地面自動觀測與人工觀測的地面氣溫差異分析

1觀測系統變化對地面氣溫觀測值的影響自20世紀90年代末以來，中國在多個車站上測試了自動氣象觀測系統。近年來，隨著軟件和硬件技術的成熟，自動站的建設速度顯著加快。2004年，中國安裝了1000多臺自動氣象站，其中99家省級自動氣象站參與了正式運營。未來幾年，中國2300多個中央氣象站將采用自動氣象觀測系統。與地面人工觀測相比,地面自動觀測系統的觀測儀器和設備均發生了很大的變化,如地面氣溫觀測,我國將全部采用芬蘭Vaisala公司生產的溫度傳感器,代替人工觀測所用的水銀溫度表,大部分臺站防輻射所用的百葉箱也由以前的木質百葉箱改變為玻璃鋼質百葉箱。均一的資料序列是氣候變化研究的基礎,任何不均一的觀測序列都會造成研究結論的偏差。觀測資料序列在時間上的不均一性可以由許多原因造成,觀測儀器的變化是其中的重要原因之一。美國自20世紀80年代末開始在全美布設自動地面氣象觀測系統(ASOS),此后,圍繞觀測系統的變化對資料的影響進行了大量的研究。為了回答關于觀測系統發生變化后資料的連續性問題,美國專門設立了自動觀測系統氣候資料連續性研究計劃(CDCP)。許多研究結果表明:ASOS與人工觀測系統所獲得的觀測資料有著明顯的差異,例如,美國天氣局所使用的最高-最低溫度觀測系統(MMTS)的溫度傳感器與傳統的玻璃液體溫度表相比,日平均最高溫度要低0.6℃;另一項研究表明,美國MMTS觀測系統替代人工液體玻璃溫度表觀測后,大尺度區域平均的日最高氣溫下降了0.4℃,而日最低氣溫值升高了0.3℃,日平均氣溫下降了0.1℃,日較差則減少了0.7℃。Guttman通過對美國自動氣象站的1088型溫濕度計觀測的氣溫與常規方法觀測的氣溫相比,由于儀器不同造成的偏差可達1F。顯然,觀測系統的更新將造成氣溫觀測明顯的差異,如果不加訂正地合并使用系統變化前后的資料序列,將會影響本來變化就非常小的氣候趨勢分析結果。例如,美國在制作1971—2000年30年氣候標準值數據集時,對1980年代后期以來由ASOS觀測獲得的氣候資料均作了均一性訂正,確保全美30年氣候標準值的正確性。觀測系統的變化造成地面氣溫觀測值差異的主要原因是:儀器的變化和防輻射罩的變化。儀器的變化表現為儀器精度和靈敏度的不同以及環境輻射的影響不同,從而導致氣溫觀測的差異。防輻射罩的變化表現為防輻射罩對太陽輻射和紅外輻射的阻擋效果的差異以及防輻射罩內通風效果的差異,影響氣溫的觀測精度。例如,美國使用的MMTS,CRS和Gill型等3種防輻射罩內觀測到的太陽輻射可達太陽總輻射的4—14%。目前,我國在地面自動氣象站正式投入業務使用之前,要求進行2年的自動與人工對比觀測,國家基準氣象站則要求長期進行并行觀測。氣溫對比觀測資料初步分析表明,自動站和人工觀測的氣溫存在差異,并且這種差異存在明顯的日變化,但造成差異的原因是由于儀器變化造成的還是由于防輻射罩的變化造成的,需要進行不同的對比觀測,并進行細致的分析。本文從兩個方面分析自動站的引進對氣溫觀測值的可能影響,一是選取對比觀測期間使用同種百葉箱的幾個臺站,著重分析儀器的變化對氣溫觀測值的影響;二是選取使用不同百葉箱但儀器相同的幾個臺站專門進行的對比觀測實驗資料,分析百葉箱的變化對氣溫觀測的影響。2數據收集2.1觀測資料和觀測方法中國“地面氣象觀測規范”規定,國家基準站在安裝自動氣象觀測系統后,仍保留人工觀測。為了獲得人工站和自動站對比觀測期間逐小時的人工觀測資料以及較長的樣本長度,我們僅選擇具有3年以上對比觀測資料的地面基準氣象站地面觀測資料作為研究對象,資料所在臺站的描述見表1。研究所用的觀測資料包括:人工站和自動站平行觀測的逐小時氣溫、風速,逐日平均氣溫、最高、最低氣溫,人工觀測的逐小時總云量和降水。逐日平均氣溫是用24次正點記錄作算術平均獲得的。平行觀測位于同一觀測場,均使用我國傳統人工觀測所使用的木質百葉箱。自動觀測使用的是Milos500型自動氣象站,氣溫傳感器是芬蘭Vaisala公司生產的HMP45D溫濕傳感器,該傳感器也是中國其他自動站普遍采用的溫濕傳感器。人工觀測使用的是玻璃水銀干球溫度表。本文計算的氣溫差值均為同時刻或同時期人工觀測的氣溫減去自動站觀測的氣溫,以下稱之為“差值”。本文所用時間均為北京時。2.2百葉箱比對觀測為了考核可能在全國自動氣象站推廣的新型玻璃鋼百葉箱對地面溫濕度觀測的可能影響,在中國氣象局監測網絡司的組織下,大氣探測中心在長春、宜昌和北京同時對3種不同百葉箱(傳統的木質百葉箱、南京生產的BB-1型玻璃鋼百葉箱內觀測結果和石家莊生產的DPX1型玻璃鋼百葉箱,BB-1型已投入業務應用)進行了為期半年(2005年2—7月)的對比觀測,觀測儀器全部采用玻璃水銀干濕球溫度表,每天進行8—24次人工觀測,觀測在同一觀測場內進行。為了保證儀器的可靠性,每月用3套溫度表同時在一個百葉箱內進行一次比對觀測,偏差不允許超過0.1℃。分析所用資料除地面氣溫外,還包括臺站業務觀測獲得的逐小時云量和風速觀測資料(表2)。3設備變更引起的溫度差異分析3.1人工觀測與自動觀測的最高和最低氣溫差值的關系統計各站2001—2003年人工觀測與自動觀測逐日平均氣溫、逐日最高氣溫和逐日最低氣溫差值,表3給出了各站逐月和年的日平均氣溫差值。總體來看,人工觀測值較自動觀測值小,各站各月均表現出這種差異。3年平均的日平均氣溫差值約為-0.2—-0.3℃。由于月和年平均氣溫是根據日平均氣溫作算術平均獲得的,且各月日平均氣溫差值的符號是一致的,因此,氣溫自動觀測儀器的引入,將導致臺站觀測的月和年的平均氣溫增加0.2—0.3℃。人工觀測與自動觀測的最高和最低氣溫的差異也表現出與平均氣溫差異類似的趨勢,絕大多數站月的日最高和日最低氣溫的差值均為負值,圖1給出了剛察站的差值變化。顯然,人工觀測的最高氣溫低于自動觀測的最高氣溫這一結果與美國的研究結果不同,也與王穎對鄭州站的研究結果不一致。分析原因,可能是這些結果中涉及的最高氣溫的觀測差異包含了儀器的變化和防輻射罩的變化的共同影響,而本文所計算的差值僅包含儀器變化的影響。最高和最低氣溫差值的符號是一致的,但數值上有較大的差異。除民和站外,其它站均表現出相同的特點:最高氣溫的差值最大,月平均的日最高氣溫差值最大可達-0.79℃,而最低氣溫差值要小,接近或小于日平均氣溫的差值(圖1)。圖2是囊謙站2001—2003年逐日平均氣溫差值的分布,80%以上日平均氣溫差值在-0.3—-0.1℃,眾數為-0.2℃,正差值和零差值的比例很小,不到總數的10%。3.2基本時間負偏差分析統計各站2001—2003年逐小時氣溫人工觀測值與自動觀測值之間的差值(圖3)。由圖可見,各站以負偏差為主,一日中的大多數時間表現為負偏差,即自動觀測值高于人工觀測值。同時差值的大小存在明顯的日變化,日間差值較大,夜間小,日落后的21時至早上7時,差值一般在±0.1℃左右。日間負偏差的極值出現在10—11時,達到-0.5—-0.8℃。與日平均氣溫差值相比,夜間逐小時氣溫的差值較小,而白天逐小時氣溫的差值要明顯偏大。3.3觀測儀器的改變影響氣溫感應探頭溫度記錄的因子有:感應探頭與環境大氣以及感應器的其它部分進行的熱交換、太陽輻射加熱、感應器與外界的紅外輻射熱交換等。導致自動氣象站氣溫觀測與人工氣溫觀測之間存在差異的最主要原因,一是由于氣溫觀測儀器的變化,人工觀測使用的是水銀溫度表,而自動站使用的是金屬鉑熱敏電阻溫度傳感器,后者對環境溫度的敏感性要高于前者,兩者測量溫度的精確性也可能有差異;二是防輻射罩的變化,由于本節的對比觀測資料出自同樣的百葉箱,因此不存在這種原因。所以,可以認為,上節分析指出的差異主要是由于觀測儀器的改變造成的。觀測儀器的改變導致氣溫觀測值差異的主要原因是:儀器感應器與環境大氣以及儀器其它部分的熱交換性能的改變(即儀器靈敏度的差異)、感應器對透過防輻射罩的太陽輻射加熱的響應不同、儀器感應器與外界進行紅外輻射熱交換的不同、儀器測量的系統偏差。3.3.1夜間氣溫差的比較Guttman等將多云、風大的夜間觀測到的自動站氣溫與常規觀測的氣溫之差近似看做兩種儀器的系統偏差,因為在多云的夜間,沒有太陽輻射的影響,地面紅外輻射冷卻效應也很小,風大使得地面混合很強,兩種儀器不同位置造成的差異也會很小。分析得到,美國自動觀測系統與常規觀測液體玻璃溫度表的儀器系統偏差為0.17℃至0.22℃,自動觀測值低于常規儀器觀測值。分別計算4種條件下,夜間逐小時的氣溫觀測差值。C1:自動觀測的氣溫小時變化值(當前小時與前一小時的氣溫差之絕對值)<0.3℃;C2:前一小時內有降水發生;C3:該時次天空總云量為10成;C4:條件C1和C3同時滿足。上述4種條件都表示了同樣的意義,即沒有太陽輻射的影響、氣溫的時間變化很小、紅外輻射的影響很小。因此,觀測得到的氣溫差值可近似為兩種儀器的系統偏差。表4給出了各站夜間21—06時各小時平均的結果,不同條件下各小時的樣本數分別約為:100—200(C1),60—90(C2),370—500(C3),50—110(C4)。對于同一臺站,幾種條件下的結果基本相似,除了民和(52876)站外,其他幾個站的偏差值約為-0.1℃,民和(52876)站較大,約為-0.3℃。可見,中國自動站觀測儀器與常規玻璃水銀溫度表之間的系統偏差值并不大,與美國的情況基本相似,不同的是偏差的符號不同,即中國常規玻璃水銀溫度表觀測值要低于自動觀測儀器的觀測值,美國的情況則相反。3.3.2不同儀器滯后性的對比為了進一步分析一天中的不同時刻人工觀測值與自動觀測值的差異,我們用自動觀測獲得的逐小時氣溫計算了一天中各時次的氣溫變化值(該時次的氣溫與上一時次氣溫觀測值之差值)的絕對值。圖4給出了達日站的結果。日間,從上午8時前,氣溫開始上升,同時差值也開始變大。至上午10時,氣溫的時間變化值達到最高點,氣溫差值于11時達到最大,之后,氣溫變化值開始變小,差值也開始變小。亦即,氣溫升高的變化幅度越大,人工觀測與自動觀測的氣溫負差值越大,兩者在數值上負相關;絕對值呈正相關,與白天日變化幅度相似,位相上有些差異。這主要有兩種原因:一是人工觀測所用的水銀溫度表較自動觀測所用的溫度傳感器具有滯后性,某一時次的人工氣溫觀測值實際上是前期某一時刻的環境大氣溫度值,而自動溫度傳感器的靈敏度較高,這使得在氣溫日變化的快速升溫階段(日出后一段時間)和快速降溫階段(日落后一段時間)兩者的差值較大;二是太陽輻射對差值的影響,因為有太陽輻射和沒有太陽輻射之間的差值很大,且差值的日變化與太陽輻射的日變化很相似。為了定量說明儀器靈敏度對觀測值的影響,我們分別計算了各站在氣溫小時變化絕對值大于2.0℃(表示氣溫變化快)和小于0.3℃(表示氣溫變化慢)條件下逐小時的人工觀測與自動觀測的氣溫差值(以下分別用TG和TL表示),圖5是達日站的結果。在氣溫上升階段(08—15時),TG較TL有更大的負值趨勢,表現為各小時TG的絕對值均大于TL的絕對值,即氣溫上升越快,由于人工儀器相對于自動儀器的滯后性,人工觀測較自動觀測的負差值越大。而在氣溫下降階段(17—06時),TG較TL有更大的正值趨勢,即由于兩種儀器滯后性的差異導致氣溫快速下降時人工觀測與自動觀測值差值的正值趨勢,抵消了部分儀器偏差的負值。用DT表示TG和TL的差值,由于DT已經去掉了儀器系統偏差的影響,同時太陽輻射及紅外輻射對氣溫觀測差值的影響會隨時間變化,但從圖6中可以看出,DT的絕對值在時間上基本保持不變,因此可以認為TG和TL的差值也已經去掉了太陽輻射及紅外輻射對氣溫觀測差值的影響,所以,可近似認為TG和TL的差值就是兩種觀測儀器的靈敏度的不同造成的氣溫觀測偏差值。表5給出了各站的結果。可見,由于兩種觀測儀器對環境溫度響應靈敏度的差異,在一天中氣溫的上升階段(08—16時),將使得人工觀測值較自動觀測值低0.15℃左右,在氣溫下降階段(17—07時),將使得人工觀測值較自動觀測值高0.1℃左右,對日平均氣溫的影響將很小。3.3.3太陽輻射法日間和夜間氣溫差值的不同反映了太陽輻射和紅外輻射對差值影響的不同貢獻。顯然,日間太陽輻射對氣溫觀測差值的影響要遠大于夜間紅外輻射的影響。由于百葉箱的頂部和底部均是封閉的,所以溫度感應器與百葉箱之外的輻射交換只能通過百葉箱的水平方向進行。Hubbard通過對各種防輻射罩內的輻射觀測試驗研究表明,美國使用的與中國百葉箱類似的MMTS,CRS和Gill型防輻射罩(上下底封閉,水平方向通氣),透過太陽輻射的比率隨著太陽高度角的增加而降低。當然,透過防輻射罩的實際輻射值并不會遵循這樣的規律,因為太陽輻射總量會隨太陽高度角的增加而增加。為了具體說明之,我們計算了2001—2003年青海省格爾木站(36°25′N,94°54′E,海拔2807.6m)太陽直接輻射的水平分量的逐小時平均值(圖6),時間均換算到北京時。沒有選取本文所選氣溫觀測臺站的原因是這些站均沒有太陽直接輻射觀測。可見,太陽直接輻射的水平分量在北京時間11時前后達到最大,與氣溫差值日變化出現極值時間相吻合。結合前面的分析,可以說明氣溫差值在白天的日變化主要是由于太陽輻射的影響所致,太陽輻射越強,差異越大,與文獻的研究結果一致。日間(08—18時),忽略紅外輻射的影響,除去儀器偏差和儀器靈敏度影響造成的差異后,得到的氣溫偏差值,即為太陽輻射的影響。夜間(20—07時),除去儀器偏差和儀器靈敏度影響造成的差異后,得到的氣溫偏差值,即為紅外輻射冷卻的影響。圖7是囊謙站太陽輻射和紅外輻射的影響導致的逐小時氣溫差值圖。夜間紅外輻射的影響導致人工觀測與自動站觀測的氣溫差異很小,不超過±0.1℃,以負偏差為主;白天太陽輻射對氣溫差值的影響明顯,最高時可達-0.6℃。說明白天透過木質百葉箱的太陽輻射,對不同感應器獲取的氣溫測值的差異較大。4影響100葉箱變化對氣溫測量值的影響4.1百葉箱比折射波場的特征分析對比觀測實驗選取的3個站在2005年2—7月分別進行了2872—4344次對比觀測。計算不同百葉箱間的各次氣溫差值,將3倍標準差的差值作為粗大誤差予以剔除(剔除的個數未超過全部觀測次數的1%)。計算各次氣溫差值的平均值、標準差和日平均氣溫、最高最低氣溫差值的平均值、標準差(表6)。表中T0代表木質百葉箱內觀測果;T1代表DPX1型玻璃鋼百葉箱內觀測結果;T2代表BB-1型玻璃鋼百葉箱內觀測結果。T1-T0,T2-T0代表兩種玻璃鋼百葉箱木質百葉箱相同要素觀測結果的差值。可見,兩種玻璃鋼百葉箱與木質百葉箱的小時和日平均氣溫差值均未超過儀器的測量精度0.1℃,差值的標準差均在0.2℃以內。日最高氣溫平均差值也很小,各站未超過0.1℃,日最低氣溫平均差值除北京站外,也未超過0.1℃,北京站的差值也未超過觀測規范規定的極端氣溫測量容許的精度范圍(0.4℃)。因此,百葉箱的變化不會對平均氣溫及極端氣溫觀測值造成影響。4.2氣溫波動速度隨百葉箱內的氣溫變化的規律分析逐小時平均氣溫差值的日變化(圖8),可以看出,日出后不久,玻璃鋼百葉箱與木質百葉箱氣溫差值表現為明顯的正值趨勢,即玻璃鋼百葉箱內觀測的氣溫的上升速度大于木質百葉箱內的氣溫;下午5時以后,氣溫差值表現為明顯的負值趨勢,即玻璃鋼百葉箱內觀測的氣溫的下降速度超過木質百葉箱內的氣溫。3個站均表現出類似的規律。說明,木質百葉箱內觀測到的氣溫滯后于玻璃鋼百葉箱內觀測到的氣溫,玻璃鋼百葉箱內的氣溫對環境溫度的變化更加敏感。這主要由于木質百葉箱與玻璃鋼百葉箱相比具有較大的熱容量。5儀器變化導致的氣溫偏差本文通過選取在同一觀測場觀測、具有同種防輻射百葉箱、不同感應儀器的兩種地面氣溫觀測系統(人工觀測和自動站觀測)所獲取的平行觀測資料的對比分析,