雷達監(jiān)測在海南自動站降水質(zhì)控中的應用方法初探

朱文婷++姜小云++吳俞

摘 要：利用海口雷達定量估測降水的格點數(shù)據(jù)與海南島自動站實際觀測到的降水數(shù)據(jù)的比值構(gòu)建了折算系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其折算系數(shù)服從正態(tài)分布。以折算系數(shù)的多倍標準差質(zhì)控空間為檢驗實況觀測降水的可信程度，結(jié)果表明，雷達定量估測降水對自動站實際觀測降水有良好的質(zhì)控效果，尤其適用于熱帶地區(qū)局地強降水的質(zhì)量檢驗。

關鍵詞：自動站；雷達估測降水；折算系數(shù)；質(zhì)控區(qū)間

中圖分類號：P458.1+21 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.134

根據(jù)氣象現(xiàn)代化觀測體系建設的需要，近10年來，海南省部署、建設了大量的區(qū)域自動氣象站。這些測站分布在海南島和所轄海域的島礁上，形成了密度較高的區(qū)域觀測自動站網(wǎng)。研究表明，高密度雨量計組網(wǎng)可以降低降雨測量時間和空間上的不確定性。在強降水預報、中小河流域山洪和地質(zhì)災害風險評估等中，這些區(qū)域自動氣象站觀測到的降水數(shù)據(jù)都得到了廣泛的應用。由于儀器故障、異物誤入、維護程度等原因，區(qū)域自動站的降水量時而會出現(xiàn)疑誤值，因此，需要對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。

海南島地處低緯熱帶地區(qū)，對流性降水頻繁，尤其在夏季，陣性降雨量大，持續(xù)時間短，降水區(qū)域小。由于降水的復雜性，利用常規(guī)的格式檢查、極值檢查、空間一致性檢查等方法對其進行質(zhì)量控制效果有限，因此本文嘗試對比分析雷達小時估測降水與自動測站降水，檢驗自動站降水的可信度。

1 資料與方法

1.1 資料

所用數(shù)據(jù)為?？诶走_小時估測降水數(shù)據(jù)和海南島390個自動站降水數(shù)據(jù)。雷達小時估測降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)分辨率為2 km，海南島自動站平均覆蓋密度為6～7 km。

1.2 方法

以自動測站的經(jīng)緯度為中心點，以固定的半徑畫圓周，計算落在該圓周內(nèi)所有雷達小時估測降水網(wǎng)格點的算術平均值，即得到該站的雷達估測小時降水量P：

. （1）

式（1）中：Gi為落入計算半徑圓周內(nèi)的第i個格點值。

雷達小時估測降水數(shù)據(jù)的分辨率是2 km，所以計算半徑應為2 km或2 km的倍數(shù)?？紤]到海南島自動站的平均覆蓋密度為6～7 km，因此圓周的直徑應小于6 km，計算半徑為2 km。以自動站實測小時降水量為數(shù)據(jù)序列A，以同一時次的雷達估測的小時降水量為數(shù)據(jù)序列B，分別計算各站的折算系數(shù)di，得到數(shù)據(jù)序列C.折算系數(shù)di為：

di=Pi﹡/Pi. （2）

式（2）中：Pi﹡為第i個自動站雷達估測降水量；Pi為第i個自動站實測降水量。

以2015-07-11—20自動站實測降水數(shù)據(jù)和雷達1 h降水數(shù)據(jù)為例，分析A，B和C三組數(shù)據(jù)序列，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列C整體上較好地服從正態(tài)分布。用公式（3）計算數(shù)據(jù)序列C的標準差S，并以3倍標準差劃分質(zhì)控區(qū)間，系數(shù)di落在區(qū)間[-3S，+3S]為正常數(shù)據(jù)，落在區(qū)間外的為疑誤數(shù)據(jù)。序列C的標準差S為：

. （3）

式（3）中：S為樣本標準差；N為總自動站數(shù)，是di的平均值。

2 檢驗結(jié)果與分析

以2015-07-18—19影響海南島的強降水過程為例，降水數(shù)據(jù)選取的時間段為2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00，選取的區(qū)域為海南省臨高縣轄區(qū)。臨高縣內(nèi)的自動站總個數(shù)N為20，其中發(fā)生降雨的有16個。根據(jù)公式（2）計算可得雷達估測降水折算系數(shù)d的平均值為1.2，由公式（3）可得標準差為0.18，則3倍標準差質(zhì)控區(qū)間為[0.66，1.74]，折算系數(shù)d的分布整體上接近正態(tài)分布。落在3倍標準差質(zhì)控區(qū)間[0.66，1.74]之外的視為可疑，小于0.3或大于2.1的基本可判定為錯誤。根據(jù)檢驗方法的統(tǒng)計結(jié)果，2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00臨高縣內(nèi)自動站小時降水可疑總站次為33次，其中判為錯誤的站次為2次。

在16個發(fā)生降水的自動站中，有15個站累計降水折算系數(shù)都落在3倍標準差質(zhì)控區(qū)間[0.66，1.74]內(nèi)，僅有M1701站遠低于平均值。M1701站位于臨高縣臨城鎮(zhèn)臨高角，處于海陸交界處，對于此類受局地天氣影響顯著的測站，傳統(tǒng)的一致性檢驗效果不佳。深入分析M1701站2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00的小時降水發(fā)現(xiàn)，主要的降水時段出現(xiàn)在2015-07-18T10：00—11：00，其中，11：00的降水量為101 mm，而該時段的雷達小時估測降水量僅為5.0 mm；10：00的降水量為26.9 mm，對應該時段的雷達小時估測降水量為3.0 mm。兩個時次的折算系數(shù)均遠遠小于3倍標準差質(zhì)控區(qū)間值，因此，降水的異常偏大極其不合理。后來據(jù)人工檢查發(fā)現(xiàn)，該時段確有異物落入雨量筒，導致測量出現(xiàn)異常。

3 討論

對于熱帶地區(qū)局地特征顯著的對流性降水過程而言，利用雷達定量降水估測對實況觀測降水進行質(zhì)控檢驗不同于業(yè)務中使用的傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法，如果能在業(yè)務中引進，可以彌補原有質(zhì)控方法的不足，特別是對儀器故障導致的降水異常偏大現(xiàn)象有較好的檢驗效果。

選取折算系數(shù)d的3倍和5倍標準差質(zhì)控區(qū)間作為判定觀測數(shù)據(jù)是否存疑或錯誤的依據(jù)主要是基于經(jīng)驗。臨界值的界定仍需要時間更長、涵蓋空間更廣的樣本數(shù)進行回歸統(tǒng)計，才能接近合理值域。

2015-07-18—19影響海南島的強降水主要為急流降水，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，因此過程雷達估測降水與自動站實測降水的擬合率較好。至于其他類型降水，比如臺風，夏季熱對流降水的擬合率尚未明了。因此，未來需要加強對不同類型降水的檢驗，以修正該方法的不足。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕