SKY微型气象站对比观测数据分析

吴有恒，张 杰,闵昌红,陈应河,白永坤,徐金晶

(贵阳市气象局,贵州 贵阳 550001)

1 设备简介

司凯(SKY)是天津瞰天科技有限公司研发的基于物联网技术的7要素智能气象站，相比传统气象站，它除了能监测气温、湿度、气压、风力、风向、降水量6项要素，还独创性的加入了实时天空摄像功能及提供局地精准预报功能，通过天空图像识别技术+AI做到“看云识天”。该套设备于2019年11月在贵阳观测场东北角对比观测试验区安装，设备安装简便，太阳能或市电供电，主要包括2个部分，SKY(集成温/湿/压/天空图像传感器)及STORM(集成风速/风向/雨量传感器)。SKY模块与STORM模块各有U型支架用于调节高度，SKY模块高度与观测场气温传感器高度一致，STORM模块高度与观测场雨量传感器高度一致，微型站与本站下垫面特征相符，符合《气象仪器和观测方法指南》，气温、湿度及降水量具有可比性[1,2]。

2 资料与方法

选取2020年2～8月本站小时数据与微型气象站采集数据对比，分析方法采用国家气象中心气候资料中心制定的《对比观测期间监测资料评估技术方法》[3]，分析气温、相对湿度本站及微型气象站观测数据的相关性、粗差率、一致率及降水量的月百分误差等统计数据。

3 数据缺测率

微型气象站设备SKY及STORM模块各自有两块太阳能电池供电，电池供电不足导致数据缺测时有发生。从表1数据来看：2月大量数据缺测，两块太阳能电池同时断电可能性不大，应该是网络传输问题导致大量数据缺测[4]，3月在气象站增设无线网，同时将微型气象站挪到靠近该无线网的位置，可以看到3月份开始数据缺测率明显降低，但是STORM模块太阳能电池容量较小，所以3～7月STORM模块降水量数据缺测率都比SKY模块的温湿度数据缺测率高，6月因系统后台维护致SKY模块的温湿度数据缺测，又因通讯组件故障致STORM模块数据大量缺测，7月下旬给微型气象站接入市电供电，可以看到8月STORM模块的数据缺测率明显变小。

4 微型气象站气温、相对湿度与本站资料对比

4.1 序列对比及相关性

2～8月微型气象站观测值与本站气温、相对湿度相关系数均在0.97以上，从图1可以看到微型站测值变化与本站一致，具有很好的相关性[5]。最高气温及最小相对湿度都比本站数值偏大。

4.2 粗差及一致率

表2 微型站气温、相对湿度与本站观测值的粗差率 %

一致率反映监测数据的精确程度，表示微型气象站资料与本站观测记录相一致度程度，取该要素对比差值月平均值评估标准的2倍，例如气温为0.4 ℃，相对湿度为8%等，某要素一月中逐时对比差值在一致率范围内的次数与有效总次数的比值为一致率，一致率的评估标准为80%。从表3看出：微型站相对湿度与本站观测值一致率较好。

图1 2020年2～3月微型站气温、相对湿度与本站观测值对比及相关性

表3 微型站气温、相对湿度与本站观测值的一致率 %

4.3 极值对比差值

由表4气温、相对湿度极值差值平均值来看(2月因缺测数据较多不做比较)，3月到7月微型气象站最高气温都较本站偏高，平均高出1 ℃以上，8月最高气温较本站偏低，最小相对湿度除了8月较大外，其他月份偏差较小。总体来看最低气温与本站最接近，差值都很小。

表4 微型站气温、相对湿度与本站观测值差值平均

5 微型气象站降水量与本站资料对比

5.1 降水误差百分率

月降水百分误差=

月降水量百分误差的评估标准是±8%。

从表5中看出，该微型站与本站降水百分误差普遍偏大，7月的降水百分误差居然达到85.8%，查看小时数据发现几乎都是夜间时段本站有降水量，但微型站显示数值为零，主要还是因为STORM模块供电不足导致数据异常，7月下旬给观测场该套设备接入市电，可以看到8月降水百分误差明显变小。

表5 微型气象站与本站降水百分误差

5.2 降水过程对比

图2(a)、(b)、(c)、(d)展示了过程降水量由小到大(0～10 mm、10～25 mm)逐时比对，微型站与本站基本相符。但是图2(e)、(f)却显示对于小时降水量在0.1～0.2 mm的降水过程，微型气象站降水量明显小于本站降水量或没有观测到降水量。

图2 降水过程对比

6 结语

(1)微型气象站的STORM(含风速/风向/雨量传感器)模块太阳能电池容量小，即使在解决了设备数据网络传输问题后仍然因为电池问题导致降水量数据缺测过多(特别是夜间)，7月下旬已给微型站接入市电，可以看到缺测率明显减小，有待进一步分析。

(2)微型气象站气温与本站观测值的粗差率比相对湿度与本站观测值的粗差率高且大于评估标准2%，从剔除粗差情况看，基本上都是剔除白天时段10：00～19：00的数据，从最高气温与本站数据差值平均的表4及图1气温相关性对比图上也可看出：最高气温与本站偏差大所以使得粗差率变大及一致率降低，低于评估标准80%。

(3)微型气象站雨量正常采集时段，对于小时降水量在0.3以上的降水时段相关系数都在0.9以上，但是该设备降水量的分辨力为0.2 mm，没有观测到0.1 mm的小时降水量。对于小时降水量在0.1～0.2 mm的降水过程，微型气象站降水量比本站数据明显偏小。