都江堰气象站CAWS 600S与DZZ 5自动气象仪器及其观测数据对比分析

吴玉川，胡德凤

(1.四川省都江堰市气象局，四川都江堰 611830；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610072)



都江堰气象站CAWS 600S与DZZ 5自动气象仪器及其观测数据对比分析

吴玉川1,2，胡德凤1

(1.四川省都江堰市气象局，四川都江堰 611830；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610072)

[目的]为了确保气候统计资料的准确性和连续性，研究都江堰自动站CAWS 600S型与DZZ 5型的设备及其观测数据的差异。[方法]对2种自动气象站的硬件、软件、对时与采样和算法进行对比分析；对两站2015年的逐日气象观测数据进行差值平均值和超差率分析。[结果]DZZ 5型自动站的仪器更先进，2种自动气象站的观测数据存在一定的差异。[结论]DZZ 5型自动站相对CAWS 600S型自动站而言有较大的改进和创新，测量的气象数据更准确。

CAWS 600S型自动站；DZZ 5型自动站；设备；观测数据；对比分析；都江堰气象站

随着我国气象仪器自动化的发展，自动气象站取代了人工气象站，并不断更新升级。前人对自动气象站与人工气象站[1]、DZZ 4和CAWS 600自动气象站[2]、DZZ 4和CAWS 600 SE自动气象站[3]、DYYZ II和DZZ 5自动气象站[4]进行了对比分析，得到了相应气象站的订正数据，保障了气象资料的连续性。都江堰国家基本气象站始建于1954年7月1日，先后使用人工气象站、DYYZⅡ型和CAWS 600S型自动气象站，在启用新的气象站之前均进行了对比分析，获得订正数据。2015年1月1日启用DZZ 5型自动气象站，但未进行资料对比，由于自动气象站仪器的更新，其设备和数据处理方法不同，将导致观测数据存在差异。笔者采用对比差值与对比差值平均值的方法，研究都江堰气象站CAWS 600S型与DZZ 5型自动气象仪器及其观测数据的差异，得出各气象要素的订正数据，确保都江堰国家基本气象站气候统计资料的准确性和连续性。

1 CAWS 600S型自动站与DZZ 5型自动站的设备对比

1.1 硬件 CAWS 600S型自动站(简称C站)由北京华创升达公司生产，采用“采集器+传感器+外围设备”的结构,使用PTB220型气压传感器、HMP45D温湿度传感器、EL15-1A风速传感器、SL3-1翻斗式雨量传感器。DZZ 5型自动站(简称D站)由中国华云技术开发公司生产，它在C站运行多年的基础上进行了改进和升级，二者的结构差异比较大。D站的结构比C站多了分采集器、外部总线和外围设备,具有综合观测和任意扩展的能力[5]。使用PTB210气压传感器、HMP155温湿度传感器、EL15-1C风速传感器、SL3-1翻斗式雨量传感器。

1.2 软件 C站为地面气象测报业务软件(5.0.2版)、自动气象站监控软件(5.0.0版)和通讯组网接口软件(4.0.3版)。D站为台站地面综合观测业务软件，由采集软件(4.0.8.2版)、业务软件(3.0.0.2版)和通信软件(3.0.0.2版)组成。D站在C站的基础上增加了对各种观测设备的灵活挂接、异常数据实时监控报警、视程障碍综合判断、数据流通信、生成PDF报表等功能。

1.3 对时 气象要素会随着时间的变化而变化，有时1 min内的变化会非常剧烈，如大风和暴雨，要保证气象要素测量的精准度就必须让采集器拥有非常准确的时间。C站采集器的内部时钟每小时自动与业务计算机对时1次，每日19:00由值班员根据电台播报的北京时为准校正采集器时钟，保证其与标准时间误差<30 s[6]。由于是人工操作，故存在10 s左右的误差。D站的采集器时间统一由中国气象局的网络授时服务器作为基准时间，气象网络授时系统由北京的国家级4台授时服务器和其他各地的60台授时服务器组成。D站观测业务计算机每天与四川省气象局网络授时系统校时，数据采集软件每小时自动以观测业务计算机的时间对采集器进行校时[5]。因为是计算机自动操作，故数据采集时间几乎没有误差。

1.4 采样和算法 C站的气压、气温、相对湿度数据采样6次/min，去掉最大和最小值，将剩下的4个值求平均，1 min平均值为瞬时值；风速采样1次/s，计算2 min的滑动平均值；降水量采样1次/min[6]。D站的气压、气温、相对湿度采样30次/min，30次采样值的算术平均值为1 min瞬时值；风速采样4次/s，整秒时的值为每秒的瞬时值，再以1 s为步长计算前2 min的算术平均；降水量采样1次/min[5]。D站的采样数据更密集，算法更合理，相对而言测量的数据会更准确。

2 观测数据对比分析

2.1 数据来源 所用数据为C站和D站2套设备2015年每日观测数据，包括气压(日平均本站气压和最高、最低本站气压)、气温(日平均气温和最高、最低气温)、相对湿度(日平均相对湿度、最小相对湿度)、2 min平均风速、日降水总量等。C站因设备改装造成了部分数据缺测，有效样本数为3 429个(数据缺测率为6.1%)，其中气压缺测51个(缺测率为4.7%)、气温缺测66个(缺测率为6.0%)、相对湿度缺测22个(缺测率为3.0%)、风速缺测77个(缺测率为21.1%)、降水量缺测5个(缺测率为1.4%)；D站有效样本数为3 650个(数据缺测率为0)。由于需要将C站与D站的数据按照同一日期进行对比才有意义，故C站所缺数据对应的D站数据不作分析，两站各要素的总有效样本数均为6 858个。

2.2 分析方法

2.2.2 超差率。《新型自动气象(气候)站功能规格书》中对气象要素观测性能指标进行了规定，主要气象要素差值最大允许误差分别为气压0.3hPa、气温0.2 ℃、相对湿度5%、风速0.5m/s、降水量(当降水量≤10mm时，为0.4mm；当降水量>10mm时，为4%)。为了分析传感器的工作稳定程度，根据相关资料，将其测量值超过功能规格书的2倍最大允许误差次数与有效观测次数的百分比定义为超差率[4]，公式为：

除去缺测次数，余下的观测次数为有效观测次数。

2.3 对比结果

2.3.1 日平均本站气压和最高、最低本站气压。日平均本站气压样本数为348个，C站与D站的对比差值(以下简称差值)的平均值为0.1 hPa，差值范围为-0.1～0.3 hPa；其中，正平均差值240个(占69%)，负平均值23个(占7%)，0平均差值85个(占24%)。日最高本站气压样本数为348个，差值的平均值为0.1 hPa，差值范围为-0.7～0.3 hPa；其中，正平均差值263个(占76%)，负平均差值11个(占3%)，0平均差值74个(占21%)。日最低本站气压样本数为348个，差值的平均值为0，差值范围为-0.3～0.6 hPa；其中，正平均差值158个(占46%)，负平均差值116个(占33%)，0平均差值74个(占21%)。由此可知，C站与D站气压差值的综合正平均差值明显偏多，多数情况下C站的气压观测值比D站高0.1 hPa，故可用0.1 hPa的差值进行气压的气候资料订正。

计算超差率发现，日平均本站气压超差次数0，总样本348，超差率0；日最高本站气压超差次数1，总样本348，超差率0.3%；日最低本站气压超差次数0，总样本348，超差率0。可见，超差出现在日最高本站气压，且超差率很低，说明两站气压传感器的稳定性均较好。

2.3.2 日平均气温和最高、最低气温。日平均气温样本数为343个，差值的平均值为0.1 ℃，差值范围为-0.1～0.2 ℃；其中，正平均差值272个(占79%)，负平均差值1个，0平均差值70个(占21%)。日最高气温样本数为343个，差值的平均值为0.1 ℃，差值范围为-0.1～0.4 ℃；其中，正平均差值271个(占79%)，负平均差值5个(占2%)，0平均差值67个(占19%)。日最低气温样本数为343个，差值的平均值为0.1 ℃，差值范围为0～1.0 ℃；其中，正平均差值287个(占84%)，负平均差值0个，0平均差值56个(占16%)。由此可知，C站与D站气温差值的综合正平均差值明显偏多，多数情况下C站的气温观测值比D站高0.1 ℃，故可用0.1 ℃的差值进行气温的气候资料订正。

计算超差率发现，日平均气温超差次数0，总样本343，超差率0；日最高气温超差次数1，总样本343，超差率0.3%；日最低气温超差次数3，总样本343，超差率0.9%。可见，超差出现在日最高和最低气温，且超差率很低，说明两站气温传感器的稳定性均较好。

2.3.3 日平均相对湿度、最小相对湿度。日平均相对湿度样本数为354个，差值的平均值为-7.4%，差值范围为-10.0%～-4.0%；其中，正平均差值0个，负平均值354个(占100%)，0平均差值0个。日最低相对湿度样本数为354个，差值的平均值为-6.8%，差值范围为-10.0%～4.0%；其中，正平均差值3个(占1%)，负平均差值351个(占99%)，0平均差值0个。由此可知，C站与D站相对湿度差值的综合负平均差值占绝大多数，即多数情况下C站的相对湿度观测值比D站低7%，故可用-7%的差值进行相对湿度的气候资料订正。

计算超差率发现，日平均相对湿度超差次数0，总样本354，超差率0；日最低相对湿度超差次数0，总样本354，超差率0。可见，日平均相对湿度和最低相对湿度的超差率均为0，说明两站相对湿度传感器的稳定性均较好。

2.3.4 2 min平均风速。2 min平均风速样本数为288个，差值的平均值为-0.3 m/s，差值范围为-1.0～0.2 m/s；其中，正平均差值1个，负平均值281个，0平均差值6个。由此可知，C站与D站2 min平均风速差值的负平均差值占绝大多数，即多数情况下C站2 min平均风速观测值比D站低0.3 m/s，故可用-0.3 m/s的差值进行2 min平均风速的气候资料订正。

计算超差率发现，2 min平均风速超差次数0，总样本288，超差率0，说明两站2 min平均风速传感器的稳定性均较好。

2.3.5 日降水总量。日降水总量样本数为360个，差值的平均值为-0.1 mm，差值范围为-2.1～3.2 mm；其中，正平均差值19个(占5%)，负平均值83个(占23%)，0平均差值258个(占72%)。可见，C站与D站日降水总量差值的0平均差值占大多数，即多数情况下C站的日降水总量观测值与D站相同，故日降水总量的气候资料不用进行订正。

计算超差率发现，日降水总量超差次数1，总样本数360，超差率0.3%，说明两站雨量传感器的稳定性均较好。

3 结论

通过对CAWS 600S型与DZZ 5型自动气象站的硬件、软件、对时与采样和算法进行对比分析，发现DZZ 5型自动站的硬件和软件相对CAWS 600S型自动站而言有较大的改进和创新，为以后的观测拓展提供依据，对时、采样和算法的改进能够使测量的气象数据更准确。

两站2015年日数据存在一定的差异，这些差异是由多种原因造成的。如仪器的测量原理和感应原件不同造成的系统偏差以及仪器灵敏度的差异；数据采样和算法的不同以及对时造成的观测时间误差等原因，也会造成数据的一定差异[1]；两站的雨量传感器相距4 m，对于分布很不均匀的阵雨的测量会出现误差；CAWS 600S型自动站已运行11年，仪器逐步老化也是造成差异的原因。总之，2015年2个自动站观测的数据差异较小，仪器测量的稳定性较好。

[1] 胡玉峰．自动与人工观测数据的差异[J]．应用气象学报，2004，15(6)：719-726.

[2] 杨晨，刘杰，薛力．DZZ4和CAWS600型自动站观测资料对比分析[J]．陕西气象，2014(5)：43-45.

[3] 王少梅，郗晨.DZZ4新型自动气象站和CAWS600SE型的对比分析[J]．现代农业科技，2015(18)：242-244.

[4] 邵兵，祝奎，董宝磊，等.新型站与备份站自动气象站数据差异性分析[J].安徽农学通报， 2015(15)：137-139.

[5] 黄思源，刘钧.新型自动气象站观测业务技术[M].北京：气象出版社，2014.

[6] 中国气象局．地面气象观测规范[M]．北京：气象出版社，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

吴玉川(1973-)，男，四川蓬溪人，助理工程师，从事综合地面气象观测研究。

2016-08-25

S 163+.7

A

0517-6611(2016)32-0177-02