廈門地區(qū)鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)對比分析*

王證帥 黃 澎 陳 賽 林阿玲 呂巧誼

(1.廈門海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361006；2.廈門市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福建 廈門 361006)

1 概述

監(jiān)測精密是推動(dòng)氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)氣象強(qiáng)國的要求之一。社會(huì)各界對氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測需求更加嚴(yán)謹(jǐn)，對氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。氣象站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可用性對氣象部門尤為重要，氣象服務(wù)的精細(xì)化需要獲取更全面的氣象觀測數(shù)據(jù)[1]。目前氣象觀測站的發(fā)展存在以下趨勢：一是需要增加觀測站的網(wǎng)絡(luò)密度；二是需要運(yùn)用新技術(shù)提升觀測的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)可靠性；三是需要降低觀測站的建設(shè)及運(yùn)營成本。

目前使用的自動(dòng)氣象站一般由正方形的觀測場構(gòu)成，占地面積約為25×25m2，保持有均勻草層。新建自動(dòng)氣象站需要考慮站址的選取、后期維護(hù)、數(shù)據(jù)通信等因素，后期維護(hù)成本會(huì)有極大不確定性[2]。鐵塔氣象站依托鐵塔公司豐富的通信基礎(chǔ)設(shè)施站址資源和電力、通信等配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)快速建站，在后期的設(shè)備、電力、通信等維護(hù)方面具有相對優(yōu)勢。然而，鐵塔站的數(shù)據(jù)精確性及可用性是否可以達(dá)到氣象服務(wù)要求，需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和對比。

本文通過對廈門地區(qū)相鄰的鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的分析研究，采用兩個(gè)站點(diǎn)近三年同期數(shù)據(jù)對比的方法來檢測兩種自動(dòng)站的數(shù)據(jù)差異，分析鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的差異，為鐵塔氣象站的后續(xù)建設(shè)及氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考。

2 站點(diǎn)選取及數(shù)據(jù)

廈門某鐵塔氣象站(本文中以A站代稱)建于2017年5月，觀測場海拔10m；廈門某自動(dòng)氣象站(本文中以B站代稱)建于2017年8月，觀測場海拔高度10m；其中A、B站點(diǎn)直線距離相距約200m，設(shè)備選型均為Dzz4。如圖1所示，左側(cè)為鐵塔氣象站(A站)，右側(cè)為自動(dòng)氣象站(B站)。

(a)鐵塔氣象站 (b)自動(dòng)氣象站

本文選取近三年的有效觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)粒度為每5min的觀測值，共包含有效數(shù)據(jù)樣本622160個(gè)，其中鐵塔氣象站(A站)和自動(dòng)氣象站(B站)各311080個(gè)樣本。兩個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)對比，分析的要素包括溫度、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等。

3 數(shù)據(jù)分析方法

常見的對比自動(dòng)站數(shù)據(jù)差異的分析方法[3-8]，分別選取A、B兩個(gè)氣象站的氣溫、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等要素，采用差值、差值平均、差值標(biāo)準(zhǔn)差、數(shù)據(jù)一致率等。以上各項(xiàng)評估指標(biāo)及評估參考標(biāo)準(zhǔn)均參照地面氣象規(guī)范[8-10]。

①差值及差值平均

②差值標(biāo)準(zhǔn)差

假設(shè)：針對某一氣象要素，A、B兩站對比差值標(biāo)準(zhǔn)差為δ，標(biāo)準(zhǔn)差δ能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度。

③數(shù)據(jù)一致率

數(shù)據(jù)一致率表示A、B兩站點(diǎn)數(shù)據(jù)相一致的程度，其定義為：如果對比差值不大于標(biāo)準(zhǔn)差的2倍，則認(rèn)為其數(shù)據(jù)一致。其公式為：

數(shù)據(jù)一致率(%)=一致的次數(shù)/樣本總數(shù)×100%。

4 數(shù)據(jù)分析評估

4.1 整體數(shù)據(jù)對比分析

表1是廈門地區(qū)近三年的A站和B站的數(shù)據(jù)差值標(biāo)準(zhǔn)差分析情況，從中可以看出，除了10min平均能見度差值標(biāo)準(zhǔn)差較大，氣溫、相對濕度、本站氣壓均有較小的差值標(biāo)準(zhǔn)差，且樣本數(shù)據(jù)一致率均在90%以上，鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站在要素?cái)?shù)據(jù)上均有較高的一致性。10min平均能見度差值標(biāo)準(zhǔn)差值較大的原因可能是站點(diǎn)周邊環(huán)境導(dǎo)致，鐵塔氣象站周邊環(huán)境遮擋相對較多。

表1 鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站要素?cái)?shù)據(jù)對比

表2是最近三年A、B氣象站的要素平均值的差值對比，其中近三年的氣溫的差值平均為0.49℃，超出允許閾值，其他指標(biāo)均在允許的閾值范圍內(nèi)。

表2 鐵塔站和自動(dòng)站要素差值平均對比

4.2 逐月數(shù)據(jù)對比分析

圖2展現(xiàn)的是近三年鐵塔氣象站與自動(dòng)氣象站月平均差值的變化趨勢，其中(a)圖是兩個(gè)氣象站月平均氣溫的差值變化趨勢；(b)圖是月平均相對濕度的差值變化趨勢；(c)圖是月平均氣壓的差值變化趨勢；(d)圖是10min平均能見度的差值變化趨勢。

(a)氣溫平均差值 (b)相對濕度平均差值 (c)氣壓平均差值 (d)10min平均能見度平均差值

4.2.1 氣溫?cái)?shù)據(jù)對比

對近三年的樣本數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鐵塔氣象站平均溫度均22.98℃，普通氣象站平均溫度22.49℃，兩站平均差值約為0.49℃。其中鐵塔氣象站觀測溫度較高，且比普通氣象站差值閾值(±0.3℃)高0.19℃。

鐵塔氣象站月平均氣溫均高于自動(dòng)氣象站， 其中月平均溫度差最大值出現(xiàn)在2018年7月，差值為1.20℃；月平均溫度差最小值出現(xiàn)在2019年5月和2019年7月，差值為0.07℃。除2019年外，月平均氣溫差值大的月份均為7月。月平均氣溫差值超出閾值的月份有31個(gè)，占86%；氣溫差值在閾值允許范圍內(nèi)的月份有：2018年11月，2019年5～8月。這可能與2019年降水及日照時(shí)長有關(guān)，廈門地區(qū)2019年日照時(shí)長低于平均值。

4.2.2 相對濕度數(shù)據(jù)對比

鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站的平均濕度對比，發(fā)現(xiàn)鐵塔氣象站平均濕度為74.12%，自動(dòng)氣象站的平均濕度為75.4%，兩站月平均差值約為1.27%。其中鐵塔氣象站觀測濕度較低，在氣象站觀測對比的濕度閾值(±5%)允許范圍內(nèi)。

鐵塔氣象站有27個(gè)月的月平均濕度低于自動(dòng)氣象站，占比約為75%，有9個(gè)月高于普通氣象站，占比為25%，分別是2018年11月、2019年3～8月、2020年9月。鐵塔站和普通站月平均濕度差最大值出現(xiàn)在2018年12月，差值為8.7%。除2018年2月外，其余月份濕度差值均在允許閾值范圍內(nèi)。

4.2.3 本站氣壓數(shù)據(jù)對比

鐵塔氣象站平均氣壓為1013.04hPa，自動(dòng)氣象站的平均氣壓為1013.10hPa，兩站月平均差值約為0.06。其中鐵塔氣象站觀測氣壓較低，在氣象站觀測對比的氣壓閾值±0.4允許范圍內(nèi)。鐵塔站月平均氣壓均低于普通氣象站，誤差值均在允許范圍內(nèi)。

4.2.4 10min平均能見度數(shù)據(jù)對比

通過對鐵塔氣象站和自動(dòng)氣象站的10min平均能見度對比，發(fā)現(xiàn)鐵塔氣象站10min平均能見度為11924.5m，自動(dòng)氣象站10min平均能見度為13364.7m，兩站10min平均能見度差值約為1440.2m。其中鐵塔氣象站10min平均能見度較低，在氣象站觀測對比的閾值(±5000m)允許范圍內(nèi)。原因可能是鐵塔氣象站周邊環(huán)境不可控因素較多，有遮擋導(dǎo)致。

5 結(jié)論

鐵塔氣象站建設(shè)具有一定的優(yōu)勢，既填補(bǔ)了部分區(qū)域氣象數(shù)據(jù)觀測的空白，對于提升觀測精密、降低觀測和維護(hù)成本具有極大的優(yōu)勢。通過分析相鄰的鐵塔站和自動(dòng)站要素(溫度、相對濕度、本站氣壓、10min平均能見度等)的數(shù)據(jù)可以看出，這些要素均有較高的數(shù)據(jù)一致性。

通過對廈門地區(qū)近三年相鄰的鐵塔站和自動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)分析對比，鐵塔氣象站觀測氣溫會(huì)比自動(dòng)氣象站高，且超出閾值的月份約占86%；其他平均濕度、本站氣壓、平均能見度(10min)均在可允許的誤差范圍內(nèi)。對于日常觀測數(shù)據(jù)使用來說，建議氣溫值以自動(dòng)氣象站為主，鐵塔氣象站的數(shù)值作為參考。