气象数据分析的毕业论文

浅谈自动站与人工观测数据差异论文

摘 要：自动站与人工观测是收集气象要素的两大主要依据。由于仪器原理差异、观测时空差异、采样方式和样本数差异、观测时次差异等因素，这两种观测技术所获取的气象数据存在许多差异。本文着力从两种观测方式的区别入手，对南雄站观测的数据进行整理与对比分析，以寻求提高观测数据准确性与科学性的有效途径。

关键词：自动站 人工站  观测数据  差异  南雄国家基准气候站

地面大气探测站在自动观测站运行前，要进行两年的气象要素对比观测。南雄国家基准气候站直至目前，仍保留两套大气探测仪器设备，即自动站观测仪器设备和人工观测仪器设备。每日24小时人工站与自动站都需要定时观测气象要素值，并进行人工与自动站观测数据对比，一般认为差异在合理范围内属正常，反之即为疑误记录。

一、自动站与人工观测的差异因素

1、仪器原理差异

自动气象站中使用的气象传感器与人工观测用的仪器在原理上是不同的。这些传感器有较小的时间常数，可以观测到大气中比较小的有意义的波动，使得所得到的极值更具有代表性，如温度极值、湿度极值、风速极值等等。这些传感器有较高的分辨率，人工观测的风向只有16个方位，而自动测站观测的风向为36个方位；这些传感器有较高的测量准确度，如温度传感器（尤其是地温传感器）、风传感器、低温下的湿度传感器等等。

自动气象站可以避免人工观测中的主观误差与人工误差，在人工观测中，观测员往往有习惯误差，读数时可能偶然出现大的读数错误，测温时人体对温度的影响。2分钟风的平均值受人的主观判断影响，深层地温人工观测时，从地中取出读数，由于受环境改变造成的误差等，而这些问题在自动观测中都是不存在的。这些都是自动优于人工观测，而两者存在着本质差异。

但是，自动气象观测也存在不足之处，尤其是在特殊天气状况下，如高温、高湿的下的测湿，大雨以上降雨量的测量，被雪覆盖下的地温极值等都与人工观测和真值有较大偏差。

2、时空差异

地面气象观测是在近地层中进行的，而在近地层中各气象要素存在较大的时间和空间的波动，也就是说存在较大的梯度变化。

正点报《地面气象观测规范》要求，人工观测在45-60分观测云、能见度、空气温度和湿度、降水、风、气压、地温等；而蒸发可安排在40分至正点后10分钟之间观测。由于人工观测是靠观测员逐项进行的，时间跨度较大。

在一般情况下，人工观测距正点的时间约是：温度和湿度相差约8分钟，风向、风速相差5分钟；气压相差2分钟；地温至少相差10分钟。在上述相差时段内，气象要素值会有不同程度的变化。从观测中发现：夏季在气温上升时，观测时间相差8分钟，可造成℃的差值,观测地面0cm温度时，在人工观测时测站天顶无云，而在观测后至正点前又有云移至天顶，遮挡太阳光，此时观测数据有可能存在几度之差。在人工站观测降水时，人工观测会有雨量损失等等。自动气象观测是在正点按气温、湿度、降水、风向、风速、气压、地温、日照、蒸发的顺序几乎是在瞬间完成的。

由此可见，由于两种观测体制在观测时间上不同步，因此观测结果必然会出现差异。

从空间上说，虽然自动气象的各传感器的安装要求基本上与人工观测相同，但其安装地点和位置也略有差别。对于像地温这种与安装位置密切相关的要素来说，地点的差别可能造成测量值的不小差异。

3、样本差异

人工观测是点读数，就是说观测员在观测时只读一次仪器的示值。而自动站观测则不同，它的每一个观测值都是多个样本值的平均值.，样本数目不同，测量结果必然会有差异。

4、时次差异

自动气象观测数据每小时存储观测记录一次，一天共24次，而一般的气象站每天3次人工观测，02时用自记记录补充，全天共4次观测，因而自动站观测资料密度大于人工站。

二、差值分析

1、气压

从表2中看出人工与自动站观测数据差值只相差，两者相当接近。我们知道气压的大小与海拔高度、大气温度、大气密度有关，一般随着高度升高，气压减小。因此在相同气候环境下，安装在室外的自动站的测值与人工站的稍微的偏差也是在所难免的，只要在省局规定的≤当中，固可作为正确值。

2、气温

在大气中，气温的波动相对较大，太阳辐射造成的辐射误差也不能忽略，从表1看虽然两者观测数据比较接近，但不能简单地、随意地将单个对比数据进行比较，而要看一个较完整的资料系列的对比结果才好， 因此，在资料对比时，最好分月予以比较。

3、相对湿度

在自动气象观测中，用湿敏电容全程测湿，其测量原理与人工观测数据差别较大。

湿敏电容在相对湿度80%以下，线性度较好，测湿性能较好，从表2中可以看出对比差值较小；从表2中看到在高温、高湿相对湿度达80%以上时对比差值达。省局有关规定没有给出具体差值范围，在日常工作中我们必须分段考虑。

4、风向风速

人工观测所用的电接风向风速计与自动气象站中使用的风传感器，无论从原理、分辨率、准确度等各方面差别都较大，加上大气中风速的不确定性，观测时间不同步。年风向风速资料表明，人工观测和自动站观测以静风(C)和ENE、E、W风出现频率最高。一般风速较小时，自动站风速与人工观测比较误差大，其原因在于自动站采用低惯性轻金属的风传感器，其启动风速仅为 m/s，具有惯性小、启动快、感应灵敏的特点。而人工站风感应器启动风速为 m/s

5、降雨量

在人工观测中，普遍认为雨量器测出的结果是可靠的，其实不然，正当下雨时，人工观测过程中就有雨量损失，这是分析自动观测测雨误差时需注意的一个问题，再加上观测时间上的差异，致使产生较大的对比误差。

从表3中看到，4%的对比差值在省局规定给出的差值范围内。但是从表3中我们可以看到，12月份降水量差值达6%，远远超出省局规定给定的'差值范围（3%）。在一次过程最大差值和相关文献中，如果遇到强降水过程中的差值甚至可达到10%。所以在降水量对比差值较大时我们不能机械地判为该值为疑误记录，应视降水量大小情况来定。这里必须指出的是在两者相比较时，最好选择一次降水过程。

6、地温

地温测量的复杂性太阳辐射加热下垫面后，使土壤温度迅速上升。由于土壤各处的物理化学性能不同，即比热不同，同样的热量，温度升值却不同。据有关机构试验证明，在面积不大的观测场内，土壤中水平温场分布不均匀，垂直温度梯度很大，特别是在夏日晴天时更为明显。加之，在土壤中，辐射传热作用较弱；对流传热几乎不存在；土壤不是热的良导体，热传导进行较慢。这样就使土壤中温度水平不均匀性和垂直梯度不容易达到应有的平衡。加之地表测温受强烈太阳辐射影响，凡此种种，使得地温测量中，难以获得代表性的测量值，也难以判断哪一种仪器的测量较为可靠。

从表5中看出0~20cm对比差值逐步递减，均在省局规定给出的允许值范围内。

7、蒸发量

人工和自动测量蒸发量是安装在同一个大型蒸发装置中进行的，由表2可知，自动站蒸发量比人工站大得多，蒸发量存在明显的差异。自动站蒸发量偏大主要受降水、湿度、风、日照、温度、仪器精度等方面影响。

随机抽取自动站2006年7月15和16日有降水天气的部分记录时段来分析，其中15、16日的24次平均温度分别都为 ℃，日照时数为 h，把这2 d的时降水量、时蒸发量、时湿度、时风速数据列于表3。

三、结论

基于理论分析，人工与自动站观测的气象要素数据之间必然会产生差异。利用南雄市国家基准站人工与自动站观测数据资料的对比，省局有关规定给出的差值区间在一般天气情况下可以适用，但在特殊天气状况下明显比实际情况偏小，在今后工作中应当引起注意。

1、频数分析：

对一组数据的不同数值的频数，或者数据落入指定区域内的频数进行统计，了解其数据分布状况的方式。通过频数分析，能在一定程度上反映出样本是否具有总体代表性，抽样是否存在系统偏差，并以此证明以后相关问题分析的代表性和可信性。

2、描述性统计：

对调查总体所有变量的有关数据进行统计性描述，包括数据的集中趋势与离散趋势。

3、探索性分析：

正态性检验用于检验数据是否满足正态分布，一些算法需要数据满足正态分布（如单样本T检验，独立样本T检验等）。