黄山黟县双套自动观测站数据的质量评估

黄兴友　唐云志　张长春

摘要 利用2011年2月安徽省黄山市黟县试点双套自动观测气象站（A站和B站）和黟县本站（z站，自动站）的气象要素（气温、气压、风速、相对湿度、地温等）观测资料，进行了对比分析，并对自动气象站仪器换型后数据的连续性进行了全面的评估。评估的内容为：数据的完整性和差异性，其中，差异性通过均值、标准差、误差率、粗差率和一致率得到体现。评估的结果表明：1）双套自动站观测数据的可靠性较好，大多数要素接收率高达100%，B站湿度接收率较低，只有83.3%，是由于B站的相对湿度传感器故障造成的；2）双套站观测的多要素有较好的一致性，但AB、AZ的地温差值和AB的气压差值一致率较低，部分要素差值存在少量的奇异值；3）T-检验表明，双套自动站的观测数据与历史序列无显著差异，连续性很好；4）双套自动站可用于气象业务观测，但还要进行一定时间的并行运行，以便日后更好地对数据进行对比分析和订正。

关键词 差值均值 差值标准差 一致率 误差率 粗差率

自2000年以来，我国加快了地面自动气象站的建设，目前的自动气象站数量已达近万个，所有地面人工观测台站将全部升级到自动气象站观测。与人工观测相比，自动气象站的观测原理、观测方法均发生了很大变化。观测资料在时间上的不均一性可能由许多原因造成，但观测仪器的变化是其中的重要原因之一（Guttman and Baker，1996；顾润源等，2014；苗春生等，2017）。对自动站的数据质量分析，国内外开展了较全面的研究。陈豫英等（2006）对宁夏气温进行研究分析；沈艳等（2008）对全国蒸发量进行对比分析；苑跃等（2010）对四川省的相对湿度进行评估；刘小宁等（2008）对全国地温进行研究；张红娟等（2010）对陕西气压的差值分析；任芝花等（2007）对全国降雨量进行初步研究。国外学者（Jutta and Cerhard，1996；Sun et al.，2005）也进行自动站数据可靠性的研究。研究表明：自动站观测数据有很好的均一性和连续性，可以投入到气象观测业务中。

2010年中国华云公司开发了一套新型自动观测技术一双套自动站观测，并在10个气象台站建设了双套自动气象站。期望通过双套自动站同时业务运行、观测数据互为验证的方式，提高观测数据质量。

安徽省黄山市黟县气象观测站的“双套站”2011年1月1日开始试运行，并取得了一批可用于对比分析的数据。本文对黟县气象站“双套站”的2011年2月资料进行分析评估，从双套站数据的完整性、差异性以及连续性方面进行对比分析，以便了解双套站数据的质量情况和开展业务运行的可行性。所用的资料包括“双套站”观测资料和本站观测资料，时段为2011年1月31日2l时至2011年2月28日21时。资料内容包括气温、气压、风速、相对湿度、地面温度、草面温度、浅层和深层地温。主要评估的要素为：气温、气压、风速、相对湿度，次要评估的要素为：地面温度、草面温度、浅层和深层地温。

1评估方法

对双套站数据资料的评估，主要体现在资料的完整性、资料的差异性和资料的连续性，以便反映双套站资料的可靠性和业务应用的可行性，这是新型气象仪器投入业务运行前，必须要进行的评估工作，有关的评估方案可参考温华洋等（2012）。

双套站测量数据的缺测率是指缺测次数与应测次数的比例，可以反映资料的完整性。数据的差异性除了用均值和方差表示外，还包括误差率、粗差率和一致率。误差率代表仪器测值的可靠性超出了最大允许误差（这里指超出标准差的2倍）的次数与应测次数的比例。粗差率表示仪器出现异常差值（差值大于标准差的3倍）的次数与应测次数的比例。一致率表示在两倍标准差范围内的有效测量数据次数与应测数据次数的比例。

为了评估双套站数据与历史数据的连续性，利用本站近30 a的气压、温度、湿度、风速等资料，对双套站仪器月值的连续性进行显著性检验。通过数理统计中的T-检验方法，评估两站资料是否具有良好的連续性。

2双套自动站观测与本站观测的差异分析

2.1完整性

2011年2月黟县站的双套自动站数据总体来说较完整，A站未出现缺测情况，B站在2011年2月13日04时—15日11时湿度传感器故障，一直显示100%，在这里作缺测处理，黟县本站在2月26日09：05—11：54进行年检，缺测2 h的数据。

图1给出了黟县2月“双套站”及本站的逐日数据接收率。可以看出2011年2月“双套站”及本站小时数据接收率随日期的变化，A站、B站数据接收率均为100%，本站在26日的数据接收率是91.67%，反之可以得出数据缺测率8.33%。图2是黟县2月“双套站”及本站月数据接收率，A站及B站均为100%，本站在26日因年检缺测两次，接收率为99.71%。由此说明，“双套站”数据的接收较完整。

2.2差异性

2.2.1 A站和B站的差值分析

2月13日04时—15日11时B站湿度传感器故障，所以2月“双套站”B站相对湿度有效观测次数只有616次。表1给出了“双套站”AB逐时差值的均值、标准差、误差率、一致率、粗差率以及是否符合正态分布的统计。

差值均值——首先求出两站逐时数据的差值，然后再求出差值的月均值。从差值均值数据看，黟县“双套站”各要素差值都在要求的精度范围内。

标准差——A站和B站各要素标准差基本正常，但草面温度的标准差偏高，达到0.984℃。

误差率——除地面温度、草面温度、5 cm和10cm浅层地温误差率较大之外，A站和B站的其他要素误差率都非常小。

粗差率——“双套站”地面温度异常差值数较多，达到了18%。其次是5 cm（5.2%）、10 cm地温（1.64%）和2 min平均风速（1.64%）；接着是相对湿度（≤80%）的达到0.63%以及15 cm浅层地温是0.15%。

一致率——“双套站”气温、气压、40 cm地温、160 cm地温和320 cm地温一致率较低，其中320cm地温最为特殊，其差值稳定好，不超过最大允许误差，但一致率为0。其他要素一致率都较高。

综上所述，“双套站”AB站的数据虽有差异，但差异不大，有较好的一致性。

2.2.2“双套站”（A站、B站）与本站（z站）差值分析

在2月26日年检以后，本站湿度传感器出现故障，偏小超10%，因此不做26日08时后的相对湿度与“双套站”的比较。在13日04时—15日11时B站湿度传感器故障，B站和z站的比较时，忽略这一段的数据。

图3是A、B和Z三站气温之间差值的误差率、一致率和粗差率，三站之间的误差率和粗差率都较低；A、B站和A、Z站之间的一致率也不高，分别为28.87%和34.03%，但B、Z站一致率较好，达86.58%。说明三站的仪器正常，性能稳定，测值差异可能是场地和仪器本身灵敏度的不同造成的。图4是“双套站”和本站气压差值误差率、一致率及粗差率对比，A、B和Z三站间气压误差率都为0，从粗差率看B、Z站异常差值多于A、Z站的情况，AB站的误差率（0）、粗差率（0）和一致率（30.06%），反映了“双套站”气压传感器差值基本稳定，且两套仪器都性能良好。“双套站”与本站的一致性也很好，分别为91.94%和93.73%。

图5和图6分别给出了相对湿度小于80%和大于80%的误差率、一致率、粗差率的对比。从图5中可以看出A、B和Z三站相对湿度（≤80%）误差率都为0；AB站的一致性最高，达到97.79%；ABZ三站相对湿度（≤80%）差值基本稳定。从图6可以看出，高相对湿度（>80%）时，AZ（1.02%）和BZ（1.12%）的误差率都高于AB的误差率，ABZ三站一致率都很高，AB站的一致率达到了99.33%；AZ和BZ的相对湿度（>80%）差值有少量的奇异值。这些数据说明传感器正常工作，性能稳定。

图7是“双套站”和本站两分钟风速差值的误差率、一致率、粗差率的对比。可以看出ABZ三站的误差率很低，最高的BZ仅0.15%；ABZ三站的一致性都很好，其中AZ最高达到94.93%；ABZ三站差值仅有少量奇异值，说明仪器的测风性能良好。图8是“双套站”和本站地表温差值的误差率、一致率、粗差率对比图。可看出ABZ三站地表温度的一致性较好，最低的BZ地表温差一致率为87.46%；但误差率较高，AB为18.01%，AZ和BZ分别达到76.57%和76.87%；粗差率也较高，最高的AB达到14.14%。这么高的地表温度差异，表明了“双套站”地表温度感器装置需要检查。

图9给出了“双套站”和本站草面温度差值的误差率、一致率和粗差率对比，可以看出，ABZ三站的一致率很高，最低的AB也达到了95.21%；三站之间的误差率很高，超过了48%；差值有少量的奇异值。草面温度数据的对比表明，“双套站”的草面温度传感器装置需要检查。

考虑到处理和分析方法的相似，“双套站”AB站之间浅层地温和深层地温差值不再统计描述，40cm和160 cm地温一致性较差，但误差率和粗差率都为0，32 cm地温误差率、粗差率和一致率均为0，表明AB站40、160和320 cm地温仪器性能良好，差值稳定。

综上所述，AB站仪器性能良好，差值比较稳定，地温和草面温度传感器需要校正检查。

2.2.3“双套站”与本站差值频率分布

图10给出了A、B和Z三站间气温差值频次，其中A、B站气温差值主要集中在-0.2和-0.1℃；A、Z站气温差值集中在-0.4～-0.2℃；B、Z站气温差值主要集中在-0.2～0℃。图11给出了ABZ三站之间的气压差值频次，其中，AB气压差主要集中在-0.1～0 hPa；AZ气压差值集中在-0.1～0 hPa；BZ气压差值集中在-0.1～0.1 hPa。

图12给出了ABZ三站之间的2 min平均风速差值频率，其中AB风速差值重要集中在-0.1～0.1m/s；AZ风速差值重要集中在-0.3～0 m/s；BZ气压差值重要集中在0.3～0 m/s。图13和图14给出了地表温度和草面温度的差值频次分布，地表温度和草面温度差值分布较零乱，分布区间较广。

2.3日统计值对比

先计算出站点各要素的日平均值，再求两站点某要素的差值，最后计算差值的日均值。分别对A、B站进行差值统计，以及A、Z站和B、Z站的差值统计，要素包括气压、温度、风等，表4列出了差值均值及差值分布。

2.3.1气温

从图15和图16中看出，AB站差值平均值为-0.175℃，差值范围在-0.3～-0.2℃，全为负值，说明A站测量的温度均低于B站，与本站z的差值（A-Z，B-Z）分别是-0.295℃，-0.120℃。除2月25日、26日和27日AZ差值异常外，其余差值范围分别是-0.4～-0.1℃和-0.4～0.0℃。从差值频率看AB站频率最多的差值为-0.2℃～-0.1℃之间，AZ站频率最多的差值在-0.3℃～-0.2℃之间，而BZ站频率最多的差值在-0.1℃～0.0℃之间。

2.3.2气压

图17中，AB站差值均值为-0.070 hPa，均为负值，说明A站测量的气压低于B站；与本站z的差值（A-Z，B-Z）分别为为-0.075 hPa和-0.005 hPa，主要差值范围分别为-0.1～0.0 hPa，0～0.1 hPa。从差值频率看，AB站和AZ站频率最多的在-0.1～0 hPa之间，BZ站最多的则是在0～0.1 hPa之间。图18表明，A站与本站z相符较好。

2.3.3風

风速数据分为2 min和10 min的情况，这里只对2 min风速数据统计结果进行说明。图19显示AB站差值平均值为0.006 m/s，差值范围在-0.1～0.1 m/s之间，正值偏多，占57.14%，说明A站风速高于B站，与本站差值（A-Z，B-Z）分别是-0.099m/s，-0.105 m/s，无异常数据，差值范围均为-0.2～0.1 m/s。图20表明，AB站频次最多的差值在0.0～0.1 m/s之间；而AZ站频次最多的差值在-0.2～-0.1 m/s；在-0.2～-0.1 m/s和-0.1～0m/s之间，BZ站的差值频次大致相等。

2.3.4相对湿度

在年检后，本站Z的湿度明显偏小，出现了传感器故障，所以不再做“双套站”与本站的湿度对比，只统计A、B站的情况。图21表明，在B站湿度传感器出现故障以前，AB站湿度的日平均差值均为负值，说明A站湿度大部分小于B站，2月15日排除B站湿度传感器故障，此后AB站日平均差值均为正值，A站湿度大于B站所占比例超半，这个结果可能是仪器性能所引起的。

2.4连续性

利用本站1980—2010年2月的资料，对双套站仪器月值的连续性进行显著性检验，要素包括温、压、风、湿等，结果表明：要素温、压、风、湿的数据与本站历史数据有很好的连续性，也可以进一步说明双套站的所有观测数据与历史序列无显著差异。

图22—25给出了黟县2月“双套站”AB与本站之间气温、气压、湿度和2 min平均风速随时间的变化，进一步说明了“双套站”与历史数据无显著差异。

3结论

通过对比分析双套自动站（AB）和本站（Z）三站之间的数据，得到以下结论：

1）完整性：经过双套站3个月的试运行，解决了设备和技术上的问题，正常运行时，双套站观测数据的缺测率较低，有非常好的完整性。

2）差异性：在仪器正常运行下，双套站观测的大多数气象要素差值有很高的一致性，除AB、AZ的气温差值和AB的气压差值一致率较低；地表温度和草面温度差值存在一些奇异值，其他要素奇异值都很少，原因可能是仪器的检修或者仪器本身性能所引起的偏差，但数据差异性较小。

3）连续性：在仪器正常运行时，双套自动站观测数据与本站历史数据无显著差异，表明双套站数据与历史数据有良好的连续性。

统计和分析表明，“双套站”数据不仅有很好的可用性，也有助于减少缺测率，并及时发现数据异常的潜在优势。由于本文采用的数据仅为2011年2月的双套自动站观测资料，所得结论还需更多数据的检验。黟县试点站仍需要在保持原有观测的同时，进行双套站观测的运行，并保持2～3 a的平行观测，这样才能有完整连续的数据，以便更好地检验双套站的观测数据以及与历史数据的均一性。