區(qū)域氣象站雨量數(shù)據(jù)異常的分析與處理

莫遵元

摘 要：區(qū)域加密氣象站在防汛抗旱工作中發(fā)揮著重要的作用，是地方領導開展相關工作的數(shù)據(jù)基礎。但由于加密氣象站一般無人值守，氣象數(shù)據(jù)，特別是雨量數(shù)據(jù)故障率較高。因此，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，第一時間維護故障站點，有重要的社會意義。本文提出了通過極值檢查、空間連續(xù)性檢查、時間連續(xù)性檢查等方法，對區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)進行判斷分析，及時發(fā)現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)，該方法在實際工作中發(fā)揮了明顯的作用。

關鍵詞：區(qū)域氣象站雨量；異常數(shù)據(jù)；分析

中圖分類號：S164 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180532065

引言

近年來，湖北省投入了巨大的人力物力，至2017年底已建設了近3000套區(qū)域加密自動氣象站，為防汛指揮提供了豐富的數(shù)據(jù)，是防御山洪和地質災害的法寶。但由于區(qū)域自動氣象站未無人值守站點，雖然每年都進行了數(shù)據(jù)校準，但由于地處環(huán)境復雜，各類數(shù)據(jù)，特別是雨量數(shù)據(jù)故障頻發(fā)。由于區(qū)域自動氣象站雨量數(shù)據(jù)是地方開展防汛抗旱決策的重要依據(jù)，錯誤的數(shù)據(jù)會影響到政府的決策，造成嚴重的社會和經(jīng)濟損失，因此，確保自動氣象站雨量數(shù)據(jù)的準確可靠是氣象保障工作的重中之重。在實際工作中，如果能第一時間發(fā)現(xiàn)可以的雨量數(shù)據(jù)，及時進行處理，是提高自動站雨量數(shù)據(jù)可用性最行之有效的方法。

1 區(qū)域自動站數(shù)據(jù)質量控制的難點

國內外學者對氣象資料的質量控制方法作過一些研究，如王海軍等研究了自動氣象站實時資料自動質量控制的方法[1]，劉小寧等研究了地面氣象資料質量控制方法[2-3]，王新華等研究了自動站A文件質量控制方法[4]，不過針對區(qū)域自動氣象站的降水資料質量控制的研究在國內較少。

區(qū)域自動氣象站一般建設在鄉(xiāng)鎮(zhèn)，站點分布密集，可以監(jiān)測中小尺度的天氣系統(tǒng)，但這也對區(qū)域自動氣象站雨量數(shù)據(jù)的異常分析帶來了很大的難度。由于中小尺度系統(tǒng)降水突發(fā)性強，時空分布很不均勻，因此很難在一次降雨過程中發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)是否異常。

本文主要介紹了通過對區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，對雨量數(shù)據(jù)進行初步分析，及時發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)的異常，并提醒保障人員處理異常數(shù)據(jù)，維護故障臺站。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

目前，對于雨量數(shù)據(jù)異常分析的主要方法，在國內外仍以通過分析過程雨量數(shù)據(jù)的時空差異性和極值檢查為主。不過通過實際工作，在對異常雨量數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計中，筆者發(fā)現(xiàn)通過檢查小時數(shù)據(jù)和分鐘數(shù)據(jù)，更易發(fā)現(xiàn)雨量異常數(shù)據(jù)。

2.1 雨量異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因

區(qū)域自動氣象站雨量數(shù)據(jù)的異常主要有以下原因產(chǎn)生：由于雨量傳感器或電纜出現(xiàn)故障，如干簧管生銹或斷裂，數(shù)據(jù)線斷裂或短路等原因，導致出現(xiàn)的雨量數(shù)據(jù)故障，該類故障一般表現(xiàn)為無降雨或者降雨異常偏大獲偏??；雨量筒堵塞或損壞導致雨量數(shù)據(jù)為0或者數(shù)據(jù)偏小，在實際保障中筆者發(fā)現(xiàn)因為蜘蛛網(wǎng)導致的堵塞，導致降水數(shù)據(jù)異常的情況時有發(fā)生，且較難判斷；由于采集器的故障，出現(xiàn)雨量產(chǎn)生隨機的錯誤數(shù)據(jù)，這種情況較少。

2.2 雨量數(shù)據(jù)庫的設計和建立

為了第一時間發(fā)現(xiàn)雨量異常數(shù)據(jù)，需要對區(qū)域站雨量數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。通過人工來監(jiān)控大量的區(qū)域站雨量數(shù)據(jù)，顯然不太可能。因此，建立了區(qū)域自動站雨量數(shù)據(jù)庫，實時從省局CIMISS系統(tǒng)中獲取雨量數(shù)據(jù)，進行處理后保存到本地數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫主要包括以下3個庫表。

臺站基本信息表，主要設計了臺站名稱，區(qū)站號，所在縣名，所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)名，經(jīng)度，緯度，海拔高度，建設時間，手機卡號，相關聯(lián)系人員，備注信息等。

自動站雨量數(shù)據(jù)表，主要設計了區(qū)站號，數(shù)據(jù)觀測時間，數(shù)據(jù)入庫時間，分鐘降雨量，小時降雨量，日降雨量，控制代碼，運行狀態(tài)。

異常雨量數(shù)據(jù)表，主要設計了區(qū)站號，異常數(shù)據(jù)觀測時間，數(shù)據(jù)異常原因，異常數(shù)據(jù)值。

2.3 氣象觀測數(shù)據(jù)的冗余檢查

為了對分鐘數(shù)據(jù)的缺測數(shù)據(jù)進行檢查，保證氣象數(shù)據(jù)的可靠性，設計了氣象數(shù)據(jù)的冗余檢查功能，對雨量數(shù)據(jù)進行了預處理。在冗余檢查中，如果該小時內有過多的分鐘數(shù)據(jù)為缺測，當缺測數(shù)據(jù)超過設定的閾值時，那么在對該小時數(shù)據(jù)入庫時，加上缺測標識，判斷該小時數(shù)據(jù)不可靠。

2.4 雨量數(shù)據(jù)的極值檢查

在雨量數(shù)據(jù)的極值檢查中，一般通過對小時數(shù)據(jù)極值檢查和分鐘數(shù)據(jù)的極值檢查2種方式來開展。一般實施中以小時極值判讀為基礎，配合分鐘雨量閾值檢查，來確定異常數(shù)據(jù)。

雨量數(shù)據(jù)的小時極值檢查是通過設定自動站小時雨量的極值，該值一般以30a整編質量為依據(jù)，設置分月的小時雨量極值。在設置中，綜合考慮每個加密自動站與國家氣象站的距離、地理環(huán)境等是否相似等因素。如湖北省某站小時雨量極值表如下。

通過該方法，利用設定的極值對該地區(qū)2016年5—6月的數(shù)據(jù)進行分析，僅查出10條數(shù)據(jù)超過極值?？梢园l(fā)現(xiàn)通過小時雨量極值檢查的方法可能會濾掉很多可疑數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，主要是因為小時雨量機制本身就有很大的極端性，超過該極端天氣的雨量值一般較難出現(xiàn)。

分鐘雨量閾值一般按照本地的氣候特征來設置。比如上站，設置分鐘雨量極值為10mm，然后利用分鐘雨量極值法進行分析，查出了59條數(shù)據(jù)超過極值，經(jīng)過進一步分析，確認這59條數(shù)據(jù)全部為異常數(shù)據(jù)。

2.5 降雨數(shù)據(jù)的時間連續(xù)性檢查

對于一場系統(tǒng)性連續(xù)降雨過程，可以通過雨量數(shù)據(jù)的時間連續(xù)性來檢查。通過對小時內的所有分鐘數(shù)據(jù)進行分析，重點分析小時內各分鐘雨量的大小和分鐘雨量數(shù)據(jù)的聯(lián)系性，可以發(fā)現(xiàn)降雨的異常數(shù)據(jù)。

選擇了6月22日20：00—6月23日20：00一次降水天氣過程的24h的數(shù)據(jù)進行分析。在分析中，排除小時雨量很小的數(shù)據(jù)，僅分析小時雨量超過10mm的降水數(shù)據(jù)，在對降水數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計后，共統(tǒng)計了小時雨強大于10mm的數(shù)據(jù)1053條，對這些數(shù)據(jù)進行進一步分類分析，發(fā)現(xiàn)如下情況。

首先把小時內分鐘降雨量值大于0的數(shù)據(jù)條數(shù)，依次按照0～10條，10～20條，20～30條，30個以上進行統(tǒng)計。小時內降水分鐘數(shù)不超過10條的有15個時次，在10～20條之間的有23個時次。分析這38個時次的降雨，發(fā)現(xiàn)其中雨量數(shù)據(jù)異常的很多，因此可以把分析的重點放在降水分鐘數(shù)不超過20條時次上。

然后把小時內有降水的分鐘數(shù)不超過20條的38個時次，檢查這些時次中分鐘降雨量在3mm以上的。在分析中發(fā)現(xiàn)，如果沒有超過3mm分鐘降雨量的雨量數(shù)據(jù)，在進一步判斷中基本沒有異常。但是如果有超過3mm分鐘降雨量的，特別是3mm分鐘降雨量數(shù)據(jù)達到5條以上的，該小時的數(shù)據(jù)一般都是有誤的，屬于異常數(shù)據(jù)，需要保障人員及時維修。

在分析中發(fā)現(xiàn)還有一種情況，當某個分鐘降雨數(shù)據(jù)超過了1mm，但是該時次前后都沒有雨量數(shù)據(jù)，那么這條孤立的數(shù)據(jù)也是可疑數(shù)據(jù)。如果這種情況出現(xiàn)了多次的話，那么該站數(shù)據(jù)基本可以判定為有誤數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，一般都是由于雨量筒堵塞導致，由于堵塞不完全，每過一段時間滲水會出現(xiàn)1mm的降雨。

2.6 降雨數(shù)據(jù)的空間分布一致性檢查

對于一場降雨天氣過程，降水一般發(fā)生時不會僅有1個站點監(jiān)測到降雨，周邊站點也會監(jiān)測點該降雨過程。不過對于特別局地性的降雨過程，對于降水過程進行空間一致性分析則不可靠。因此，該方法主要用來分析比較長時間降雨偏少或者是沒有降雨發(fā)生的站點。

該檢查方法一般是通過統(tǒng)計分析一個較長時間段的雨量數(shù)據(jù)，將雨量數(shù)據(jù)相對周邊站點或相對于平均雨量明顯偏小的站點列為可疑站點，進行人工復檢。比如當某一站點的降雨量小于該地區(qū)平均雨量的30%以上時，可以認為該地區(qū)降雨數(shù)據(jù)不正常。這種故障一般是由于雨量傳感器堵塞、干簧管損壞等原因造成的。利用該方法判斷1個月數(shù)據(jù)，基本上可以確定儀器故障站點，需要保障人員進行維護。

3 對照中尺度監(jiān)測系統(tǒng)進行人工檢查

利用計算機算法，對區(qū)域自動站數(shù)據(jù)進行雨量數(shù)據(jù)異常檢查，雖然能發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)的一些問題，但是還需要技術人員進行最終的判斷來確定。保障人員可以通過人機交互，通過查看雷達、衛(wèi)星反演降雨數(shù)據(jù)，檢索周邊站點降雨量，對異常站點和周邊站點雨量進行時序檢查，多種方式判斷站點數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)。

4 總結

利用自動站雨量異常判斷方法，如果只有個別時次出現(xiàn)了可疑數(shù)據(jù)，則可能是有些偶然的因素導致的，只需要電話通知協(xié)理員進行檢查即可；如果某個站點降雨量多次提示可疑，那么該站設備發(fā)生故障的可能性極大，需要技術去維護。對于局地性很強的中小尺度天氣系統(tǒng)，如果系統(tǒng)提示為可疑數(shù)據(jù)，在對應雷達分析的基礎上，可以聯(lián)系當?shù)貐f(xié)理員，以免誤刪暴雨天氣。為了最大程度的保證自動站雨量數(shù)據(jù)的可用性，保障人員需要每年汛期前對所有自動站設備做一次全面巡檢，在有強天氣過程前對重要站點和故障頻發(fā)站點進行再巡檢，以免設備故障導致雨量信息不可用。

利用自動站雨量異常判斷法來尋找故障站點在本地業(yè)務中發(fā)揮了明顯的效益，但數(shù)據(jù)處理方法仍需要完善，要想做到異常數(shù)據(jù)的全自動監(jiān)測，仍有一定的技術差距。利用單種中尺度觀測設備來判讀設備的運行情況，本身就具有很大的局限性。因此在下一步的工作中，需要綜合利用衛(wèi)星、雷達等中尺度探測產(chǎn)品，結合雷達反演降水數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對區(qū)域自動站異常降水數(shù)據(jù)進行再次分析，在多種產(chǎn)品的支持下，判斷的準確性必將可以大大提高。

參考文獻

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