厦门地区铁塔气象站和自动气象站的数据对比分析*

王证帅 黄 澎 陈 赛 林阿玲 吕巧谊

(1.厦门海峡气象开放重点实验室，福建 厦门 361006；2.厦门市气象灾害防御技术中心，福建 厦门 361006)

1 概述

监测精密是推动气象事业高质量发展、建设气象强国的要求之一。社会各界对气象数据的监测需求更加严谨，对气象数据质量的要求更加严格。气象站数据的准确性、可用性对气象部门尤为重要，气象服务的精细化需要获取更全面的气象观测数据[1]。目前气象观测站的发展存在以下趋势：一是需要增加观测站的网络密度；二是需要运用新技术提升观测的准确性和数据可靠性；三是需要降低观测站的建设及运营成本。

目前使用的自动气象站一般由正方形的观测场构成，占地面积约为25×25m2，保持有均匀草层。新建自动气象站需要考虑站址的选取、后期维护、数据通信等因素，后期维护成本会有极大不确定性[2]。铁塔气象站依托铁塔公司丰富的通信基础设施站址资源和电力、通信等配套设施，实现快速建站，在后期的设备、电力、通信等维护方面具有相对优势。然而，铁塔站的数据精确性及可用性是否可以达到气象服务要求，需要进一步的数据分析和对比。

本文通过对厦门地区相邻的铁塔气象站和自动气象站数据的分析研究，采用两个站点近三年同期数据对比的方法来检测两种自动站的数据差异，分析铁塔气象站和自动气象站数据的差异，为铁塔气象站的后续建设及气象数据应用提供参考。

2 站点选取及数据

厦门某铁塔气象站(本文中以A站代称)建于2017年5月，观测场海拔10m；厦门某自动气象站(本文中以B站代称)建于2017年8月，观测场海拔高度10m；其中A、B站点直线距离相距约200m，设备选型均为Dzz4。如图1所示，左侧为铁塔气象站(A站)，右侧为自动气象站(B站)。

(a)铁塔气象站 (b)自动气象站

本文选取近三年的有效观测数据，数据粒度为每5min的观测值，共包含有效数据样本622160个，其中铁塔气象站(A站)和自动气象站(B站)各311080个样本。两个站点数据对比，分析的要素包括温度、相对湿度、本站气压、10min平均能见度等。

3 数据分析方法

常见的对比自动站数据差异的分析方法[3-8]，分别选取A、B两个气象站的气温、相对湿度、本站气压、10min平均能见度等要素，采用差值、差值平均、差值标准差、数据一致率等。以上各项评估指标及评估参考标准均参照地面气象规范[8-10]。

①差值及差值平均

②差值标准差

假设：针对某一气象要素，A、B两站对比差值标准差为δ，标准差δ能反映一个数据集的离散程度。

③数据一致率

数据一致率表示A、B两站点数据相一致的程度，其定义为：如果对比差值不大于标准差的2倍，则认为其数据一致。其公式为：

数据一致率(%)=一致的次数/样本总数×100%。

4 数据分析评估

4.1 整体数据对比分析

表1是厦门地区近三年的A站和B站的数据差值标准差分析情况，从中可以看出，除了10min平均能见度差值标准差较大，气温、相对湿度、本站气压均有较小的差值标准差，且样本数据一致率均在90%以上，铁塔气象站和自动气象站在要素数据上均有较高的一致性。10min平均能见度差值标准差值较大的原因可能是站点周边环境导致，铁塔气象站周边环境遮挡相对较多。

表1 铁塔气象站和自动气象站要素数据对比

表2是最近三年A、B气象站的要素平均值的差值对比，其中近三年的气温的差值平均为0.49℃，超出允许阈值，其他指标均在允许的阈值范围内。

表2 铁塔站和自动站要素差值平均对比

4.2 逐月数据对比分析

图2展现的是近三年铁塔气象站与自动气象站月平均差值的变化趋势，其中(a)图是两个气象站月平均气温的差值变化趋势；(b)图是月平均相对湿度的差值变化趋势；(c)图是月平均气压的差值变化趋势；(d)图是10min平均能见度的差值变化趋势。

(a)气温平均差值 (b)相对湿度平均差值 (c)气压平均差值 (d)10min平均能见度平均差值

4.2.1 气温数据对比

对近三年的样本数据分析发现，铁塔气象站平均温度均22.98℃，普通气象站平均温度22.49℃，两站平均差值约为0.49℃。其中铁塔气象站观测温度较高，且比普通气象站差值阈值(±0.3℃)高0.19℃。

铁塔气象站月平均气温均高于自动气象站， 其中月平均温度差最大值出现在2018年7月，差值为1.20℃；月平均温度差最小值出现在2019年5月和2019年7月，差值为0.07℃。除2019年外，月平均气温差值大的月份均为7月。月平均气温差值超出阈值的月份有31个，占86%；气温差值在阈值允许范围内的月份有：2018年11月，2019年5～8月。这可能与2019年降水及日照时长有关，厦门地区2019年日照时长低于平均值。

4.2.2 相对湿度数据对比

铁塔气象站和自动气象站的平均湿度对比，发现铁塔气象站平均湿度为74.12%，自动气象站的平均湿度为75.4%，两站月平均差值约为1.27%。其中铁塔气象站观测湿度较低，在气象站观测对比的湿度阈值(±5%)允许范围内。

铁塔气象站有27个月的月平均湿度低于自动气象站，占比约为75%，有9个月高于普通气象站，占比为25%，分别是2018年11月、2019年3～8月、2020年9月。铁塔站和普通站月平均湿度差最大值出现在2018年12月，差值为8.7%。除2018年2月外，其余月份湿度差值均在允许阈值范围内。

4.2.3 本站气压数据对比

铁塔气象站平均气压为1013.04hPa，自动气象站的平均气压为1013.10hPa，两站月平均差值约为0.06。其中铁塔气象站观测气压较低，在气象站观测对比的气压阈值±0.4允许范围内。铁塔站月平均气压均低于普通气象站，误差值均在允许范围内。

4.2.4 10min平均能见度数据对比

通过对铁塔气象站和自动气象站的10min平均能见度对比，发现铁塔气象站10min平均能见度为11924.5m，自动气象站10min平均能见度为13364.7m，两站10min平均能见度差值约为1440.2m。其中铁塔气象站10min平均能见度较低，在气象站观测对比的阈值(±5000m)允许范围内。原因可能是铁塔气象站周边环境不可控因素较多，有遮挡导致。

5 结论

铁塔气象站建设具有一定的优势，既填补了部分区域气象数据观测的空白，对于提升观测精密、降低观测和维护成本具有极大的优势。通过分析相邻的铁塔站和自动站要素(温度、相对湿度、本站气压、10min平均能见度等)的数据可以看出，这些要素均有较高的数据一致性。

通过对厦门地区近三年相邻的铁塔站和自动站的观测数据分析对比，铁塔气象站观测气温会比自动气象站高，且超出阈值的月份约占86%；其他平均湿度、本站气压、平均能见度(10min)均在可允许的误差范围内。对于日常观测数据使用来说，建议气温值以自动气象站为主，铁塔气象站的数值作为参考。