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目录

1 引言 1

2 资料来源与方法 2

2.1研究区域和资料 2

2.2气象台站合理间距的确定方法 3

3 结果与分析 4

3.1气温观测的合理分布距离 4

3.2降水观测的合理分布距离 8

3.3风速观测的合理分布距离 12

4 结论 15

参考文献 16

致谢 17

晋江市自动气象站空间分布合理距离的估算

陈浩坤

,China

Abstract: with the rapid development of automatic meteorological stations, how to estimate the reasonable spatial distance to get the accurate meteorological observation data is concern-ed with the practical problem to design the automatic meteorological stations net. With the structure function method, the hourly data of temperature, precipitation and wind speed in January, April, July and October were used, which are collected from the 49 automatic met-eorological stations in Jinjiang City and its surrounding areas，to estimate the reasonable di-stribution of distance between automatic meteorological stations, according to the different

time scales. Results show that: (1) according to the above-mentioned three meteorological fa-ctors, the reasonable distance is 14、6、12 km in the hours scales, the reasonable distance is 26、16、17 km in the days scales. (2)the allowable distance between stations is shorter

in the hours scales.

Key words: automatic meteorological station; structure function; interpolation method; the　maximum allowable distance between stations; time scale

1 引言

用自动气象站代替人工观测，不仅提高气象观测时空分辨率，而且降低了人工观测的劳动强度。自2000年以来，自动气象观测站的布设在我国发展迅速，已逐步形成了地面自动站气象观测网，这在我国东部经济比较发达的城市呈略微领先态势。为节省物力、财力，在一定的范围内，自动气象观测站密度究竟为多少就能满足对气象要素准确监测的要求，是一个值得探讨的问题。根据世界气象组织规定，基本气象台站按观测内容可划分为密度不同的三级:第一类台站间距最大(可达100公里以上)，主要包括气压、日照、土壤温度等；第二类台站间距适中，主要观测气温、相对湿度、云量、风速风向等；第三类台站间距小,包括降水、积雪和天气等^[1]。至2013年，我国共有2000多个国家级地面自动站，约有3万个省级地方地面自动站，部分地区自动站间的间距已小于10 km^[2]。虽然布置的自动气象观测站越多越好，这样能够收集更多更详尽的气象资料，但是站点之间如果太近，就会导致两个站点在同一时间花费更多的资源获得同一份资料，这样就存在了资源上的浪费的问题。同时，不同等级、不同密度的站网资料会引起同一地区研究结果一定的的差异^[3]。同年，Vose^[4]等人利用“消耗-获益”的模型来确定气象台站的密度。因此，确定自动气象站空间分布合理距离是十分有必要的。

目前，关于自动气象观测站的空间合理布局的研究，西方发达国家对此研究开始得早。从上个世纪40年代开始，国外就开始了对气象观测站的自动化的研究，在50年代中期，各种各样的自动气象台站出现在人们的视野之中。到现在为止，国外一些发达国家已有接近70年的自动气象站的研究经验，美国已经拟计划建立1700多个地面自动观测系统ASOS，这些系统分布在美国各州，每15分钟提供一次观测资料，用于增强对灾害性天气的检测和预报^[5]；日本的AMEDAS的自动气象资料收集系统^[6]，包含1300台左右自动气象站，是一种较高分辨率地面观测网络，以平均17公里的站网密度分布日本各地，每10分钟提供一次观测资料。自动气象站的规模与功能的强大离不开科研人员的科学研究，关于自动气象站的布点误差问题，已有较多科研人员开展相关研究。Munn^[7]指出，由于任何气象要素场都存在空间间隔的协相关和时间间隔的自相关，而其相关性往往随着时空间隔的增大而减小，这就使得根据不同的探测目的和不同气象要素的时空分布特性来确定各类气象站网的密度和间距成为可能。M. Ashraf等^[8]研究认为自动气象站的分布对于参考蒸散量估计的准确性依赖于测量误差、误差的估计方程以及插值误差，其中，插值误差是研究影响天气空间相关结构变量和插值的方法。他们利用2年（1989-1990）时间从17个站点（包括美国内布拉斯加州、堪萨斯州、科罗拉多州等）的基本气象数据，使用并比较了不同的网格排列设计和插值方法。经实验研究发现，克里金法得到的平方插值误差（RMSIE）最低，其次是反距离平方法和反距离法，即使用克里金平方插值误差小，其插值结果精度高。Schneeneli^[9]等利用模糊数学和概率统计的数学方法，并通过设定不同的下雪量极大值，以此来计算区域概率关系，从而确定下雪量观测站的布站间距，但此类方法不适用于其他基本天气要素的确定站距。

我国自动气象台站的建设起步比较晚，一直到上世纪八十年代才开始构想自动气象站的建设，于1999年7月，我国引进了芬兰维萨拉公司5套自动气象台站，开始了自动气象站观测资料的研究与应用。自从这之后，自动气象站的建设如同雨后春笋般，在全国各地进行建设并投入使用。仅仅2000-2001年这一年，我国就在四川、重庆等地区建设了32个自动气象站。到2013年5月为止，全国累计有4万多个自动气象站投入使用。分布在全国各地的自动气象站编织成了一张大网，将全国每一个地方的气象资料都观测在内，为从事气象事业工作者研究提供了宝贵的资料。与此同时，国内许多科研人员对自动气象站网的合理布局进行了深入的研究。杨贤为^[10]在1987年利用结构函数法对江淮平原地区二类气象站网进行了探讨，确定了这类自动气象站网的合理布局为55公里。赵瑞霞^[11]在2007年统计了北京东南低地形有关站台1978-2000年气温和水汽这两个气象要素的结构函数，分1、4、7、10四月（季）讨论了最佳布站距离。彭思岭^[12]在2010年对比分析泰森多边形法、反距离加权法、梯度距离反比法、样条函数法、趋势面法、面积插值法、普克里金法7种插值方法，提出基于空间聚类的气象要素插值方法，利用济南降水量资料对该插值方法的准确性进行了验证。程勇^[13]在2011年归纳总结了近年来一些科研人员研究自动气象台站的主要方法。范海娟^[14]在2013年选取我国三大平原地区2002-2010年154个自动气象站1、4、7、10月的日均气温、相对湿度和降水量进行了自动气象站的布站分析。王丽娜^[15]在2014年提出一种基于时间序列的时空插值算法和自适应离散点插值算法对重庆市900多个自动气象台站近一年的气象数据进行检测证实了该方法的可行性和正确性。

此前的研究多为空间尺度上的研究，对于不同的时间尺度上研究自动气象站合理空间分布距离少之甚少。故本研究拟以气象站网合理规划的相关理论为依据，选用我国晋江边及其周边地区共计49个自动气象台站的每小时平均气温资料进行研究分析，采用结构函数、内插误差的方法，分别用小时误差和日均误差（时间尺度的不同）比较了不同时间尺度的估算模型的效果，讨论分析了晋江及其周边地区自动气象台站的合理布站距离，对于改进自动气象台站站网系统，减少没有必要的人力物力资源，提高对气象灾害的预报防范能力具有一定的参考意义。

2 资料来源与方法

2.1研究区域和资料

本文选用的研究区域为晋江市及其临近周边地区（118.18-118.92ºE、24.51-25.07ºN），该区域位于我国福建省东南沿海岸，地形以丘陵、台地、平原三种类型为主，相对来说比较平缓均匀，能够较好地满足结构函数对于各向同性和均匀性的要求。所选地区内共有49个自动气象观测站点，根据两两组合的原则，总共有1176个结构函数数据，保证了数据足够的多，减少了数据随机性误差。

本文研究使用了逐日逐时平均气温、降水和风速等3个气象要素资料。为了对春夏秋冬四个季节分别进行研究，本文选取了以上49个台站2010-2014年五年内1月、4月、7月、10月的上述3要素资料作为各个季节的代表，资料来源于晋江市气象局及泉州市气象局。

2.2气象台站合理间距的确定方法

气象台站合理间距的确定需要采用结构函数，观测随机误差的估算，内插误差，最大容许误差和最大容许距离的方法。以两个台站站点之间合理间距的估算为例，其一般研究方法分以下四步做个简单的说明：

（a）结构函数

结构函数^[16-19]表示了向量在空间不同点间的离散程度，被广泛应用于气象台站网的合理分布研究。根据Gandin的定义，某气象要素f（例如气温、降水、风速）的结构函数定义为两站点间（A，B）要素距平差值的平方的平均。即：

其中和分别表示要素f在A，B点的距平函数，如果以分别表示要素在点A,B的方差及A,B两点的协方差函数，也可以推导出结构函数的另一表达式：

由此可以看出，气象要素f在A，B两点间的结构函数主要取决于气象要素f在A，B两点各自时间变化幅度和两点之间的相关性。

与以往研究不同的是，本文对时间尺度的不同进行了讨论，根据时间尺度的不同分为下述两种方法：一是利用每小时的气象要素（气温、降水和风速）与平均气象要素作差得出气象要素关于距离的结构函数（在下述论述中简称为方法一）；二是在方法一的基础上选择每天的平均气象要素与平均气象要素作差得出气象要素关于距离的结构函数（在下述论述中简称为方法二），并将这两种方式下所产生的结构函数进行比较。

（b）观测随机误差的估算

任一台站观测到的气象要素值都存在系统误差和随机误差两部分。若A,B两点的距离L,则随机误差为: