定时观测自动站与人工站气象要素差异对比分析

朱吉体　吴芳　齐兴仁

摘要 根據蓝山县2009 年自动与人工平行观测的气温、相对湿度资料，对气温和相对湿度两要素在自动观测与人工观测下的差异进行分析，并阐述其差值的日变化、年变化及在不同气象条件下的差异特征。结果表明：自动观测与人工观测日平均气温差值、日最高气温差值、日最低气温差值分别为0.1、0.3、0.5 ℃左右；从差值的年变化看，日平均气温和最高气温的存在季节性波动，而最低气温无这种变化；从差值的日变化看，白天（8：00和14：00）自动站气温普遍高于人工站，夜间20：00自动站气温总体较人工站偏低，但其差值绝对值低于8：00和14：00，2：00的差值则无明显规律；随着气温上升，日最高气温差值的绝对值明显增大，而日最低气温差值的绝对值无明显变化。自动站相对湿度较人工站明显偏小，平均偏小4.0%，其中1—9月差值为负值，10—12月差值为正值，但其绝对值明显低于1—9月；从差值的日变化来看，14：00自动站相对湿度较人工站明显偏大，其他时次则明显偏小，其中2：00偏小幅度超过20%；相对湿度差值的绝对值随着最高气温的上升呈现明显的增大趋势，但与相对湿度值的大小无明显相关性存在。

关键词 自动站；人工观测；气温；相对湿度；差异分析；湖南蓝山

中图分类号 P415.1+2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0182-03

Abstract Based on the temperature and relative humidity data from the automatic and manual parallel observation of Lanshan Meteorological Station in 2009，the differences of each meteorological element between automatic station and manual station were analyzed，and their diurnal and annual variations and changes under different meteorological conditions were described. The results showed that the differences of daily average temperature，maximum temperature and minimum temperature between automatic and manual observation were 0.1 ℃，0.3 ℃ and 0.5 ℃ respectively. The daily average temperature and maximum temperature showed seasonal fluctuations，but the minimum temperature did not show such change in the annual variations. In diurnal variations，the daytime（8：00 and 14：00） temperature of the automatic station was higher than that of the manual station and the opposite phenomenon at 20：00，but the absolute value of the difference at 20：00 was lower than that at 8：00 and 14：00，the difference at 2：00 was not significant. As the temperature rose，the absolute value of the daily maximum temperature difference increased obviously，but the minimum temperature suggested no obvious change. The relative humidity of the automatic station was smaller than that of the manual station，with an average difference of 4%.The difference from January to September was negative，and from October to December was positive，but its absolute value was significantly lower than that from January to September. In diurnal variations，the relative humidity of the automatic station was significantly larger than manual station at 14：00，and significantly smaller in the other time（2：00，8：00 and 20：00），of which the smallest amplitude was more than 20% at 2：00；the absolute value of the difference of relative humidity showed a significantly increasing trend with the rise of the maximum temperature，but it had no significant correlation with the relative humidity values.

Key words automatic station；manual observation；temperature；relative humidity；difference analysis；Lanshan Hunan

自动站替代人工观测项目以来，自动观测和人工观测在气温等要素上存在不同程度的系统偏差和不可忽视的偶然偏差[1]。研究表明，全国大部分台站自动观测气温和人工观测气温在都在±0.1 ℃以内，对于极端气温，自动观测与人工观测的差异明显大于平均气温[2]。产生这种差异的原因很多，仪器的测量原理、观测方法、太阳辐射和观测环境是产生差异的主要原因，人工观测读数误差等也是重要原因，自动与人工2种观测体制在观测时间、传感器安装位置以及玻璃液体温度表固有的仪器误差，以及测温元件的滞后效应，都会造成观测结果出现差异[3-5]。此外，干湿球温度表的通风状态、湿球纱布包扎和不清洁，以及湿度仪器的变更都会引起湿度误差[6]。相对湿度的差异与温度也有一定的关系，在高温高湿的条件下，自动站温湿传感器出现非线性，相对湿度对比差值偏大[7-9]。但上述研究主要分析各气象要素的整体差异及原因，但这种观测手段变更导致的系统误差并非一成不变，这种差异在不同时次、不同季节、不同气象条件下可能会有不同的结果。

有鉴于此，本文以蓝山县为例，开展温度和相对湿度人工与自动观测差异的分析，特别是差值的年变化、日变化以及不同气象条件下的变化特征分析，可为深入开展人工站及自动站气象要素差异的原因分析提供依据，同时也可为后期开展精确分类的均一性订正工作奠定基础。

1 资料与方法

所用资料为蓝山国家地面气象观测站2009年（即自动与人工平行观测第2年）自动站及人工站气温、相对湿度小时观测资料，经过台站级、省级、国家级三级质量校验[10]。其中人工观测资料8：00、14：00、20：00定时观测资料，2：00气温资料为双金属温度计，相对湿度为毛发湿度计加上器差订正求得。自动观测仪器是由天津天仪集团仪表有限公司生产的HMP45A和HMP45D温湿传感器。对比分析日平均气温、日最高气温、日最低气温、相对湿度自动观测和人工观测资料，观察并分析其差异。本文所有对比差值均为自动站减去人工站。

2 结果与分析

2.1 氣温

2.1.1 日平均气温差异分析。对比自动与人工观测1—12月逐月平均的日平均气温差值发现，各月自动站均比人工观测气温值略高，平均日差值为0.087 ℃，单日出现的最大差值为0.9 ℃（2009年6月27日）。各月气温差分布显示1—8月差值较大，其中1月、4月、6月和8月平均差值超过0.1 ℃，9—12月差值相对较小（图1）。

2.1.2 日最高及最低气温差异分析。从日最高及最低气温对比看，自动站日最高和最低气温总体上要比人工站偏高，且偏高幅度均明显高于日平均气温，其中日最高气温平均偏高0.347 ℃，单日最高差值为1.1 ℃（2009年9月17日）；日最低气温平均偏高0.471 ℃，单日最大差值为0.8 ℃（2009年2月22日，3月21日，11月7日，12月23日）。日最高气温差值以5—10月最大，其中8月最大，差值超过0.5 ℃；11月至次年4月差值相对较小（图2）。日最低气温的差值相对稳定，除1月差值相对较小外，其他各月差值均在0.4～0.6 ℃之间（图3）。

2.1.3 定时气温差异分析。从蓝山站2009年定时观测的自动和人工站差值分布看，白天（8：00和14：00）差值为正，即自动站观测值高于人工站；而夜间（20：00和2：00）差值为负值，即自动站观测值低于人工站，且白天差值的绝对值明显高于夜间。进一步分析发现，2：00气温差值绝对值虽然最小，但标准差较大，反映出这一时次的气温差值无明显规律，正值和负值所占比例均较高；而8：00和14：00气温差值绝对值和标准差均较大，反映出这2个时次气温差值以正值为主，且14：00气温差值绝对值和正值比例均明显高于8：00；20：00随着气温下降，差值绝对值有所减小，方差则为最小，反映出该时次气温差值以负值为主（图4）。

2.1.4 不同区间气温对比差异分析。以人工站气温为基准，将最高气温和最低气温以5 ℃为间隔划分为若干区间，分别比较各区间的气温差值。从日最高气温各区间的对比差值看，最高气温0～4.9 ℃时人工站比自动站气温高，随着温度的升高人工和自动观测的温度差异也逐渐增大，在高温达35 ℃或以上时，人工与自动观测温度差异最大，见图5（a）。而最低气温虽然随着气温升高差值也有所增大，但总体而言更加平稳，差值增加幅度明显小于最高气温，见图5（b）。

2.2 相对湿度

2.2.1 日平均相对湿度的差异分析。分析结果显示，日平均相对湿度差值的年均值约-4.0个百分点，自动站明显低于人工站。分月来看，1—9月自动站日平均相对湿度值整体均比人工观测偏小，其中差值绝对值又以3—8月最大，差值绝对值均超过5个百分点；10—12月则变化为自动观测值比人工观测略高（图6）。

2.2.2 定时平均相对湿度的差异分析。图7为蓝山人工与自动站相对湿度定时观测差值变化，从差值分布上看，蓝山2009年人工与自动站相对湿度2：00和14：00人工和自动站相对湿度差异最大，其中2：00自动比人工站相对湿度小，年均偏小20.3个百分点；14：00自动比人工站相对湿度大，年均偏大16.1个百分点；8：00和20：00人工和自动站相对湿度差异相对较小，但自动站观测值仍均低于人工站，偏小幅度在7～9个百分点之间。

2.2.3 相对湿度分段对比差异分析。以人工站相对湿度和最高气温为基准，将日平均相对湿度和日最高气温分别以10%和5 ℃为间隔划分为若干段，分别比较各段的相对湿度差值。

从按相对湿度分段的差值对比来看，除40%～49%区间差值绝对值相对较小外，其他各分段相对湿度差值的无明显变化，各分段差值绝对值均在4个百分点左右，见图8（a）。按最高气温分段则显示各分段差值存在明显的差异，气温越高，差值绝对值越大，0.0～4.9 ℃区间差值绝对值仅为1.8个百分点，而35 ℃以上区间差值绝对值则增大到6.7个百分点。

3 结论与讨论

本文通过对蓝山2009年人工站和自动站气温及相对湿度资料进行对比分析，得出以下结论：

（1）自动站气温总体较人工站偏高，其中日平均气温偏高幅度较小，最高气温和最低气温偏高幅度相对较大。从差值的年内变化看，日平均气温和最高气温存在季节性波动，而最低气温无这种变化。从差值的日内变化看，白天（8：00和14：00）自动站气温普遍高于人工站，夜间20：00自动站气温总体较人工站偏低，但其差值绝对值低于8：00和14：00，2：00的差值则无明显规律。另外，随着气温上升，日最高气温差值的绝对值明显增大，而日最低气温差值的绝对值无明显变化。

（2）自动站相对湿度较人工站明显偏小，日平均相对湿度差值的年均值达到了4.0个百分点。分月来看，1—9月差值为负值，差值绝对值最大出现在3—8月；10—12月差值为正值，但差值绝对值明显低于1—9月。从差值的日内变化来看，14：00自动站相对湿度较人工站明显偏大，其他时次则明显偏小，其中2：00偏小超过20个百分点。相对湿度差值的绝对值随着最高气温的上升呈现明显的增大趋势，但与相對湿度值的大小无明显相关性存在。

由于本文所用的资料时间和空间尺度均有限，可能导致人工站和自动站气象要素差异的分析结果存在一定的局限性。随着自动观测仪器的广泛投入使用，今后应加强这方面的研究，使得气象资料的准确性和可靠性进一步提升。

4 参考文献

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