自动气象站与人工站观测数据差异原因分析

【摘 要】 根据自动观测仪器和人工观测仪器的结构、原理及获取气象数据的方法，结合台站在实际应用中的具体情况，解析两者差异及误差的根本原因，并对自动观测和人工观测两种观测模式的优缺点进行对比，提出确保自动观测数据“三性”的措施。

【关键词】 自动站 人工站 差异 误差 分析

我国是最早进行气象观测的国家，很早就进行了风、云和雨的观测，但最初只是一些经验性的，并没有定量性的观测。随着科学认识和技术的发展，观测气象要素的仪器相继出现，促进了气象站的建立和气象网的形成。最初的地面观测仪器，由于结构较为简单，操作也比较方便，仪器本身比较稳定，故障率低，价格较为便宜，故一直沿用至今。但由于制作仪器的工艺、所采用的材料、仪器的机械误差和人工观测中人为的因素的影响，故所观测的资料精度不够高。且用这些仪器观测，时间密度有限，观测员的劳动强度大，出错的几率也大。随着技术的进一步发展，地面气象观测的测定方法日趋多样化，逐步从人工观测向直接感应的观测方法过度。逐步建立了自动观测气象站，成立了自动气象站网。

1 自动观测与人工观测数据差异原因分析

气象观测在测定气象要素时，采用的是间接测量的方法。自动气象站与人工站是采用两种不同的测量方法和技术，即使在仪器完全正常和性能良好的情况下，观测所得的数据绝大多数还会存在些差异。

自动观测与人工观测数据的差异主要是因为两者在观测仪器的原理、观测的时间和观测的样本等方面存在不同，因此必然存在着不可避免的差异。抛开仪器性能的差别不说，单从观测的时间和观测的数据样本就差别很大。人工观测在规定的几分钟内进行读数，而自动站有采集器时钟定时采集，时间上的误差仅在几秒钟之内；人工观测数据样本不可能进行得太多，每次进行一次读数，每天观测次数有限，而自动站采集数据，时次可以很密，采样速率可以达到秒级。比如压、温、湿等每分钟采样6次，去掉最大值和最小值，求4次算数平均。风速、风向每秒钟采样一次，以1秒钟为步长，求算出3秒钟、1分钟和2分钟的滑动平均值，再以1分钟为步长，求算出10分钟的滑动平均值，这就比人工观测精确得多。一天中观测时次越多，采样越多，得到的观测数据就越具有准确性和代表性。除此之外，人工观测需要靠近仪器或打开百叶箱，人体本身就是个热源，观测时自然会影响周围环境变化，而自动站仪器都是感应遥测，避免了人对测量环境的影响。另外，人工站仪器和自动站传感器在响应时间上也存在着差异。

2 自动站传感器与人工仪器的误差分析

传感器是将相对应的气象要素变化转换成电量或电信号的变化，这种变化被数据采集器采集后，进行线性化和定标的计算处理，从而得到相应的气象要素观测值。其制作工艺复杂，技术含量高，轻便小巧，灵敏度高，适应性强。仪器自身对被测量环境的影响小，精度高，造成的误差小，和人工站相比有明显的优势。现以温湿度传感器为例，对自动站和人工站仪器的误差进行分析。

2.1 铂电阻温度传感器和玻璃液体温度表的误差分析

（1）铂电阻温度传感器是用光刻工艺，将极细的铂电阻丝按一定的工艺绕制而成的微型铂电阻，铂电阻的阻值正比于温度的变化，通过测量电阻值从而得到温度值。其缺点是需要通过一截导线连接在采集器上，这段导线本身有电阻值，造成温度的飘逸，需要用补偿电路来进行纠正。铂电阻本身的非线性变化、连接传感器的导线、铂电阻两端的电压变化和强磁信号干扰都会影响铂电阻温度传感器的测量精度。

（2）玻璃液体温度表由感应球部、毛细管、标尺和外套管组成，利用装在感应球部的测温液（水银、酒精或柴油），随温度的改变引起体积变化，从而使内的液柱长短发生变化，根据毛细管后面的标尺读出温度。仪器结构复杂，工艺简单，可想而知，其造成的误差较大。玻璃、测温液和标尺属于介质，其本身要吸收热量，影响测量的精度。除去制作不良引起的误差外，测温液的视膨胀系数随温度的非线性变化、测温液日久分化变质和玻璃及标尺日久收缩都会引起误差加大。感应球部和毛细管部温度不一致，观测员的人为视线误差，温度表的滞后性等都会产生误差。

2.2 湿度传感器与干湿球温度表测湿误差分析

（1）湿度传感器是一个微型的薄膜电容器，它是利用电容器正负极间的薄膜聚合物材料吸湿后电容量发生变化的特性来测量相对湿度的。薄膜聚合物是吸水性和透水性极好的介质，介质吸附水分子的多少随环境湿度的变化而变化，把电容量的变化转换成输出电压或电流的变化，根据输出的电压或电流与环境相对湿度的对应关系，从而计算出相对湿度。因为聚合物介质吸附或释放水分子与环境湿度达到平衡需要一个过程，因此会产生滞后误差。在湿度与电压或电流相对应的关系换算中也会有一些误差，但这些都不影响正常测量。湿敏电容最大的缺点是在高温高湿的环境条件下，如果时间过长，薄膜聚合物介质吸附的水分子不容易释放，在环境湿度下降时会造成较长时间的测量失效。

（2）干湿球温度表测湿是利用两支规格形状完全一样的温度表，一支在球部包扎上湿润的纱布，湿球表面的水分因不断蒸发而使湿球温度表的读数降低，当湿球因蒸发消耗的热量达到与周围环境中获取的热量相平衡时，湿球温度便稳定在一个读数上，从而维持一个干湿球温差，根据当时的气压和干湿球温差便可以计算出相对湿度。从干湿球温度表的测湿原理不难看出，其测量精度受环境条件的影响大，测量湿度的误差较大，特别是在冬季湿球结冰，需要融冰测湿时，造成的误差更大。除了干湿球温度表固有的仪器差和人为视差外，湿球附近的通风速度、气压、湿球的大小、湿球纱布的包扎和湿润方式等都会造成误差。

3 结语

自动站和人工站相比，其仪器制作精良，小巧灵敏，技术含量高，数据误差小，代表性好。但自动站各要素传感器和数据采集器都是电子仪器，随着时间的推移性能下降较快。人工站仪器虽然所含的不确定因素较多，误差大，但长期稳定性好，经久耐用。为了使自动观测仪器能够长期、可靠运行，需要在列装前严格试验考核，严格仪器的静态指标和时间常数控制，强化环境适应性测试和仪器的周期检定及校准。

参考文献：

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