卡伦山站自动气象站应用分析

马文喜，常春超，曲志强

（松辽水利委员会水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河 164300）

0 引言

气象观测是水文监测的重要组成部分，并且随着信息时代的发展，现代化、信息化建设在气象观测方面得到广泛应用，只有充分利用现代化信息技术开发和利用水文信息资源，才能进一步提升水文行业的技术和管理水平，适应、满足国民经济建设、社会发展和新时期治水思路对水文行业的新要求。为此黑龙江上游中心6月中旬在卡伦山水文站引进安装了DZZ5型新型自动气象站，开展自动站与人工站气象数据资料分析工作，探讨自动气象站在北方界河水文站应用的可能性。

1 系统概述

DZZ5型自动气象站通过采用模块化的方式，设计完成的全自动气象业务的站型。可根据不同需求，进行观测要素、通讯方式以及供电方式的不同配置方案，既能满足无人值守的野外恶劣环境，也能适应城市或近郊等较理想环境。能够根据客户需求对风向、风速、气温、降水、蒸发等常规气象要素进行自动监测。

1.1 系统组成

自动气象站由采集系统、传感器系统、通讯系统、供电系统四大部分组成。

1.2 参数指标

卡伦山站安装的DZZ5型新型自动气象站为6要素站，即风度、风向、降水、蒸发、温度和湿度6要素。其中温度、降水、蒸发参数指标，见表1。

表1 自动气象站工作参数

1.3 系统功能

DZZ5型新型自动气象站可根据用户的不同需求，配置观测要素。采集系统负责自动气象站所有数据的接收、存储及分析运算。通讯系统用以将采集核心处理后的数据，传输到测站计算机，分为有线和无线通讯，测站接收到的数据通过网络发送中心服务器，同时该采集器也通过网络接受中心服务的远程集中管理与配置，真正实现了网络化智能管理。供电系统一般分为交流、太阳能和交流与太阳能并用的3种方式。

2 自动气象站安装的必要性和适用性

2.1 自动气象站安装的必要性

卡伦山水文站作为界河一类精度水文站，承担着黑龙江干流上游段水文信息采集、分析整理工作。水文资料中，气象观测资料是其重要的组成部分，气象观测现代化和信息化发展逐渐成为一种趋势。为此，在卡伦山水文站安装自动气象站，实现气象信息自动采集和传输，提高气象要素观测的连续性和统计的可靠性有重要意义。

2.2 自动气象站安装的适用性

卡伦山水文站位于黑龙江干流泽雅河口下游18.9 km处，多年平均气温为-0.5℃，其中6—9月平均气温为16.5℃，极端最高气温36.5℃（发生在2000年7月10日），极端最低气温-47.0℃（发生在1994年1月29日），最大日降水为88.1 mm（发生在1990年7月23日），最大日蒸发量为11.9 mm（发生在1989年8月6日）。

根据卡伦山站气象特性，对照DZZ5型自动气象站参数指标，降水、蒸发项目适用于卡伦山站汛期需要，温度适用于卡伦山站全年需要。自动气象站对于各项观测项目的分辨率较人工观测要高，且自动站观测频率较高，能够详细记录各要素变化过程。

3 资料的选取

根据人工观测与自动气象站对应的观测项目，本次资料选取只有气温（含最高最低气温）、降水、蒸发3项。

选取分析资料样本时，考虑到卡伦山站所处地区受温度及安装时间等因素，降水、蒸发项目分析时段定为6月中旬至9月底，气温（含最高、最低气温）分析时段定为6月中旬至12月底。

自动站观测数据同人工观测数据对比分析时，摘录时段同人工观测时段相同。其中，人工观测气温摘录的是每日8：00，20：00观测的气温值及20时观测的最高最低气温值；日均气温取2次观测值的算术平均值；自动气象站摘录每日8：00，20：00观测的气温，日均气温取2次观测的算术平均值，当日最高、最低气温从上一日20：00至当日20：00气温中摘录。根据SL460-2009《水文年鉴汇编刊印规范》中规定岸上气温记至0.5℃。降水量摘录8：00观测值；自动气象站摘录的日降水量为上一日8：00至当日8：00累积值。根据SL460-2009《水文年鉴汇编刊印规范》中规定，降水量记至0.1 mm。蒸发观测摘录每日8：00观测的蒸发量；自动气象站蒸发量为上一日8：00至当日8：00累积值。根据SL460-2009《水文年鉴汇编刊印规范》中规定，蒸发量记至0.1 mm。

4 分析技术方法

为了分析自动气象站与人工观测气象数据之间的关系，采用两者气温（含最高、最低气温）、降水、蒸发等相关气象要素的对比差值、标准差、不确定度、一致率进行分析。

4.1 对比差值及其平均值和标准差

4.1.1 对比差值的计算

设Ui为第i次人工观测值，Ai为第i次自动气象站观测值，则第i次的对比差值Xi为：

公式标序号，并解释变量，加单位

4.1.2 对比差值平均值的计算

设2种观测仪器数据的观测次数为n，则对比差值的平均值X为：

4.1.3 对比差值标准差的计算

设对比差值的标准差为σ，则标准差σ计算公式为：

4.2 不确定度

期望一个量的真值，在规定的概率落入的区间，即表示测量真值所在量值范围，用对比差值标准差的2倍表示。

4.3 一致率

一致率表示自动气象站观测数据与人工观测数据相一致的程度。对比差值小于其平均值标准差2倍的次数与其有效总次数的比值为一致率（用百分数表示）。

5 气温（含最高、最低气温）、降水、蒸发数据的对比分析

5.1 气温的对比分析

自动气象站与人工观测气温数据对比分析如下图1～6。由图可知，自动站与人工观测气温数据一致性较好。气温（含最高、最低气温）的对比差值在-2.0～+2.0℃之间，对比差值的月平均值在-0.5～+0.1℃之间，标准差在0.33～1.21℃之间，一致率在87%～100%之间。

5.2 降水的对比分析

图1 自动站与人工观测逐日气温数据对比图

图2 逐日气温对比差值与对比差值

图3 自动站与人工观测最高气温数据对比图

图4 最高气温对比差值与对比差值的年均值比较图

图5 自动站与人工观测最低气温数据对比图

自动气象站与人工观测降水数据对比分析如下图7和图8。由图可知，自动气象站较人工观测降水数据偏大，但总体两者降水数据一致性较好。降水日偏差在0～2 d之间，降水的对比差值在-3.2～+1.1 mm之间，对比差值的月平均值在-0.9～0.6mm之间，标准差在1.04～2.56 mm之间，一致率在90%～94%之间。

图6 最低气温对比差值与对比差值的年均值比较图

图7 自动站与人工观测降水量数据对比图

图8 降水量对比差值与对比差值的年均值比较图

5.3 蒸发的对比分析

自动站与人工观测蒸发数据对比分析如下图9和图10。由图可知，自动观测蒸发量的数值较人工观测的E601型蒸发器数值偏大。蒸发的对比差值在-2.4～+1.6 mm之间，对比差值的月平均值在-0.6～-0.4 mm之间，标准差在0.86～1.49 mm之间，一致率在87%～94%之间。

图9 自动站与人工观测蒸发量数据对比图

6 结论

1）人工站相关的观测仪器与自动气象站仪器在构造、性能方面、采集频次不同，自动气象站能够更详细监测到各要素的变化，检测范围可根据测站条件配置，适用性更广。

图10 蒸发量对比差值与对比差值的年均值比较图

2）通过对各要素的对比分析，自动气象站适用于卡伦山站的气象观测，可以替代人工观测工作，减少了人工成本。

3）自动气象站可实时监测各要素变化，监测的各要素可通过网络在测站及中心实时监控，实现了测站气象观测信息化要求。

4）自动气象站监测的数据存储在中心数据库，满足水文整编需要。

5）卡伦山站自动气象站的成功应用，为下步在奇乾水文站、洛古河水文站的推广提供技术条件。