自動(dòng)氣象站資料在海陸風(fēng)等局地環(huán)流研究中的應(yīng)用*

邱曉暖，范紹佳

(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510275 2.廣州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣東廣州 510030)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)基本上每隔5 km就有一個(gè)自動(dòng)氣象站，大量數(shù)據(jù)目前主要用于天氣預(yù)報(bào)分析或應(yīng)用于數(shù)值模擬［1－4］，研究低能見度事件和霾日判定等［5－7］，總的數(shù)據(jù)利用率不高，缺少比較系統(tǒng)的自動(dòng)氣象站資料分析處理方法。

海陸風(fēng)是沿海地區(qū)特有的由海陸熱力差異引起的局地環(huán)流。文獻(xiàn)［8－9］使用自動(dòng)氣象站資料研究海陸風(fēng)，吳兌等［10］提出根據(jù)自動(dòng)氣象站資料，計(jì)算“風(fēng)矢量和”來研究珠江三角洲區(qū)域擴(kuò)散條件。發(fā)展建立一種有效使用自動(dòng)氣象站資料的方法，研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流的特征，有重要應(yīng)用意義。

華南是我國(guó)海陸風(fēng)出現(xiàn)頻率較高地區(qū)［11－20］，珠江三角洲沿海海陸風(fēng)頻率達(dá)25%～35%，最強(qiáng)海風(fēng)出現(xiàn)在珠江喇叭口頸部［21－23］。珠江三角洲地區(qū)機(jī)場(chǎng)密集、航空管制嚴(yán)，難于實(shí)施野外放球的海陸風(fēng)觀測(cè)研究。利用珠江口西側(cè)廣州市南沙4個(gè)自動(dòng)氣象站2001－2008逐時(shí)風(fēng)向風(fēng)速資料，本文建立了一套自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法、海陸風(fēng)等局地環(huán)流的分離與判定技術(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，取得良好的效果。

1 自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)有效性判別與處理篩選方法

準(zhǔn) 差 (σ)， 小 時(shí) 風(fēng) 速 數(shù) 值 在(U－3σ，U+3σ)范圍外的，可認(rèn)為出現(xiàn)該時(shí)次的數(shù)據(jù)是小概率事件，是異常值，應(yīng)舍去。③數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判斷:剔除上述可判斷的故障值和異常值后，再考察數(shù)據(jù)的規(guī)律性，數(shù)據(jù)變化是否滿足氣象一般規(guī)律，去除不具氣象意義的數(shù)據(jù)。

下面以位于珠江口西側(cè)的廣州市南沙區(qū)圍墾公司站、南沙中學(xué)站、橫瀝水利會(huì)站、黃閣鎮(zhèn)政府站4個(gè)自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速資料為例，介紹自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選過程。其中圍墾公司站為2001－2008年逐時(shí)數(shù)據(jù)，其余3站為2007－2008年逐時(shí)數(shù)據(jù)。

首先利用①和②的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)有效性判別方法，過濾得到新的有效數(shù)組，計(jì)算得出數(shù)據(jù)的有效率。使用“3σ準(zhǔn)則”對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾后，對(duì)比過濾前后的風(fēng)速分布并無明顯差別，過濾掉的數(shù)據(jù)都為風(fēng)速相對(duì)較大的數(shù)據(jù)，但數(shù)目很少，對(duì)于總體風(fēng)速分布影響不大。然后對(duì)數(shù)據(jù)的總體情況進(jìn)行考察。

由圖1可知，2001－2008年圍墾公司站平均靜風(fēng)頻率為14.9%，靜風(fēng)頻率差異較大，為0.8%～39.3%，其他各風(fēng)向在各年分布情況比較一致，SE-S所占比例最高，NNW-NE次之，SW-WNW出現(xiàn)的概率則很小。各年各風(fēng)向分布情況的一致性說明數(shù)據(jù)的整體有效性、正確性較高，同時(shí)也說明2001－2008年該地區(qū)氣候狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒有大

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)由儀器自動(dòng)采集發(fā)送，由于儀器故障、維護(hù)等原因，原始數(shù)據(jù)可能存在部分錯(cuò)誤值，因此，使用數(shù)據(jù)前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。為確保自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)有效，根據(jù)自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)滿足的一般規(guī)律，可采取下述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選:① 風(fēng)向數(shù)據(jù)有效性:風(fēng)向數(shù)值是具體到1°的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)中連續(xù)3個(gè)或以上時(shí)次風(fēng)向角度不變，可認(rèn)為該時(shí)間段儀器出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)不可靠，應(yīng)舍去。②風(fēng)速數(shù)據(jù)有效性－“3σ準(zhǔn)則”:一般風(fēng)速數(shù)據(jù)為偏態(tài)分布，為最大限度保留數(shù)據(jù)的完整，考慮以月為基本數(shù)據(jù)集，由逐時(shí)風(fēng)速計(jì)算得到月平均風(fēng)速 (U)和標(biāo)的異常情況出現(xiàn)。

圖1 圍墾公司站各年各風(fēng)向頻率Fig.1 Frequency of annual wind direction in Weiken Company Staion

同樣方法分析2007、2008年黃閣鎮(zhèn)政府站、橫瀝水利會(huì)站、南沙中學(xué)站和圍墾公司站風(fēng)向頻率發(fā)現(xiàn):2007年黃閣鎮(zhèn)政府站偏北風(fēng)頻率與其它站差異較大，2007和2008年南沙中學(xué)站、橫瀝水利會(huì)站偏南風(fēng)頻率與其它站差異較大。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，造成不同站點(diǎn)風(fēng)向頻率差異的原因是多方面的:2007和2008年南沙中學(xué)站的風(fēng)向分布情況與其它站差異較大，與南沙中學(xué)站7、8月的數(shù)據(jù)集中性缺值有關(guān);黃閣鎮(zhèn)政府站2007年1－6月W-S-E風(fēng)向在風(fēng)玫瑰圖中幾乎不出現(xiàn)，7月偏北風(fēng)亦明顯比偏南風(fēng)多，1－6月W-S-E風(fēng)向幾乎不出現(xiàn)很可能是由于儀器故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，7月偏北風(fēng)比偏南風(fēng)多，數(shù)據(jù)正確性也偏低;橫瀝水利會(huì)站2007和2008年SE-S風(fēng)向頻率分布規(guī)律較一致，SSW-SW在2008年9、10月出現(xiàn)異常高值。

綜上分析，圍墾公司站數(shù)據(jù)有效率高，正確率大，得到的結(jié)果是可信的;同時(shí)，該站數(shù)據(jù)一致性好，具有一定的代表性。而2007年黃閣鎮(zhèn)政府站，2008年橫瀝水利會(huì)站和2007－2008年南沙中學(xué)站均出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)異常的情況，數(shù)據(jù)正確率低。因此，選定圍墾公司站的數(shù)據(jù)作為代表進(jìn)行分析，并以南沙 (圍墾站)表示。

綜上所述，處理自動(dòng)氣象站的原始數(shù)據(jù)時(shí)，可依循以下步驟:①根據(jù)風(fēng)向數(shù)據(jù)有效性準(zhǔn)則，去掉風(fēng)向角度不變者;② 根據(jù)風(fēng)速“3σ準(zhǔn)則”，去掉風(fēng)速異常值;③考察站點(diǎn)本身及不同站點(diǎn)之間風(fēng)向差異性，去掉存在較大差異的數(shù)據(jù)，得到合理可用的數(shù)據(jù)。

2 海陸風(fēng)等局地環(huán)流分離與判定技術(shù)

研究表明，珠江口海陸風(fēng)頻率為25%～35%，夏季高于冬季［21－23］。在傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法中，文獻(xiàn) ［24－25］的方法較為適用于自動(dòng)氣象站資料的海陸風(fēng)分析。以南沙 (圍墾站)為例，參考于恩洪的方法，可定義南沙海風(fēng)為E-S，陸風(fēng)為W-N;陸風(fēng)盛行時(shí)段為1∶00－8∶00時(shí)，海風(fēng)盛行時(shí)段為14∶00－21∶00時(shí)，其他時(shí)間為海風(fēng)、陸風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)換時(shí)間;實(shí)測(cè)風(fēng)在海風(fēng)盛行時(shí)段海風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，在陸風(fēng)盛行時(shí)段陸風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，且風(fēng)速均小于10 m/s，則該天為海陸風(fēng)日。按照上述定義得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率，2001－2005年不超過5%，2006－2008年不超過10%。用傳統(tǒng)方法統(tǒng)計(jì)自動(dòng)氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)得到的海陸風(fēng)頻率，年出現(xiàn)頻率非常低，與已有的關(guān)于珠三角海陸風(fēng)的研究結(jié)果相差很大，結(jié)果不合理。因此，傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法不適用于自動(dòng)氣象站資料的局地環(huán)流分析，需要發(fā)展一套適用于自動(dòng)氣象站資料的局地環(huán)流分析方法。

2.1 系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的分離方法

為便于研究，把風(fēng)分為實(shí)測(cè)風(fēng)、系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)。自動(dòng)氣象站等測(cè)站所測(cè)的風(fēng)稱為實(shí)測(cè)風(fēng)，大范圍、大尺度的風(fēng)稱為系統(tǒng)風(fēng)，海陸風(fēng)等局地環(huán)流稱為局地風(fēng)，實(shí)測(cè)風(fēng)為系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的疊加。

將自動(dòng)氣象站每日逐時(shí)實(shí)測(cè)的風(fēng)矢量分解成u、v分量，分別取各時(shí)次u、v分量的平均得到日平均風(fēng)矢量的分量，合成得到日平均風(fēng)，為系統(tǒng)風(fēng)。

作實(shí)測(cè)風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)的矢量差，得到的風(fēng)矢量為去掉系統(tǒng)風(fēng)之后的局地風(fēng)。公式如下:

其中，UHO為每日第H個(gè)時(shí)次的實(shí)測(cè)風(fēng)矢量;UDS為每日系統(tǒng)風(fēng)矢量;UHL為每日第H個(gè)時(shí)次的局地風(fēng)矢量。

判斷海陸風(fēng)日，還需要考慮數(shù)據(jù)的有效性。一天中，有效的數(shù)據(jù)組數(shù)超過當(dāng)天應(yīng)有數(shù)據(jù)組數(shù)的2/3(即24 h至少有17 h的數(shù)據(jù))，定義為“有效天”。海陸風(fēng)日，必需為有效天。

2.2 風(fēng)向持續(xù)性統(tǒng)計(jì)法

海陸風(fēng)日的海陸風(fēng)持續(xù)性則是指海風(fēng) (陸風(fēng))開始到結(jié)束所用的時(shí)間。分析海陸風(fēng)的連續(xù)性及出現(xiàn)時(shí)間，需要將所有數(shù)據(jù)按時(shí)間順序作為一個(gè)有序的數(shù)據(jù)集，在該有序數(shù)據(jù)集中統(tǒng)計(jì)海風(fēng) (陸風(fēng))連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)及開始時(shí)間。

將自動(dòng)氣象站資料以年為數(shù)據(jù)集進(jìn)行海陸風(fēng)持續(xù)性統(tǒng)計(jì)，并以其結(jié)果作為判斷海風(fēng)、陸風(fēng)一般發(fā)生時(shí)間的依據(jù)。在這里需要區(qū)分一般發(fā)生時(shí)間和通常所講的盛行時(shí)間，一般發(fā)生時(shí)間是指海陸風(fēng)在所指時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生，盛行時(shí)間是指海陸風(fēng)在所指時(shí)間內(nèi)發(fā)生的頻率很高。

2.3 海陸風(fēng)日判定標(biāo)準(zhǔn)

有效天條件下，局地風(fēng)中海風(fēng)在海風(fēng)一般發(fā)生時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個(gè)及以上時(shí)次，陸風(fēng)在陸風(fēng)一般發(fā)生時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個(gè)及以上時(shí)次，則判定該天為海陸風(fēng)日。

2.4 海陸風(fēng)分離與判定技術(shù)的應(yīng)用

利用建立的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，分析得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)日頻率結(jié)果見圖2。

圖2 2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)日頻率Fig.2 Frequency of sea-land breeze days in Nansha(Weiken Station)during 2001 to 2008

從圖2可見，利用建立的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率，和目前關(guān)于珠三角海陸風(fēng)研究認(rèn)為珠江口海陸風(fēng)頻率25% ～35%相一致。

2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率季節(jié)變化研究結(jié)果 (圖略)，也和夏季高于冬季的一般結(jié)論相一致。

利用建立的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)結(jié)果符合一般性，結(jié)果是可信的。

上述自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、局地環(huán)流分離方法和判定方法，具有可程序化的特點(diǎn)，可以推廣到研究山谷風(fēng)、城市熱島環(huán)流等局地環(huán)流的特征。自動(dòng)氣象站資料是研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流比較理想的資料。

3 結(jié)論

1)自動(dòng)氣象站資料是研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流比較理想的資料。

2)利用自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法和局地環(huán)流分離與判定技術(shù)，得到珠江口西側(cè)廣州市南沙區(qū)海陸風(fēng)的分析結(jié)果符合一般規(guī)律，結(jié)果是可信的。該方法能有效地利用自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)對(duì)海陸風(fēng)等局地環(huán)流進(jìn)行研究。

3)通過從實(shí)測(cè)風(fēng)中分離出系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)，得到局地風(fēng)的分離與判定技術(shù)，可用于自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的局地環(huán)流研究，有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］陶士偉，仲躋芹，徐枝芳，等.地面自動(dòng)站資料質(zhì)量控制方案及應(yīng)用［J］.高原氣象，2009，28(5):1202－1209.

［2］邵建，胡文東，賈宏元，等.西北六省區(qū)域自動(dòng)氣象站資料處理及MICAPS應(yīng)用研究［J］.陜西氣象，2010(5):10－14.

［3］雷衛(wèi)延，譚鑒榮，伍光勝，等.自動(dòng)站資料統(tǒng)計(jì)軟件在亞運(yùn)會(huì)氣象預(yù)報(bào)的應(yīng)用［J］.廣東氣象，2010，32(4):62－63.

［4］楊靜，杜小玲.自動(dòng)站資料在天氣預(yù)警中的應(yīng)用［J］.貴州氣象，2005，29(2):28－29.

［5］陳靜，吳兌，劉啟漢.廣州地區(qū)低能見度事件變化特征分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2010，26(2):156－164.

［6］趙普生，張小玲，徐曉峰.利用日均及14時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行霾日判定的比較分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4):704－708.

［7］張立杰，李磊，江崟，等.基于自動(dòng)站觀測(cè)資料的深圳城市熱島研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2011，16(4):479－486.

［8］PRTENJAK M T，GRISOGONO B.Sea/land breeze climatological characteristics along the northern Croatian Adriatic Coast［J］.Theoretical and Applied Climatology，2007，90(3):201－215.

［9］AZORIN-MOLINA C，CHEN D.A climatological study of the influence of synoptic-scale flows on sea breeze evolution in the bay of Alicante(Spain)［J］.Theoretical and Applied Climatology，2009，96(3):249－260.

［10］吳兌，廖國(guó)蓮，鄧雪嬌，等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19(1):1－9.

［11］張立鳳，張銘，林宏源.珠江口地區(qū)海陸風(fēng)系的研究［J］.大氣科學(xué)，1999(5):581－589.

［12］朱乾根，周軍，王志明，等.華南沿海五月份海陸風(fēng)溫壓場(chǎng)特征與降水［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，1983(2):150－158.

［13］徐金輝，郭綿釗，梁漢民.廣東沿海地區(qū)海陸風(fēng)特征及其分布規(guī)律［J］.氣象科學(xué)，1992(2):188－199.

［14］吳兌，陳位超，游積平.海口地區(qū)近地層流場(chǎng)與海陸風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1995(4):306－314.

［15］LIN W，WANG A，WU C，et al.A case modeling of sea-land breeze in macao and its neighborhood［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2001，18(6):1231 －1240.

［16］LIU H，CHAN J C L.An investigation of air-pollutant patterns under sea-land breezes during a severe air-pollution episode in Hong Kong［J］.Atmospheric Environment，2002，36(4):591 －601.

［17］DING A J，WANG T，ZHAO M，et al.Simulation of sea-land breeze and a discussion of their implications on the transport of air pollution during a multi-day ozone episode in the Pearl River Delta of China［J］.Atmospheric Environment，2004，38:6737 －6750.

［18］陳訓(xùn)來，馮業(yè)榮，范紹佳，等.離岸型背景風(fēng)和海陸風(fēng)對(duì)珠江三角洲地區(qū)灰霾天氣的影響［J］.大氣科學(xué)，2008(3):530－542.

［19］李明華，范紹佳，王寶民，等.2004年10月珠江口西岸海陸風(fēng)特征觀測(cè)研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007(2):123－125.

［20］李明華，范紹佳，王寶民，等.秋季珠江口地區(qū)海風(fēng)對(duì)城市群空氣污染的影響［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，47(4):114－121.

［21］黃志興，劉嘉玲.伶仃洋海陸風(fēng)觀測(cè)的初步結(jié)果［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，1985(3):21－29.

［22］吳祖常，董保群，任陣海，等.內(nèi)伶仃島及其附近海面低層大氣的平均結(jié)構(gòu)［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1991(2):162－169.

［23］高紹鳳，楊兆禮.珠江三角洲初夏海陸風(fēng)特征［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢，1993(1):87－92.

［24］于恩洪，陳彬，白玉榮.渤海灣西部海陸風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)［J］.氣象學(xué)報(bào)，1987(3):379－381.

［25］陳彬，于恩洪.渤海灣西部海陸風(fēng)的天氣氣候特征［J］.海洋通報(bào)，1989(1):23－29.