地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析.doc

地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析 第36卷第4期气象科学v。 136，N。 4xx年8月Journal of the Meteorological Sciences Aug，xx程婷，张军，叶兴荣，等地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析气象科学，xx，36 (4)562566CHENG Ting，ZHANG Jun，YE Xingrong，et a1Error analysis on the alternatives ofthe missing surface meteorological observation recordsJour nalofthe MeteorologicalSciences，xx，36 (4)562-566doi103969xxjms0017地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析程婷张军叶兴荣吴丹晖(1江苏省气象信息中心，南京210009；2南京市气象探测中心，南京211112；3江苏省气象探测中心，南京210009)摘要以xx年南京、吕泗、淮安三个国家基准气候站的地面气象观测资料，统计分析了不同气象要素采用不同的记录替代方法时产生误差的特征。 一般地，用自动站临近正点的分钟数据代替的方法要优于其它方法，越靠近正点的资料误差越小；备份站的资料同现用站相比，存在明显的系统误差，记录代替时宜作订正；为保证气象资料序列的均一性，建议在数据代替时，动态地选择误差较小的代替方法。 关键词地面气象观测记录；替代方法；误差特征分析分类号P413doi103969xxjms0017A Erroranalysison thealternativesofthemissingsurfacemete0r0l02ical observationrecords CHENG Ting ZHANGJun YEXingrong WU Danhui(1Jiangsa MeteorologicalInformation Center，Na ng210009，China；2ng MeteorologicalDetection Center，n211112，China；3Jiangsu MeteorologicalDetection Center，210009，China)Abstract Basedontheground meteorologicalobservation data from Nanjing，Lyusi，and Huaianstandard nationalclimate stationsinxx，the errorfeatures ofdifferent meteorological elements byusing differentalternative recordingmethods wereanalyzedIt provesgenerally thatas analter native method，the minutedata ofautomatic stationsis superiorto anyother methods，and thecloser tothe punctuality，the smallerthe eror isIt suggeststhat thedatafrom backup stations haveobvious systematicerrors COBpared withthe activestations，SO inorder toensure theuniformity ofthe meteorologicaldata sequence，the dynamicadoption ofthe methodswith smaller erors isremendedKey wordsGround meteorologicalobservationrecords；Alter native recordingmethod；E rorfeatures analysis引言嚣麓醵)2娥006-区域200站9随着现代气象探测技术的发展，地面气象观测平均缺测率分别为833、1224和967。 为记录的准确性和可靠性都有了明显的提升。 但由于保证资料的完整性，正点值出现异常时，需及时采用某些客观或主观因素，观测记录缺测(或有疑误)的规定的处理方法，选用其他观测系统的有效的记录(Received)xx0910；修改稿日期(Revised)xx-1228；网络出版日期(Published online)xx0729网络出版地址kikcmsdetail321243Pxx07291711026html基金项目江苏省气象局科研基金项目(KMxx02)通信作者(Corresponding author)程婷(CHENGTing)chengting1973sina4期程婷，等地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析563进行代替。 然而，不同观测系统的测量值之间，有时表现出较明显的差异。 实际工作中，也可以发现，有些代替值会比较接近正常值，也有一些代替值有明显的误差。 如果在资料序列中引用了误差较大的代替值，则会影响到资料序列的均一性。 早在1985年，江苏省气象局业务处在地面观测、记录和各类电码技术问题解答汇编中规定根据疑误记录的影响程度，影响较小时，作正常记录使用，影响较大时，记录加括号处理，影响很大时，还是要作缺测处理。 新编的地面气象观测规范规定当某次记录不完全正确但基本可用时，按正常记录处理；当某次记录有明显错误且无使用价值时，按缺测处理(记“一”)J。 不同的代替值之间有着明显的差异，有效地甄别使用代替值，可以提高气象资料序列的完整性、均一性和可用性。 资料及数据处理方法11业务上规定的几种替代方法现行业务中，当自动气象站某小时的正点(00分)的数据出现疑误记录时，可以用5010min的分钟数据、备份站资料、内插值等记录来代替。 (1)分钟数据法(地面气象观测规范)技术问题综合解答(第一号)中有如下规定若能获取非正点的分钟数据，自动站正点数据缺测，在作不正常记录处理中，优先考虑用正点前后10min接近正点的记录来代替。 具体作法是若正点前10min内有数据，则用正点前10min接近正点的记录代替；若正点前10min内的分钟数据也缺测，则用正点后10min内接近正点的记录(除极值项和时累积值外)代替。 (2)备份站替代法当没有分钟数据可以代替时，可以使用备份站的对应记录来代替。 简称备份站法。 (3)小时值内插法在没有分钟数据和备份站资料可以代替时，除风和降水的资料外，可以使用前后时次正点值的平均值来代替。 简称内插法。 1-2资料及替代误差评估方法本文选用了南京、吕泗、淮安3个国家基准气候站xx年逐时、逐分钟的地面气象观测资料。 为了分析不同替代方法的误差特征，首先，分气压、气温、相对湿度、风向、风速、地温等17种气象要素，分别按照分钟数据法、备份站法和内插法生成所有正点时次替代数据序列；然后，将替代数据序列与正点原始数据序列进行比较。 主要从相关系数、差值方差2个指标，系统地评估不同替代方法产生的误差。 相关系数可以表现出两个数据序列间变化时的一致程度，相关系数值越大，则相关性越好。 其计算公式E为r(，Y)=、丽式中，表示实用资料序列样本值，是其平均值；Y是代替资料序列样本值，是其平均值，r(，Y)是，Y的相关系数值。 值得注意的是，即使两个数据序列间存在系统误差，如果变化趋势相同，相关系数值也会较大。 如果两个数据序列之间系统误差小，相关系数值大，则说明这两个数据序列很接近，用于记录代替时，效果较好。 差值方差是指替代数据序列与原始数据序列对应差值的方差。 差值方差可以有效地衡量两个数据序列的偏差程度，值越小，两个资料序列越相近。 特别是，较大的样本差值对方差大小的影响更大。 其计算公式为Ay=Y， (2) (3)式中Ay=y，表示原始资料序列样本值；Y是替代资料序列样本值；Ay表示样本差值；Ay表示差值的平均值。 2研究结果按上述方法，将南京、吕泗、淮安3站的资料汇总后，取平均值，得出表 1、表2。 其中表中的分钟数据法所列数据指的是5O59min、0110r ain相应统计结果的平均值。 正点前5059分、正点后0l一1O分。 有效的样本容量是8600个，将表1中的相关系数进行费舍Z转换(z=ln)，再按公式f，zr广Z，、I一厂rT l，相互求出Z值，取Z。 =196，进+J行z检验。 可知除10min风向的分钟数据法与备份站法、160cm地温的分钟数据法与内插法之间，无明显差异外，其余相关系数均通过显著性检验，即相关系数值越大，该替代方法产生的代替值越接近564气象科学36卷原始值。 表1不同替代方法与原始值相关系数统计表Table1Statistics ofthe correlationCOe fieientsfor differentahernatives andthe originalvalue类似地，将表2中的数据，按F=蚤，F=1036，进行F检验。 可以知道除地面温度的备份站法与内插法、160cm地温的分钟数据法与内插法表2不同替代方法差值方差统计表Table2Statistics ofdifferent ahemative valuevariances之间，无明显差异外，其余方差均通过显著性检验，即方差值越小，该替代方法产生的代替值越接近原始值。 资料表明，同一气象要素，不同替代方法的资料序列与原始资料序列的相关系数和差值方差有明显的区别；不同气象要素之间，同一替代方法对原始资料序列的影响也有很大不同。 其误差特征表现为以下几个方面21正点前后的分钟数据法要好于其他方法为了便于各种气象要素之间的比较，分要素分别求出5O一59分、011O分分钟数据法的差值方2差与备份法差值方差的F值，F=，按分钟v,2J)备份站法绘制成图1；同样地，求出分钟数据法的差值方差与C2内插法差值方差的F值，F=，按分钟绘制_内插法成图2。 其中因南京、吕泗xx年没有草面温度备份站观测值，故草面温度备份站法平均值取淮安站备份站法的差值方差1236of i。 按照F检验，F0o586o08600=1036，1F0_05，8600，8600=0965，当F值大于1036时，备份站法图1(或内插法图2)优于分钟数据法；当F0965时，分钟数据法优于备份站法图1(或内插法图2)。 可以看出一般地(除320cm地温外)，临近正点的分钟数据法要比备份站法、内插法效果好，但随着远离正点，数据的偏差会越大，反而不如备份站法甚至不如内插法，尤其是风向、风速记录。 浅层和深层地温正点前后10min的数据与正点数据保持着良好的一致性。 22除地温外。 内插法代替效果较差从表 1、表2中可以看出，内插法要比分钟数据法，更偏离正点值。 除地温资料外，也要比备份站法的替代效果差。 其原因在于，当要素处于转折性情况时，原值应达到某一极值，而内插值取前后的值进行平均，因而两者偏差较大。 统计表中，风向的差值方差达到了50。 51。 正如(地面气象观测规范)技术问题综合解答(第一号)中规定地面气象观测规范的2321 (2)括号中的内容修改为“风、降水量除外”，即风向、风速缺测时不能用前、后时次数据内插求得J。 23分钟数据法，靠近正点的数据更好；不同要素用分钟数据法，效果不同但从图13可以明显地看出，越靠近正点的记录与正点记录相关越强，误差越小，如果从保持资料4期程婷，等地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析565654321014121。 _6。 402105O分51分52分53分54分55分56分57分58分59分O1分02分03分04分05分06分O7分O8分09分10分正点前后计时图1分钟数据法与备份站法F值图Fig1Fmeasure forminutes datamethod andbackupstationmethod啦、，-、一?一嗣一一一1O09O807正点前后计时图2分钟数据法与内插法F值图Fig2Fmeasure ofminutes datamethod andinterpolation method正点前后计时图3各气象要素分钟数据法相关系数图Fig3The minutedata correlation coefficients ofmeteorologicalelements序列的一致性来说，当正点记录有误时，宜优先采用正点前或后靠近正点的分钟数据。 2min风向、10min风向、2min风速、10min风速、草面温度和地面温度等，因气象要素本身变化较为剧烈的性质，用分钟数据代替时，存在着明显的误差。 相关性最差的是2min风向，平均相关系数仅_-W D2-_。 W s2一W D1O WS10。 t。 一Rh。 。 P=Gdtg5t。 一gl0tg20g40t?g80t-一gl60tg320t-_W D2-一W s2一W D1O WS10。 tRh。 PGt二Gdt。 一g5tgl0t一g20t一g4ot r?g80t-gl60t mg320tW D2_-一W s2一W D1O WS10。 一t。 一Rh。 一PGt二Gdt一g5t。 gl0t g20tg40t rg80t-一gl60t，一g320t为0828，再其次是10min风向、2min风速和10min风速。 资料表明，这几种气象要素用备份站或内插的方法代替，效果同样不好。 24地温资料中，备份站法偏差显著同是自动气象站、传感器类似、采样地点靠近，同时采样，备份站数据的相关性理应很好。 表2中，566气象科学36卷备份站各要素的差值方差并没有预期的那样好，尤其是浅层和深层地温的差值方差要远大于分钟数据和内插值的差值方差，有的甚至超过了1个数量级。 可见，备份站的数据并不能很好地“备份”。 其最主要的原因，应该是现行业务中，自动站及备份站各要素传感器只作现场整机在线标校，只要求该要素显示值符合一定的误差范围，并没有作传感器的误差订正。 比如实用自动站的温度误差是+03，备份站的温度误差是一02，两者都没有超过允许的误差范围，都可以正常地使用。 但很显然，两者是不同的数据，用来代替时，系统性的误差就会达到05左右。 如果是变化很稳定的深层地温，用备份站代替时，就相当于引人了一个认定是“正确”了的“异常值”，就会给后续的资料应用，带来一定的不便。 所以，现用、备份自动气象站作检定误差订正是很有必要的。 3结论本文使用xx年南京、吕泗、淮安3个基准气候站的观测资料，对不同气象要素正点值的不同替代方法，进行了统计分析，初步形成以下结论 (1)临近正点的分钟数据法要比备份站法、内插法效果好，但随着远离正点，数据的偏差越大。 (2)不同气象要素使用用分钟数据法，效果不同。 用分钟数据代替2min风向、10min风向、2min风速、10min风速、草面温度和地面温度时，存在着明显的误差。 (3)除地温资料外，内插法代替效果较差。 (4)在地温资料中，备份站法偏差显著。 出现异常数据时，有必要合理地选用更具均一性的记录来代替，来保持气象资料序列的完整性_8J。 现行业务中的一些处理方法的合理性有待于商榷。 由于，不同气象要素不同方法的代替值误差不同，并且误差大小具有一定的随机性，在此，建议在处理不正常记录时，不要作硬性规定，允许在规定的记录处理方法中，动态地选择一定时间内误差较小的记录来代替异常(缺测)值。 这样，也便于实现异常记录的自动化处理。 参考文献1中国气象局地面气象观测规范北京气象出版社，xxCMASpecif icationsfor surface meteorologicalobservationsBeijingChina MeteorologicalPress(in Chinese)，xx2赵煜飞，任芝花，张强适用于全国气象自动站正点相对湿度资料的质量控制方法气象科学，xx，31 (6)687693ZHAO Yufei，REN Zhihua，ZHANG QiangQua litycontr olproeedures forhourly relativehumidity datafrom national automaticweather stationsJournal ofthe MeteorologicalSciences(in Chinese)，xx，31 (6)687-6933于清平，黄文杰，李崇志，等南京自动气象站与人工观测风速差异分析气象科学，xx，28 (5)577580YU Qingping，HUANG Wenjie，LI Chongzhi，et a1The differ-ence analysiso fwind speedby AWS andmanua lobservation inNanjingScientia Meteorologica Sinica(in Chinese)，xx，28 (5)5775804张红娟，任芝花，陈高峰，等自动与人工观测的气压差异分析气象科学，xx，30 (3)402406ZHANG Hongjuan，REN Zhihua，CHEN Gao feng，et a1Differ-ence betweenautomatic andmanua lair pmssumobser vationsScientia Meteorologica Sinica(in Chinese)，xx，30 (3)40