气温多传感器与单一铂电阻气温传感器差异分析.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:作者简介:李彦平(),女,大学,助理工程师主要从事自动气象站保障工作气温多传感器与单一铂电阻气温传感器差异分析李彦平,李生慧,代永光,李玉娇(青海省大气探测技术保障中心,西宁 )摘要:文章对气温多传感器与单一铂电阻气温传感器的观测数据进行了对比分析,得出气温多传感器与单一铂电阻气温传感器观测数据差异较小,可以互相替代,单一铂电阻气温传感器观测数据可作为备份数据使用.分析结果为提高气温观测效率和观测数据质量提供了理论支持.关键词:气温多传感器;单一铂电阻气温传感器;对比分析中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()A n a l y s i so nd i f f e r e n c e sb e t w e e nt e m p e r a t u r em u l t i s e n s o ra n ds i n g l ep l a t i n u mr e s i s t a n c e t e m p e r a t u r e s e n s o rL iY a n p i n g,L iS h e n g h u i,D a iY o n g g u a n g,L iY u j i a o(Q i n g h a iA t m o s p h e r i cD e t e c t i o nT e c h n o l o g yS u p p o r t i n gC e n t e r,X i n i n g )A b s t r a c t:T h i sp a p e rm a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fo b s e r v a t i o nd a t ao b t a i n e db yt e m p e r a t u r em u l t i s e n s o ra n ds i n g l ep l a t i n u mr e s i s t a n c e t e m p e r a t u r es e n s o ra n d i t i sc o n c l u d e dt h a t t h eo b s e r v a t i o nd a t af r o mt e m p e r a t u r e m u l t i s e n s o ra n dt h a tf r o m s i n g l ep l a t i n u mr e s i s t a n c et e m p e r a t u r es e n s o rd i f f e rs l i g h t l ya n dc a n b ei n t e r c h a n g e a b l e B e s i d e s,t h eo b s e r v a t i o n d a t af r o m s i n g l ep l a t i n u m r e s i s t o rt e m p e r a t u r es e n s o rc a nb eu s e da sb a c k u pd a t a T h er e s u l th a sp r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ei m p r o v e m e n to f t e m p e r a t u r eo b s e r v a t i o ne f f i c i e n c ya n do b s e r v a t i o nd a t aq u a l i t y K e y w o r d s:t e m p e r a t u r e m u l t i s e n s o r;s i n g l ep l a t i n u m r e s i s t a n c et e m p e r a t u r es e n s o r;c o m p a r a t i v ea n a l y s i s引言气温是大气的重要物理参数,表示大气的热力状况,决定大气中发生的热力过程;气温是描述某地区天气、气候特征的重要参数,是分析地面和高空 温度场分布 以及实施天 气预报的重 要依据.当前地面气象观测业务中,所有的气象要素均由唯一的探测传感器将要素变化量转换为电气信号,由采集器进行采集、计算处理,得到每分钟的气象瞬时值,而传感器的唯一性带来了一些难以解决的问题.地面气象观测自实现自动观测以来,一直使用单一的铂电阻气温传感器测量气温,单一铂电阻气温传感器(简称单温传感器)在自动化业务中存在弊端.单一铂电阻气温传感器一旦发生故障、遭遇雷击或环境影响会造成数据缺失,影响数据的完整性;极端天气事件(如雷暴、强降水、冰雹等)发生时,由于其影响地理范围小,持续时间短,数据之间的变化幅度大,变率超过质控规则或超过极值时,容易自动质控为“疑误”记录,业务软件可能将此类关键值剔除;单个气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 传感器使用过程的数据偏移系统性误差,在实际业务中很难被发现,目前主要采用人工经验方法综合判断,这种方法存在发现时间滞后等问题,严重影响数据的准确性;信号干扰或者维护不当会造成数据异常,自动质量控制未能检查疑误信息时,将影响数据的质量.针对上述问题,按照青海省气象局 观测与网络处关于做好气温降水多传感器业务运行及酸雨自动观测仪、天气现象视频智能观测仪业务试运行工作的通知 工作安排,青海省气温降水多传感器正式投入业务运行.温度融合观测系统包含气温多传感器标准系统,采用融合算法,能解决现行自动气象站气温传感器出现故障导致数据异常或缺测的问题,确保气温和雨量数据的完整性和可用性 .文章主要针对台站气温种平行观测方式进行差异分析,找出种方式在实际观测中的优势与不足,研究单一铂电阻气温传感器数据能否作为备份数据代替主站气温多传感器数据.为得出更精确、完整、可用的气温观测数据提供理论支持,切实提高气温观测的自动化程度,减少人工维护工作量.资料与方法 资料来源根据观测数据代表性要求,文章采用青海省海北藏族自治州门源国家基本气象站、野牛沟国家基准气候站、托勒国家基本气象站、海西藏族自治州小灶火国家基本气象站、五道梁国家基本气象站、海东市平安国家气象观测站和黄南藏族自治州尖扎国家气象观测站(以下简称个气象观测站)/单一铂电阻气温传感器与气温多传感器温度数据,数据范围基本覆盖青海省各市州.研究方法文章规定将主站气温多传感器融合输出值减去备份站单一铂电阻气温传感器输出值,记为主站备份站差值.标准差标准差表示主备份自动站差值偏差的离散程度,其公式为:nni(xix)()式中,表示主备份自动站差值的标准差;xi表示第i次观测差值;x表示差值平均值;n表示采集到的有效样本量,即除去缺测以外的观测样本量.一致率一致率表示主备份自动站观测数据的一致性程度,其公式为:Crmn ()式中,Cr表示主备份自动站观测数据的一致率;n表示采集到的有效样本量;m表示主备份自动站差值绝对值倍标准差的数量.粗差率粗差率表示主备份自动站异常差值的多寡,当主备份自动站异常差值与差值平均值的差的绝对值超出标准差的倍,即xix时,视为粗差,其公式为:GrGen ()式中,Gr表示粗差率;n表示采集到的有效样本量;Ge表示粗差频次.统计方法为:首先根据全部差值数据计算,逐个检查差值,若有xix时,剔除该差值数据,再按公式()计算剩余差值数据的,若有差值xix者,再进行剔除,然后计算剩余差值数据的,直到无差值数据需要剔除为止,剔除差值数据的总数记为粗差频次.超差率超差率表示主备份自动站差值超过传感器探测灵敏性规定的最大允许误差倍的百分比,公式为:Trtn ()式中,Tr表示超差率;n表示采集到的有效样本量;t表示超差频次,即差值超过最大允许误差倍的频次.数据分析 数据完整性分析文章统计了个气象观测站每日 次主站温和备份站单温分钟数据缺测情况.结果显示:/,平安、野牛沟、尖扎、托勒主站温和备份站单温数据无缺测;月日五道梁备份站单温缺测率是 ,月日五道梁主站温缺测率 ,小灶火主站温缺测率 ,小灶火备份站单温缺测率 (无主、备份站同时缺测情况),月日门源主站温缺测率 ,五道梁主站温缺测率第期李彦平,等:气温多传感器与单一铂电阻气温传感器差异分析 ,小灶火主站温缺测率 ,小灶火备份站单温缺测率 (无主、备份站同时缺测情况).文章使用多传感器气温数据样 本总量 ,个,其中缺测 个,有效样本量 ,个;单一传感器气温数据样本总量,个,其中缺测 个,有效样本量,个.由此可以看出,主站气温多传感器与备份站气温单一传感器数据采集、传输稳定,同时进行主、备份站气温观测可以降低气温观测数据缺测率,基本保证了数据的完整性.数据差异性分析 标准差从图可知,气温与单温的差值平均值最大,最大值在野牛沟国家基准气候站(),气温与单温的差值平均值最小,最小值在尖扎国家气象观测站(),气温输出值与单温的差值平均值在上述项差值平均值之间.个气象观测站的温度差值平均值变化趋势基本一致.通过对支气温传感器的气温数据融合计算,气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值差值平均值落在其他支气温传感器与 单一铂电阻 气温传感器 气温差值平 均值之间.图气温多传感器与单温传感器差值平均值从图可知,气温传感器与单一铂电阻气温传感器在五道梁观测站的差值标准差偏大,除去上述组数据,其他观测站点气温差值标准差均在 ,其中,小灶火观测站和野牛沟观测站个气温观测值差值标准差数据接近.气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值差值标准差落在其他支气温传感器与单一铂电阻气温传感器气温差值标准差之间.图气温多传感器与单温传感器差值标准差 一致率从图可知,平安、门源和尖扎观测站气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温一致率均偏低,一致率分 别 为 ,和 ;其他各观测站气温观测值一致率均在 以上.气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值一致率相较于其他支气温传感器与单一铂电阻气温传感器气温一致率,相差较小.图气温多传感器与单温传感器观测值一致率 粗差率从图可知,平安和尖扎观测站气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值粗差率偏高,其他个观测站气温观测数据粗差率均小于 .门源、五道梁、小灶火、野牛沟和托勒观测站气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值粗差率相较于其他支气温传感器与单一铂电阻气温传感器气温粗差率,相差较小.气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 图气温多传感器与单温传感器观测值粗差率 超差率从图可知,气温传感器与单一铂电阻气温传感器在五道梁观测站的气温观测值超差率偏大,其他观测站点气温观测数据超差率均低于 .气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器气温输出值超差率落在其他支气温传感器与单一铂电阻观测值传感器观测值超差率之间.图气温多传感器与单温传感器观测值超差率结束语文章通过对比分析气温多传感器与单一铂电阻气温传感器发现:)气温多传感器可以有效降低气温观测中数据采集的缺测率,使气温观测数据连续完整,弥补了自动气象站单一铂电阻气温传感器存在的不足之处,提高了气温观测的稳定性和观测效率,减轻了台站业务人员的维护保障压力.)对气温观测数据的评估表明,气温多传感器输出值与单一铂电阻气温传感器输出值差值标准差较小,数据离散程度较低,一致率较高,粗差率和超差率均较低;因此单一铂电阻气温传感器观测的气温数据可以作为备份数据使用,也可以用来验证气温多传感器算法的合理性.参考文献:孙学金大气探测学M北京:气象出版社,何艳丽,黄飞龙多传感器自动站的数据融合效果及优势分析J气象,():许霞,唐晓东温雨多传感器标准系统业务应用初探J科学技术创新,():高蒙,赖俊滨,刘明,等北京大气试验站双套自动气象站数据评估与比对分析J环境技术,():陈冬冬,杨志彪,施丽娟,等新型自动气象站结构特点及其 优 越 性 J气 象 水 文 海 洋 仪 器,():张瑞,蒲小兰,周宇浅谈多传感器融合技术在气象观测中的应用J中低纬山地气象,():(上接第 页)毛倩,孙飞飞,杨昌洪,等月亮山区两次暖区暴雨天气过程双偏振雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():胡萍,夏阳,蔡成瑶,等梵净山区域暴雨过程中小时降水雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():王兴菊,罗喜平,王明欢,等 年贵州省一次M C C特大暴雨的诊断分析J中低纬山地气象,():张祝,茅海祥,杨群 梵净山东侧局地大暴雨的雷达回波特征及地形作用分析J中低纬山地气象,():余代辉,杨帆,吴菲黔东南一次暖区暴雨天气过程雷达回波特征分析J中低纬山地气象,():