浙江致災(zāi)強(qiáng)風(fēng)暴監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)站子系統(tǒng)前期資料處理方法研究

張春艷 陳國(guó)勇

嵊州市氣象局，浙江紹興 312400

浙江致災(zāi)強(qiáng)風(fēng)暴監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)站子系統(tǒng)前期資料處理方法研究

張春艷 陳國(guó)勇

嵊州市氣象局，浙江紹興 312400

為應(yīng)用自動(dòng)站資料及其他一些中尺度模式產(chǎn)品建立客觀臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)站前期資料處理時(shí)采用的技術(shù)方法進(jìn)行了研究，介紹了原始資料的質(zhì)量控制方法、離散點(diǎn)資料的細(xì)網(wǎng)格差分方法以及對(duì)表征中尺度天氣系統(tǒng)的特征物理量的選取，結(jié)果表明，前期處理考慮了地面的復(fù)雜因素，提取了一些有用的特征量，能夠較好地滿足強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警與服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)的要求，為自動(dòng)站子系統(tǒng)及其他個(gè)子系統(tǒng)的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

自動(dòng)站資料；質(zhì)量控制；加權(quán)平均內(nèi)插法；中尺度分析

圖一

按照“浙江省小流域致災(zāi)強(qiáng)風(fēng)暴監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究”的總體要求，自動(dòng)站子系統(tǒng)作為基于細(xì)網(wǎng)格的浙江省強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警與服務(wù)系統(tǒng)的一個(gè)分支，目標(biāo)是在“基于細(xì)網(wǎng)格的浙江省強(qiáng)風(fēng)暴天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警與服務(wù)系統(tǒng)”整體框架下，利用自動(dòng)氣象站資料，將全省及周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息按要求網(wǎng)格量化，建立一套基于0. 1度×0.1度經(jīng)緯網(wǎng)格有限區(qū)域?yàn)轭A(yù)警單元的、基于細(xì)網(wǎng)格的浙江省強(qiáng)風(fēng)暴天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警與服務(wù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)站子系統(tǒng)，完成自動(dòng)站監(jiān)測(cè)預(yù)警從定性到定量的精細(xì)化預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變，從主觀到客觀的作業(yè)方式的轉(zhuǎn)變。

該系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)就是快速獲取全省及周邊自動(dòng)站的實(shí)況降水、風(fēng)、氣壓、溫度等站點(diǎn)資料，充分分析和利用現(xiàn)有自動(dòng)氣象站站點(diǎn)資料，并加工計(jì)算產(chǎn)生格點(diǎn)資料及物理量資料，快速地進(jìn)行有限區(qū)域各種地面要素和物理量的客觀分析，得到強(qiáng)風(fēng)暴天氣的相關(guān)信息，采用一定的預(yù)報(bào)技術(shù)方法，計(jì)算以半小時(shí)為步長(zhǎng)的預(yù)報(bào)場(chǎng)，從而達(dá)到對(duì)強(qiáng)天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。這就對(duì)地面自動(dòng)站資料的前期處理提出了更高的要求, 由于地面自動(dòng)站資料時(shí)空密度大，地形復(fù)雜，以往的常規(guī)資料處理手段已難以適應(yīng)高分辨率資料處理和解釋的需要。為此，針對(duì)原始資料的特點(diǎn)，這里探討了地面高時(shí)空分辨率資料處理中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題，處理結(jié)果也表明，處理的技術(shù)方法在前期資料處理中具有極其重要的作用，它直接影響了數(shù)據(jù)的可靠性和精度及后期預(yù)報(bào)產(chǎn)品的開發(fā)。前期資料處理流程圖如圖一

1.原始資料收集和入庫(kù)

1.1 資料收集

資料通過業(yè)務(wù)寬帶網(wǎng)和“9210”工程收集，省內(nèi)臺(tái)站自動(dòng)站和中尺度自動(dòng)站原始資料來源于省局FTP服務(wù)器。原則上，對(duì)于本地即可獲取的資料即可以就近原則獲取，無需下載。資料收集子系統(tǒng)具體由資料下載模塊實(shí)現(xiàn)。

資料下載模塊是系統(tǒng)中的一個(gè)FTP資料下載工具。對(duì)于省內(nèi)資料，首先通過查詢數(shù)據(jù)庫(kù)得到需要入庫(kù)站點(diǎn)列表，再排除本地已經(jīng)存在的文件，然后向FTP服務(wù)器請(qǐng)求下載。下載時(shí)做一些技術(shù)處理：首先判斷該文件在服務(wù)器存在與否，然后獲取文件的大小，只有符合規(guī)定的文件才下載到本地。殘缺資料（如中尺度資料規(guī)定227字節(jié)，而文件大小小于200字節(jié)）下載到本地后入庫(kù)時(shí)只能做無效舍棄，因此此程序特別注意了下載時(shí)就排除了此類文件，提高了工作效率。周邊省份數(shù)據(jù)是通過9210系統(tǒng)下發(fā)的打包資料，也可以看作本地資料，只要直接根據(jù)包中文件入庫(kù)即可，允許指定下載或直接讀取。

為避免程序FTP下載過程中會(huì)異常終止，在程序設(shè)計(jì)時(shí)還采用了兩項(xiàng)技術(shù)：一是由FTP服務(wù)器端控制下載進(jìn)程，以保證連接的穩(wěn)定性；二是采用多重異常處理控制，如“try…except”語(yǔ)句，保證程序的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。

本部分采用Delphi7結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)流量和下載效率是設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，而網(wǎng)絡(luò)通信過程中的軟件穩(wěn)定性和容錯(cuò)性十分重要。

1.2 質(zhì)量控制

為保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率，這里對(duì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)中異常的部分進(jìn)行質(zhì)量控制預(yù)處理，在第一時(shí)間排除掉異常資料，主要有野值處理、異常資料的處理、缺漏資料的處理等。判斷依據(jù)主要有自動(dòng)站規(guī)律性錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，以氣候資料為背景、以統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)為依據(jù)、結(jié)合空間檢驗(yàn)的綜合檢驗(yàn)方法，同要素前后時(shí)次的比較、同時(shí)次各要素的相互關(guān)系判斷等。

1.3 資料入庫(kù)

資料入庫(kù)由資料入庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)。對(duì)于省內(nèi)資料，首先獲取已經(jīng)入庫(kù)的站點(diǎn)列表，再搜索已下載的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)站點(diǎn)列表排除那些已經(jīng)入庫(kù)的站點(diǎn)，然后對(duì)未入庫(kù)資料進(jìn)行入庫(kù)；對(duì)于省外資料，先預(yù)處理報(bào)文，然后根據(jù)報(bào)文規(guī)定逐一入庫(kù)即可。

為提高資料處理效率，將資料入庫(kù)的有關(guān)信息保存在參數(shù)文件中，記錄入庫(kù)時(shí)間和各時(shí)次新入庫(kù)的站點(diǎn)數(shù)量，以此規(guī)定需要后續(xù)處理或免處理的時(shí)次，提供給要素分析處理系統(tǒng)，有效縮短了資料處理的時(shí)間。比如在某一時(shí)次的入庫(kù)時(shí)沒有新增資料，那么后續(xù)運(yùn)行的要素分析處理將跳過這一時(shí)次，而不再重新整理。

為排除部分異常數(shù)據(jù)，外置了參數(shù)文件，對(duì)資料的有效范圍作出規(guī)定及排除。

本部分主要涉及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的操作效率、數(shù)據(jù)庫(kù)兼容性、異常資料的初級(jí)排除是其中的要點(diǎn)。

2.前期資料分析處理

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是基于細(xì)網(wǎng)格的，而基本數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是分散的，必須對(duì)基本的自動(dòng)站資料進(jìn)行提取加工，分析得到一些特征量，方能保證系統(tǒng)后續(xù)一系列工作的進(jìn)行，這里包括站點(diǎn)資料的獲取、細(xì)網(wǎng)格差分、再對(duì)網(wǎng)格化資料進(jìn)行物理量計(jì)算分析，特別是差分方法的選取尤其重要。

2.1 獲取初始站點(diǎn)資料

利用省局自動(dòng)站資料數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)類型為MS SQL Server或Oracle遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，與服務(wù)器連接采用ADO方式連接，定時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢北緯25～33度、東經(jīng)116～124度區(qū)域內(nèi)及周邊3個(gè)經(jīng)緯度內(nèi)的所有站點(diǎn)的實(shí)況資料，即離散點(diǎn)資料，目前包括溫度、最高溫度、最低溫度、1小時(shí)變溫、露點(diǎn)溫度、溫度露點(diǎn)差、總溫度、1小時(shí)變壓、3小時(shí)變壓、氣壓擾動(dòng)量、比濕、相對(duì)濕度、1小時(shí)降水量、3小時(shí)降水量、6小時(shí)降水量、1小時(shí)極大風(fēng)速等溫壓濕風(fēng)等氣象要素站點(diǎn)值。資料范圍：北緯25～33度、東經(jīng)116～124度區(qū)域內(nèi)所有自動(dòng)站，為插值需要，向外延伸了3個(gè)經(jīng)緯度，即北緯22～36度、東經(jīng)113～127度范圍區(qū)域。

2.2 自動(dòng)站資料的細(xì)網(wǎng)格差分

系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為0.05×0. 05度，預(yù)警單元信息網(wǎng)格0.1×0.1度。在北緯25～33度、東經(jīng)116～124度區(qū)域內(nèi)，建立0.05×0.05度的精細(xì)網(wǎng)格，每個(gè)預(yù)警單元含有九個(gè)格點(diǎn)。而我們獲得的第一手資料是不連續(xù)的站點(diǎn)資料，要實(shí)現(xiàn)細(xì)網(wǎng)格，就要通過空間差分，把不連續(xù)的轉(zhuǎn)化為連續(xù)的，從自動(dòng)站信息中提取特征量，經(jīng)過客觀分析和處理，所有信息全部差分到0.05×0.05經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)上，得到溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素場(chǎng)，并存入自動(dòng)站相關(guān)特征量數(shù)據(jù)庫(kù)。流場(chǎng)和比濕場(chǎng)資料為物理量的計(jì)算提供依據(jù)。

2.2.1 插值方法的選取

插值的方法有很多種，但由于地面資料的特殊性，經(jīng)過試驗(yàn)比較，自動(dòng)站資料網(wǎng)格化處理過程最終決定采用用于為數(shù)值試驗(yàn)準(zhǔn)備資料的資料預(yù)處理方法，就是將離散分布的測(cè)站數(shù)據(jù)站點(diǎn)資料利用加權(quán)平均內(nèi)插法插到范圍為116～124°E，25～33°N，分辨率為0.05×0.05°的區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)上（161×161）。

2.2.1.1 插值原理

其基本原理如下：對(duì)于某一格點(diǎn)，這里掃描半徑取0.5個(gè)經(jīng)緯度（該半徑可根據(jù)具體需要調(diào)整，太大太小都容易造成虛值產(chǎn)生）。若掃描區(qū)內(nèi)只有一個(gè)或兩個(gè)值，則不計(jì)算，否則按如下方法進(jìn)行處理：

其中，wi為權(quán)重，與距離成反比關(guān)系；ri為資料點(diǎn)到內(nèi)插點(diǎn)的距離；a為權(quán)重系數(shù)，已經(jīng)給出的是在非地面層上的數(shù)據(jù)，我們要研究的資料因?yàn)槭堑孛嬉?，?jīng)過測(cè)試取5.0較為合適；△xi為格點(diǎn)與資料點(diǎn)之間在x方向上的距離（km）；△yi為格點(diǎn)與資料點(diǎn)之間在y方向上的距離（km）；fi為加權(quán)平均內(nèi)插值；fi為該要素在第i個(gè)站點(diǎn)上的值。

2.2.1.2 掃描半徑

對(duì)于某一給定格距網(wǎng)格上的格點(diǎn)，掃描半徑可根據(jù)具體需要調(diào)整，太大容易造成虛值產(chǎn)生，太小又不能進(jìn)行正常插值計(jì)算。由于目前關(guān)心區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)密度基本為5～15km一個(gè)站點(diǎn)，為保證進(jìn)行插值，掃描半徑內(nèi)必須有三個(gè)站點(diǎn)以上，因此這里取0.5個(gè)經(jīng)緯度，經(jīng)過驗(yàn)證，效果較好。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)思路

為保證數(shù)據(jù)處理的計(jì)算速度，插值部分采用數(shù)值計(jì)算方面比較具有優(yōu)越性的fortran語(yǔ)言編程，插值區(qū)域25°～33°N、116°～124°E，網(wǎng)格大小為0.05°×0. 05°。實(shí)現(xiàn)的思路如下：

第一步：讀取站點(diǎn)資料到各要素一維變量T0、TH、R1……等

站點(diǎn)資料文件格式如下：

年月日 時(shí) 站點(diǎn)數(shù)

緯度 經(jīng)度 溫度 最高溫度 最低溫度…… V方向分量

以后依次排列各站點(diǎn)所有要素值

舉例如下：

……

第二步：對(duì)各要素站點(diǎn)值進(jìn)行插值Call mkgrd（Lat，Lon，NC，T0，T0gd）

所有的插值只需調(diào)用子例行程序mkgrd即可，輸入站點(diǎn)資料，輸出格點(diǎn)資料：

首先排除缺測(cè)的站點(diǎn)，表現(xiàn)為-9999.，只對(duì)有效的站點(diǎn)進(jìn)行插值，提高效率。對(duì)于參與插值的站點(diǎn)資料少于三個(gè)的，不進(jìn)行插值，所有格點(diǎn)值設(shè)為-9999.。

由于項(xiàng)目要求保留極值，為了保證極值的完整性，這里對(duì)所有的站點(diǎn)資料采用最近距離法移位到網(wǎng)格各點(diǎn)里面最近的格點(diǎn)上，代替此點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.3 對(duì)細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行中尺度物理量分析

在日常的預(yù)報(bào)工作中，比濕、水汽通量、水汽通量散度、渦度、散度等物理量在預(yù)報(bào)重大天氣過程中有較高的參考價(jià)值，因此，這里也利用上面計(jì)算得到的161*161網(wǎng)格的基本要素網(wǎng)格點(diǎn)資料計(jì)算這些物理量，進(jìn)行中尺度分析，產(chǎn)生中低壓、中高壓、散度、渦度、流場(chǎng)、水汽通量、水汽通量散度場(chǎng)等的網(wǎng)格化資料，只是在分析時(shí)縮小等值線間距，以發(fā)現(xiàn)中小尺度系統(tǒng)的存在。針對(duì)地面特征以及所研究天氣系統(tǒng)的尺度，中尺度分析引入了總溫度能量場(chǎng)、氣壓擾動(dòng)量。在做物理量計(jì)算時(shí)，能夠直接由站點(diǎn)資料計(jì)算得到的物理量均計(jì)算出站點(diǎn)物理量再進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格化，其他物理量利用細(xì)網(wǎng)格化后資料直接計(jì)算所得。

①溫度場(chǎng)分析：分析溫度場(chǎng)和變溫，揭示高溫舌、局地迅速增溫區(qū)。

②氣壓場(chǎng)分析：用0.5或1 hpa間隔繪制海平面氣壓等壓線，可確定中尺度系統(tǒng)的位置、性質(zhì)及變化，氣壓場(chǎng)較弱時(shí)，配合分析變壓ΔP1、ΔP3。氣壓擾動(dòng)量計(jì)算，用3小時(shí)逐時(shí)氣壓加以平滑，可得“未受擾動(dòng)氣壓”，與實(shí)際氣壓之差即為氣壓擾動(dòng)量，可發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)周期為1～2小時(shí)的中小尺度系統(tǒng)。

③水汽場(chǎng)分析：水汽通量與流（風(fēng)）場(chǎng)結(jié)合，了解水汽是如何進(jìn)入或離開分析區(qū)，可跟蹤水汽的來源與輸送情況，注重分析水汽通量梯度和上游水汽通量中心的配置及水汽通量散度輻合中心。

④風(fēng)、散度、渦度場(chǎng)分析：分析中尺度輻合線、渦旋輻合區(qū)，結(jié)合散度、渦度場(chǎng)，分析地面影響系統(tǒng)及變化。

⑤總溫度能量場(chǎng)分析：強(qiáng)烈天氣過程總是存在著能量的積累和釋放，這里增加了總能量場(chǎng)的計(jì)算。運(yùn)用T，Z，Q計(jì)算總溫度值，由于總溫度綜合表示了溫度、氣壓、水汽各要素，分析總溫度能量場(chǎng)又可彌補(bǔ)分析溫度場(chǎng)受地形影響較大的不足，有利于了解氣團(tuán)屬性的演變，與風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)配合，將指示未來不穩(wěn)定區(qū)的形成和加強(qiáng)。

總溫度：TT=T+9.8Z+2.5q，插值后得到總溫度場(chǎng)的分布。

⑥降水量場(chǎng)分析：定義1小時(shí)降水量≥10mm等雨量線閉合區(qū)域表征中尺度雨團(tuán)，逐時(shí)演變分析雨團(tuán)的范圍、移動(dòng)及強(qiáng)度變化。

由于地形差異較大，地面風(fēng)場(chǎng)較亂，散度、渦度場(chǎng)、流場(chǎng)以及水汽通量、水汽通量散度場(chǎng)等物理量場(chǎng)的分布較亂，并不能反映中小尺度天氣系統(tǒng)的真正狀態(tài)，不能作為指標(biāo)，只能作為參考。對(duì)于地面要素，總溫度能量場(chǎng)的引入綜合表示了溫度、氣壓、水汽各要素，分析總溫度能量場(chǎng)又可彌補(bǔ)分析溫度場(chǎng)受地形影響較大的不足，有利于了解氣團(tuán)屬性的演變，與風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)配合，將指示未來不穩(wěn)定區(qū)的形成和加強(qiáng)，是最具有指示意義的特征量。

以上基本要素的客觀分析及物理量場(chǎng)的計(jì)算由物理量分析模塊實(shí)現(xiàn)，對(duì)于渦度、散度、水汽通量、水汽通量散度等由地面流場(chǎng)和比濕場(chǎng)計(jì)算所得，其他物理量場(chǎng)直接由離散點(diǎn)資料差分得到，這些物理量為強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供了最基本的資料，也為計(jì)算以半小時(shí)為步長(zhǎng)的細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供了初始場(chǎng)。

2.4 細(xì)網(wǎng)格資料上傳入庫(kù)

差分后所得細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)及計(jì)算所得物理量數(shù)據(jù)全部根據(jù)要求上傳到省局細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)，供自動(dòng)站子系統(tǒng)及其他各子系統(tǒng)調(diào)用，目前數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1小時(shí)一次，以后可根據(jù)需要，加密到半小時(shí)或者10分鐘一次。

3.小結(jié)

（1）對(duì)自動(dòng)站資料的質(zhì)量控制預(yù)處理包括野值處理、異常資料的處理、缺漏資料的處理等，基本可以排除掉所有的不正常資料，但對(duì)于用現(xiàn)有方法無法判斷的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，只得力求觀測(cè)儀器運(yùn)行的正常，以保證資料的正確性。

（2）對(duì)于地面上離散點(diǎn)資料的細(xì)網(wǎng)格差分采用了常用于為數(shù)值試驗(yàn)準(zhǔn)備資料的資料預(yù)處理方法加權(quán)平均內(nèi)插法，掃描半徑取該半徑可根據(jù)具體需要調(diào)整，太大太小都容易造成虛值產(chǎn)生，經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)整，這里采用0.5個(gè)經(jīng)緯度，這也是與地面站點(diǎn)的分布以及所研究天氣系統(tǒng)的尺度有密切關(guān)系的，插值后得到的數(shù)據(jù)較為合理。隨著中尺度自動(dòng)站點(diǎn)的加密，這個(gè)半徑還需調(diào)整。

（3）由于地形的復(fù)雜性，在地面層上所做的散度、渦度場(chǎng)、流場(chǎng)以及水汽通量、水汽通量散度場(chǎng)等物理量場(chǎng)的分析并不能反映中小尺度天氣系統(tǒng)的真正狀態(tài)，會(huì)造成許多假象，只有在排除了地形影響后，才能作為預(yù)警指標(biāo)，在目前情況下，只能作為預(yù)報(bào)的一個(gè)參考。氣壓場(chǎng)和總溫度能量場(chǎng)的分析對(duì)于地面層較為有效，尤其當(dāng)氣壓場(chǎng)較弱時(shí)引進(jìn)的氣壓擾動(dòng)量，可發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)周期為1～2小時(shí)的中小尺度系統(tǒng)?？倻囟饶芰繄?chǎng)的引入綜合表示了溫度、氣壓、水汽各要素，分析總溫度能量場(chǎng)又可彌補(bǔ)分析溫度場(chǎng)受地形影響較大的不足，有利于了解氣團(tuán)屬性的演變，與風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)配合，將指示未來不穩(wěn)定區(qū)的形成和加強(qiáng)，是最具有指示意義的特征量。但地面有效特征量偏少，今后還需提取更多有效特征量方能更好地作出后期預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.007