一次寒潮冰凍天氣自動(dòng)站維護(hù)和異常數(shù)據(jù)的處理

哈艷麗，黃本峰，袁海豹

(山東省煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003)

一次寒潮冰凍天氣自動(dòng)站維護(hù)和異常數(shù)據(jù)的處理

哈艷麗，黃本峰，袁海豹

(山東省煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003)

2016年2月12—14日，煙臺(tái)市出現(xiàn)寒潮、大風(fēng)、降溫、冰凍天氣，其中出現(xiàn)的雨轉(zhuǎn)雪天氣和急速降溫對(duì)當(dāng)?shù)夭糠终军c(diǎn)的風(fēng)和能見(jiàn)度等要素的觀測(cè)帶來(lái)了很大影響。該文從風(fēng)、能見(jiàn)度傳感裝置在設(shè)備維護(hù)，數(shù)據(jù)的記錄、極值及異常值的處理等方面進(jìn)行了分析，對(duì)提高數(shù)據(jù)的完整性和可用度以及設(shè)備的完善等方面給出了建議。

寒潮冰凍天氣；自動(dòng)站維護(hù)；異常數(shù)據(jù)處理

Abstract：A cold snap, with strong wind, cooling down and ice freezing, occurred in Yantai, on Feb.12 to 14, 2016. During the process, there were great influences on the measurement for wind and visibility using automatic weather station by the rain to snow weather and the rapid cooling down. In this study, based on the analysis on equipment maintenance, data recording, and extreme and abnormal value processing from the wind and visibility sensing devices, we gave some suggestions about the integrity and availability of measure data and the improvement of equipment.

Keywords：cold snap；maintenance for automatic weather station；processing on abnormal data

1 引言

低溫雨雪冰凍天氣往往會(huì)給氣象觀測(cè)帶來(lái)較大影響，若自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備未能采取預(yù)防措施，在低溫、靜風(fēng)條件下會(huì)經(jīng)常造成風(fēng)速風(fēng)向傳感器失靈，使氣象觀測(cè)記錄缺失。2008年1—2月我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生歷史罕見(jiàn)的低溫雨雪冰凍災(zāi)害, 對(duì)交通運(yùn)輸、能源供應(yīng)、電力傳輸、農(nóng)業(yè)及人民群眾生活造成了嚴(yán)重影響，同時(shí)地嚴(yán)重影響遍布各地的氣象觀測(cè)儀器，特別是測(cè)風(fēng)儀器，影響最為嚴(yán)重[1]。2016年2月12—14日，山東境內(nèi)出現(xiàn)一次強(qiáng)冷空氣過(guò)程，伴隨出現(xiàn)的大范圍降水、降溫、大風(fēng)天氣，對(duì)風(fēng)和能見(jiàn)度觀測(cè)也造成不同程度的影響，其中尤以煙臺(tái)市最重。本文針對(duì)煙臺(tái)市在此次天氣過(guò)程中，對(duì)氣象觀測(cè)所帶來(lái)的一系列情況進(jìn)行了分析。

2 整體影響情況

受寒潮天氣影響，2016年2月12日夜間開(kāi)始，煙臺(tái)市自西向東出現(xiàn)明顯降水天氣，13日凌晨到上午以雨為主，13日中午前后，陸續(xù)轉(zhuǎn)為降雪。13日20時(shí)，全市主要降雪結(jié)束，13日夜間—14日，除煙臺(tái)市區(qū)出現(xiàn)陣性降雪外，其他地區(qū)均無(wú)降水。截止14日16時(shí)降水結(jié)束，全市平均降水量為32.2 mm，最大出現(xiàn)在福山區(qū)，為43.2 mm。煙臺(tái)日降水量打破建站以來(lái)2月份單日降水量歷史紀(jì)錄。12日下午開(kāi)始，煙臺(tái)全市氣溫明顯下降，此次寒潮過(guò)程的最低氣溫出現(xiàn)在棲霞，為-8.3 ℃，其他各站氣溫均低于-4 ℃；海島站觀測(cè)到的海面最大風(fēng)力為10級(jí)，陣風(fēng)11級(jí)，陸地觀測(cè)最大風(fēng)力為8級(jí)，陣風(fēng)10級(jí)，均出現(xiàn)在13日夜間。

此次天氣過(guò)程出現(xiàn)了降水、大風(fēng)、降溫、大霧等天氣，對(duì)部分自動(dòng)觀測(cè)儀器及記錄造成很大影響，其中13日降水從雨到雨夾雪再到雪，氣溫下降再結(jié)合當(dāng)時(shí)的降水形成凍結(jié)，造成自西向東先后有多個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和區(qū)域站出現(xiàn)風(fēng)傳感器凍結(jié)現(xiàn)象，最多時(shí)全市有72個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速自動(dòng)傳感器被凍結(jié)，占全部站點(diǎn)的39.6%(表1、圖1)，而強(qiáng)的降雪對(duì)部分臺(tái)站能見(jiàn)度觀測(cè)也造成了一定的影響。部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失給氣象極值的確定、數(shù)據(jù)的連續(xù)性、資料的應(yīng)用等都帶來(lái)很大的問(wèn)題。下面就此次復(fù)雜天氣過(guò)程的儀器維護(hù)及異常記錄處理應(yīng)對(duì)等進(jìn)行分析。

表1 煙臺(tái)轄區(qū)有人值守站(國(guó)家級(jí)自動(dòng)站)因寒潮冰凍天氣造成的影響Tab.1 Effects of cold wave and freezing weather on manned stations (national level automatic stations) in Yantai area

圖1 煙臺(tái)轄區(qū)自動(dòng)觀測(cè)站因風(fēng)傳感器凍結(jié)影響的站點(diǎn)數(shù)Fig.1 Number of stations affected by wind sensor freezing at automatic observation station in Yantai area

3 對(duì)風(fēng)傳感器的影響

目前煙臺(tái)轄區(qū)風(fēng)向風(fēng)速傳感器主要有兩種型號(hào)：一種是無(wú)錫的ZQZ-TF、一種是天津的EL15-2D(1A)。這兩種傳感器均為單翼風(fēng)向傳感器和風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部格雷碼盤(pán)或磁棒旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電壓、電流或脈沖信號(hào)，進(jìn)而感應(yīng)出風(fēng)向和風(fēng)速，此次過(guò)程前期為降雨，而后氣溫迅速下降，快速轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪，降水和快速降溫結(jié)合造成風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)杯凍結(jié)無(wú)法旋轉(zhuǎn)，從而長(zhǎng)時(shí)間無(wú)風(fēng)記錄。此次國(guó)家級(jí)自動(dòng)站風(fēng)要素最長(zhǎng)的缺測(cè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23 h，對(duì)記錄的連續(xù)性產(chǎn)生了很大影響。

3.1 風(fēng)傳感器的維護(hù)

①?gòu)拇舜芜^(guò)程的國(guó)家級(jí)自動(dòng)站數(shù)據(jù)來(lái)看，風(fēng)傳感器凍結(jié)的4個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站中的3個(gè)為雨夾雪凍結(jié)導(dǎo)致，一個(gè)為雨伴隨雨凇導(dǎo)致，凍結(jié)時(shí)氣溫為0℃～-1℃(圖2)，最大風(fēng)均降至4級(jí)及以下(圖3)，而統(tǒng)計(jì)未出現(xiàn)凍結(jié)的其余7個(gè)國(guó)家級(jí)自動(dòng)站氣溫降至0℃以下的情況則是最大平均風(fēng)力均在5級(jí)，所以當(dāng)氣溫在0 ℃或以下出現(xiàn)雨或雨夾雪，平均風(fēng)力在4級(jí)或以下時(shí)，值班員就要重點(diǎn)觀察風(fēng)杯或風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，及時(shí)用長(zhǎng)桿輕輕撥動(dòng)，防止凍結(jié)；已出現(xiàn)凍結(jié)時(shí)，需要人員爬上風(fēng)塔進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)維護(hù)，轉(zhuǎn)不動(dòng)情況下要對(duì)軸承外部加熱。周曉倩等還提出采用放倒風(fēng)桿，用小錘輕敲外部冰層，將傳感器拆下，清除內(nèi)部冰渣，擦拭干凈，重新安裝好，使其能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，立起風(fēng)桿，固定好拉線的方法[2]，可以根據(jù)情況嘗試。

②常年易出現(xiàn)凍結(jié)的臺(tái)站(如海島站)可以考慮更換傳感器型號(hào)，目前超聲波風(fēng)傳感器可以不受凍結(jié)影響[1]，還有一種是尹憲志[3]、孫文良[4]等對(duì)風(fēng)杯風(fēng)向標(biāo)傳感器軸承內(nèi)部添加加熱元件使整個(gè)軸承在寒冷的天氣運(yùn)行進(jìn)行過(guò)研究，并得出了自動(dòng)站風(fēng)傳感器防凍加熱保護(hù)裝置能有效防御雨凇、霧凇和冰凍等凍害，確保觀測(cè)資料的連續(xù)性和自動(dòng)站正常運(yùn)行的結(jié)論。

圖2 風(fēng)傳感器凍結(jié)前的氣溫實(shí)況Fig.2 Temperature before the wind sensor is frozen

圖3 蓬萊(a)、萊州(b)、長(zhǎng)島(c)、棲霞(d)站風(fēng)傳感器凍結(jié)前的風(fēng)力實(shí)況(下線為正點(diǎn)平均風(fēng)力，上線為陣風(fēng)風(fēng)力)Fig.3 Wind power before freezing sensor in Penglai (a), Laizhou (b), ChangDao (c) and Qixia (d) station(the line below is the average wind. The wind blowing is the Gusts of wind.)

3.2 風(fēng)傳感器異常時(shí)的記錄處理

3.2.1 正點(diǎn)記錄的處理 對(duì)正點(diǎn)時(shí)次風(fēng)向、風(fēng)速異常記錄的處理，首先觀察正點(diǎn)前、后10 min記錄是否正常，正常的話用其代替；正點(diǎn)前后10 min記錄均異常，雙套自動(dòng)站情況下，正點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速記錄用備用站記錄代替，編發(fā)長(zhǎng)Z文件發(fā)更正報(bào)。若兩套自動(dòng)站全部?jī)鼋Y(jié)，僅定時(shí)觀測(cè)時(shí)次記錄用人工目測(cè)代替(如08時(shí)、14時(shí)、20時(shí))，風(fēng)向按8方位、風(fēng)速按13級(jí)風(fēng)力等級(jí)進(jìn)行觀測(cè)，并記錄其相應(yīng)風(fēng)速的中數(shù)值，記入2 min風(fēng)向、風(fēng)速記錄中，其它時(shí)次記錄按缺測(cè)處理。

3.2.2 分鐘記錄的處理 目前新型站分鐘記錄每日20時(shí)05分形成上傳MDOS省局一體化平臺(tái)，MDOS系統(tǒng)對(duì)日常反饋和疑誤信息處理上都有明確的要求[5]，凍結(jié)時(shí)段內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速分鐘記錄按缺測(cè)處理，修改分鐘記錄可以從兩種渠道進(jìn)行:一是找到本地原文件，在smodatase山東IIiiiAWS新型自動(dòng)站質(zhì)控Minute下，文件名AWS_M_Z_IIiii_YYYYMMDDHH.txt，打開(kāi)原文件，找到對(duì)應(yīng)的時(shí)間所在的行，小時(shí)分鐘4個(gè)字節(jié)后依次為2 min、10 min、瞬時(shí)的風(fēng)向風(fēng)速，各占8個(gè)字節(jié)，修改保存后上傳省局(圖4)；二是20時(shí)05分后直接登陸MDOS平臺(tái)調(diào)出凍結(jié)時(shí)間的數(shù)據(jù)依次缺測(cè)，提交平臺(tái)，其處理方法黃敏堂在相應(yīng)數(shù)據(jù)處理時(shí)也有提及[6]。

圖4 分鐘數(shù)據(jù)文件格式Fig.4 Minutes data file format

3.2.3 極值處理 正點(diǎn)數(shù)據(jù)中風(fēng)向、風(fēng)速小時(shí)極值缺測(cè)或異常時(shí)，從本時(shí)次實(shí)有記錄中挑取。正點(diǎn)數(shù)據(jù)用正點(diǎn)后10 min或備份站代替時(shí)，若該值挑為小時(shí)極值，出現(xiàn)時(shí)間記為正點(diǎn)00分。

4 能見(jiàn)度傳感器

目前煙臺(tái)市能見(jiàn)度傳感器是由華云升達(dá)氣象科技有限公司生產(chǎn)的前向散射能見(jiàn)度儀，測(cè)量范圍為10 m～30 km，傳感器部分包括接收器、發(fā)射器和控制處理器等；前向散射能見(jiàn)度儀的發(fā)射器與接收器在成一定角度和一定距離的兩處。強(qiáng)降雪會(huì)遮住能見(jiàn)度傳感器的接收器或發(fā)射器造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，或能見(jiàn)度劇烈下降導(dǎo)致新型站軟件誤判斷為大霧。此次過(guò)程共有2個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)了能見(jiàn)度的缺測(cè)。

4.1 能見(jiàn)度傳感器維護(hù)

在強(qiáng)降雪天氣下，出現(xiàn)大雪應(yīng)及時(shí)清潔能見(jiàn)度傳感器透鏡，切忌長(zhǎng)時(shí)間直視發(fā)射端鏡頭。

4.2 能見(jiàn)度異常記錄處理

①當(dāng)能見(jiàn)度設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常時(shí)，非定時(shí)觀測(cè)時(shí)次的正點(diǎn)數(shù)據(jù)中所有能見(jiàn)度數(shù)據(jù)均按缺測(cè)處理；定時(shí)觀測(cè)時(shí)次進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)，人工觀測(cè)值存入Z文件CW段能見(jiàn)度和VV段10 min平均能見(jiàn)度，其他VV段自動(dòng)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)按缺測(cè)處理，圖5是軟件操作界面。

圖5 Z文件CW段能見(jiàn)度和VV段輸入位置Fig.5 Z file CW segment visibility and VV segment input position

②強(qiáng)降雪造成能見(jiàn)度劇烈下降新型站軟件誤判斷為大霧，人工刪除大霧天氣現(xiàn)象，在一體化平臺(tái)的備注欄中03項(xiàng)備注。

5 小結(jié)

①當(dāng)氣溫下降到0 ℃或以下出現(xiàn)雨或雨夾雪，平均風(fēng)力在4級(jí)或以下時(shí)，值班員要重點(diǎn)做好風(fēng)杯或風(fēng)向標(biāo)維護(hù)，提前預(yù)防凍結(jié)。

②超聲波風(fēng)傳感器和一種在軸承部位添加加熱裝置的風(fēng)向風(fēng)速傳感器，可以解決凍結(jié)的發(fā)生。

③風(fēng)向、風(fēng)速正點(diǎn)數(shù)據(jù)有缺失時(shí)按照先正點(diǎn)前、后10 min，再備用站，最后人工的順序補(bǔ)救。

④能見(jiàn)度傳感器在降雪天氣應(yīng)注意及時(shí)清潔透鏡，以防缺測(cè)的發(fā)生。

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Themaintenanceofautomaticweatherstationandtheprocessingonabnormaldataduringacoldsnapwithfreezing

HA Yanli，HUANG Benfeng，YUAN Haibao

(Yantai Meteorological Bureau of Shandong Province, Yantai 264003, China)

P415.1+2

B

1003-6598(2017)04-0081-04

2017-07-10

哈艷麗(1979-)，女，工程師，主要從事氣象觀測(cè)工作，E-mail：pdfz75@126.com。