DZZ4与ZQZ—CII型自动气象站观测资料差异分析

摘要 为了研究同一气候、同一环境背景下不同观测系统观测资料的差异性，利用琼山国家一般气象站2014年10—12月DZZ4与ZQZ-CII型自动气象站气温、风向风速、0～320 cm地温等资料进行对比分析，结果表明：①2种型号自动站观测数据具有较高的一致性，其中DZZ4型观测数据变化表现相对稳定。②日平均气温差为0.2 ℃，平均气温、日极端气温差异不显著。③2 min、10 min平均风速差分别为0.08、0.03 m/s，风速一致率分别为68.50%、93.70%，风向相符率分别为68.2%、85.9%，平均风观测时间越短，风速差变大，风向相符率变低。④0～5 cm地温、地面最高温度平均差均大于0.5 ℃，地面最高温度平均差为2.4 ℃，地面最低温度及其他层次地温差很小。地温随深度增加，变化减小，两站的地温差变小。⑤通过建立的回归方程，有效地实现DZZ4与ZQZ-CII型自动站气象资料的互补，确保资料完整性。

关键词 观测资料；自动气象站；差异分析

中图分类号 P412.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）10-0231-03

Analysis of Observational Data Difference Between DZZ4 and ZQZ-CII Automatic Meteorological Stations

ZHANG Hui 1，2 WANG Gang 1，2 * PAN Jia-li 1 YANG Chang-xian 1 LI Jun-hai 1 CHEN Tong-qiang 1

（1 Meteorological Bureau of Haikou City in Hainan Province，Haikou Hainan 571100； 2 Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province）

Abstract To study the difference of data observed on a same environmental background with a same observing system for a same climate，data including air temperature，wind direction，wind speed，and 0～320 cm earth temperature，etc. collected from DZZ4 and ZQZ-CII automatic meteorological stations in Qiongshan National Common Meteorological Station from October to December in 2014 were used for comparison and analysis.The results as follows：①Data observed by the two types of automatic meteorological stations were high complying with each other，data change collected by DZZ4 was relatively stable.②The daily mean air temperature difference was 0.2°C，and there was no significant difference of mean air temperature and extreme daily air temperature.③The mean wind speed difference at 2 minutes and 10 minutes whith were respectively 0.08 m/s and 0.03 m/s，the wind speed conformities were respectively 68.50% and 93.70%，the wind direction conformities were respectively 68.2% and 85.9%，and the wind speed difference enlarged and the wind direction conformity degraded in a shortened observation time.④The earth temperature and mean difference of maximum earth temperature at 0～5 cm were larger than 0.5 ℃，the mean difference of maximum earth temperature was 2.4 ℃，and the minimum earth temperature with other earth temperature difference at other layers was small.The earth temperature changed decreasingly with depth increasing，and the earth temperature difference narrowed between the two stations.⑤A regression equation was created so that the meteorological data from DZZ4 and ZQZ-CII automatic stations could be compensated for each other，and the data could be completed.

Key words observational data；automatic meteorological stations；difference analysis

自动气象站是观测系统的重要部分，其探测水平和运行能力是气象基础业务和气象服务水平的重要因素，随着气象服务需求的提高，对气象探测提出新要求。作为正式业务运行的DZZ4新型自动站，其采用“积木式”结构和CAN总线技术，利用双绞线互联主采集器和各分采集器。硬件结构上由传感器、主采集器、分采集器和外围设备等组成，具有高可靠性、高准确性、易维护、易扩展等特点[1]。而作为备份并进行观测的ZQZ-CII型自动气象站则是由单片机实时控制的数据采集器所采集，进行线性化和定标化处理，实现工程量到要素量的转换，对数据进行质量控制，通过预处理后，得出各要素的实时值，可实时按设定的菜单在微机屏幕上显示[2]。王晓默、崔学祯、马祖胜等[3-13]对自动站与人工站观测数据差异进行深度分析，杨伍琳等[14-15]分析了2套不同型号（CAWS600SE和DZZ1-2）自动气象站采集的气象数据的差异。以上研究对分析DZZ4（以下称D）与ZQZ-CII（以下称Z）型自动气象站观测资料的差异提供帮助。该文利用统计学方法，分析同一气候、同一环境背景下不同观测系统观测资料的差异，为气象资料的均一化处理和质量控制提供参考依据。

1 资料与分析方法

1.1 资料来源

采用琼山站DZZ4与ZQZ-CII型自动气象站2014年10—12月气温、风向风速、0～320 cm地温等观测资料。

1.2 统计方法

1.2.1 变异系数。变异系数用来反映观测值的变异程度，CV=■，式中SD=■，X为样本均值。

1.2.2 相关分析。由r=■，计算2种观测系统同一观测资料相关程度，判断观测数据变化的一致性[16]。

1.2.3 差值分析。定义差值为D站与Z站观测资料的差，计算平均差值、绝对差值、一致率及相符率。一致率（%）=■，相符率（%）=■，式中，n表示差值满足精确范围的次数，C表示观测值相同的次数，N表示观测次数。

根据有关对比观测的技术规定，各气象要素允许的精确范围为：-0.3 ℃≤△T≤0.3 ℃，-0.2 m/s≤△V≤0.2 m/s，-0.5 ℃≤△D≤0.5 ℃。其中△T、△V、△D分别表示气温、风速、地温的差值。

1.2.4 T检验。根据T=■·■判别D站与Z站观测资料的差异，当T>t0.05时，差异显著。式中S■■、S■■分别表示D站与Z站观测资料样本的方差。

1.2.5 回归分析[15]。采用最小二乘法计算观测值与观测值的线性回归系数b，观测值之间的变化可用一元线性方程表示，即y=a+bx。式中a、b为回归系数，方程中y代表D站观测值，x代表Z站观测值。

2 结果与分析

2.1气温

计算2014年10—12月D站与Z站气温差的平均值、绝对差值及气温一致率，反映不同型号自动站气温偏差状况。从表1可以看出，两站平均气温相差0.2 ℃，平均极端最高气温相差0.1 ℃，平均极端最低气温相差0.3 ℃，绝对气温差值与平均差值相同，说明D站气温高于Z站。在368次定时观测中（2：00、8：00、14：00、20：00），气温一致率为99.19%。日平均气温一致率为95.65%，日极端最高气温一致率为97.83%，日极端最低气温为92.39%，说明D站与Z站观测的气温资料一致率较高。

计算气温的变异系数，反映D站与Z站气温的变异规律，并对两站的气温进行T检验。从表2可以看出，D站气温的变异系数比Z站小，说明D站气温的波动小，变化相对稳定。在差异分析方面，检验值t0.05（92）=1.987，各月T值均小于检验值，p>0.05，说明D站与Z站气温差异不显著。

分析2014年10—12月D站与Z站平均日气温变化曲线，从图1可以看出，两站气温日变化趋势是一致的，计算两者的相关系数为0.999 4，相关显著。曲线反映出两站的日极端最低气温均出现在6：00，最高气温均出现在13：00。在气温急速上升时，D站与Z站的气温差变小，在气温平缓下降时，气温差相对大些。根据两站气温的关系，建立线性回归方程。

日平均气温：Y=0.998 7x+0.207 7 R2=0.999 8

日极端最高气温：Y=0.994 6x+0.235 6 R2=0.999 7

日极端最低气温：Y=0.999 2x+0.287 0 R2=0.999 8

2.2 风向风速

计算D站与Z站2 min、10 min、日最大及日极大风的平均差值、风速一致率和风向相符率。从表3可以看出，两站2 min、10 min平均风速差分别为0.08、0.03 m/s，极大风速、最大风速平均差值分别为-0.12、-0.05 m/s，差值小于质量控制允许范围。风速一致率分别为68.50%、93.70%、97.83%和50.00%，10 min和日最大风风速一致率较高。在风向相符率方面，10 min和日最大风的相符率也比2 min和日极大风的相符率高，说明平均风时间越短，D站与Z站风速差变大，风向相符率变低。

2.3 地温（0～320 cm）

计算10—12月D站与Z站0～320 cm地温差，从表4可以看出， D站与Z站所观测的地面最低、10～320 cm地温的差值较小。而在0 cm、5 cm地温和地面最高地温方面相差大于0.5 ℃，其中地面最高地温平均相差2.4 ℃，D站高于Z站。从地温差垂直变化看，差值随深度变小。计算两站的地温资料相关系数均达0.995以上，相关极为显著。说明两站地温具有很高的一致性。建立D站与Z站0 cm、、5 cm地温和地面最高温度的回归方程分别如下。

0 cm地温：Y=0.965 3x+0.421 1 R2=0.997 3

5 cm地温：Y=1.006 5x+0.605 1 R2=0.998 1

地面最高温度：Y=0.900 6x+1.282 9 R2=0.990 3

分别计算D站与Z站0～320 cm地温的变异系数，绘制变异系数随深度变化曲线，从图2可以看出，无论是D站还是Z站，地温的变异系数随深度变小，说明越近地面，与外界热量交换充分，地温变化大，变现不稳定[16-17]。D站地温的变异系数小于Z站，表明D站地温比Z站地温变化相对稳定。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）D站与Z站所观测到的气温、0～320 cm的地温相关显著，具有很高的一致性，D站观测资料比Z站波动小，较为稳定。

（2）D站气温高于Z站，两站测得平均气温、最高气温、最低气温一致率大于90%，气温急速上升时，两站的气温差变小，气温处于平缓下降时，气温差变大，两站气温差异不显著。

（3）D站与Z站2 min、10 min、极大风、最大风的平均风速差小于0.2 m/s，10 min风速一致率为93.70%，比2 min的高；日最大风风速一致率高于极大风风速一致率；10 min风风向相符率为85.90%，为最大，日极大风的风向相符率为47.8%，为最小。平均风时间越短，风速差变大，风向相符率变低。

（4）D站与Z站地面最低温度、10～320 cm的平均地温差小于0.5 ℃；地面最高温度、0～5 cm平均地温差大于0.5 ℃，其中地面最高温度相差2.4 ℃，地温随深度增加，变化减小，两站的地温差变小。

3.2 讨论

通过分析，认为引起D站与Z站观测资料差异的因素主要有以下几个方面：一是仪器不同，性能、灵敏度不同，造成观测数据的差异。二是仪器安装位置不同，形成仪器对外界条件感应不同，造成数据差异。例如气温传感器安装不同百叶箱，通风条件不同，引起气温不同；风传感器安装不一致，引起风速、风向的不同；地温传感器安装位置不同，土壤结构的不同，引起土壤导热率、比热等物理特性不同，造成地温的不同。因此，仪器安装是否正确、对仪器设备运行保障是否到位是确保气象数据客观真实、连续的重要手段。

但该分析也存在一定的问题：一是两站对比分析资料的时间短，不能完全反映D站与Z站观测资料的差异。二是土壤温度的变化不仅与气候相关，而且与土壤的性质、质地等因素相关，D站与Z站浅层地温、地面最高温度的差异大，有待于进一步深入分析[17-18]。

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