浙江省國家地面氣象站分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)集研制

王麗吉，魏爽，劉熔熔

（浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，杭州310017）

0 引言

地面觀測因其原位探測原理，成為所有觀測手段中對真實大氣的最可靠逼近。地面觀測業(yè)務(wù)化直接關(guān)系到天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性，同時也是極端天氣災(zāi)害、季風(fēng)變率、氣候模式改進等相關(guān)研究工作的主要數(shù)據(jù)支撐[1]，因而從早期就有較完整的歷史資料積累。然而，由于觀測手段與信息化能力的不斷發(fā)展，歷史氣象資料存在數(shù)據(jù)源多樣、存儲手段多樣等非均一化問題。

降水隨時間變化的過程和降水強度，對于研究我國降水特征，尤其是暴雨特征具有重要意義，而短時強降水因發(fā)生時間短、強度大，造成的危害更大。因此，長時間序列、高時間分辨率、高質(zhì)量的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品的研制需求迫切[2]。在自動觀測業(yè)務(wù)化運行之前臺站觀測設(shè)備為非傳感器形式，其中降水觀測使用自記式雨量計，降水過程在自記紙上留下的降水曲線（即降水跡線）客觀記錄了降水隨時間變化的過程，反映了各種時段的降水強度，其最小時間分辨率為分鐘，是其他降水觀測資料所不可替代的[3]。而自動觀測業(yè)務(wù)化運行之后降水量的觀測由自動雨量傳感器獲得，無論是數(shù)據(jù)的存儲、傳輸還是使用都已數(shù)字化。

早期的降水自記紙時間跨度長、觀測時間分辨率高，作為歷史降水資料十分珍貴，但卻因其是紙質(zhì)圖像檔案，無法大量快速便捷地被調(diào)用，與自動觀測獲得的數(shù)字化數(shù)據(jù)脫節(jié)，其規(guī)范保存和數(shù)字化建設(shè)意義重大。中國氣象局對紙質(zhì)歷史氣象資料的數(shù)字化工作開展多年，到2018 年為止，通過提取降水自記紙跡線信息獲得的歷史分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)集已全部制作完成。

1 數(shù)據(jù)源介紹

浙江省最早的氣象觀測資料可追溯至建國前，目前省氣象檔案館內(nèi)完好保存的地面觀測自記紙始于1948 年。自建國前至2003 年省內(nèi)自動氣象站建設(shè)之前，氣象觀測設(shè)備一直以非傳感器形式的觀測儀器（如自記雨量計等）為主。從2003 年開始，省內(nèi)的國家地面氣象站逐漸開始使用自動化設(shè)備，并于2005 年全部實現(xiàn)自動化。自動氣象站以自動傳感器觀測為主，浙江省氣象局氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心負(fù)責(zé)各個站點的數(shù)據(jù)接收，并完成數(shù)據(jù)入庫、質(zhì)量控制和業(yè)務(wù)服務(wù)。

下面分別介紹從自記雨量計的自記紙降水跡線中提取的分鐘降水量和從自動雨量傳感器中獲得的分鐘降水量兩類分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.1 自記紙跡線提取分鐘降水文件

圖1 虹吸式自記雨量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)（左圖：實物，右圖：示意圖）

圖2 浙江省文成縣1987年6月13-14日降水自記紙掃描及跡線跟蹤圖像文件（.bmp格式文件）

地面氣象站自動化業(yè)務(wù)開始之前，站點的降水量觀測以自記式的翻斗雨量計或虹吸式雨量計（見圖1）為主，當(dāng)有降水現(xiàn)象產(chǎn)生時，自記儀器會在自記紙上留下降水跡線。降水跡線雖然客觀記錄了降水隨時間變化的過程，反映了各種時段的降水強度，但自記紙以紙張形式保存于氣象檔案館內(nèi)，數(shù)據(jù)使用過程很難滿足目前實際業(yè)務(wù)和科研工作中大量快速的需求。

中國氣象局對于紙質(zhì)歷史氣象資料的數(shù)字化處理工作始于上世紀(jì)70 年代末[4]，先后對全國地面站的報表以及溫、壓、濕、風(fēng)、降水自記紙進行了圖像掃描。在圖像文件得以全面保存的基礎(chǔ)上逐步開展圖像文件數(shù)字化。浙江省到目前為止完成了所有站點自建站始至自動觀測前的降水自記紙跡線信息提取，該時段的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)集也已制作完成。圖2 給出了浙江省文成縣1987 年6 月13-14 日降水自記紙掃描圖樣，圖中同時保留了降水跡線的跟蹤提取痕跡（紅色實現(xiàn)）。下面簡要介紹跡線提取流程。

按照國家氣象信息中心制定的《降水自記紙數(shù)據(jù)提取技術(shù)規(guī)定》[5]要求，在降水自記紙跡線提取之前需完成降水自記紙圖像文件預(yù)處理，圖像文件初檢、圖像朝向和分辨率調(diào)整，并建立降水自記紙圖像文件清單。在此基礎(chǔ)上使用軟件進行跡線的自動跟蹤。自記紙數(shù)據(jù)提取應(yīng)以站為單位進行，開始提取后首先進行圖像檢查，如圖像嚴(yán)重傾斜應(yīng)重新掃描。然后進行提取參數(shù)設(shè)置和時間分辨率設(shè)置，包括自記紙類型（虹吸、翻斗）、圖像分辨率、跟蹤方式和閾值等的設(shè)置，按照跡線的起止點位置及標(biāo)注時間設(shè)置時間分辨率。跡線數(shù)據(jù)提取以自動跟蹤為主，當(dāng)跟蹤不準(zhǔn)確時需人工修正跟蹤跡線，確保與實際跡線重合。

跡線跟蹤產(chǎn)生的圖像文件格式為.bmp 格式，在跡線跟蹤過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄文件為.zjr 格式。跡線跟蹤過程實際上每分鐘降水量的記錄過程，將zjr通過特定算法轉(zhuǎn)換為.dat 文本格式的分鐘降水量文件，便于后期讀取和應(yīng)用。圖3 為分鐘降水文本文件截圖，文件名命名規(guī)則為

R01IIiiiY11Y12Y13Y14Y21Y22Y23Y24。DAT，其 中IIiii 為國家氣象站統(tǒng)一臺站號，Y11Y12Y13Y14數(shù)據(jù)起始年份，Y21Y22Y23Y24為數(shù)據(jù)終止年份。

圖3 以臺站號為單位的分鐘數(shù)據(jù)降水文件

1.2 自動站分鐘數(shù)據(jù)J文件

浙江省自2003 年開始在全省范圍內(nèi)逐步建設(shè)自動氣象觀測系統(tǒng)，其中降水雨量傳感器多采用雙翻斗式雨量傳感器。到2005 年為止所有國家級站點自動觀測都已正式業(yè)務(wù)運行。

自動站觀測結(jié)果由各地方臺站以.txt 文件形式按時傳輸至省氣象局氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，其中分鐘數(shù)據(jù)文件每日上傳一次。每月月初將上一月所有分鐘數(shù)據(jù)文件按照固定格式制作成一份時間跨度一個月的分鐘數(shù)據(jù)文件，即J 文件。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

2.1 自記紙跡線提取數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

由降水自記紙跡線提取獲得的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心以及國家氣象信息中心兩輪質(zhì)量控制。質(zhì)量控制方法的基本思路是：從跡線中提取的分鐘降水：①將其小時累計值與小時降水量（A6文件）進行對比或：②將其20～20 時累計值與歷史記錄的定時降水量進行對比。由于A6 文件中的小時降水量是觀測員在自記紙換下后對紙上小時雨量的人工計算，與當(dāng)前使用軟件進行跡線提取后獲得分鐘降水再進行小時累加得到小時降水量相比，兩者的原始數(shù)據(jù)完全一致，因而兩者在數(shù)值上應(yīng)幾乎相等的。然而由于人工計算誤差、錯誤以及遺漏難以避免，在實際情況中兩者存在差異。

排除正常時差影響，如提取的逐時降水量累計值與對應(yīng)時間段A6 逐時降水量累計值差異超過以下范圍：①小時累計降水量＜5.0mm 時絕對誤差＞0.3mm，②小時累計降水量≥5.0mm 時誤差百分率＞2%，③無A6時，當(dāng)提取數(shù)據(jù)20～20 時累計降水量與雨量器日降水量R 的絕對誤差超過0.5mm（R≤5mm）或者超過R×10%（R＞5mm）時，應(yīng)依次檢查跟蹤跡線與降水跡線是否重合，降水分辨率、起止時間設(shè)置等有無錯誤，A6 是否有誤（A6 中數(shù)據(jù)與自記紙標(biāo)注降水量不一致時為A6 錯誤）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)A6 錯誤或缺失且原因不明時，需要將A6 文件中的數(shù)值予以訂正或補全。

2.2 自動站分鐘數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

對自動觀測站分鐘數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制即對每月制作的J 文件進行質(zhì)量控制，其中涉及到降水?dāng)?shù)據(jù)的主要質(zhì)控算法為時間一致性和內(nèi)部一致性[6]。通過使用地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件（Operational Software for Surface Meteorological Observation，OSSMO）完成對J 文件的自動質(zhì)量控制，如在質(zhì)控過程中出現(xiàn)疑誤，由審核人員對J 文件進行修正。

3 數(shù)據(jù)源整合及數(shù)據(jù)庫錄入

從降水自記紙掃描圖像中提取跡線信息獲得的歷史分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)，按照國家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)文件格式和命名要求制作成數(shù)據(jù)集，并且經(jīng)過了省級和國家級數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。然而這一數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)文件格式與2003 年后地面自動氣象觀測站上傳至省級氣象部門的分鐘數(shù)據(jù)文件格式并不一致，由此給需要使用長序列、全時段分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)的業(yè)務(wù)和科研工作者帶來極大不便。為了整合兩種數(shù)據(jù)源，將兩種數(shù)據(jù)的分鐘降水量以站點為單位、按時間順序依次錄入數(shù)據(jù)庫中，以此隱藏不同時期不同數(shù)據(jù)源的格式差異，形成統(tǒng)一表結(jié)構(gòu)的、便于查詢和使用的長序列、全時段分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)。

圖4 給出了浙江省長興站（國家氣象站統(tǒng)一臺站號為58443）分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)庫為SQL Server，表中字段依次包括站號、年、月、日、時、觀測時間以及逐分鐘降水量。如需獲得一定時間段和（或）一定空間分布的累積降水量只需對數(shù)據(jù)庫進行操作即可。

圖4 采用SQL Server數(shù)據(jù)庫的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)表

4 結(jié)語

長時間序列、高時間分辨率、高質(zhì)量降水?dāng)?shù)據(jù)集的研制對氣象業(yè)務(wù)和科研工作意義重大。地面氣象站自動觀測業(yè)務(wù)化運行之前，降水觀測使用自記式雨量計，通過降水過程在自記紙上留下降水曲線記錄降水隨時間的變化，自記紙以紙質(zhì)歷史檔案的形式保存于省一級氣象檔案館內(nèi)。而自動觀測業(yè)務(wù)化運行之后降水量的觀測由自動雨量傳感器獲得并上傳至省一級氣象部門。本文重點闡述了兩種數(shù)據(jù)源及其質(zhì)量控制方法的差異，并討論了通過數(shù)據(jù)庫錄入整合兩種數(shù)據(jù)源的可能性。本文主要結(jié)論如下：

（1）按照國家氣象局氣象信息中心技術(shù)規(guī)定，對降水自記紙進行圖像掃描、跡線提取和歷史分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)集制作，獲得地面氣象站建站始至自動觀測前的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)；從自動站上傳的分鐘數(shù)據(jù)文件中獲得自動觀測后的分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)。

（2）計算小時累計降水量或20～20 時定時累計降水量，通過其與歷史記錄對比，完成跡線提取的歷史分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量控制；通過地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件完成對自動觀測分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量控制。

（3）采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫，將兩種數(shù)據(jù)以站點為單位、按時間順序依次錄入，形成統(tǒng)一表結(jié)構(gòu)的長序列、全時段分鐘降水?dāng)?shù)據(jù)表。

值得指出的是，如此長時間跨度、高時間分辨的降水?dāng)?shù)據(jù)集是我國降水強度特征，特別是短時強降水特征的研究的重要數(shù)據(jù)支撐。浙江省地處長江下游入?？?，東臨太平洋，全年汛期時間長、降水量大，如何在降水氣候特征研究中有效使用該數(shù)據(jù)集是下一步工作的重點。