引言

四川省各基准气候站自2003年开始自动气象观测，实行自动观测系统与人工观测系统的双轨业务运行。而自动与人工在观测体制、观测仪器和设备上具有很大差异。中国气象局相关观测技术规范要求：“观测资料质量评估是我国大气探测自动化系统建设的重要组成部分，根据气候委员会会议(CCL)对WMO成员国的要求，在进行大气探测自动化进程中，需要一定时间的平行观测，在统一的气候资料存档和管理原则下，对观测资料进行质量评估，以确保历史资料的均一性”^[1]。在诸多导致气候资料序列非均一的原因中，观测仪器的变化是重要因素。国内众多学者对观测系统变化而引起的气象要素观测结果的差异做过分析，如降水量^[2-5]、地温^[6]、气压^[7-8]、温湿度^[9-10]、蒸发量^[11]等^[12-13]，但对自动与人工观测风的差异分析研究较少。风作为重要的气候要素之一，它不但可以反映大气环流的特征，也是各地气候资源的主要项目之一。风速和风向的观测，由于自动与人工所使用设备、观测方式和测量原理的差别，它们之间的观测值产生差异是不可避免的。那么这种差异大小及其差异原因是值得探讨的。

本文主要研究了四川省7个基准气候站的自动与人工观测风速和风向在各时次、日、月、年不同时间尺度及地域上的差异情况，并就产生差异的原因进行了探讨。

1 资料来源与对比资料处理

本文针对24次定时自动与人工观测的风速和风向资料进行分析。使用了四川省气象信息中心提供的2005年7个基准气候站的风速和风向资料。自动与人工观测资料均利用三级质量控制系统中的质量控制软件^[14]进行了业务质量检验。台站分布如图 1所示。

基准气候站自动与人工都进行每天24次定时观测。自动站使用响应快、启动风速低的EL15-A型光电子风速计，风向是低起动风速的EL15-2D型光电风向传感器^[15]。人工使用EL型电接风向风速计。自动与人工观测传感器分别安装在同一观测场内成东西排列成行，相互间东西间隔≥20 m，在观测场高10~12 m的风杆或风塔上^[16]。

文中提到的定时2分钟风指的是：自动站为以1秒钟为步长的2分钟滑动平均值，人工站为人工观测EL型风向风速指示器的2分钟风速指针摆动的平均位置，读取风速整数，小数位补零，风向读取2分钟的最多风向，用十六方位对应符号记录。10分钟风指的是：自动站为以1分钟为步长的10分钟滑动平均值，人工站为人工挑取EL型风向风速自记正点前10分钟内的平均风速风向。日最大风速指的是：自动站从10分钟平均风速值中选取，人工站为人工挑取EL型风向风速自记10分钟最大值作为该日10分钟最大风速^[15]。

自动和人工观测风向和风速资料进行对比分析时，对资料作了如下处理：

(1) 如果自动或人工观测资料有一个缺测时，该时对比资料作缺测处理。

(2) 1日中，如24次逐时记录有缺测时，该日按02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若上述4次定时记录缺测一次或以上时，但该日24次逐时记录缺测5次或以下时，按实有记录做日平均；缺测6次或以上时，不做日平均^[16]，对比差值作缺测处理。

(3) 1月中缺测日数大于6次，月平均对比差值作缺测处理^[16]。

(4) 1年中有一个月或以上月平均值缺测时，年平均对比差值作缺测处理^[15]。

在上述缺测处理规定的基础上，风速的日、月、年平均值均为实有记录的算术平均值。

由于自动或人工缺测而造成作对比差值缺测处理的有：102次2分钟风速对比作缺测，264次10分钟风速对比作缺测，2日10分钟风速对比作缺测，37日日最大风速对比作缺测。

2 自动与人工观测风速的差异情况

针对风速的各主要观测项目进行自动与人工观测资料之间的对比差值统计。对比差值的统计方法是：自动与人工观测风速的差值为自动观测的风速值减去人工观测的风速值。即设Z_i为第i时、日、月的自动观测值，R_i为第i时、日、月的人工观测值，则第i时、日、月的对比差值X为：

$ {X_i} = {Z_i} - {R_i} $

(1)

设两套观测仪器的有效观测次数为n，则对比差值的平均值为：

$ \overline X = \frac{{\sum {{X_i}} }}{n} $

(2)

自动与人工观测风速的相对差值N为：

$ N = \left( {{Z_i} - {R_i}} \right)/{Z_i} $

(3)

《地面气象观测规范》要求，风速的准确度是±0.5 m·s^-1，风向的准确度是±5°^[15]，否则认为偏差超出正常范围。

2.1 各风速项目的平均差异

表 1列出了各风速项目的自动与人工观测平均对比差值情况统计表。总的可看出，各风速项目均是自动观测值比人工观测值平均偏高，偏高值在0.06~0.46 m·s^-1之间，处于风速测量准确度的偏差范围内；自动观测值大于人工观测值占大部分观测对比样本，自动与人工观测风速值一致和小于的比例较低。

2分钟风速：自动比人工观测值平均偏高0.46 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的5.52%，大于的占总有效对比样本数的72.42%，小于的占总有效对比样本数的22.06%。

2分钟风速日平均：自动比人工观测值平均偏高0.45 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的4.03%，大于的占总有效对比样本数的92.41%，小于的占总有效对比样本数的3.56%。

2分钟风速月平均：自动比人工观测值平均偏高0.45 m·s^-1；自动与人工观测值比较，大于的占总有效对比样本数的98.81%，小于的占总有效对比样本数的1.19%。

10分钟风速:自动比人工观测值平均偏高0.38 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的6.39%，大于的占总有效对比样本数的83.57%，小于的占总有效对比样本数的10.04%。

10分钟风速日平均:自动比人工观测值平均偏高0.37 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的0.78%，大于的占总有效对比样本数的95.54%，小于的占总有效对比样本数的3.68%。

10分钟风速月平均:自动比人工观测值平均偏高0.37 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的1.19%，大于的占总有效对比样本数的97.62%，小于的占总有效对比样本数的1.19%。

日最大风速:自动比人工观测值平均偏高0.06 m·s^-1；自动与人工观测值比较，一致的占总有效对比样本数的9.21%，大于的占总有效对比样本数的60.25%，小于的占总有效对比样本数的30.54%。

2.2 风速差异的分布

图 2是10分钟自动与人工观测风速差值频次分布图。从此图就可直观地看出自动与人工观测风速差值及其频次的分布情况，频次最大的在0.4 m·s^-1处, 差值频次达7592次，偏差过大和偏差过小的随即都明显减小；以横坐标0.0 m·s^-1为分界点，自动与人工观测风速差值为正的频次明显多于差值为负的，正差值的频次大于负差值的频次。

表 2列出了2分钟、10分钟和日最大自动与人工观测风速差值段内的观测频次及所占百分比。

2分钟风速的自动与人工观测对比差值在风速观测准确度±0.5 m·s^-1范围内的对比观测样本占总有效对比观测样本的37.72%，对比差值在±0.5~±2.0 m·s^-1之间的对比观测样本占总有效对比观测样本的59.5%，对比差值大于±2.0 m·s^-1的对比观测样本占总有效对比观测样本的2.78%。

10分钟风速的自动与人工观测对比差值在风速观测准确度±0.5 m·s^-1范围内的对比观测样本占总有效对比观测样本的55.35%，对比差值在±0.5~±2.0 m·s^-1之间的对比观测样本占总有效对比观测样本的43.82%，对比差值大于±2.0 m·s^-1的对比观测样本占总有效对比观测样本的0.83%。

日最大风速的自动与人工观测对比差值在风速观测准确度±0.5 m·s^-1范围内的对比观测样本占总有效对比观测样本的67.75%，对比差值在±0.5~±2.0 m·s^-1之间的对比观测样本占总有效对比观测样本的29.35%，对比差值大于±2.0 m·s^-1的对比观测样本占总有效对比观测样本的2.9%。

2.3 风速差异的日变化

图 3是利用四川7个基准站2005年24次定时10分钟风速各次自动与人工观测年平均值的差值绘制的日变化图。从图 3可看出，7个基准站除甘孜、会理两站风速差值日变化曲线在10时前后差异较大，甘孜站波幅达0.3 m·s^-1、会理站波幅达0.2 m·s^-1，其他各站风速差值日变化曲线的波幅一日间基本处于0.12 m·s^-1左右，没有太大的变化。总体来看风速差值日变化曲线是比较稳定，没有比较明显的日变化规律。

2.4 风速差异的季节性变化

图 4为利用四川7个基准站2005年24次定时2分钟风速的自动与人工观测月平均值的差值绘制的年变化图。从图 4可看出，除个别站的个别月份外，各站的风速差值月变化曲线的波幅基本都在0.2 m·s^-1范围内，没有太大的变化。总体来看风速差值月变化曲线是比较稳定的，没有比较明显的季节性变化特征。

2.5 风速差异的地域变化

将图 1、图 3、图 4结合起来分析。图 1标示了各站的分布及海拔高度。图 3是10分钟的自动与人工观测风速的差值日变化曲线图，可看出，除会理、乐山外，其他各站的差值基本处于0.34~0.46 m·s^-1之间，而这5个站既有高海拔的甘孜站和红原站，也有低海拔的万源站、绵阳站和纳溪站。再从图 4的2分钟自动与人工观测风速差值年变化图可看出，较高海拔的会理站与较低海拔的万源站和乐山站的差值基本在0.6 m·s^-1左右，而高海拔的甘孜站与低海拔的纳溪站的差值基本在0.45 m·s^-1左右，高海拔的红原站又与低海拔的绵阳站的差值基本在0.25 m·s^-1左右。因此，总的来看，无论是10分钟风速，还是2分钟风速的自动与人工观测差值与台站的海拔高度是没有直接的关系，即自动与人工观测风速的差异与台站所处地域无关。

2.6 风速差异随风速的变化

图 5为自动与人工观测风速的相对差值与风速的散布图。

从图 5可看出，风速越小，自动与人工观测风速的相对差值越大，即自动与人工观测风速的相对差值随风速的增大而减小，并有趋向于零的趋势，说明自动观测风速值与人工观测风速值的差异随风速的增大而减小。这应该与两种观测设备的起动风速有关，自动观测是不大于0.3 m·s^-1的低启动风速传感器^[14]，而人工观测是不大于1.5 m·s^-1的启动风速传感器^[16]。

3 自动与人工观测风向的相符率

自动站是低启动风速的光电风向传感器，启动风速为不大于0.3 m·s^-1，分辨率为3°，准确度为±5°风速测量范围为0~60 m·s^-1[17]。人工是EL型风向风速计，启动风速为不大于1.5 m·s^-1，风速测量范围为2~40 m·s^-1，采用8个方位块能分辨出16个方位的风向^[16]。风向在自然条件下，其在时间和空间分布上差别很大，因此，只需求出自动与人工两者风向相符的百分率。

$ 风向相符百分率\left( \% \right) = \frac{风向相符次数}{风向有效总次数} \times 100\% $

(4)

由于人工观测的电接风向风速计的风速测量以2 m·s^-1起，因此在统计风向相符百分率时不计2 m·s^-1以下的记录。人工的风向以16个方位，即22.5°为1个方位，而自动站风向的测量准确度为±5°。因此，人工所测风向的方位对应自动所测风向的角度范围应为：人工风向方位N对应自动风向角度范围343.76°~16.25°, NNE为6.26°~38.75°时，即可认为两者相符，以此类推如表 3。

表 4为自动与人工各项风观测的风向相符情况。总体看自动与人工观测风向的相符率较高，2分钟风向在18818次有效对比观测中，其相符率为62.99%；10分钟风向在18539次有效对比观测中，其相符率为75.84%；日最大风速的风向在2445次有效对比观测中，其相符率为43.64%。

4 自动与人工观测风速风向的差异原因分析

自动站的风速测量使用响应快、启动风速低的EL15-1A型光电子风速计，风向测量是低起动风速的EL15-2D型光电风向传感器^[14]。人工站的风向和风速测量使用EL型电接风向风速计^[16]。自动站和人工站风的观测，无论是所使用的设备、测风原理、精确度、观测方法等方面都有很大的差别。因此，它们的观测值之间就必然是有差异的，这种差异由以下几方面体现出来。

4.1 启动风速不同引起的差异

自动站是启动风速不大于0.3 m·s^-1的低启动风速的光电风向传感器^[14]，人工站是启动风速为不大于1.5 m·s^-1的EL型电接风向风速计^[14]。由于两种设备从设计的要求启动风速不同，各自对风的测量值必然会有差异，特别是在低风速情况下。

4.2 精度不同引起的差异

自动站的风向分辨率为3°，精度为±5°；风速分辨率为0.05 m·s^-1，风速小于10 m·s^-1时精度为±0.3 m·s^-1，风速大于10 m·s^-1时±3 m·s^-1，测量范围为0~60 m·s^-1[14]。人工站的风向能分辨16个方位，测向精度为±11°15’；风速的测量精度为风速的订正值不大于±(0.5+0.05×风速) m·s^-1，人工读数精度为1.0 m·s^-1，测量范围为2~40 m·s^-1[16]。两种设备测风所能达到的观测精度不同，也就必然引起两种风测量值的差异。

4.3 统计方法不同引起的差异

人工站定时风是读取整数，小数位补零；10分钟平均风速是从0.3 m·s^-1以上开始统计，且小数位只能是0、3和7。而自动站则是取一位小数，平均风速是从0.1 m·s^-1开始统计。两种测风的统计方法不同，也就引起两种风测量值的差异。

4.4 观测时间和方法不同引起的差异

人工站的定时风是在接近正点的15分钟之内，靠人工观测两分钟风速指针摆动的平均位置，去求取平均值，时间不在正点，且人为因素较大，而自动站的定时风是由设备自动读取正点前两分钟的平均值。因风是时间性很强的气象要素，而两种测风在观测时间和方法的不同，也就必然引起两种测量值的差异。

5 结论

通过对四川7个基准气候站2005年自动与人工观测风速和风向观测资料的一系列对比分析，得出如下结论：

(1) 各风速项目均是自动观测值比人工观测值平均偏高，偏高值在0.06~0.46 m·s^-1之间，处于风速测量准确度的偏差范围内；自动观测值大于人工观测值占大部分观测对比样本，自动与人工观测风速值一致和小于的比例较低。

(2) 2分钟风速、10分钟风速、日最大风速分别有37.72%、55.35%、67.75%的对比观测样本，其自动与人工观测对比差值在风速观测准确度±0.5 m·s^-1范围内。

(3) 自动与人工观测风速的差值没有明显的日变化、季节性变化、地域性变化特征。

(4) 自动与人工观测风速的差异随风速的增大而减小。

(5) 自动与人工观测风向的相符率较高，2分钟风向相符率为62.33%；10分钟风向相符率为75.84%；日最大风速的风向相符率为43.64%。

(6) 由于自动与人工是两种观测体制，其各自在风的观测原理、精度要求、统计方法、观测时间和观测方法的不同，都会引起两种风测量值出现差异。