西漢和機場高速公路氣象站資料質(zhì)量評估

王　丹，高紅燕，馬　磊，黃少妮

(1.陜西省氣象服務中心，西安　710014；2.陜西省氣象臺，西安　710014)

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西漢和機場高速公路氣象站資料質(zhì)量評估

王丹1，高紅燕1，馬磊1，黃少妮2

(1.陜西省氣象服務中心，西安710014；2.陜西省氣象臺，西安710014)

摘要：從缺測、錯誤和可疑三個方面對2013年7月2日—2015年4月17日陜西省西漢和機場高速公路6個交通氣象站的風向、風速、降水、氣溫、地表溫度、相對濕度和能見度的逐小時資料進行質(zhì)量評估。結(jié)果表明：該套資料的完整性較好，沒有超過1個月以上的重度連續(xù)型缺測，各氣象要素(不包括降水)資料的最高缺測率約為17%，最低缺測率約為2%；1 h降水量的缺測率約為0.2%，明顯低于其它氣象要素。該套資料的錯誤和可疑數(shù)據(jù)少，具有一定的準確性和可靠性，比較而言，相對濕度的錯誤和可疑數(shù)據(jù)最多，地表溫度次之，風向、風速沒有錯誤和可疑數(shù)據(jù)。

關鍵詞：高速公路；交通氣象站；逐小時資料；質(zhì)量評估；陜西

近年來，我國氣象部門通過與政府、交通部門合作，在高速公路沿線建立自動氣象監(jiān)測站[1]，實時采集氣象資料，為開展公路氣象災害實時監(jiān)測和預報方法研究奠定了基礎。為了使氣象站資料得到廣泛、深入的應用，必須對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估[2-6]。2013年7月，陜西省氣象局在西漢和機場高速公路各建成3個交通氣象站，可以對氣溫、降水、風向、風速、相對濕度、能見度、地面溫度等氣象要素進行逐小時觀測，填補了陜西省高速公路專業(yè)交通氣象監(jiān)測空白。目前，關于西漢和機場高速公路6個交通氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析還未見報道，因此對2013年7月2日—2015年4月17日6個交通氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估，以便為交通氣象服務和科研工作者合理使用該套資料提供參考。

1資料與方法

1.1資料

所用資料有兩類，一類為2013年7月2日19時—2015年4月17日18時機場和西漢高速公路6個交通氣象站的風向、風速、降水、氣溫、地表溫度、相對濕度和能見度的逐小時資料(即本次質(zhì)量分析的研究對象)，共15 695組數(shù)據(jù)，6個交通氣象站的名稱、位置和海拔高度信息見表1。另一類為6個交通氣象站50 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)級氣象站1976年1月1日—2006年12月30日日最高(低)氣溫、日最高(低)地表溫度、日最大風速的逐日資料和2010年1月1日—2014年12月31日氣溫、地表溫度、相對濕度、降水量的逐小時資料。

1.2方法

參考文獻[2-3]的質(zhì)量評估方法，從缺測、錯誤和可疑三個方面對西漢和機場高速公路6個交通氣象站監(jiān)測資料的完整性、準確性和可靠性進行評估。缺測數(shù)據(jù)的檢查，根據(jù)連續(xù)缺測值的數(shù)量(C)，將缺測數(shù)據(jù)類型分為離散型(C<2)、輕度離散型(2≤C≤24)、中度離散型(24720)4類。錯誤和可疑數(shù)據(jù)的檢查包括氣候極值檢查、時間一致性檢查、空間一致性檢查[7]和內(nèi)部一致性檢查。

表1　機場和西漢高速公路6個交通氣象站信息

氣候極值檢查是基于氣候極端事件發(fā)生的可能性，將超過閾值的監(jiān)測數(shù)據(jù)定義為可疑數(shù)據(jù)。氣溫、地表溫度、風速和1 h降水量的閾值通過對6個交通氣象站50 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)級氣象站歷史資料的氣候極值統(tǒng)計確定，相對濕度、風向、能見度的閾值參考資料處理的普適標準和高速公路交通氣象站測量范圍標準確定(表2)。

表2　各氣象要素逐季氣候閾值統(tǒng)計表

時間一致性檢查只對氣溫、地表溫度、相對濕度和能見度做分析。氣溫和地表溫度在連續(xù)6~11個(12個以上)非缺測數(shù)據(jù)保持定值或者在相鄰兩小時變化大于8 ℃(變化大于8 ℃且反位相變化)時定義為可疑(錯誤)數(shù)據(jù)。相對濕度在連續(xù)24~47個(48個以上)非缺測數(shù)據(jù)保持定值或者在相鄰兩小時變化大于50%(大于50%且反位相變化)時定義為可疑(錯誤)數(shù)據(jù)。能見度在連續(xù)6個以上非缺測數(shù)據(jù)保持低值(能見度小于1 km)狀態(tài)時定義為可疑數(shù)據(jù)。

為了進一步判斷可疑數(shù)據(jù)的正確與否，對可疑數(shù)據(jù)進行空間和內(nèi)部一致性檢查?？臻g一致性檢查針對氣溫、地表溫度和相對濕度，利用交通氣象站50 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)級氣象站的監(jiān)測資料，通過距離平方反比空間插值方法，計算被檢測數(shù)據(jù)的估計值，比較被檢測數(shù)據(jù)與估計值的差值，氣溫和地表溫度的閾值為3 ℃[2]，相對濕度的閾值為20 %[3]，差值的絕對值大于閾值則判定為錯誤數(shù)據(jù)，否則為正確數(shù)據(jù)。內(nèi)部一致性檢查是檢查能見度與相對濕度、風速、降水等氣象要素的一致性[8]。對于能見度的可疑數(shù)據(jù)，參考文獻[9-11]能見度與相對濕度、風速和降雨強度的統(tǒng)計分析結(jié)果，定義當相對濕度在80%以上、最大風速小于4.8 m/s，或者1 h降水量在5 mm以上時，判定為正確數(shù)據(jù)，否則為錯誤數(shù)據(jù)。

2結(jié)果分析

2.1缺測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

從缺測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果(表3)來看，機場和西漢高速公路6個交通氣象站的風向、風速、降水、氣溫、地表溫度、相對濕度和能見度逐小時資料的完整性較好，各交通氣象站缺測數(shù)據(jù)的離散型缺測均小于30次，較其它缺測類型略偏多，輕度和中度連續(xù)型缺測較少，沒有重度連續(xù)型缺測。與其它氣象要素相比，1 h降水量的資料完整性最好，缺測數(shù)據(jù)只有離散型和輕度連續(xù)型兩類，數(shù)據(jù)缺測率約為0.2%。比較而言，戶縣安檢站的數(shù)據(jù)完整性較差，各氣象要素(不包括降水)的中度連續(xù)型缺測為21次，數(shù)據(jù)缺測率約為17%，其次為寧陜站，各氣象要素(不包括降水)的輕度和中度連續(xù)型缺測分別為17次和14次，缺測率約為10%。秦嶺隧道站的數(shù)據(jù)完整性較好，各氣象要素(不包括降水)的中度連續(xù)型缺測僅1次，數(shù)據(jù)缺測率約為2%。

表3　機場和西漢高速公路各站缺測類型統(tǒng)計　次

2.2可疑數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

從可疑數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果(表4)來看，相對濕度的可疑數(shù)據(jù)多于其它氣象要素，并且，機場收費站的相對濕度可疑數(shù)據(jù)最多，有423個，約占有效監(jiān)測數(shù)據(jù)的3%。氣溫、能見度和1 h降水量的可疑數(shù)據(jù)較少，其中，1 h降水量的可疑數(shù)據(jù)僅1個，風速、風向無可疑數(shù)據(jù)。整體上講，6個交通氣象站監(jiān)測資料的可疑數(shù)據(jù)比例小，數(shù)據(jù)可靠性好。通過空間和內(nèi)部一致性檢查對可疑數(shù)據(jù)做進一步判斷，相對濕度、地表溫度、氣溫、能見度和1 h降水量的可疑數(shù)據(jù)判斷為錯誤數(shù)據(jù)的比例分別為68%、50%、59%、41%和100%。

表4　機場和西漢高速公路各站可疑數(shù)據(jù)統(tǒng)計　個

注： “—”表示無可疑數(shù)據(jù)；風向、風速均無可疑數(shù)據(jù)。

2.3錯誤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

從錯誤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果(表5)來看，相對濕度的錯誤數(shù)據(jù)最多，其次是地表溫度，氣溫、能見度和降水的錯誤數(shù)據(jù)較少，風向、風速無錯誤數(shù)據(jù)。機場高速公路3個交通氣象站的相對濕度錯誤數(shù)據(jù)多于西漢高速公路3個交通氣象站，其中，機場收費站的相對濕度錯誤數(shù)據(jù)最多，有316個，錯誤率約為2%。漢城收費站和秦嶺隧道站地表溫度的錯誤數(shù)據(jù)較多，分別為54和66個，錯誤率分別約為0.3%和0.4%。整體上講，6個交通氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)的錯誤率小，數(shù)據(jù)準確性較好。

表5　機場和西漢高速公路各站錯誤數(shù)據(jù)統(tǒng)計　個

注： “—”表示無錯誤數(shù)據(jù)；風向/風速均無錯誤數(shù)據(jù)。

3結(jié)論

(1)6個交通氣象站監(jiān)測資料沒有超過1個月以上的重度連續(xù)型缺測，1 h降水量的數(shù)據(jù)缺測率明顯小于與其它氣象要素，約為0.2%。比較而言，戶縣安檢站的數(shù)據(jù)缺測率較高，約為17%；秦嶺隧道站的數(shù)據(jù)缺測率較低，約為2%。

(2)6個交通氣象站監(jiān)測資料的可疑數(shù)據(jù)較少，其中，機場收費站的相對濕度可疑數(shù)據(jù)最多，約占有效監(jiān)測數(shù)據(jù)的3%。另外，相對濕度、地表溫度、氣溫、能見度和1 h降水量的可疑數(shù)據(jù)判斷為錯誤數(shù)據(jù)的比例分別為68%、50%、59%、41%和100%。

(3)6個交通氣象站監(jiān)測資料的錯誤數(shù)據(jù)較少，比較而言，相對濕度的錯誤數(shù)據(jù)最多，地表溫度次之，風向、風速沒有錯誤數(shù)據(jù)。

(4)整體上講，該套資料的完整性較好，具有一定的準確性和可靠性，可以用于交通氣象服務和科研工作。為了提高該套資料的數(shù)據(jù)質(zhì)量，建議用戶使用前對原始數(shù)據(jù)進行訂正，例如，將跳躍型的錯誤數(shù)據(jù)替換為該數(shù)據(jù)前后相鄰時刻觀測值的平均值，通過距離平方反比空間插值方法將相鄰區(qū)(縣)氣象站資料插值到缺測交通氣象站上等。

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基金項目：國家自然科學基金項目(41075025)，江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)

作者簡介：包佳渺(1986—)，男，漢族，江蘇無錫人，在讀碩士研究生，工程師，從事雷電過電壓防護技術與氣象預報研究。

收稿日期：2015-06-17

文章編號：1006-4354(2015)06-0022-04

中圖分類號：P416

文獻標識碼：A