都江堰氣象站CAWS 600S與DZZ 5自動(dòng)氣象儀器及其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

吳玉川，胡德鳳

(1.四川省都江堰市氣象局，四川都江堰 611830；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610072)

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都江堰氣象站CAWS 600S與DZZ 5自動(dòng)氣象儀器及其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

吳玉川1,2，胡德鳳1

(1.四川省都江堰市氣象局，四川都江堰 611830；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610072)

[目的]為了確保氣候統(tǒng)計(jì)資料的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，研究都江堰自動(dòng)站CAWS 600S型與DZZ 5型的設(shè)備及其觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異。[方法]對(duì)2種自動(dòng)氣象站的硬件、軟件、對(duì)時(shí)與采樣和算法進(jìn)行對(duì)比分析；對(duì)兩站2015年的逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值平均值和超差率分析。[結(jié)果]DZZ 5型自動(dòng)站的儀器更先進(jìn)，2種自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的差異。[結(jié)論]DZZ 5型自動(dòng)站相對(duì)CAWS 600S型自動(dòng)站而言有較大的改進(jìn)和創(chuàng)新，測(cè)量的氣象數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

CAWS 600S型自動(dòng)站；DZZ 5型自動(dòng)站；設(shè)備；觀測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)比分析；都江堰氣象站

隨著我國(guó)氣象儀器自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)氣象站取代了人工氣象站，并不斷更新升級(jí)。前人對(duì)自動(dòng)氣象站與人工氣象站[1]、DZZ 4和CAWS 600自動(dòng)氣象站[2]、DZZ 4和CAWS 600 SE自動(dòng)氣象站[3]、DYYZ II和DZZ 5自動(dòng)氣象站[4]進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了相應(yīng)氣象站的訂正數(shù)據(jù)，保障了氣象資料的連續(xù)性。都江堰國(guó)家基本氣象站始建于1954年7月1日，先后使用人工氣象站、DYYZⅡ型和CAWS 600S型自動(dòng)氣象站，在啟用新的氣象站之前均進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得訂正數(shù)據(jù)。2015年1月1日啟用DZZ 5型自動(dòng)氣象站，但未進(jìn)行資料對(duì)比，由于自動(dòng)氣象站儀器的更新，其設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法不同，將導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)存在差異。筆者采用對(duì)比差值與對(duì)比差值平均值的方法，研究都江堰氣象站CAWS 600S型與DZZ 5型自動(dòng)氣象儀器及其觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異，得出各氣象要素的訂正數(shù)據(jù)，確保都江堰國(guó)家基本氣象站氣候統(tǒng)計(jì)資料的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

1 CAWS 600S型自動(dòng)站與DZZ 5型自動(dòng)站的設(shè)備對(duì)比

1.1 硬件 CAWS 600S型自動(dòng)站(簡(jiǎn)稱(chēng)C站)由北京華創(chuàng)升達(dá)公司生產(chǎn)，采用“采集器+傳感器+外圍設(shè)備”的結(jié)構(gòu),使用PTB220型氣壓傳感器、HMP45D溫濕度傳感器、EL15-1A風(fēng)速傳感器、SL3-1翻斗式雨量傳感器。DZZ 5型自動(dòng)站(簡(jiǎn)稱(chēng)D站)由中國(guó)華云技術(shù)開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)，它在C站運(yùn)行多年的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和升級(jí)，二者的結(jié)構(gòu)差異比較大。D站的結(jié)構(gòu)比C站多了分采集器、外部總線和外圍設(shè)備,具有綜合觀測(cè)和任意擴(kuò)展的能力[5]。使用PTB210氣壓傳感器、HMP155溫濕度傳感器、EL15-1C風(fēng)速傳感器、SL3-1翻斗式雨量傳感器。

1.2 軟件 C站為地面氣象測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件(5.0.2版)、自動(dòng)氣象站監(jiān)控軟件(5.0.0版)和通訊組網(wǎng)接口軟件(4.0.3版)。D站為臺(tái)站地面綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件，由采集軟件(4.0.8.2版)、業(yè)務(wù)軟件(3.0.0.2版)和通信軟件(3.0.0.2版)組成。D站在C站的基礎(chǔ)上增加了對(duì)各種觀測(cè)設(shè)備的靈活掛接、異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警、視程障礙綜合判斷、數(shù)據(jù)流通信、生成PDF報(bào)表等功能。

1.3 對(duì)時(shí) 氣象要素會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，有時(shí)1 min內(nèi)的變化會(huì)非常劇烈，如大風(fēng)和暴雨，要保證氣象要素測(cè)量的精準(zhǔn)度就必須讓采集器擁有非常準(zhǔn)確的時(shí)間。C站采集器的內(nèi)部時(shí)鐘每小時(shí)自動(dòng)與業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)1次，每日19:00由值班員根據(jù)電臺(tái)播報(bào)的北京時(shí)為準(zhǔn)校正采集器時(shí)鐘，保證其與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差<30 s[6]。由于是人工操作，故存在10 s左右的誤差。D站的采集器時(shí)間統(tǒng)一由中國(guó)氣象局的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)器作為基準(zhǔn)時(shí)間，氣象網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)由北京的國(guó)家級(jí)4臺(tái)授時(shí)服務(wù)器和其他各地的60臺(tái)授時(shí)服務(wù)器組成。D站觀測(cè)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)每天與四川省氣象局網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)校時(shí)，數(shù)據(jù)采集軟件每小時(shí)自動(dòng)以觀測(cè)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)的時(shí)間對(duì)采集器進(jìn)行校時(shí)[5]。因?yàn)槭怯?jì)算機(jī)自動(dòng)操作，故數(shù)據(jù)采集時(shí)間幾乎沒(méi)有誤差。

1.4 采樣和算法 C站的氣壓、氣溫、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)采樣6次/min，去掉最大和最小值，將剩下的4個(gè)值求平均，1 min平均值為瞬時(shí)值；風(fēng)速采樣1次/s，計(jì)算2 min的滑動(dòng)平均值；降水量采樣1次/min[6]。D站的氣壓、氣溫、相對(duì)濕度采樣30次/min，30次采樣值的算術(shù)平均值為1 min瞬時(shí)值；風(fēng)速采樣4次/s，整秒時(shí)的值為每秒的瞬時(shí)值，再以1 s為步長(zhǎng)計(jì)算前2 min的算術(shù)平均；降水量采樣1次/min[5]。D站的采樣數(shù)據(jù)更密集，算法更合理，相對(duì)而言測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)更準(zhǔn)確。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 所用數(shù)據(jù)為C站和D站2套設(shè)備2015年每日觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣壓(日平均本站氣壓和最高、最低本站氣壓)、氣溫(日平均氣溫和最高、最低氣溫)、相對(duì)濕度(日平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度)、2 min平均風(fēng)速、日降水總量等。C站因設(shè)備改裝造成了部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)，有效樣本數(shù)為3 429個(gè)(數(shù)據(jù)缺測(cè)率為6.1%)，其中氣壓缺測(cè)51個(gè)(缺測(cè)率為4.7%)、氣溫缺測(cè)66個(gè)(缺測(cè)率為6.0%)、相對(duì)濕度缺測(cè)22個(gè)(缺測(cè)率為3.0%)、風(fēng)速缺測(cè)77個(gè)(缺測(cè)率為21.1%)、降水量缺測(cè)5個(gè)(缺測(cè)率為1.4%)；D站有效樣本數(shù)為3 650個(gè)(數(shù)據(jù)缺測(cè)率為0)。由于需要將C站與D站的數(shù)據(jù)按照同一日期進(jìn)行對(duì)比才有意義，故C站所缺數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的D站數(shù)據(jù)不作分析，兩站各要素的總有效樣本數(shù)均為6 858個(gè)。

2.2 分析方法

2.2.2 超差率。《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能規(guī)格書(shū)》中對(duì)氣象要素觀測(cè)性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定，主要?dú)庀笠夭钪底畲笤试S誤差分別為氣壓0.3hPa、氣溫0.2 ℃、相對(duì)濕度5%、風(fēng)速0.5m/s、降水量(當(dāng)降水量≤10mm時(shí)，為0.4mm；當(dāng)降水量>10mm時(shí)，為4%)。為了分析傳感器的工作穩(wěn)定程度，根據(jù)相關(guān)資料，將其測(cè)量值超過(guò)功能規(guī)格書(shū)的2倍最大允許誤差次數(shù)與有效觀測(cè)次數(shù)的百分比定義為超差率[4]，公式為：

除去缺測(cè)次數(shù)，余下的觀測(cè)次數(shù)為有效觀測(cè)次數(shù)。

2.3 對(duì)比結(jié)果

2.3.1 日平均本站氣壓和最高、最低本站氣壓。日平均本站氣壓樣本數(shù)為348個(gè)，C站與D站的對(duì)比差值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)差值)的平均值為0.1 hPa，差值范圍為-0.1～0.3 hPa；其中，正平均差值240個(gè)(占69%)，負(fù)平均值23個(gè)(占7%)，0平均差值85個(gè)(占24%)。日最高本站氣壓樣本數(shù)為348個(gè)，差值的平均值為0.1 hPa，差值范圍為-0.7～0.3 hPa；其中，正平均差值263個(gè)(占76%)，負(fù)平均差值11個(gè)(占3%)，0平均差值74個(gè)(占21%)。日最低本站氣壓樣本數(shù)為348個(gè)，差值的平均值為0，差值范圍為-0.3～0.6 hPa；其中，正平均差值158個(gè)(占46%)，負(fù)平均差值116個(gè)(占33%)，0平均差值74個(gè)(占21%)。由此可知，C站與D站氣壓差值的綜合正平均差值明顯偏多，多數(shù)情況下C站的氣壓觀測(cè)值比D站高0.1 hPa，故可用0.1 hPa的差值進(jìn)行氣壓的氣候資料訂正。

計(jì)算超差率發(fā)現(xiàn)，日平均本站氣壓超差次數(shù)0，總樣本348，超差率0；日最高本站氣壓超差次數(shù)1，總樣本348，超差率0.3%；日最低本站氣壓超差次數(shù)0，總樣本348，超差率0?？梢?jiàn)，超差出現(xiàn)在日最高本站氣壓，且超差率很低，說(shuō)明兩站氣壓傳感器的穩(wěn)定性均較好。

2.3.2 日平均氣溫和最高、最低氣溫。日平均氣溫樣本數(shù)為343個(gè)，差值的平均值為0.1 ℃，差值范圍為-0.1～0.2 ℃；其中，正平均差值272個(gè)(占79%)，負(fù)平均差值1個(gè)，0平均差值70個(gè)(占21%)。日最高氣溫樣本數(shù)為343個(gè)，差值的平均值為0.1 ℃，差值范圍為-0.1～0.4 ℃；其中，正平均差值271個(gè)(占79%)，負(fù)平均差值5個(gè)(占2%)，0平均差值67個(gè)(占19%)。日最低氣溫樣本數(shù)為343個(gè)，差值的平均值為0.1 ℃，差值范圍為0～1.0 ℃；其中，正平均差值287個(gè)(占84%)，負(fù)平均差值0個(gè)，0平均差值56個(gè)(占16%)。由此可知，C站與D站氣溫差值的綜合正平均差值明顯偏多，多數(shù)情況下C站的氣溫觀測(cè)值比D站高0.1 ℃，故可用0.1 ℃的差值進(jìn)行氣溫的氣候資料訂正。

計(jì)算超差率發(fā)現(xiàn)，日平均氣溫超差次數(shù)0，總樣本343，超差率0；日最高氣溫超差次數(shù)1，總樣本343，超差率0.3%；日最低氣溫超差次數(shù)3，總樣本343，超差率0.9%?？梢?jiàn)，超差出現(xiàn)在日最高和最低氣溫，且超差率很低，說(shuō)明兩站氣溫傳感器的穩(wěn)定性均較好。

2.3.3 日平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度。日平均相對(duì)濕度樣本數(shù)為354個(gè)，差值的平均值為-7.4%，差值范圍為-10.0%～-4.0%；其中，正平均差值0個(gè)，負(fù)平均值354個(gè)(占100%)，0平均差值0個(gè)。日最低相對(duì)濕度樣本數(shù)為354個(gè)，差值的平均值為-6.8%，差值范圍為-10.0%～4.0%；其中，正平均差值3個(gè)(占1%)，負(fù)平均差值351個(gè)(占99%)，0平均差值0個(gè)。由此可知，C站與D站相對(duì)濕度差值的綜合負(fù)平均差值占絕大多數(shù)，即多數(shù)情況下C站的相對(duì)濕度觀測(cè)值比D站低7%，故可用-7%的差值進(jìn)行相對(duì)濕度的氣候資料訂正。

計(jì)算超差率發(fā)現(xiàn)，日平均相對(duì)濕度超差次數(shù)0，總樣本354，超差率0；日最低相對(duì)濕度超差次數(shù)0，總樣本354，超差率0?？梢?jiàn)，日平均相對(duì)濕度和最低相對(duì)濕度的超差率均為0，說(shuō)明兩站相對(duì)濕度傳感器的穩(wěn)定性均較好。

2.3.4 2 min平均風(fēng)速。2 min平均風(fēng)速樣本數(shù)為288個(gè)，差值的平均值為-0.3 m/s，差值范圍為-1.0～0.2 m/s；其中，正平均差值1個(gè)，負(fù)平均值281個(gè)，0平均差值6個(gè)。由此可知，C站與D站2 min平均風(fēng)速差值的負(fù)平均差值占絕大多數(shù)，即多數(shù)情況下C站2 min平均風(fēng)速觀測(cè)值比D站低0.3 m/s，故可用-0.3 m/s的差值進(jìn)行2 min平均風(fēng)速的氣候資料訂正。

計(jì)算超差率發(fā)現(xiàn)，2 min平均風(fēng)速超差次數(shù)0，總樣本288，超差率0，說(shuō)明兩站2 min平均風(fēng)速傳感器的穩(wěn)定性均較好。

2.3.5 日降水總量。日降水總量樣本數(shù)為360個(gè)，差值的平均值為-0.1 mm，差值范圍為-2.1～3.2 mm；其中，正平均差值19個(gè)(占5%)，負(fù)平均值83個(gè)(占23%)，0平均差值258個(gè)(占72%)?？梢?jiàn)，C站與D站日降水總量差值的0平均差值占大多數(shù)，即多數(shù)情況下C站的日降水總量觀測(cè)值與D站相同，故日降水總量的氣候資料不用進(jìn)行訂正。

計(jì)算超差率發(fā)現(xiàn)，日降水總量超差次數(shù)1，總樣本數(shù)360，超差率0.3%，說(shuō)明兩站雨量傳感器的穩(wěn)定性均較好。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CAWS 600S型與DZZ 5型自動(dòng)氣象站的硬件、軟件、對(duì)時(shí)與采樣和算法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)DZZ 5型自動(dòng)站的硬件和軟件相對(duì)CAWS 600S型自動(dòng)站而言有較大的改進(jìn)和創(chuàng)新，為以后的觀測(cè)拓展提供依據(jù)，對(duì)時(shí)、采樣和算法的改進(jìn)能夠使測(cè)量的氣象數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

兩站2015年日數(shù)據(jù)存在一定的差異，這些差異是由多種原因造成的。如儀器的測(cè)量原理和感應(yīng)原件不同造成的系統(tǒng)偏差以及儀器靈敏度的差異；數(shù)據(jù)采樣和算法的不同以及對(duì)時(shí)造成的觀測(cè)時(shí)間誤差等原因，也會(huì)造成數(shù)據(jù)的一定差異[1]；兩站的雨量傳感器相距4 m，對(duì)于分布很不均勻的陣雨的測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差；CAWS 600S型自動(dòng)站已運(yùn)行11年，儀器逐步老化也是造成差異的原因?？傊?，2015年2個(gè)自動(dòng)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)差異較小，儀器測(cè)量的穩(wěn)定性較好。

[1] 胡玉峰．自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的差異[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2004，15(6)：719-726.

[2] 楊晨，劉杰，薛力．DZZ4和CAWS600型自動(dòng)站觀測(cè)資料對(duì)比分析[J]．陜西氣象，2014(5)：43-45.

[3] 王少梅，郗晨.DZZ4新型自動(dòng)氣象站和CAWS600SE型的對(duì)比分析[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2015(18)：242-244.

[4] 邵兵，?？瓕毨?，等.新型站與備份站自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)差異性分析[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2015(15)：137-139.

[5] 黃思源，劉鈞.新型自動(dòng)氣象站觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2014.

[6] 中國(guó)氣象局．地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M]．北京：氣象出版社，2003.

Comparative Analysis of CAWS 600S and DZZ 5 Automatic Meteorological Instruments and Observational Data in Dujiangyan Meteorological Station

WU Yu-chuan,HU De-feng

(1.Meteorological Bureau of Dujiangyan City,Dujiangyan,Sichuan 611830;2.Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu,Sichuan 610072)

[Objective] The research aimed to ensure the accuracy and continuity of climatological data, the difference of equipment and its observed databetween CAWS 600S and DZZ 5 of Dujiangyan automatic station and its observation data was studied.[Method]Two automatic weather station of hardware, software, time synchronization and sampling algorithm were compared and analyzed. On two stations in 2015 the daily observation data difference average value and ultra slip were analyzed.[Result]The equipment of DZZ 5 Automatic station more advanced than that of CAWS 600S automatic station.There were some differences in observation data between two kinds of automatic weather stations.[Conclusion]DZZ5 type automatic station is relatively large improvement and innovation, the measurement of the weather data is more accurate and more accurate.

CAWS 600S type automatic station; DZZ 5 type automatic station; Equipment;Observed data;Comparative analysis;Dujiangyan Meterorological station

吳玉川(1973-)，男，四川蓬溪人，助理工程師，從事綜合地面氣象觀測(cè)研究。

2016-08-25

S 163+.7

A

0517-6611(2016)32-0177-02