西安區(qū)域自動(dòng)站氣候界限值訂正及質(zhì)量控制

王雯燕，張穎梅，唐文哲，魏俊濤，李曉冬

(西安市氣象局，西安 710016)

王雯燕，張穎梅，唐文哲，等.西安區(qū)域自動(dòng)站氣候界限值訂正及質(zhì)量控制 [J].陜西氣象，2017(5)：38-40.

1006-4354(2017)05-0038-03

2017-03-06

王雯燕(1972—)，女，陜西大荔人，漢族，學(xué)士，高工，從事綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

西安市氣象局科研創(chuàng)新基金“自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究”(2014M-7)

西安區(qū)域自動(dòng)站氣候界限值訂正及質(zhì)量控制

王雯燕，張穎梅，唐文哲，魏俊濤，李曉冬

(西安市氣象局，西安 710016)

基于天氣學(xué)原理，探索不同高度區(qū)域自動(dòng)氣象站氣候界限值的訂正方法，在西安區(qū)域自動(dòng)站質(zhì)量控制軟件中試運(yùn)行，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算區(qū)域站的參考站符合大氣變化規(guī)律，區(qū)域站要素界限值高度訂正方法具有代表性，方法簡(jiǎn)單，易于操作；區(qū)域站溫度傳感器出現(xiàn)問題少，氣壓傳感器故障較多。此方法為其他地方區(qū)域站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供參考。

區(qū)域自動(dòng)站；相關(guān)系數(shù)；質(zhì)量控制；氣候界限值

近幾年城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、氣象預(yù)警、決策服務(wù)和重大氣象服務(wù)保障要求越來越高，氣象資料的質(zhì)量直接影響預(yù)報(bào)、服務(wù)效果。北京、上海、廣西、湖北、江西等地相繼開展了氣象資料實(shí)時(shí)質(zhì)量控制研究工作[1-5]，陜西白水城[6]從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、傳輸、檢查等幾個(gè)方面設(shè)計(jì)了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，理念先進(jìn)，然而在實(shí)際建站過程中，選擇較好的設(shè)備和符合規(guī)范的觀測(cè)場(chǎng)所是較難解決的問題。在設(shè)備和測(cè)站環(huán)境暫時(shí)無法改變的情況下，氣候背景資料檢查是一種好的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[7],在氣象數(shù)據(jù)資料質(zhì)量審核中得到普遍應(yīng)用。為了提高區(qū)域自動(dòng)氣象站(下簡(jiǎn)稱“區(qū)域站”)觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，西安也基于氣候極值開展了相應(yīng)的質(zhì)量控制方法。目前，列入中國(guó)氣象局、陜西省氣象局考核的站點(diǎn)122個(gè)，其中只有41站建站時(shí)間較長(zhǎng)，歷史記錄時(shí)長(zhǎng)等于或接近10年，還有近半數(shù)站點(diǎn)為近3年所建，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不適合作為極值指標(biāo)使用；加之西安地形多樣，有平原、丘陵、溝、塬、山地等，導(dǎo)致區(qū)域站海拔高度高差較大，最低352 m，最高1 576 m，復(fù)雜的地形特點(diǎn)和較短的歷史觀測(cè)資料為區(qū)域站用氣候極值法進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制增加了難度。本文在傳統(tǒng)質(zhì)量控制理論[8-10]的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣象要素空間一致性特點(diǎn)，提出西安地區(qū)獲取區(qū)域站氣候界限值的方法,投入業(yè)務(wù)應(yīng)用并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，探索觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，為區(qū)域站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供借鑒。

1 西安氣象站網(wǎng)基本概況

西安國(guó)家基本氣象站7個(gè)，其中，涇河國(guó)家基本氣象站2005年由西安國(guó)家基準(zhǔn)站遷站建成，原西安國(guó)家基準(zhǔn)站建于1951年，遷站后原址保留溫度、氣壓、濕度等六要素觀測(cè)，其歷史資料連續(xù)性較好，城區(qū)天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)通常以該站觀測(cè)資料為基準(zhǔn)，因此本研究也將原址觀測(cè)的數(shù)據(jù)作為國(guó)家基本氣象站資料使用，各站建站時(shí)間如表1所示。

表1 西安國(guó)家基本氣象站及建站時(shí)間

西安區(qū)域站2006年7月開始建設(shè)，隨后站點(diǎn)不斷增加，截止2016年底，投入業(yè)務(wù)使用并參加中國(guó)氣象局、陜西省氣象局考核的站點(diǎn)有122個(gè)。

2 確定區(qū)域站氣候界限值

空間一致性是指氣象參數(shù)具有一定的空間分布特點(diǎn)，其有效性取決于觀測(cè)站網(wǎng)的密度和被檢參數(shù)與空間的相關(guān)程度[9]。利用空間一致性確定區(qū)域站氣候界限值的主要思路是選擇與區(qū)域站相關(guān)系數(shù)較高的自動(dòng)站作為參考站，再根據(jù)要素隨高度變化規(guī)律進(jìn)行訂正。

2.1 區(qū)域站氣候界限值計(jì)算方法

區(qū)域站氣候界限值計(jì)算具體步驟如下。

(1)逐月統(tǒng)計(jì)7個(gè)國(guó)家基本氣象站近30年溫度、氣壓等要素的最高和最低氣候界限值，建立各站氣候界限值序列。

(2)以區(qū)域站全月逐日小時(shí)數(shù)據(jù)作為一個(gè)序列，逐對(duì)計(jì)算與基本氣象站數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，采用T分布檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[11]。在通過顯著性檢驗(yàn)的臺(tái)站中，指定相關(guān)系數(shù)最大的基本氣象站為參考站。

互聯(lián)網(wǎng) 20世紀(jì)60年代，美國(guó)和蘇聯(lián)卷入了古巴導(dǎo)彈危機(jī)，核戰(zhàn)爭(zhēng)似乎一觸即發(fā)，每個(gè)國(guó)家都在考慮核攻擊后的情景。蘭德研究員保羅·巴蘭（Paul Baran）試圖解決核攻擊后的一個(gè)問題：在核襲擊造成毀滅性后果后，如何保持官方溝通渠道的暢通。他的答案為互聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)框架。

(3)根據(jù)區(qū)域站與參考站的海拔高度差，計(jì)算區(qū)域站的氣候界限值。

2.2 區(qū)域站氣候界限值訂正公式

2.2.1 溫度 溫度界限值訂正方法是依據(jù)氣象學(xué)基本原理，高度每升高(降低)100 m，溫度降低(升高)0.65 ℃，訂正計(jì)算公式如下：

月最高溫度界限值

tmax=tmax1-(h1-h)×0.006 5 ，

(1)

月最低溫度界限值

tmin=tmin1-(h1-h)×0.006 5。

(2)

式中，tmax1為參考站月最高溫度界限值；tmin1為參考站月最低溫度界限值；h1為區(qū)域站海拔高度；h為參考站海拔高度。

2.2.2 氣壓 按照天氣學(xué)原理，近地面大氣中氣壓隨高度的增加按指數(shù)規(guī)律遞減，氣壓界限值訂正方法采用拉普拉斯壓高公式。拉普拉斯壓高公式是在大氣靜力學(xué)方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來適用于垂直范圍內(nèi)氣壓隨高度變化的公式，具體公式如下：

月最高氣壓界限值

pmax=pmax1/ 10((h1-h)/18 400(1+Tmax/273))，

(3)

月最低氣壓界限值

pmin=pmin1/ 10((h1-h)/18 400(1+Tmin/273))。

(4)

式中，pmax1為參考站最高氣壓界限值；pmin1為參考站最低氣壓界限值；h1為區(qū)域站海拔高度；h為參考站海拔高度。Tmax、Tmin為區(qū)域站月最高、最低溫度的平均值。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制試運(yùn)行結(jié)果分析

2015年9月至2016年5月，對(duì)西安兩要素以上區(qū)域站的10 min數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，氣壓、溫度顯示有問題的數(shù)據(jù)數(shù)量分別為3 795條、308條，分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2可知，西安區(qū)域站溫度存在問題少，氣壓存在問題較多，下面主要針對(duì)氣壓的疑誤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表2 2015年9月—2016年5月西安區(qū)域站氣壓、溫度氣候界限值10 min實(shí)時(shí)質(zhì)量控制結(jié)果 條

3.1 超界限值

氣壓超界限值有兩種情況：超最高值和超最低值。

超最高值主要出現(xiàn)在兩個(gè)時(shí)間時(shí)段，2015年11月29日—2015年12月30日和2016年1月23日—24日。第一個(gè)時(shí)段期間疑誤數(shù)據(jù)1 024條、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，查看天氣形勢(shì)并無任何過程發(fā)生，檢查后發(fā)現(xiàn)，疑誤數(shù)據(jù)主要發(fā)生在V8852、V8853、V8864三個(gè)區(qū)域站，觀測(cè)值比附近同海拔高度的區(qū)域站數(shù)值明顯偏大，由此斷定這個(gè)階段發(fā)生氣壓超界限值的區(qū)域站氣壓傳感器出現(xiàn)故障；2016年1月22—24日出現(xiàn)的氣壓超界限值，經(jīng)分析是西安地區(qū)出現(xiàn)寒潮降溫天氣，近地面有較強(qiáng)的冷高壓系統(tǒng)影響，屬于正常現(xiàn)象。

超最低值有兩種情況：一是固定氣壓，數(shù)值為800.4 hPa，由于區(qū)域站配置的氣壓最低值參數(shù)為800 hPa，當(dāng)傳感器沒有連接時(shí)，傳輸回來的值通常為800.4 hPa；二是出現(xiàn)超低異常連續(xù)值也會(huì)提醒疑誤數(shù)據(jù)超界限值，2016年2月24日，V8851站氣壓連續(xù)數(shù)小時(shí)在883.9 hPa和885 hPa之間跳變，經(jīng)查是該站的氣壓傳感器出現(xiàn)故障導(dǎo)致。

3.2 無數(shù)據(jù)

無數(shù)據(jù)指要素欄為/////的情況，出現(xiàn)原因有兩個(gè)，區(qū)域站建設(shè)時(shí)中心站需定義宏、配置參數(shù)，如果將要素字段設(shè)定為空時(shí)，傳輸回來的要素欄顯示/////；另一方面，當(dāng)兩要素站使用六要素主板，溫度、降水正常傳輸，其它要素因?yàn)閭鞲衅鳑]有連接，數(shù)據(jù)傳輸回來時(shí)要素欄顯示/////。

3.3 傳輸異常

傳輸異常主要指要素欄出現(xiàn) 9999.9 (溫度為99.9)的情況，當(dāng)區(qū)域站傳感器沒有連接或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，傳輸回來的要素欄顯示9999.9(溫度為99.9)。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)空間一致性特點(diǎn)確定西安地區(qū)各區(qū)域氣象站的參考自動(dòng)站，討論了不同海拔高度區(qū)域站以100 m為間隔訂正計(jì)算氣候界限值的方法，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)論。

(1)相關(guān)系數(shù)法計(jì)算的區(qū)域站參考站比較符合大氣變化規(guī)律；區(qū)域站要素界限值高度訂正方法具有代表性，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，易于操作。

(2)區(qū)域站溫度傳感器出現(xiàn)問題少，氣壓傳感器發(fā)生故障較多。

(3)理論上，風(fēng)速也可以依據(jù)氣象學(xué)原理利用高度差進(jìn)行訂正，但在與實(shí)況資料對(duì)比驗(yàn)證時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，訂正結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大，而且由于大部分區(qū)域站建站時(shí)間較短，沒有合適的值可供參考，因此沒有對(duì)風(fēng)速實(shí)施質(zhì)量控制；相對(duì)濕度受溫度、水汽含量等影響，變化較為復(fù)雜，在不同的地形位置隨高度變化不同，用高度訂正不適宜，所以在質(zhì)量控制參數(shù)中只以10%為界設(shè)置了相對(duì)濕度極端最低值，對(duì)低于10%的的值提出報(bào)警。

[1] 竇以文，屈玉貴，陶士偉，等.北京自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制應(yīng)用[J].氣象，2008,34(8)：77-81.

[2] 孫娟，胡平.上海自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制系統(tǒng)研究[J].氣象水文海洋儀器，2009,26(4)：38-41.

[3] 王超球，黃理，程愛珍，等.無人值守自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)的探討[J].氣象研究與應(yīng)用，2007,28(z3)：64-66.

[4] 王海軍，楊志彪，楊代才，等.自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)資料自動(dòng)質(zhì)量控制方法及其應(yīng)用[J].氣象，2007，33(10)：102-109.

[5] 李志鵬，張瑋，黃少平，等.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象，2012,38(3)：371-376.

[6] 白水成，李社宏，周林.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系設(shè)計(jì)[J].陜西氣象, 2016(3)：42-46.

[7] 任芝花，熊安元.地面自動(dòng)站觀測(cè)資料三級(jí)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研制[J].氣象, 2007,33(1)：19-24.

[8] 王新華，羅四維，劉小寧，等.國(guó)家級(jí)地面自動(dòng)站A文件質(zhì)量控制方法及軟件開發(fā)[J].氣象，2006,32(3)：107-112.

[9] 劉小寧，任芝花.地面氣象資料質(zhì)量控制方法研究概述[J].氣象科技，2005,33(3)：199-203.

[10] 熊安元.北歐氣象觀測(cè)資料的質(zhì)量控制[J].氣象科技，2003，31(5)：314-320.

[11] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].2版.氣象出版社，2009：18-19.

P412.1

B