引言

风作为主要气象要素，与人类的生活密切相关，风向、风速资料可广泛应用在风能资源的开发、农业生产、城市规划、建筑设计、大气污染评价等领域(鲁渊平等，2006；秦剑等，2013；于庚康等，2015)，尤其是在空气污染的研究中，风速、风向、大气稳定度等对污染物均有较大影响(蒋维楣等，2004)。赵雅芳等(2006)研究了静风与非静风对金昌市SO₂浓度的影响，孙玫玲等(2007)则利用静风的时空分布特征，分析了其与不同污染物浓度变化的关系，张敏等(2009)分析了南京北郊静风对大气污染雾的影响。此外还有较多学者研究了静风对不同建筑结构的影响，因此静风资料的评估尤为重要。

自2000年以来，我国地面自动气象站逐步代替人工观测项目，但自动观测风向风速的观测原理、仪器和观测方法与人工观测均有较大差异，可能造成观测资料存在非均一性的问题。因此，自动观测资料与人工观测资料间的差异及使用方式受到广大科学家的关注(王颖等，2007)。近年来，国内外已有多位专家对自动观测与人工观测之间各要素的差异进行了大量的分析(Alexandersson，1986；Peterson et al，1998；连志鸾，2005；胡玉峰，2004；Guttman and Baker, 1996；王晓默等，2007；肖玮，2010; 李亚丽等，2015)。与其他气象要素相比，风要素更易受地形等影响，不确定性较大。程爱珍等(2010)研究结果表明广西4个基准站在风大时，人工站观测数据大于自动站，于清平等(2008)研究南京2004—2005年平行观测期的数据认为风速大部分时次表现为自动观测大于人工观测，刘小宁(2000)，曹丽娟等(2010)利用多种方法对我国风速进行了均一化订正，江滢等(2008)分析了我国近50年非静风最大风向频率变化特征。但上述研究大多集中在人工与自动观测风速的差值，以及风向(非静风)的相符率差异，较少有学者关注人工与自动观测静风的差异。由于人工观测风速时采取四舍五入读取整数方式，因此当风速≤0.5 m·s^-1时均记为静风，而自动风速为≤0.2 m·s^-1时记为静风(中华人民共和国气象行业标准QX/T 51-2007，2007)，此外两种观测仪器的差异亦造成记录的静风频率有较大差异，因此这种差异的大小、造成原因和静风数据的使用方法值得研究。

本文利用2000—2010年全国2195个基准、基本和一般站人工观测转为自动观测两年间的2 min风向、风速资料，以及湖北省76个国家站建站至2013年的2 min风向、风速数据，分析了人工与自动观测静风的差异，研究了引起差异的原因，并对静风观测资料的应用方法进行探索，以提高静风资料的连续性。

1 研究资料与方法

选取全国2195个基准、基本和一般站人工观测转自动观测时期前后共两年的2 min风向、风速数据(图 1)。自2000年起，国家站陆续由人工观测转为自动观测，各站人工观测最后一年与自动观测第一年的年份不同，因此利用2000—2010年共11年的资料，提取各站人工转为自动观测两年间的风向、风速等数据。

此外，收集了湖北省76个台站建站至2013年的观测资料，其中包含各自动气象站业务运行初期，两年平行观测期人工站与自动站的对比观测资料。根据《地面气象观测规范》(中国气象局，2003)要求，当人工观测改为自动观测时，为了解资料序列的差异，必须进行至少两年的观测，且平行观测期第一年，以人工观测记录作为正式资料，第二年以自动观测记录件为正式资料。利用上述资料，提取定时观测时次的2 min风向、风速数据。

利用全国资料，统计各站定时观测时次人工与自动观测的静风频率和月平均风速，以及同期自动与人工观测年静风频率差值。同时，利用湖北省平行观测对比资料，计算平行观测期第一、第二年人工、自动观测的年静风频率和对比差。对比差值的计算方法见式(1) 和式(2)，其中Z_i为第i月自动观测静风频率，R_i为第i月人工观测静风频率，X_i为第i月的静风频率差，x为两种仪器n个月对比差值的平均值。此外，统计了湖北省两种观测方式的静风相符率，如式(3) 和式(4)。总次数为平行观测对比期正式资料的静风次数，即平行观测第一年时，总次数为人工观测月静风次数，平行观测第二年时，为自动观测静风次数。

$ {{\mathit{X}}_{\mathit{i}}}={{\mathit{Z}}_{\mathit{i}}}-{{\mathit{R}}_{\mathit{i}}}~ $

(1)

$ \mathit{\bar{X}}=\frac{1}{\mathit{n}}\sum {{\mathit{X}}_{\mathit{i}}} $

(2)

$ \begin{array}{l} 平行观测第一年静风相符率(\%) = \\ \;\;\;\;\;\;\frac{静风相符次数}{人工观测静风次数} \times 100\% \end{array} $

(3)

$ \begin{array}{l} 平行观测第二年静风相符率(\%) = \\ \;\;\;\;\;\;\frac{静风相符次数}{自动观测静风次数} \times 100\% \end{array} $

(4)

根据平行观测第一年的对比资料，探索静风观测资料的订正方法，并利用1991年至平行观测期第一年的月平均静风频率，对第二年的人工、自动和处理后的自动观测静风频率进行显著性检验，假设x₀为平行观测期第二年的月平均静风频率，1991年至平行观测期第一年共n年，n年人工观测的月平均静风频率样本序列为x₁, x₂, …, x_i, …, x_n，统计量如式(5)，在显著水平a为0.05，自由度为n时，当|t|大于临界值，则表示平均值x₀与其他年份平均值差异显著。

$t = \frac{{{x_0} - {{\bar x}_n}}}{{{s_n}}}\sqrt {\frac{{n - 1}}{{n + 1}}}, $其中$ {{\bar x}_n} = \frac{1}{\mathit{n}}\sum\limits_{i = 1}^n {{\mathit{x}_\mathit{i}}}, $

$ {s_n} = \sqrt {\frac{1}{\mathit{n}}\sum\limits_{i = 1}^n {{{{\rm{(}}{\mathit{x}_\mathit{i}} - {{\bar x}_n})}^2}} } $

(5)

2 人工与自动观测静风的差异分析 2.1 静风的空间分布特点

统计全国2195个国家站人工转自动观测两年期间各站的年静风频率和平均风速，图 2a和2b分别为全国人工、自动观测的年平均风速空间分布图。人工、自动观测的平均风速均表现为华中、华南、西南以及新疆中西部平均风速较小，东北、内蒙古、西藏西北部、胶东半岛及东南沿海区风速偏大，集中在2.0~4.0 m·s^-1，两年的空间分布基本一致。

人工和自动观测的平均年静风频率空间分布状况差别较大(图 2c和2d)。人工观测的平均年静风频率整体高于自动观测，自动观测时期仅西藏东南部、青海中东部、四川东部、重庆及湖北西部地区静风出现次数较高，集中在20.0%~40.0%，其余地区静风频率均较低。人工观测的平均年静风频率仅东北、内蒙古、新疆东北部、山东半岛、江苏等东南沿海静风频率低于20.0%，与平均风速较大地区分布基本一致，而静风频率较高地区与平均风速较小地区分布较为一致。上述分析说明，转换期人工、自动观测的风速差异较小，风速较大地区静风频率较低，但人工观测的静风频率明显高于自动观测。

为探讨人工、自动观测静风差异较大时风速的情况，分析了人工与自动观测年平均静风频率差大于20%的国家站两种观测方式记录的风速(表 1)。当人工观测风速为0.0 m·s^-1，自动观测为0.0~0.2 m·s^-1时，自动与人工观测的平均年频率差为-32.8%，且99%的台站人工观测的静风多于自动观测；当人工观测风速为0.0 m·s^-1，自动观测风速在0.0~0.4 m·s^-1时，平均年频率差为-28.4%；当自动观测风速范围分别扩大为0.0~0.6、0.0~0.8和0.0~1.0 m·s^-1时，平均年频率差逐渐变小。当自动观测风速为0.0~1.0 m·s^-1时，两种观测方式的频率差减少至-0.2%，即当自动观测风速达到0.9~1.0 m·s^-1时，人工观测也可能记为0.0 m·s^-1。

除观测方式引起上述差异，人工、自动仪器的启动风速差异也有较大影响。台站人工观测主要采用EL型电接风向风速仪，启动风速＜1.5 m·s^-1(中国气象局，2003)，自动观测采用的光电风向传感器则是小于0.3 m·s^-1的低启动风速，响应也较快(苑跃等，2011；尹宪志等，2006)。

2.2 静风频率的差值分布特点

由于人工转自动观测的两年各站风速差异较小，为分析人工与自动观测静风频率差异与平均风速的关系，计算了人工、自动观测年份年静风频率差值和风速，图 3为年静风频率差值的频率分布图。全国人工观测年份的平均年静风频率为26.3%，自动观测年份为9.9%，平均年静风频率差为-16.4%，最大差值为-74.7%。共有3个站频率差在-80%~-70%，随差值由负值趋向0，总站数增多，差值在-10%~0的总站数为671个，占到总站数的30.6%，随着差值再次增大，总站数逐渐减少，差值在40%~80%的台站数为2个，最大正差值达到60.1%。90.7%的台站自动观测年份年静风频率低于人工观测年份，其中40.0%的台站差值在-10%~10%。此外，图 3显示平均风速越大，人工与自动观测年份的差值越小，平均风速越小，差值越大，负差值高于正差值，即差值与平均风速呈负相关关系。频率差为正差值时，人工观测风速略高于自动观测，频率差为负差值时，自动观测风速明显高于人工观测。

2.3 静风差异的原因分析

图 4为湖北省不同地域4个台站建站至2013年的年静风频率变化图，可以看出台站转为自动观测后，静风频率均表现为陡降。因此，为定量评估人工、自动观测的静风差异，消除气候环境变化等因素的影响，探讨差异的原因，利用湖北省平行观测期人工、自动两年的对比观测资料，统计了各站人工、自动观测方式的年静风频率(表 2)。人工观测第一、第二年的年静风频率分别为29.1%、28.8%，最大年静风频率为81.4%，出现在鹤峰站，该站人工观测两年的静风频率均为全省最高，分别为79.7%和83.1%，最小为钟祥站，两年的静风频率均为全省最低，分别为5.5%和5.1%；自动观测第一、第二年的静风频率较人工观测分别少18.1%和12.4%，最大平均静风频率为50.1%，出现在南漳站，最小为1.3%，出现在钟祥站。自动观测第二年较人工观测第一年的年静风频率少-12.7%，最小频率差为钟祥站，因该站1981—2010年的平均风速为2.7 m·s^-1，82%时次的风速＞1.0 m·s^-1，风速偏大，静风偏少，所以人工与自动观测的静风次数差异较小。

上述研究表明不同观测年份若观测方式一致，则年静风频率差异较小，当观测方式由人工转为自动观测时，风速较小地区年静风频率的时间序列存在较为明显的差异，而风速较大地区由于静风出现次数较少，因此静风频率差异较小，主要为两种观测方式判读较小风速的差异造成。

为评估风速差异对静风频率的影响，将正式资料的月静风观测次数作为对比总次数，即平行观测期第一年的人工观测和第二年的自动观测资料为正式资料，统计了平行观测期的人工、自动静风风向相符情况(表 3、表 4)。平行观测第一、第二年的平均静风相符率分别为34.6%和81.5%，平均静风不符率分别为65.4%和18.5%，第二年较第一年低46.9%，其中平行观测第一年静风不符时段自动观测的平均风速为1.5 m·s^-1，平行观测第二年静风不符时段人工观测的平均风速为1.2 m·s^-1，最大风速为5.0 m·s^-1，最小风速为1.0 m·s^-1，不相符时段风速集中在1.0 m·s^-1左右。

综上所述，人工与自动观测静风频率的差值主要由风速的观测差异造成。人工观测主要为EN型测风数据处理仪或EL型电接风向风速计，两种仪器记录风速时均是四舍五入，保留整数位的方式，即当风速＜0.5 m·s^-1时记为静风，而自动观测为当风速≤0.2 m·s^-1时才记为静风。此外，若采用EL型电接风向风速计，其面板刻度盘的最小分辨率为1.0 m·s^-1，且人工观测2 min风速为刻度盘风速指针摆动的平均位置，因此人工读取风速时统计方法不同、视觉差异和采集时间不为正点等均会造成静风的判识与自动观测存在较大差异。

3 静风频率资料的应用方法

为降低2 min静风资料时间序列上的不连续性，提高资料可比性和可用性，尝试建立处理方式一致的静风频率时间序列，并对结果进行分析。利用湖北省平行观测期第一年的数据，统计人工判识为静风，自动观测为非静风时自动观测的风速。自动观测风速＞1.0 m·s^-1时，共有16.5%的时次人工观测为静风，自动观测风速为1.0 m·s^-1时，54.4%的时次人工观测为静风，自动观测风速为0.3~0.9 m·s^-1时，37.9%时次人工观测为静风。由于2004年以前转为自动观测的台站，部分自动观测的风速仍采取四舍五入的方式记录，因此有较多时次人工观测为静风，自动观测风速在0.5~0.9 m·s^-1范围内，仍记录为1.0 m·s^-1。

根据上述分析，平行观测期第一年人工、自动观测静风不一致时段，自动观测风速主要集中在0.3~0.9 m·s^-1，平均风速为0.6 m·s^-1(图 5)。随着风速增大，静风判识不一致次数增多，当自动观测风速为0.4~0.6 m·s^-1时，不一致次数增多，风速为0.6 m·s^-1时达到最高，当风速在0.7~0.9 m·s^-1时，不一致次数递减。因此可针对两种观测方式的统计方法差异，对静风观测频率的时间序列进行订正。

基于上述研究，同时考虑到较难将低精度的人工观测静风数据订正至高精度的自动观测数据，因此以人工观测为基准，对自动观测进行统计处理，即将平行观测期第二年自动观测风速≤0.6 m·s^-1时的风向均记录为静风。结果显示，处理后自动观测平均年静风频率为22.8%，与平行观测期第二年人工观测年静风频率相关系数为0.8，平均频率对比差为-6.0%，处理后最大正、负频率差分别为37.1%和-48.3%，61%的台站年静风频率对比差在-10%~10%。而未处理时，相关系数仅为0.6，平均对比差为-12.4%，最大负对比差达到-71.9%，处理后较处理前差异明显减小。

利用1991年至平行观测期第一年的人工观测年静风频率，对平行观测期第二年人工观测及处理前、后自动观测静风频率进行0.05的显著性水平检验(表 5)。第二年为人工观测时共有99%的台站通过显著性水平检验，第二年为自动观测时共有55%的站通过显著性水平检验，第二年为处理后的资料时有76%的站通过显著性水平检验，处理后的统计数据均优于处理前，说明处理方法较为合理，可有效保证资料的连续性，且在一定程度上降低了因统计误差造成的数据不一致。

图 6为订正前、后湖北丹江口、大悟、宣恩和浠水站两年对比观测期年静风频率的变化。平行观测第二年自动观测静风频率最大值基本小于或略高于人工观测的最小值，存在明显偏差。处理后4个站与平行观测第二年人工观测年静风频率的对比差分别由处理前的-8.6%、-11.6%、-38.3%和-16.5%，缩小至1.7%、2.7%、-7.6%和1.7%。由于不同年份的气候、环境等变化以及观测仪器的灵敏度等差异，因此处理的结果存在一定差异。

4 结论

利用全国2195个国家站人工转自动观测期共两年的2 min风向风速资料，以及湖北省76个站建站至2013年的观测资料，通过对静风数据的分析，得到以下主要结论：

(1) 全国各站人工转自动观测的两年间，人工、自动观测的风速差异较小，但人工观测年的平均年静风频率为26.3%，自动观测仅为10.0%，风速较大地区静风频率较低。

(2) 全国有较多平均风速较大的台站，人工、自动观测年份同期静风频率差异较小。差值在-10%~0的台站占总站数的30.6%，为各区间最高。90.7%的台站自动观测年份的年静风频率低于人工观测，且平均风速越大，人工、自动观测年份的年静风频率差越小。

(3) 湖北省平行观测第一、第二年人工观测的平均年静风频率分别为29.1%、28.8%，自动观测的平均年静风频率分别为11.0%和16.4%，不同年份若观测方式一致则年静风频率差异较小，当人工转为自动观测时，风速较小的地区年静风频率时间序列存在一定差异。

(4) 湖北省平行观测第一年人工、自动观测均为静风的相符率为34.6%，不符时段自动观测的平均风速为1.5 m·s^-1，第二年的静风相符率为81.5%，不符时段人工观测的平均风速为1.2 m·s^-1。上述差异主要为人工观测风速为四舍五入保留整数位记录，易造成人工观测记录为静风时与保留小数位且风速≤0.2 m·s^-1时记为静风的自动观测记录有差异。此外，人工和自动风探测仪器的启动风速、灵敏度、人工观测时的视觉误差以及采集时间不一致等也会引起记录的差异。

(5) 根据两种观测方式的统计差异，对静风观测频率的时间序列进行重新统计。平行观测期第二年处理后的自动观测平均年静风频率为22.8%，与平行观测期第二年人工观测的对比差为-6.0%，较处理前有明显减小。61%的台站对比差在-10%~10%，统计方法在一定程度上解决了资料的不均一性问题，保证了静风资料的科学应用。

为提高资料的可用性，在后续的工作中可进一步考虑采用全国2 min的风向、风速同期人工、自动对比数据，并且通过增加地形、地貌等数据，结合风模型模拟风场变化，根据资料使用需求，对静风资料进行精细化订正，提高资料的科学性与可用性。