黃渤海海域16個石油平臺站風速資料的初步質(zhì)量檢測

司鵬，梁冬坡，朱男男，羅傳軍

（1.天津市氣象局天津市海洋氣象重點實驗室，天津300074；2.天津市氣象局天津市氣象信息中心，天津300074；3.天津市氣象局天津市氣候中心，天津300074；4.天津市氣象局天津海洋中心氣象臺，天津300074）

1 引言

海洋氣象預報是促進沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、提高防災減災、加強環(huán)境保護等的重要依據(jù)之一。隨著海洋氣象事業(yè)的發(fā)展需求，近海常規(guī)資料的觀測無疑是深入了解海洋氣象信息的基礎(chǔ)保障。天津市氣象局于2016年開始逐步開展了近海海洋氣象觀測站建設工作，在黃渤海海域新建海上石油平臺站15個，并對海域內(nèi)已有4個站進行了更新升級。目前，這些站的一手觀測資料直接進入存儲系統(tǒng)供用戶使用。然而，在實際觀測過程中，海上平臺承載的儀器設備很容易受到人為因素或自然因素的影響導致傳感器靈敏度受損，使探測值產(chǎn)生奇異值，如果在業(yè)務或科研工作中使用了這些數(shù)據(jù)，勢必會造成分析結(jié)論的偏頗。質(zhì)量控制是確保資料代表性和準確性的重要環(huán)節(jié)。早在20世紀90年代前人在對海洋狀況分析中已然意識到這個問題[1-2]。鄭文振等[3]對中國的海平面研究中指出，為了滿足研究需要，所用數(shù)據(jù)必須經(jīng)過一系列的檢驗和質(zhì)量控制。同樣，沈佩玉[4]、郭豐義等[5]、王慧等[6]在研究海洋環(huán)境及海平面變化時也充分意識到觀測資料的質(zhì)量能夠直接影響分析結(jié)果和結(jié)論的可靠性。近年來，我國氣象資料的質(zhì)控技術(shù)得到了突破性進展，基本實現(xiàn)地面、高空、土壤水分等實時觀測數(shù)據(jù)疑誤信息的識別[7-9]，但對于海洋觀測資料的質(zhì)控技術(shù)研究相對甚少。

海浪和海上大風是海洋氣象預報的兩個重要方面，其中實時觀測的風速資料是建立人工預報方程及數(shù)值模式預報實況分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也是海上風能資源評估中的寶貴支撐[10]。但是在已有的許多研究中并沒有考慮風速資料的質(zhì)控問題。尹盡勇等[11]在評述我國海洋氣象監(jiān)測業(yè)務存在的不足時提出海上資料缺乏必要的質(zhì)量控制。張增海等[12]對渤海灣海域的風況特征及海陸風進行分析時采用了沒有經(jīng)過質(zhì)控處理的天津渤海A平臺實測風速資料。王國松等[13]同樣基于沒有質(zhì)控的A平臺實測風速數(shù)據(jù)對10 m風場再分析資料統(tǒng)計得到的我國近海風能分布進行了檢驗評估。武強等[14]對龍口至旅順海上航線大風實況處理研究中也是僅僅考慮了高度訂正等可能對風速資料質(zhì)量造成影響的因素。另外，值得注意的是我國目前海上常規(guī)觀測風速資料較為稀缺[10,15]，所以，如何能在現(xiàn)有條件下提高實測風速資料的可用性和代表性，充分發(fā)揮其應用價值，對提高海洋氣象預報準確率、精細化水平、近海風能資源評估等海洋氣象事業(yè)具有重要意義。

因此，我們擬對天津建設的海上石油平臺站觀測的風速資料進行質(zhì)量控制研究，為黃渤海海域智能網(wǎng)格預報風浪要素協(xié)同訂正、基于實況資料的數(shù)值模式網(wǎng)格預報偏差訂正等預報技術(shù)提供數(shù)據(jù)保障。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

研究中選取了黃渤海海域運行狀況良好的16個石油平臺監(jiān)測站，分布于渤海中部、渤海灣、遼東灣和萊州灣4個區(qū)域（見圖1），對其觀測的2 min風場和極大風風場逐時資料進行質(zhì)量控制分析。資料源自全國綜合氣象信息共享平臺（China Integrated Meteorological Information Sharing System，CIMISS），由天津市氣象信息中心提供。考慮到站點資料完整性和時間序列長度的一致性，這里將研究時段定義為2017年2—10月。CIMISS是由中國氣象局建設的，是一套覆蓋全國的，集數(shù)據(jù)收集與分發(fā)、質(zhì)量控制與產(chǎn)品生成、存儲管理、共享服務、業(yè)務監(jiān)控于一體的氣象信息共享業(yè)務系統(tǒng)，為氣象部門及相關(guān)行業(yè)用戶提供涵蓋綜合氣象探測數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品的更高質(zhì)量共享服務。

2.2 質(zhì)量控制方法

研究采用的風速資料質(zhì)控方法是綜合了地面氣象觀測資料質(zhì)量控制行業(yè)標準[16]及已有研究中用到的方法[17]，同時結(jié)合天津地區(qū)海洋氣象預報經(jīng)驗得到的。包括氣候?qū)W界限值檢查、內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、時間一致性檢查、空間一致性檢查及質(zhì)量控制綜合分析。質(zhì)控流程如圖2所示。具體方法如下：

（1）氣候?qū)W界限值檢查。0 m/s≤2 min平均風速＜75 m/s；0 m/s＜極大風速＜150 m/s。未通過檢查的數(shù)據(jù)視為錯誤數(shù)據(jù)。

（2）內(nèi)部一致性檢查。2 min平均風速≤極大風速；（2 min平均風速或極大風速）風向≥0°并且（2 min平均風速或極大風速）風速≠0 m/s。未通過檢查的數(shù)據(jù)視為錯誤數(shù)據(jù)。

（3）持續(xù)性檢查。當某個測站風速24 h樣本的標準差小于當日的最小值，則未通過該檢查，視為可疑數(shù)據(jù)。

（4）時間一致性檢查。過去1 h風速變化幅度的最小值為0.5 m/s，未通過檢查的數(shù)據(jù)視為可疑數(shù)據(jù)。

圖1 黃渤海海域16個海上石油平臺監(jiān)測站分布

表1 被檢站與其對應鄰近站信息

（5）空間一致性檢查。按照空間距離法選取3個鄰近測站（見表1），被檢站分別與其同一時間點進行比較，差值異常為可疑數(shù)據(jù)（這里選取的差值閾值為≥20.0 m/s）。

（6）質(zhì)量控制綜合分析。對上述檢查后的可疑資料進行綜合分析，辨別其正確與否。如果某測站同一時間點同時被上述（3）—（5）方法檢測出可疑，則視為錯誤數(shù)據(jù)。對檢查為錯誤的資料進行置缺處理。

值得注意的是，研究中16個海上石油平臺監(jiān)測站所處高度分別在30.3～60.0 m（見表1），由于大氣邊界層內(nèi)風速一般隨高度增加而增大，所以在空間一致性檢查中需要將石油平臺上測得的2 min平均或極大風速統(tǒng)一訂正到海平面以上10 m高度風速再進行比較，訂正方法采用常用的指數(shù)定律：

式中：uz為海平面上空z高度處風速，α為風速隨高度變化的冪指數(shù)，這里參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[18]定義α =0.12。

2.3 未通過檢查統(tǒng)計

研究中各個石油平臺站的逐時2 min 平均風速（或極大風速）資料錯誤率（Er）或可疑率（Sr）均利用檢查出的錯誤條數(shù)（Eq）或疑誤條數(shù)（Sq）與整個分析時段（N）（見表1）的比值來表示，如式（2）所示：

圖2 逐時風速資料質(zhì)量控制流程

3 結(jié)果分析

3.1 氣候?qū)W界限值和內(nèi)部一致性檢查

研究中對于氣候?qū)W界限值檢查和內(nèi)部一致性檢查中未通過的數(shù)據(jù)視為錯誤數(shù)據(jù)，直接進行置缺處理。通過分析得到16個石油平臺站2017年2—10月觀測的逐時2 min平均風速和極大風速均符合相關(guān)要素氣候?qū)W界限范圍，無錯誤數(shù)據(jù)。

對于內(nèi)部一致性檢查來說，16個站的風速資料均被檢測出了錯誤數(shù)據(jù)。但極大風速資料相對2 min平均風速的內(nèi)部一致性要好，如圖3所示，除了54630（大沽燈塔）、54649（渤中35號）、54743（渤中34號）、54745（墾利10號）站之外，其他12個站極大風速均無錯誤數(shù)據(jù)。而2 min平均風速均被檢查出了錯誤數(shù)據(jù)，特別是54630（大沽燈塔）和54745（墾利10號）兩個站，錯誤率分別達到了75.4%、25.5%，對應極大風速的錯誤率也分別達到了12.6%、24.1%。主要表現(xiàn)為觀測時次有正常的風向值但風速值為0.0 m/s，這也是其他14個站出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)的表現(xiàn)情況。同時，54743（渤中34號）站2 min平均風速和極大風速分別有0.4%、1.0%風速觀測值有誤。糾其原因主要是石油平臺上油煙較大、海上高濕、高鹽等環(huán)境因素影響造成了測風傳感器靈敏度受損，一定程度上導致了風速觀測值的異常。

3.2 持續(xù)性檢查

從圖4可以看出，在持續(xù)性檢查中，極大風速數(shù)據(jù)被檢測出的可疑率相對2 min平均風速要多，有10個站極大風速數(shù)據(jù)的可疑率達到3.0%～3.5%，而2 min平均風速資料的可疑率達到1.6%～2.1%的站僅有4個。其中，包括54468（錦州20號）、54553（綏中36）、54639（渤中13）、54646（A平臺）4個站，2類風速數(shù)據(jù)的可疑率均相對較多，對其是否為錯誤資料的判定我們將在質(zhì)量控制綜合分析時做進一步確定。

圖3 黃渤海海域16個海上石油平臺內(nèi)部一致性檢查

圖4 黃渤海海域16個海上石油平臺持續(xù)性檢查

3.3 時間一致性檢查

如圖5所示，在時間一致性檢查中，除54630（大沽燈塔）站外，其他15個站2 min平均風速和極大風速數(shù)據(jù)被檢測出的可疑率基本相當，分別為21.2%～28.5%、27.0%～34.7%。對于54630站來說，其2 min平均風速和極大風速數(shù)據(jù)的可疑率分別為18.8%、76.7%。在內(nèi)部一致性檢查中（見圖3），該站風速數(shù)據(jù)質(zhì)量相對最差，特別是2 min平均風速75.4%的數(shù)據(jù)均置為缺測，結(jié)合這里的檢查結(jié)果，說明該站有大量風速數(shù)據(jù)的時間變化規(guī)律不合理，資料的可用性相對較差。但同樣對于錯誤資料的定性還需進一步分析確定。

3.4 空間一致性檢查

通過分析檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖略），16個石油平臺站的空間一致性相對較好，正因為前期在內(nèi)部一致性檢查中去除了大量的錯誤數(shù)據(jù)，所以除54464（錦州25號）和54468（錦州20號）站以外，其他14個站與其鄰近站相同觀測時次風速值的差異均在合理數(shù)值范圍內(nèi)。但檢查出的數(shù)據(jù)可疑率相對較少，54464站2 min平均風速和極大風速分別有0.02%、0.04%的定時值可疑，而54468站的極大風速可疑數(shù)值量為0.12%，其中兩個站的極大風速可疑值達到了43.6～65.8 m/s。

3.5 質(zhì)量控制綜合分析

綜合上述持續(xù)性檢查、時間一致性檢查以及空間一致性檢查結(jié)果，對3類方法同時檢測出的疑誤數(shù)據(jù)視為錯誤數(shù)據(jù)，但也不排除每種方法檢測出的特殊異常值。通過分析并且結(jié)合16個石油平臺站風速傳感器的運行情況，除3.1節(jié)中置缺處理的錯誤數(shù)據(jù)外，對54464（錦州25號）站2 min平均風速和極大風速數(shù)據(jù)新確定了3條錯誤信息，對54468（錦州20號）、54630（大沽燈塔）兩個站的極大風速數(shù)據(jù)分別新確定6條和1128條錯誤信息。而其他13個站最終的錯誤數(shù)據(jù)均是3.1節(jié)中內(nèi)部一致性的檢查結(jié)果。

圖6給出了16個石油平臺站2017年2—10月風速觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量統(tǒng)計情況。圖中顯示，54630（大沽燈塔）站的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對最差，2 min平均風速和極大風速的錯誤率分別達到75.4%、35.4%；其次為54745（墾利10號）站，兩類風速數(shù)據(jù)的錯誤率分別達到25.5%、24.1%，進而導致這兩個站的可用性較差。而其他14個站風速數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較好，能夠為海洋氣象分析、風能資源評估等提供寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

因此，通過對風速數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測，我們發(fā)現(xiàn)石油平臺搭載的設備儀器往往會受到海上惡劣環(huán)境影響導致探測數(shù)據(jù)異常。所以，在使用之前進行系統(tǒng)嚴謹?shù)馁|(zhì)量控制是非常必要和重要的，只有清楚并解決海洋氣象資料中存在的質(zhì)量問題，才能保證業(yè)務應用、研究分析以及資料統(tǒng)計與加工的準確性。

圖5 黃渤海海域16個海上石油平臺時間一致性檢查

圖6 黃渤海海域16個海上石油平臺風速數(shù)據(jù)質(zhì)量

4 結(jié)論與展望

本研究基于氣候?qū)W界限值、內(nèi)部一致性、持續(xù)性、時間一致性及空間一致性等檢查方法對黃渤海海域16個石油平臺站2017年2—10月逐時風速資料進行了初步質(zhì)量檢測。通過綜合分析得到，有87.5%的海上平臺站風速觀測資料質(zhì)量較好，2 min平均風速和極大風速的錯誤率平均僅為1.1%、0.1%左右，主要反映在內(nèi)部一致性較差，但其能夠為黃渤海海域的氣象預報等提供基礎(chǔ)支撐。與此同時，由于海上環(huán)境等因素影響造成12.5%的平臺站風速資料可用性較差，這些資料除內(nèi)部一致性較差以外，時間和空間一致性也相對較差，特別是極大風速。

因此，通過對風速資料的質(zhì)量檢測，一方面得到了海上平臺站儀器探測資料在整個觀測時段一定會受到環(huán)境或人為等因素影響，導致一段時期或某個時間點的資料失去其真實性。所以，在利用海上觀測資料進行分析之前，需要進行必要的質(zhì)量控制，否則一定程度上會造成統(tǒng)計結(jié)果的偏頗。另一方面從臺站維護角度，為保證觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，技術(shù)保障部門有必要對海上儀器設備進行定期巡檢，并且定期對觀測的資料進行質(zhì)量評估，這樣對資料的使用多一份保障。

另外，從技術(shù)手段來看，目前海上常規(guī)觀測資料的質(zhì)量控制方法有限，本研究在持續(xù)性和時間一致性檢查中檢測到了部分可疑數(shù)據(jù)，但最終沒有對其定性為錯誤數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生勢必有其原因。所以，好多問題資料通過常規(guī)的質(zhì)量控制技術(shù)很難被發(fā)現(xiàn)，在今后的研究工作中，可以結(jié)合衛(wèi)星遙感等非常規(guī)資料以及更為先進的數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)，研發(fā)具有針對性的海上觀測資料質(zhì)量控制方法。