出，新站的運(yùn)行基本已穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)缺測情況，而舊站因采集軟件無法升級更新，需要觀測人員定時通過人工方式上傳采集器中的緩存數(shù)據(jù)。2020年1月～3月正是國內(nèi)疫情爆發(fā)高峰期，北京大氣試驗站施行彈性工作制，觀測人員未能及時進(jìn)行人工上傳，從而導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測。在此期間，氣溫與相對濕度新舊站同時缺測率均為0，這表明采用雙套自動氣象站運(yùn)行可以顯著降低觀測數(shù)據(jù)的缺測率，在一定程度上保證了數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 數(shù)據(jù)差異性分析

2019年10 月～2020年6月新舊站采集到氣溫有效樣本量為6 271個，總體差值平均值為0.01 ℃，即新站數(shù)據(jù)值略高于舊站數(shù)據(jù)值；總體標(biāo)準(zhǔn)差為0.19℃，表明氣溫差值較為穩(wěn)定，偏差較小。采集到新舊站相對濕度有效樣本量為6 273個，差值平均值為2.51 %，即新站數(shù)據(jù)值略高于舊站數(shù)據(jù)值；總體標(biāo)準(zhǔn)差為1.46 %，表明相對濕度差值較為穩(wěn)定，偏差較小。

3.2.1 一致率

由表2可知，2019年10月～2020年6月期間新舊站氣溫數(shù)據(jù)一致率均在90 %以上，說明雙套自動氣象站氣溫采集數(shù)據(jù)的一致程度非常好。在此期間，新舊站相對濕度數(shù)據(jù)一致率在15.9～79.4 %之間，均低于80 %，表明兩套自動站相對濕度數(shù)據(jù)的一致程度較差。經(jīng)分析，自動站相對濕度出現(xiàn)一致率較低的原因主要有兩點：一是相對濕度傳感器的測量最大允許誤差為±3 %，數(shù)值范圍較大；二是結(jié)合天氣現(xiàn)象，相對濕度數(shù)據(jù)差值在降水時段明顯變大，如2020年5月與6月相對濕度的一致率分別為36.6 %與15.9 %，而這兩月份的降雨天數(shù)均在10天以上。由此可知，降水現(xiàn)象對自動站暴曬場相對濕度觀測值影響較大。

表1 新舊站暴曬場氣溫與相對濕度缺測率統(tǒng)計（單位：%）

表2 新舊站暴曬場氣溫與相對濕度一致率統(tǒng)計（單位：%）

3.2.2 粗差率

由表3可知，2019年10月～2020年6月期間新舊站的氣溫粗差率最小為0.3 %，最大為2.7 %，且有6個月的氣溫粗差率超過了2 %；新舊站相對濕度粗差率最小為0.7 %，最大為2.3 %，僅有1個月的相對濕度粗差率超過了2 %。由此可以看出，新舊站的氣溫采集數(shù)據(jù)中異常差值較相對濕度的稍多，但總體數(shù)量仍較少。

3.2.3 超差率

上述各項指標(biāo)主要是從統(tǒng)計學(xué)角度對新舊站采集數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行了評估，但仍不夠完善，還需結(jié)合采集因素以及儀器設(shè)備（如傳感器、儀表等）測量性能進(jìn)行評估。因此，定義自動氣象站觀測值超過儀器設(shè)備探測精度規(guī)定的最大允許誤差2倍的百分比為超差率。表4給出了新舊站氣溫與相對濕度兩個因素的超差率情況。可以看出，2019年10月～2020年6月期間新舊站氣溫的超差率在1.4～10.5 %之間，相對濕度的超差率在2.8 %以下。氣溫與相對濕度超差率最大均出現(xiàn)在2019年10月，分別為10.5 %與2.8 %，但其粗差率僅為2.3 %與1.6 %；其次出現(xiàn)在2019年12月，氣溫與相對濕度超差率分別為9.6 %與1.5 %。這表明新舊站中至少有一套儀器設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時出現(xiàn)了異常情況。因新站于2019年9月剛投入使用，運(yùn)行初期各類傳感器探測值不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分觀測值出現(xiàn)了異常。因此，僅采用單套自動氣象站運(yùn)行無法及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，而采用雙套站同時運(yùn)行則可以通過一些數(shù)據(jù)選取方法對疑誤值進(jìn)行判斷，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 差值日變化特征

目前單套自動氣象站的各因素傳感器可能由于安裝、維護(hù)和對輻射的敏感性等不同的原因而出現(xiàn)明顯的日變化特征。圖2為2019年10月～2020年6月北京大氣試驗站24個時次氣溫與相對濕度新舊站差值平均值的變化情況?？梢钥闯?，兩個因素的新舊站差值呈現(xiàn)了明顯的日變化規(guī)律。在8:00～17:00的時間段里，新站氣溫觀測值要比舊站的高，且差值呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢；在其余的時間段里，新站氣溫觀測值要低于舊站，且差值波動較小。在0:00～23:00時間段里，新舊站相對濕度差值同樣呈現(xiàn)出先遞減后遞增的趨勢，但新站相對濕度的觀測值均高于舊站，且整體差值波動較小。上述新舊站氣溫與相對濕度的差值變化規(guī)律說明其中一套自動站觀測值存在較為明顯的日變化規(guī)律，而未被及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)長期存在問題。因此，雙套自動氣象站同時運(yùn)行則可通過對各因素差值日變化的定期監(jiān)控及時發(fā)現(xiàn)問題，為各傳感器校準(zhǔn)提供參考依據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

表3 新舊站暴曬場氣溫與相對濕度粗差率統(tǒng)計（單位：%）

表4 新舊站暴曬場氣溫與相對濕度超差率統(tǒng)計（單位：%）

圖2 新舊站暴曬場氣溫與相對濕度差值平均值的日變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）對上述氣溫與相對濕度數(shù)據(jù)的評估表明，北京大氣試驗站施行雙套自動氣象站運(yùn)行可以明顯降低采集數(shù)據(jù)的缺測率，保證了采集數(shù)據(jù)完整性，在一定程度上解決了目前自動氣象站單套站運(yùn)行存在的不足之處。

2）采集數(shù)據(jù)差異性評估表明，新舊站暴曬場氣溫與相對濕度采集數(shù)據(jù)的特征為差值小，與差值平均值偏差小，兩個因素的新站數(shù)據(jù)值均要略高于舊站數(shù)據(jù)值。新舊站氣溫數(shù)據(jù)之間有較高的一致率，較低的粗差率；新站運(yùn)行初期，數(shù)據(jù)超差率較高，隨著新站運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)超差率所有降低。新舊站相對濕度數(shù)據(jù)之間的一致率較低，主要是受到降水影響，但其粗差率與超差率則較低。

3）新舊站氣溫與相對濕度采集數(shù)據(jù)差值均呈現(xiàn)較為明顯的日變化規(guī)律，通過對其定期監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常與儀器設(shè)備系統(tǒng)性誤差等情況，為各儀器設(shè)備的校準(zhǔn)提供參考依據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4）下一步將陸續(xù)對新舊站的其他環(huán)境因素（如氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、太陽輻射量等）數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，同時開展雙套站運(yùn)行后數(shù)據(jù)選取方法的探索研究[11,12]，進(jìn)一步提高環(huán)境因素采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為裝備環(huán)境適應(yīng)性評價提供重要依據(jù)。