双套站资料评估方案(供讨论稿12.17)

双套站资料评估方案安徽省气候中心1双套站资料评估方案（讨论稿）安徽省气候中心一、评估目的双套站之间以及双套站与本站观测资料的对比评估，对优化地面观测系统、提高观测资料质量及可用性具有重要意义。本方案利用双套站观测资料以及本站观测资料，实现对双套站两套数据的完整性、差异性以及数据的连续进行分析评估。为及时发现双套站数据质量问题和双套站运行提供相关建议。二、评估项目1．完整性统计双套站两套仪器（记为A仪器、B仪器）的缺测率情况，以及同时缺测的情况，并与本站数据（记为Z仪器）的缺测率进行比较。2．差异性对双套站各要素两套仪器的逐小时、日平均、月平均的差值进行全面评估，包括均值、标准差、频率分布、一致率、粗差率、相符率（风向）和相对差值（降水量）等。并与本站数据进行对比。对极端值的评估主要评估日极端值，月极端值的差异性，指标主要是均值、标准差、频率分布。最后给出差异基本情况以及差异能否接受等相关结论。3．连续性利用本站近30年的资料，对双套站仪器月（年）值的连续性进行显著性检验，给出观测仪器和观测方式的改变是否会影响资料连续性的相关结论。三、评估要素1．气温：逐小时气温、日平均（最高、最低）气温、月（年）平均气温、月（年）极端最高（最低）气温2．本站气压：逐小时气压、日平均（最高、最低）气压、月（年）平均气压、月（年）极双套站资料评估方案安徽省气候中心2端最高（最低）气压3．风向与风速：逐小时2分钟（10分钟）风向、月（年）风向频率逐小时2分钟（10分钟）平均风速、日平均（最大）风速、月(年)平均风速、月（年）最大风速4．相对湿度：逐小时相对湿度、日平均（最小）相对湿度、月（年）平均相对湿度、月（年）最小相对湿度5．降水量：0.1mm翻斗雨量的逐小时降水量、日降水总量、月（年）降水总量0.5mm翻斗雨量的逐小时降水量、日降水总量、月（年）降水总量（对比包含0.1mm翻斗雨量计ABZ三套仪器之间的对比、0.5mm翻斗雨量计双套站AB两套仪器对比，同一套仪器中0.1mm与0.5mm翻斗雨量的对比）6．蒸发量：日蒸发总量、月蒸发总量、年蒸发总量（部分台站本站蒸发量为小型蒸发、而双套站为大型蒸发，小时数据不再与本站资料对比，日月年数据的对比也仅供参考，主要对比双套站之间的差异）7．浅层地温：0cm、5cm、10cm、15cm、20cm地温的逐小时、日平均、月平均、年平均8．深层地温：40cm、80cm、160cm、320cm地温的逐小时、日平均、月平均、年平均（考虑地温安装为新填土，土壤松软程度可能不同，对数据可能产生影响，以及深层地温相对稳定等因素，小时数据不再与本站资料对比，日月年数据的对比也仅供参考，主要对比双套站之间的差异）9．草面温度：逐小时、日平均、月平均、年平均草面温度四、评估数据来源双套站数据来源于各站小时数据文件AWS_H_Z_IIiii_yyyymm.txt，本站观测数据源于AIIiii-yyyymm.txt，日、月、年数据的统计依据《地面气象观测规范》双套站资料评估方案安徽省气候中心3进行统计计算。五、评估内容与方法（一）完整性数据完整性主要通过缺测率来反映，主要评估上述要素的定时数据和日数据的完整性，定义各要素的月缺测率：%100%每月应测次数每月缺测次数）月缺测率（评估内容：a)分别计算A、B、Z三站的缺测率，以及A、B同时缺测率；b)给出各要素缺测率随时间的变化的柱状图（或曲线图）以及表格；c)给出相关结论。（二）差异性差异性评估的指标较多，本方案主要使用较为常见的几种指标。首先对气温、气压、风速、相对湿度、蒸发量、地温、草温等要素利用差值均值、标准差、差值分布、一致率、粗差率等对日平均值,月平均进行评估，其中除蒸发量以外还需要对逐小时数据进行评估。对于气温、气压、风速、相对湿度的极端值主要利用差值均值、差值频率等指标来评估。（1）差值均值以及标准差差值均值x定义为：nxxnii1差值的标准差σ定义为：211211niixxn）（其中n为两套观测仪器对比观测次数，iiixab，ix为两套观测仪器差值，,iiab分别为A、B两套仪器第i次观测值。评估内容：a）计算差值，差值均值和标准差；b）对于月尺度的小时数据、日数据给出差值的随时间变化关系；双套站资料评估方案安徽省气候中心4c）利用曲线图（列表）给出差值月均值、差值月标准差、日（月）极端差值、极端值差值均值随时间变化情况。d）给出相关结论（2）差值频率及分布检验样本若遵从正态分布，它的偏度系数1g和峰度系数2g亦遵从正态分布。它们分布的数学期望为0，均值方差分别为16(2)(1)(3)gnsnn及2224(2)(3)(1)(3)(5)gnnnsnnn其中n为样本容量。若在显著水平0.05下11||1.96ggs，22||1.96ggs则拒绝假设，认为变量不服从正态发布。否则认为变量服从正态分布。其中偏度系数313/22mgm，峰度系数4222mgm，11(),2,3,4nkkiimxxkn，ix为差值，x为差值的平均值。评估内容：a)计算偏度系数和峰度系数，检验差值是否服从正态分布；b)计算差值频率，给出差值直方图，并对其评述；c)给出相关结论。（3）误差率根据自动气象站部分要素测量性能要求定义误差率。其表征仪器超出了测量性能要求的最大允许误差次数。%100%差值大于最大允许误差2倍次数误差率（）有效观测次数其中最大允许误差参见附表1，有效观测次数指除缺测以外的观测数据。评估内容：a）统计对比差值大于最大允许误差2倍的次数，计算误差率；b）列表（曲线图）给出误差率；c）给出相关结论。（4）一致率表示两套仪器相一致的程度，主要对逐小时数据进行评估。各要素的月一致双套站资料评估方案安徽省气候中心5率按如下公式计算：一致率的范围按要素对比差值月平均值的2倍考虑。有效总次数指除缺测以外的观测次数。评估内容：a)计算对比差值的月平均值（24时次），计算月一致率；b)给出一致率随时间变化的柱状图（曲线图）；c)给出相关结论。（5）粗差率粗差率表示两套仪器异常差值的多寡，主要对逐小时数据进行评估设第i次观测值的对比差值为ix，对比差值月平均值为x，对比差值的月标准差为，当3ixx时，视为粗差。公式如下：%100%月粗差次数月粗差率（）月有效观测次数粗差次数按照如下方式统计：首先根据全部数据计算，逐个检查对比差值，若有3ixx时，剔除其中一个最大者，再按计算标准差的公式计算新的，若还有差值3ixx者，再剔除其中的一个最大者，又计算新的，……，一直到没有数据需要剔除为止。有效观测次数统计指除去缺测以外的观测次数。评估内容：a)计算有效观测差值月平均值，统计粗差次数，给出粗差率；b）给出粗差率随时间变化的柱状图（曲线图）；c）给出相关结论。（6）风向相符率对于风向则利用相符率指标对整月逐小时2分钟（10分钟）风向进行评估。风向相符率的公式：%100%相符次数相符率（）有效总次数相符次数定义为两套仪器风向相差不大于22.5°的次数。%100%有效总次数围的次数对比差值小于一致率范）月一致率（双套站资料评估方案安徽省气候中心6有效总次数指参加对比的仪器风速均大于0.5m/s时的次数，。评估内容：a)计算A与B、A与Z、B与Z的风向相符率；b)给出风向随时间的变化的柱状图（或曲线图）以及表格；c)给出三套仪器风向频率表（风向玫瑰图）及相关结论。（7）相对差值特别地，对降水量要根据雨强不同进行不同评估。雨量（小时、日、月）≤10mm时，利用差值进行评估，公式定义同上。雨量（小时、日、月）＞10mm时，降水量利用相对差值进行评估，定义如下：11100%niiRniixxa其中n为两套观测仪器对比观测次数，iiixab，ix为两套观测仪器差值，,iiab分别为A、B两套仪器第i次观测值。评估内容：a)根据不同雨量分别进行统计,雨量小于10mm时，计算分析其差值均值、标准差、差值频率及分布、一致率等；雨量大于10mm时分析相对差值，相对差值的频率分布以及累计相对差值；b)给出上述统计指标的相关图表，并给出相关结论。（三）连续性利用近30年数据（如评估2010年12月，则用1980-2009年，以下以此为例）本站自动观测要素数据月（年）平均值，对于ABZ三套仪器2010年的月（年）平均值进行显著性检验。评估主要方法为T检验。假设0x为2010年某套仪器某要素月（年）平均值，1980年至2009年共30n年，这n年本站相应要素月（年）平均值的样本序列为nixxxx,...,,...,,21，统计量210)11(nnsxxtnn，其中，niinxnx11，nininxxns,12)(1双套站资料评估方案安徽省气候中心7在显著水平a为5%（1%），自由度为n时，当|t|ta，（ta取值见附表2）则表示平均值x0与其他年份平均值差异显著。以A、Z两套仪器为例，若A仪器某要素通过了显著性检验，说明仪器的更换、观测方式的变更没有影响到数据的连续性，若A仪器没有通过显著性检验，且Z仪器也没有显著性检验，说明了可能因为气候变化等因素造成了数据的不连续，而与观测方式的变化关系不大，但若此时Z仪器通过显著性检验，则说明这种观测方式的变化可能对观测数据的连续性产生了影响。评估内容：a)分别对ABZ三套仪器2010年数据进行连续性检验，要素主要有月（年）平均气温、气压、风速、相对湿度、降水量（0.1mm和0.5mm）、地温；（草面温度无历史资料，不作连续性检验，地温若台站有无历史资料也不作连续性检验）b)分析上述结果，给出相关结论。（四）小结与建议综合数据完整性、差异性和连续性的分析结果，给出相关结论，对双套站的运行给出相应建议。六、说明本方案主要参考了中国气象局气象信息中心《对比观测期间监测资料评估技术方法(2003.1).》、《自动观测与人工观测对比评估方案（2010.5）》和中国气象局气象探测中心《新型自动气象（气候）站评估报告（2010.1）》以及统计学等相关文献。安徽省气候中心2010年12月6日双套站资料评估方案安徽省气候中心8附表1：自动气象站部分要素测量性能要求测量要素范围分辨力最大允许误差气压500hPa～1100hPa0.1hPa±0.3hPa气温-50℃～50℃0.1℃±0.2℃相对湿度5%～100%RH1%±3%（≤80%）±5%（＞80%）风向0～360°3°±5°风速0～60m/s0.1m/s±（0.5+0.03V）m/s降水量翻斗：雨强0～4mm/min0.1mm±0.4mm（≤10mm）±4%（＞10mm）地表温度-50℃～80℃0.1℃-50～50℃：±0.2℃50～80℃：±0.5℃浅层地温-40℃～60℃0.1℃±0.3℃深层地温-30℃～40℃0.1℃±0.3℃蒸发量0～100mm0.1mm±0.2mm（≤10mm）±2%（＞10mm）备注：以上数据源自《新型自动站功能规格书》附表2：不同自由度的ta取值自由度信度水平0.05信度水平0.0152.5714.032102.2283.169152.1312.947202.0862.845252.0602.787302.0422.750402.0212.704502.0092.678602.0002.660