摘要对抚顺新宾县气象局自动站与人工站2009年（20：00）气温、降水、相对湿度、气压、地面温度等平行观测资料进行对比分析，以了解观测系统的改变以及外界因素对数据产生的影响。结果表明：人工站与自动站之间的气温偏差在-0.5～0.4 ℃；最高气温偏差在-0.4～0.1 ℃；相对湿度偏差在0～14%；气压偏差几乎为0 hPa；降水量偏差在-2.0～1.6 mm；地面温度偏差在-11.6~0.9 ℃；产生气象要素对比观测这种差异的原因主要有观测仪器和观测原理的差异、数据采集时间及数据采集方法的差异以及一些主观因素。
关键词自动站；人工站；气象要素；对比分析；辽宁新宾；2009年
中图分类号P415.12文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）09-0322-03
随着科学技术的不断发展，大气探测技术随之飞速发展，从而逐渐从人工观测向仪器自动观测过渡。大气探测自动化系统由此应运而生。大气探测自动化系统的基础就是自动气象站。自动气象站是一种能够自动地观测和储存气象观测数据的设备[1]。自动气象站由硬件和软件系统组成，硬件系统包括传感器、采集器、通讯接口、系统电源、计算机等，系统软件有采集器和地面测报业务软件。为实现组网和远程监控，还需配置远程监控软件，将自动气象站与中心站连接形成自动气象观测系统[2]。而这些都是在计算机信息等技术高速发达的基础上进行的。早期由于经济技术等原因的限制，大气探测主要依靠人工观测。因此，人工观测数据早已被气象工作者认可，人工气象站已经为我国的气象预报、研究以及公众提供了长时期的气温、降水等气象数据。
我国是世界上气候变化较大的地区之一，气象灾害发生的频率很高。随着经济的发展和社会的进步，气象灾害的影响越来越广泛，造成的损失也越来越大，1998年，我国的气象损失高达3 000亿元。因此，国家和人民对气象服务，特别是对气象为防灾减灾服务的要求越来越高。为了提高对气候变化的监测、预测能力，近2年中国气象局积极创造条件，多方筹措资金，大力推动和促进我国大气监测自动化的进程，使我国自动气象站建设和业务管理、技术培训等方面有了快速发展。
1 人工气象站与自动气象站介绍
地面人工气象站由气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素，如云状、云量、云高、能见度等。一般，这只能得到估算的数据参数，经验便显得很重要。此外，他们还用各种仪器设备来测量大气的温度、湿度、气压、风力等。地面气象站观测项目很多，雨量、蒸发量、日照量、地温、积雪、太阳辐射等都应包括在内。要强调的是，地面气象站的观测方法很统一，它们都要参照联合国气象组织和国家气象局制定的《观测规范》。观测的仪器性能、规格和计量单位也要符合国际标准。统一观测方法的最终目的是保证观测结果的准确性和代表性，以便于进行比较[3]。
自动气象站发展到现在已有3代。第1代研制于20世纪50年代末，当时它只能测量温度、湿度、气压、风力、风向、降水等少数几个要素。60 年代中期，由于半导体元件和脉冲数字电路的普及，第2代自动气象站产生。其感应元件能观测云高、降水、辐射总量、雷暴等。但是，这种气象站不能自动处理观测资料。70 年代后，自动气象站已发展到第3代，电子计算机和卫星通信技术的兴起，使自动气象站自动化程度大为提高。目前，全世界投入运行的自动气象站有几千台。有一些国家还建立了自动气象站网系统，称之为自动气象遥测系统。这种系统由中心站和野外站组成，中心站控制着野外站，野外站的主要任务是观测，它由铁塔、传感器、电子线路等组成。我国在“七五”期间就研制出了自动气象站，它们分别安装在内蒙古、青海等地，定期通过静止卫星向地面接收站发送各种气象信息，效果良好。
自动气象站就是没有人工操作、完全由仪器进行自动地观测和存储气象观测数据的设备。它们常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由于地球表面面积广大，人力物力有限，建设地面气象站的数目不可能很多，自动气象站弥补了地面气象站的不足。
然而，与人工观测相比，自动观测系统的观测仪器、设备及观测原理和方法均发生了很大的变化。其他变化还包括时间、空间取样率的变化、数据处理方法的变化、仪器原理、仪器精度等变化[4-5]。观测系统的变化导致观测结果的差异是不可避免的，这种差异产生的原因一部分是观测原理的不同，但是很难说主要是人工观测仪器或是自动观测仪器造成的，它只是一种相对比较的结果。因此，将2种观测系统所获得的资料进行对比分析非常必要[6-8]。这也就是为什么中国气象局有关观测规范要求在进行大气探测自动化进程中需要一定时间平行观测的原因。
2资料及分析方法
本文对新宾气象站（54353）人工和自动站2009年每日20：00的观测资料进行对比分析，从中找出人工观测和自动观测的差异所在，并提出问题的解决办法。
对比差值是反映人工观测站与自动观测站观测资料之间差异的指标之一，直接反映人工观测站与自动观测站观测资料差异的大小。对比差值应保持在-0.2~0.2 ℃。设Ai为第i次自动观测站观测值，Ui为第i次人工观测站观测值，则第i次的对比差值为：Xi=Ui-Ai，对比差值平均值X=∑（Xi）/n。
2.1气温对比分析
数据分析表明：人工观测与自动站的月平均气温差值基本保持在0.1 ℃，线性相关系数R =0.999 7（图1），具有良好的相关性。最高气温差值为-0.4~0.1 ℃，平均差值-0.1 ℃（图2），夏季差值最大。造成这种气温差值的原因主要包括以下方面：一是自然因素干扰。不同季节的太阳辐射及云量情况，都会给气温带来较大的影响，而自动站温度传感器的灵敏度又优于温度表，因此在波动较大时自动站数值更容易跳变，这就造成两者数据存在一定的偏差，这也是最高气温在夏季变化较大的原因之一。二是人为因素干扰。人工站的观测时间为整点前15 min至整点，而自动站在整点采集数据，两者存在着1～15 min的时间偏差，在这段时间内，天气变化和气温日变化会使气温数据发生波动。三是环境因素。人工观测的温度表和自动站温度传感器虽然都是安装在百叶箱内，但是不同的百叶箱所在环境的细微影响也是不能排除的影响因素之一。
2.2人工站与自动站相对湿度对比分析
人工站与自动站的月平均相对湿度差值为0～14%，平均差值1%。春季差值最大，平均差值为4%，冬季差值最小，平均差值仅为0.7%；其中2月偏差最大，达到14%（图3）。造成这一差值的原因主要包括以下几点：一是自动站湿敏电容测湿的测量原理与人工观测的差别很大，当在高温、高湿（80%以上）下其性能会明显下降，当湿度接近100%时会出现失真现象；而在低温、低湿下，湿敏电容的性能优于毛发表。在平均湿度超过80%的条件下，人工站与自动站差值明显偏大，全部集中在夏秋两季，这正好解释人工站与自动站的月平均相对湿度差值在夏季最大的原因。二是干湿球温度表查算的相对湿度和毛发表测湿误差很大，特别是在湿度剧烈变化时，毛发表具有明显的滞后性。三是湿球纱布的清洁程度、湿润状况和溶冰时间的掌握也会对人工观测数据造成影响。
2.3人工站与自动站气压对比分析
人工站与自动站月平均气压差值为0~0.1 hPa，平均差值0.0 hPa。夏、冬季差值比春、秋季气压差值大（图4）。主要包括以下几个方面：一是自动站与人工站气压计读数在海拔高度上有一定的差异，新宾人工站与自动站气压计海拔高度相差5 cm，测算后两者因高度不同而带来的气压差为0.010～0.012 hPa。二是人工站读数时会受象牙针尖磨损、附温表的视差和游标读数时的误差影响，造成人工站测量数值存在偏差。
2.4人工站与自动站地面温度对比分析
人工站与自动站月平均地面温度偏差为-11.6～0.9 ℃，平均偏差为-3.1 ℃，且11月至翌年4月偏差较大，5—10月偏差较小（图5）。造成人工站与自动站地面温度数据差值的主要原因包括以下几个方面：一是地面温度突变。在地面温度突变时，地温表的滞后性会影响温度示值。二是土壤理化性质不同。各处土壤的理化性质不同，即比热不同，因此同样的热量在不同的地块，温度升值不同。三是特殊天气原因。例如，当出现积雪时，人工观测地面3支表取到雪面观测数据，而自动站地温传感器在积雪下，导致数据相差在10 ℃以上，这时观测所得到的2组数据已失去了比较意义。
2.5降水量对比分析
人工站与自动站月平均降水量差值为-2.0～1.6 mm，平均差值为-0.3 mm，且5—9月偏差较大，其他月份偏差较小，并且60%偏差较大的值都出现在中到大雨的对比记录中（图6）。造成人工站与自动站降水量差值的主要原因有以下几个方面：一是降水量采集时间不同，自动站采集的是分钟降水量，时间上分配密集，反应速度快；而人工测量降水量是一段时间的降水总量Σx分钟降水量≠Σ总降水量。二是其他气象要素影响。不同季节、不同天气下的温度，相对湿度和蒸发量都会影响人工测量降水量的数值。三是正当下雨时，由于人工站观测过程中就已存在雨量的损失，致使产生较大的降水量对比误差。
3结果与分析
3.1各种气象要素月平均人工观测值和自动站数值对比
选取资料为新宾气象站2009年每日20：00人工观测资料和自动站观测的温度、相对湿度、气压、地面温度、空气最高温度资料，用人工观测数据的月平均值和自动站观测月平均值作差值，并计算出距平均值。新宾气象站20：00气象要素：气温月偏差平均值0.1 ℃，偏差范围-0.5~0.4 ℃；最高气温月偏差平均值-0.1 ℃，偏差范围-0.4~0.1 ℃；相对湿度月偏差平均值1%，偏差范围0~14%；气压月偏差平均值0.0 hPa，偏差范围0~0.1 hPa；地面温度月偏差平均值-3.1 ℃，偏差范围-11.6~0.9 ℃；降水量月偏差平均值-0.3 mm，偏差范围-2.0~1.6 mm。
3.2气象要素对比差值变化趋势原因分析
一是感应元件和仪器原理的差异。自动站与人工站对于气温观测的原理是不同的，自动站观测采取感应元件的灵敏度分析，进而通过采集器采集到数据，时效性短，反应速度快；人工观测数据主要是靠人的视线感觉，在一定的熟练程度下，从积累的经验角度出发，进行多次平行观测得到的数据，并进行仪器差订正所得到的数据，因此可调性稍大。二是时空差异。是指离地面1.5 m处感应元件的感应范围，而近地层中各气象要素存在的时间和空间上存在较大的梯度波动。根据中国气象局颁布的《地面气象观测规范》的要求，人工观测要在45～60 min内观测空气温度和湿度、降水、气压、能见度、地温、风、雪深等。而这一切主要靠观测员逐项进行，因此时间跨度比较大。在一般情况下，人工观测气温时刻距整点时刻将大约相差10 min，在这段时间内，气象要素会存在不同程度的变化，但自动站对于气温观测的数据几乎是在整点时刻瞬间完成的。由此可见，从时间上，由于2种观测体制观测的不同步，观测结果必然会出现误差。显然，自动气象站能更好地测得整点值，在观测时间上具有很好的一致性，资料将有很好的可比性。从空间上说，虽然自动站的各传感器的安装要求与人工站基本上相同，但其安装地点和位置还是存在一定的差别。对于像气温这种在空间上（特别是在垂直方向上）有很大梯度的气象要素来说，地点的差别也可造成观测值的差异。三是数据采集方法的差异。人工观测是由观测员在观测时间对仪器示值一次读数完成，而自动观测值是多个观测值的平均值，采集数据时间段，数据量大，保证平均值的精确，这种数据采集的差异也是导致观测值差异的原因之一。四是其他主观因素干扰。人工观测是由观测员进行的，观测员在进行观测时，需打开百叶箱，这就可能导致百叶箱内的空气与外界空气进行流动交换，而外界空气可能受太阳辐射等原因导致与百叶箱内的气象要素观测结果不一致，加上观测员读数需要一段时间，这也导致了气温的变化，观测员读数时也带有一定的误差[8]。而自动站在进行气温数据采集时，温度传感器所处空气环境基本上不受外界因素影响，因此所采集的数据具有很好的稳定性和代表性。
4结论
人工站与自动站所测得的气温、最高温度的月平均对比差值为0.1 ℃。自动站运行较稳定，精确，数据质量完好。人工站与自动站所测得的相对湿度数据的月平均对比差值都在1%左右，也很好地满足了相对湿度偏差可接受的区间。但是在毛发表初始安装阶段可能会造成不理想的结果，订正后的数据差值范围稍大。就人工观测站与自动观站对于地面气温这一气象要素的观测来说，在数值上相差有季节性差异，在11月至翌年4月差值超出了规定的范围。对于气象预报来说这期间的数据对比不能很好地代表周围环境的真实情况。但是就数据采集原理、数据采集方法、数据采集时间等方面来说，自动站比人工站更为优越，具有空间代表性和时间代表性，同时也更具有比较性和准确性，因此可以用自动站资料代替人工站资料来选择地面温度数据[9]。
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