格尔木国家基准气候站人工器测与自动观测温度对比分析

韩廷芳 吴双桂 金卫东

摘要    利用格尔木国家基准气候站2013—2017年人工器测与自动观测5年地面A文件温度资料，依据中国气候中心下发的《对比观测期间监测资料评估技术方法》的规定，分析了温度数据人工观测与自动观测的差异。结果表明，一致率非常高，符合80%的参考标准值;粗差率整体表现为数据的异常值较少;气温月、季和年差值大部分符合参考标准值范围（±0.2 ℃），但最低气温的差值略超出标准参考值，差值为-0.6～-0.3 ℃。表明最低气温数据自动站略大于人工站。人工站与自动站气温（平均气温、最高气温、最低气温）的月、季和年际变化趋势完全一致。月际变化中，最高值出现在7月，最低值出现在1月。季节变化均表现为夏季>春季>秋季>冬季;年际变化中，最高值出现在2016年，最低值出现在2014年。人工站与自动站气温数据线性拟合结果非常好，未出现大的离散状况，表明人工站和自动站逐日、月、四季和年气温数据相差不大，未出现系统性偏差。最低气温在年数据拟合及月数据拟合（7月和9月）中通过了0.01的显著性检验，逐日、四季及其他月份均通过了0.001的极显著性检验。表明格尔木国家基准站完全可用自动站气温观测值对人工站气温值进行订正和推算。造成自动站与人工站温度差异原因有多方面，包括不同的采集方式、观测时间、仪器原理以及对仪器维护是否规范等。

关键词    温度;人工器测;自动观测;一致率;差值;粗差率;青海格尔木

中图分类号    P415.1+2        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）20-0210-03                                                                                     開放科学（资源服务）标识码（OSID）

依据中国气象局综合观测司《关于张北等国家基准气候站长期保留人工器测观测任务的函》（气测函﹝2012﹞36号）以及《地面气象观测业务技术规定（2016版）》相关内容，格尔木是全国8个长期保留人工器测观测任务（含自记仪器记录整理）的国家基准气候站之一，也是青海省唯一长期保留人工器测观测任务的国家基准气候站。很多学者对观测系统发生变化而引起的气象资料观测结果进行了大量的分析研究，例如茆佳佳等[1]在对自动与人工观测相对湿度比对分析中对全国保留人工观测的8个国家基准气候站2007—2013年的比对观测资料进行研究、评估和总结，揭示2种观测技术体制观测资料的可比性及自动观测资料的稳定性;文献[2-4]对不同区域人工站与自动站温度进行对比分析。对青海省唯一长期保留人工观测的格尔木国家基准气候站的研究未见人工与自动观测要素的对比分析。本文利用格尔木国家基准气候站2013—2017年人工器测与自动观测5年地面A文件温度资料，从一致率、粗差率、差值、时间变化规律以及两者的线性回归拟合方程，分析温度数据人工观测与自动观测的差异，对分析仪器更换和观测方式的改变给气象观测资料均一性带来的影响有重要作用，同时对探讨自动站数据的代表性、准确性和连续性意义重大，分析结论可为开展气候及气候变化方面的研究提供基础数据。

1    资料与方法

1.1    资料来源

格尔木国家基准站2013—2017年人工与自动观测5年A文件资料，由格尔木气象台提供。统计4次定时观测（2：00、8：00、14：00、20：00）及4次平均值、最高值和最低值，月、季节和年温度观测数据。季节划分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至翌年2月）。

1.2    分析方法

依据文献[5-6]规定，分析温度数据人工观测与自动观测对比差值的平均值与标准差、一致率、粗差率。参考《地面气象观测遥测自动化功能需求书》要求，温度评估项目参考标准：缺测率2%、粗差率2%、对比差值±0.2 ℃、一致率80%。利用数理统计和线性回归方法建立两者的线性回归拟合方程及显著性检验。

2    结果与分析

格尔木国家基准气候站人工器测与自动观测气温缺测率为0，说明数据完整性和仪器观测的稳定性高。

2.1    人工站与自动站气温对比差值、一致率和粗差率统计分析

由表1可知，气温年、四季的差值大部分都在标准范围之内，只有8：00春季，14：00春季、秋冬季和年（四季）最低温度略超出了参考标准，最低气温的差值为-0.4～-0.3 ℃，这说明自动站的数据略大于人工站的数据，用自动观测值来代替人工观测，最低气温值就会相对偏高。沈  菊等[7]研究近35年柴达木盆地的气温变化特征发现，最低气温的气候倾向率大于平均气温和最高气温的倾向率，这可能与自动观测代替人工观测有关，最低气温的升高实际值可能少于观测值。一致率非常高，均在90%以上。粗差率变化比较明显，年粗差率中14：00温度，平均温度、最低温度在参考标准范围之内，其余为2.4%～4.1%，略超出标准范围;在季节粗差率中，四季平均温度均在标准范围之内，8：00和最低温度粗差率为2.7%～4.4%，均略超出了标准范围，其余表现没有明显的规律，部分粗差率略超出参考范围，总体来看数据的异常值比较少。

2.2    人工站与自动站气温月、季、年变化规律

2.2.1    温度月际变化规律 。由图1可知，人工站与自动站气温（平均气温、最高气温、最低气温）的月际变化趋势完全一致，从3月开始气温逐渐上升，到7月达到最高值，8月为次高值，从9月开始逐渐下降，1月为全年的最低值;月平均气温和最高气温的差值均为0～-0.1 ℃，符合标准参考值（±0.2 ℃）。最低气温的差值为-0.5～-0.3 ℃，超出标准参考值，表明自动站的数据略大于人工站的数据。

2.2.2    温度季节变化规律。人工站与自动站气温（平均气温、最高气温、最低气温）季节变化趋势完全一致，均表现为夏季>春季>秋季>冬季。人工站与自动站平均温度和最高温度四季差值均符合标准参考值，四季最低温度差值在-0.5～ -0.3 ℃之间，均超出标准参考值。

2.2.3    温度年变化规律。人工站与自动站气温（平均气温、最高气温、最低气温）年变化趋势基本一致，最高值出现在2016年，最低值出现在2014年。年平均温度和最高温度差值符合标准参考值，最低温度差值年变化在-0.6～-0.3 ℃之间，差值均超出了标准参考值。

2.3    人工站与自动站之间回归方程的建立及检验

表2是格尔木国家基准站2013—2017年人工站与自动站月数据线性拟合相关分析结果。结合逐日、季节和年数据线性拟合结果可以看出，人工站与自动站气温数据线性拟合结果非常好，没有出现大的离散状况，表明人工站和自动站逐日、月、四季和年气温数据相差不大，未出现系统性偏差。逐日、四季拟合中人工站和自动站相关系数在0.990 3～0.999 9之间，均通过了0.001水平的极显著性检验。在月数据拟合中，除了7月和9月最低温度通过0.01显著性检验之外，其余均通过了0.001的极显著性检验。在年数据拟合中，最低温度通过了0.01的显著性检验，平均温度和最高温度均通过了0.001的极显著性检验。这表明格尔木国家基准站完全可用自动站气温观测值对人工站气温值进行订正和推算。

2.4    人工站与自动站温度产生差异的原因

人工站与自动站温度存在一定的差异，究其原因，主要有以下几个方面[8-9]：不同的采集方式、观测时间、仪器原理以及对仪器维护是否规范等。

3    结论与讨论

对人工站与自动站温度差异进行分析，得出如下几点结论：

（1）一致率超过90%，符合80%的参考标准值。

（2）气温月、季和年差值多数在参考标准值范围（±0.2 ℃）之内，但是最低气温的差值略超出了标准参考值，差值为 -0.4～-0.3 ℃。这表明最低气温数据自动站略大于人工站。

（3）气温粗差率变化较明显，年粗差率中14：00温度，平均温度、最低温度在参考标准范围之内，其余为2.4%～4.1%，略超出标准范围;季节粗差率中，四季平均温度均在标准范围之内，8：00和最低温度粗差率为2.7%～4.4%，均略超出了标准范围，其余表现无明显规律，部分粗差率略超出参考范围，总体来看数据的异常值较少。

（4）人工站与自动站气温（平均气温、最高气温、最低气温）的月、季和年际变化趋势完全一致，月际变化中，最高值出现在7月，最低值出现在1月。季节变化均表现为夏季>春季>秋季>冬季;年际变化中，最高值出现在2016年，最低值出现在2014年。

（5）人工站与自动站气温数据线性拟合结果非常好，未出现大的离散状况，表明人工站和自动站月、四季和年气温数据相差不大，未出现系统性偏差。这表明格尔木国家基准站温度完全可应用自动站观测值对人工站观测值进行订正和推算。

（6）造成自动站与人工站差异的原因有多方面，包括不同的采集方式、觀测时间、仪器原理以及对仪器维护是否规范等[10]。

（7）差值分析中最低气温略超过标准参考值，但在线性拟合中通过了0.01水平以上的显著性检验。

4    参考文献

[1] 茆佳佳，莫月琴，张雪芬，等.自动观测与人工观测相对湿度比对分析[J].应用气象学报，2016，27（3）：370-379.

[2] 王颖，刘小宁.自动站与人工观测气温的对比分析[J].应用气象报，2002，13（6）：741-748.

[3] 张焕萍，张占峰，邵玉红.2007年青海省基准气候站自动与人工观测记录对比分析[J].青海气象，2009（1）：57-59.

[4] 石登科，崔学祯.甘肃临夏人工与自动气象站气温观测差异对比及均一性研究[J].干旱气象，2008，26（4）：71-74.

[5] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

[6] 樊万珍，黄央奎，张仙. 自动站与人工观测地温资料差异分析[J].青海气象，2018（2）：71-75.

[7] 沈菊，张彩岳，刘金青，等.近35年柴达木盆地气温变化特征[J].中国农学通报，2016，32（34）：159-165.

[8] 宋军，高磊，王秀萍，等.大连自动站与人工站观测数据的差异对比分析[J].气象与环境学报，2009，25（1）：58-62.

[9] 杨祎，冉国辉.自动站与人工站数据对比分析[J].贵州气象，2005（6）：41-42.

[10] 沈军.气象自动观测站数据处理方法研究[D].长沙：中南大学，2012.