2005-2019年自动站与人工站风资料对比分析.pdf

地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2023-04-12作者简介：于宛男（1991），女，本科，助理工程师，研究方向：地面气象观测及高空观测。通信作者：王旭（1988），男，硕士，工程师，研究方向：综合气象观测。20052019年自动站与人工站风资料对比分析于宛男1张俊茹2孙晓宇2王旭3（1.绿园区气象局，吉林长春130061；2.长春市气象信息技术保障中心，吉林长春130061；3.吉林省气象探测保障中心吉林长春130062）摘要:【目的目的】研究自动站与人工站历史风资料的数据质量。【方法方法】以20052019年长春国家基准气候站自动站与人工站风资料为样本，对风向月相符率、风速对比差值、风速月粗差率和风速月相关性进行数据分析。【结果结果】10分钟风向相符率多于2分钟，10分钟风向相符率大多集中在40%60%，平均49%，2分钟风向集中在30%50%之间，平均39%；自动站风速大于人工站风速，10分钟年平均风速相差最大达0.6 m/s，2分钟年平均风速相差达0.4 m/s；自动站和人工站风速10分钟平均较2分钟平均相关性好。【结论结论】为今后风要素的数据使用起到良好的借鉴意义。关键词：自动站；人工站；风向月相符率；风速对比差值；风速月粗差率中图分类号：P412文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0110-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.022Comparative Analysis of Wind Data of Automatic Station and ArtificialStation from 2005 to 2019YU Wannan1ZHANG Junru2SUN Xiaoyu2WANG Xu3(1.Lvyuan Meteorological Bureau,Changchun 130061,China;2.Changchun Meteorological Information Technology Support Center,Changchun 130061,China;3.Jilin Meteorological observation Support Center,Changchun 130062,China)Abstract:Purposes This paper aims to study the quality of historical wind data of automatic andmanual stations.Methods the data of automatic and manual stations in Changchun National ReferenceClimate Station from 2005 to 2019 were taken as samples to analyze the monthly coincidence rate ofwind direction,the contrast difference of wind speed,the monthly gross difference rate of wind speed andthe monthly correlation of wind speed.Findings The analysis results show that the wind directionmatching rate in 10 minutes is more than that in 2 minutes,and the wind direction matching rate in 10minutes is mostly concentrated in 40%60%,with an average of 49%.Within 2 minutes,the wind direction was concentrated between 30%and 50%,with an average of 39%;The wind speed of the automaticstation was higher than that of the manual station,and the difference of the 10-minute annual averagewind speed was up to 0.6 m/s,and the difference of the 2-minute annual average wind speed was up to0.4 m/s.The 10-minute average of wind speed of automatic and manual stations is better than that of 2-minute average.Conclusions It will provide a good reference for the data use of wind elements in thefuture.Keywords:automatic station;manual station;monthly coincidence rate of wind direction;contrast differ第13期111ence of wind speed;monthly gross difference of wind speed0引言风是由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量1。风是水汽输送的唯一重要的介质，是人类生产生活不可缺少的元素，也是天气预报的重要内容，因此掌握风要素的观测数据质量意义重大。目前，吉林省长春站风要素采用人工站和自动站两种方式观测。在气象上人工站采用EL型电接风向风速传感器，自动站采用 EL15-2C、EL15-1C型风向风速传感器2。为研究其自动站与人工站历史风资料的数据差异性，以长春国家基准气候站自动站与人工站风资料为样本，对风向月相符率、风速对比差值、风速月粗差率及风速相关性进行数据分析3。1资料来源长春国家基准气候站2005年1月1日至2012年 3月 31日逐日 24小时、2012年 4月 1日至 2019年12月31日逐日2时、8时、14时、20时自动站与人工站并行风向观测资料；2005年1月1日至2019年12月31日自动站与人工站并行风速观测资料（以A、J、Y文件为主要研究来源）。2分析方法2.1风向相符率若风向观测值（只对自动站或人工站风速1.0 m/s的记录统计）自动气象站与人工站相差1个以上方位，则为 1次不相符，小于 1个方位则为相符。例如人工观测风向为E，若自动站观测的风向在68112之间，则该次观测视为相符4，5。月相符率的计算如式（1）。=（n/N）100%（1）式中：为月相符率；n为相符次数；N为有效总次数。2.2风速对比差值所有对比差值均以人工观测数据为基准，对比差值的计算如式（2）。对比差值的绝对值大小即可表明两者偏离程度，差值越大偏差就大，反之偏差就小。Xi=Ai-Ui（2）式中：Ai为第i次自动站观测值;Ui为第i次人工站的观测值。对比差值的月平均值计算如式（3）。X=1ni=1n()Ai Ui（3）式中：X为对比差值的月平均值。对比差值月标准差计算如式（4）。=1n 1i=1n（Xi X)212（4）式中：为对比差值月标准差；X为对比差值的月平均值；Xi为第i次的对比差值。2.3风速月粗差率粗差的存在将大大影响标准差结果的可靠性。逐个检查对比差值，设第i次观测值的对比差值为Xi，对比差值月平均值为X，对比差值的月标准差为，当|Xi-X|3时，视为粗差。月粗差率计算如公式（5）。m/M100%（5）式中：为月粗差率；m 为对比差值的月平均值；M为第i次的对比差值。2.4t检验法用t分布理论来推论差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著6。3资料分析3.1风向月相符率20052012 年3月2分钟及10分钟定时风向的月相符率以 24 个时次统计；2012 年 4 月2019年12月2分钟及10分钟定时风向的月相符率以2、8、14、20时共计4个时次统计，如图1所示。图120052019年2分钟、10分钟风向月相符率统计由图1可知，2分钟风向相符率低于10分钟风向相符率。这与人工站EL型电接风向风速计风向部分漏跳较多（雨季感应部分容易进水、冻雨天气风向冻住）、相应10分钟风向用自动站代替有一定的关系，取10分钟滑动最多风向较2分钟滑动最多风向时自动站与人工站风向更容易接近。10分钟最多风向两者最高相符率达93%，出现在 2014 年 12 月；最低相符率为 32%，出现在 2016于宛男，等.20052019年自动站与人工站风资料对比分析100806040200110192837465564738291100109118127136145163172风向相符率/%2分钟10分钟月112第13期年 5月。大多集中在 40%60%之间，平均月相符率 49%。2分钟最多风向最高月相符率 54%,出现在 2018 年 11 月；最低相符率为 17%，出现在 2017年1月，大多集中在30%50%之间，平均月相符率39%。2014年8月之前，2分钟及10分钟风向月相符率变化趋势相同，之后出现拐点（116点），两者趋势正好相反，这与更换仪器有一定关系。自动站切换为新型站，两套自动站的风向有一定差异（两者安装均在正南正北5准确度范围内）。两套风感应器均安装在风塔上，平行相距约1.5 m，因风向标转动产生的涡流可能对其瞬时风向造成一定影响采集的时间（对时上）与算法略有不同，两者还会出现偏差，因为风呈阵性，几秒钟内风向可能就会有变动。3.2风速对比差值3.2.1日平均差值分析。20052019年自动站与人工站2分钟及10分钟风速日平均差值统计如图2、图3所示。图220052019年自动站与人工站2分钟风速日平均差值统计图320052019年自动站与人工站10分钟风速日平均差值统计从图2和图3可看出，2分钟风速日平均差值集中在1.0 m/s之间，占98.0%，10分钟风速日平均差值集中在0.8 m/s之间，占97.1%。2分钟和10分钟风速日平均正差值，均多于负差值接近3倍，说明自动站风速普遍大于人工站风速，并有明显的日变化，8时、14时差值多大于20时、02时风速差值。3.2.2月平均差值分析。20052019年 自动站与人工站2分钟、10分钟风速月差值如图4所示。图420052019年自动站与人工站2分钟、10分钟风速月差值由图4可看出，2分钟、10分钟风速月差值集中在-0.2m/s0.4m/s之间，且变化趋势相同，存在明显季节性，冬季（1、2、11、12月）偏差较其他季节大。3.2.3年平均差值分析。20052019年自动站与人工站 2 分钟、10 分钟风速年差值如图 5所示。图520052019年自动站与人工站2分钟、10分钟风速年差值由图5可看出，2分钟、10分钟年平均值风速差值均0.6 m/s，且变化趋势一致，10分钟风速比2分钟风速的年差值大，2005、2008、20152017年差值0.4 m/s。3.3风速月粗差率20052019年2分钟、10分钟风速月粗差率统计如图6所示。由图6可看出，月粗差率较大的月份与图4风速差值较大的月份相对应，且粗差率最大的月份同图1风向月相符率最高的月份相对应，出现在2014年12月份。图620052019年2分钟、10分钟风速月粗差率于宛男，等.20052019年自动站与人工站风资料对比分析3.02.01.00.0-1.0-2.0-3.011973935897859811 1771 3731 5691 7651 9612 1571 3532 5492 7452 9413 1373 3333 5293 7253 9214 1174 3134 5094 7054 0915 0975 2932.41.60.80.0-0.8-1.6-2.4-3.211783555327098861 0631 2401 4171 5941 7711 9482 1252 3022 4792 6562 8333 0103 1873 3643 5413 7183 8954 0724 2494 4264 6034 7804 9575 1345 3111.21.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4111213141516171819110111112113114115116117110分钟2分钟0.70.60.50.40.30.20.10.012345678910 11 12 13 14 152分钟10分钟100908070605040302010011121314151617181911011111211311411511611712分钟风速日平均差值/（m/s）小时风速日平均差值/（m/s）小时风速月差值/（m/s）月月风速年差值/（m/s）风速月粗差率/%10分钟年第13期1133.4风速月相关性通过t检验法得出20052019年2分钟风速月相关系数较10分钟风速月相关系数小。10分钟风速月相关系数均大于0.95，相关性较好，2分钟风速相关系数均大于0.88，相关性稍差。4资料差异原因分析4.1观测时间和方法不同人工站接近正点（5456分）时读取2分钟风向指示器，取出现次数最多的方位。而自动观测是采集正点前2分钟（5800分）滑动最多风向。人工站2分钟风向为人工估算，10分钟风向为风自计记录中挑取；而自动站是通过计算，以3秒钟风向为瞬时风向，计算1分钟、2分钟、10分钟最多风向。4.2风传感器的工作原理不同两套系统风速部分工作原理差别是主要因素。两者启动风速不一致：自动站启动风速0.5 m/s,人工站1.5 m/s。两者计算风速的方法不同：自动站计算3秒风速为瞬时值，滑动计算1分钟、2分钟、10分钟平均风速，而人工站则以转动圈数来计算风速的，每转动200圈约为0.25 m/s，大概转动800圈为1.0 m/s。5结论本研究以20152019年长春国家基准气候站自动站与人工站风资料为样本，从风向月相符率、风速对比差值、风速月粗差率的相关性角度进行数据分析，掌握了二者的数据差异。结果表明：10分钟风向相符率多于2分钟，10分钟风向相符率大多集中在 40%60%，平均 49%；2 分钟集中在 30%50%之间，平均39%；自动站风速大于人工站风速，10 分钟年平均风速相差最大达 0.6 m/s，2 分钟达0.4 m/s；自动站和人工站风速10分钟平均较2分钟平均相关性好。本研究可为今后风要素的数据使用提供参考。参考文献：1 中国气象局监测网络司.气象仪器和观测方法指南M.6版.北京：气象出版社，1996.2 孙蕾，伏晓慧，张金柱.迁站和仪器更换对阿拉山口风速资料的影响分析 J.沙漠与绿洲气象，2014，8（2）：65-69.3 汪婷，吴息，江志红，等.自动站风能参数的短序列订正方法及其应用研究 J.应用气象学报，2008（5）：547-553.4 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