調(diào)優(yōu)站網(wǎng)布局融合鄉(xiāng)村振興提升氣象服務(wù)精細的思考

曹久才，吳 輝，楊經(jīng)博，劉建忠

（1門頭溝區(qū)氣象局，北京102300；2北京市氣象局，北京100081）

0 引言

隨著國內(nèi)大氣探測業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)進入了新的發(fā)展階段。區(qū)域自動氣象站是國內(nèi)綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分，學者們對區(qū)域自動氣象站做了一定研究。夏澤雄等[1]針對區(qū)域自動氣象站建設(shè)過程中的站址選擇、現(xiàn)場施工、雷電防護以及日常維護等方面進行了總結(jié)性闡述；李雁等[2]從主要技術(shù)路線、實現(xiàn)的主要功能以及建設(shè)中所采用的關(guān)鍵技術(shù)等方面介紹了中國區(qū)域自動氣象站運行監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)情況。利用區(qū)域自動站豐富的氣象要素資料，可分析各站點雨量差異以及不同季節(jié)和天氣狀況下各站點氣象要素的變化規(guī)律。張立杰等[3]利用深圳市103個自動站氣溫觀測資料研究城市熱島現(xiàn)象；劉偉東等[4]利用北京地區(qū)自動站的降水觀測資料聚類分析北京地區(qū)降水特征，研究發(fā)現(xiàn)北京西部降水集中出現(xiàn)在6月逐日18—20時、7月逐日23時—次日03時，降水小時數(shù)最多，降水強度不大，降水量不大。區(qū)域自動氣象站具有分布面積廣、資料獲取準確度高、時空分辨率高、傳輸及時、并能獲取空白區(qū)域資料的特點，使國內(nèi)地面觀測網(wǎng)對天氣系統(tǒng)特別是中小尺度天氣系統(tǒng)和災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力大大加強，在氣象服務(wù)中也得到廣泛應(yīng)用。龔佃利等[5]、李欣等[6]采用Barnes逐步訂正客觀分析、帶通濾波等方法建立了基于自動氣象站高時空分辨率實時觀測資料的精細天氣分析和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)；丁立善等[7]、趙建軍[8]、宋歌[9]利用區(qū)域自動站資料作短時臨近預報預警方面進行了研究；山義昌等[10]利用自動氣象觀測站資料從中小尺度天氣系統(tǒng)的識別、人工影響天氣作業(yè)時機的選擇、人工增雨作業(yè)效果評估3個方面總結(jié)了其在人工影響天氣作業(yè)中的應(yīng)用；江海生等[11]研究了2006—2008年區(qū)域氣象觀測降水與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況的關(guān)系，并提出了有針對性防范山洪地質(zhì)災(zāi)害的方案和流程；張萬東等[12]利用天柱縣區(qū)域自動氣象站在實際天氣個例中的應(yīng)用分析，探索區(qū)域自動氣象站在防災(zāi)減災(zāi)中的運用；陸霞等[13]總結(jié)認為，區(qū)域自動站觀測資料的應(yīng)用提高了定點、定時、定量預報的準確率，提高了農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測能力；巫志剛[14]認為利用隨時監(jiān)測到實時的氣象要素資料，實行科技農(nóng)業(yè)，對各農(nóng)事有著很好的指導作用。很多學者對區(qū)域自動氣象站的建設(shè)、觀測資料的分析以及在氣象服務(wù)中的應(yīng)用研究較多，但在區(qū)域自動站調(diào)優(yōu)方面研究較少，尤其是對北京西部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的門頭溝區(qū)研究更少。何光碧等[15]利用西南區(qū)域自動站資料進行區(qū)域模式預報影響的同化試驗分析，總結(jié)同化自動站資料對不同個例改善程度不同，認為其對極端強降水事件改善最為顯著。門頭溝區(qū)地處北京市西部，是與河北交界的山區(qū)，有著獨特的地理環(huán)境，地形復雜，溝壑多，局地性強對流天氣多發(fā)。2017年6月18日門頭溝區(qū)與河北交界山區(qū)出現(xiàn)強降水，形成局地山洪，引發(fā)災(zāi)情。但京冀兩地氣象部門觀測站監(jiān)測到的雨量均在10 mm左右，凸顯京冀交界區(qū)、山洪溝等隱患點災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力不足。因此，亟需在京冀交界山區(qū)門頭溝區(qū)加密布設(shè)自動氣象站，對門頭溝區(qū)山洪、泥石流易發(fā)區(qū)等重點區(qū)域的進行有效探測，為當?shù)卣块T提供精細化氣象服務(wù)，達到防災(zāi)減災(zāi)的目的，融入鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中。

筆者針對北京西部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)門頭溝區(qū)防災(zāi)減災(zāi)需求，聚焦門頭溝重點山洪溝、泥石流等隱患重點區(qū)，分析了門頭溝區(qū)2018年區(qū)域氣象站調(diào)優(yōu)情況以及調(diào)優(yōu)前后不同地形的降雨分布特點，并結(jié)合實例分析區(qū)域氣象站調(diào)優(yōu)在鄉(xiāng)村振興和精細化氣象服務(wù)中發(fā)揮的效果，并提出相關(guān)建議，提升對門頭溝重點山洪溝、泥石流等隱患重點區(qū)的氣象監(jiān)測能力，為提升應(yīng)對門頭溝區(qū)災(zāi)害性天氣的防災(zāi)減災(zāi)能力和應(yīng)急響應(yīng)能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 門頭溝區(qū)自動氣象站布局情況

1.1 2017年自動氣象站網(wǎng)整體布局

2017年門頭溝區(qū)共有33個氣象觀測站（或點），其中，2個國家一般氣象觀測站分別在門頭溝城區(qū)和齋堂鎮(zhèn)；其他31個區(qū)域自動氣象站（六要素站14個、溫雨站7個、單雨量站10個）分布在門頭溝區(qū)九鎮(zhèn)四街。從圖1可以看出，東部平原地區(qū)自動氣象站相對密集，10 km左右1套；西部深山區(qū)自動氣象站相對稀疏，最遠相距21 km；門頭溝區(qū)北部與河北交界處自動氣象站分布更稀疏，不利于邊界處雨情信息收集。

圖1 2017年門頭溝區(qū)自動氣象站網(wǎng)分布圖

1.2 2018年自動氣象站網(wǎng)整體布局

1.2.1 2018年自動氣象站建設(shè)情況 2018年北京市氣象局依托“十三五”工程項目，以京冀兩地實際需求為牽引、以防災(zāi)減災(zāi)為目的，在京冀交界的門頭溝區(qū)山洪泥石流易發(fā)區(qū)等隱患重點區(qū)的監(jiān)測能力薄弱環(huán)節(jié)加密布設(shè)自動氣象站。按照門頭溝區(qū)氣象災(zāi)害風險評估與區(qū)劃[16]，2018—2019年門頭溝區(qū)新建六要素氣象站4個、溫雨氣象站22個，合理兼顧了重點村、人口密集區(qū)、流域和山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等重點區(qū)。

從圖2可以看出，2018—2019年門頭溝區(qū)自動氣象站數(shù)量達59個，平均7 km左右1個，分布廣泛、布局較合理，尤其是與河北交界處新增自動氣象站，實時觀測上游天氣情況和“客水”來源、降水量，及時準確了解上游地區(qū)降水等氣象資料，提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測預警聯(lián)防能力，為地方氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)打下堅實基礎(chǔ)，減少因氣象災(zāi)害引發(fā)的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

圖2 2019年門頭溝區(qū)區(qū)域自動氣象站網(wǎng)分布圖

1.2.2 2018年自動氣象站地理分布 門頭溝區(qū)根據(jù)地理位置分為門城區(qū)（平原）、淺山區(qū)、深山區(qū)。門城區(qū)有3個鎮(zhèn)、3個街道辦事處，土地面積少，卻集中了全區(qū)60%以上的人口；淺山區(qū)有3個鎮(zhèn)、1個街道辦事處，為全區(qū)特色林果特別是鮮果的主要產(chǎn)區(qū)；深山區(qū)有3個鎮(zhèn)，占地面積大，以干果為主的特色林果，產(chǎn)量在全區(qū)占有重要的地位。從不同海拔高度地區(qū)自動氣象站分布情況（圖3）可以看出，自動氣象站在門城區(qū)（平原）、淺山區(qū)、深山區(qū)均有分布，分別為6、16、37個。其中，海拔最高的自動氣象站為靈山站，海拔高度1669 m；其次為向陽水站，海拔高度1475 m；永定站海拔最低，海拔僅96 m。許顯花等[17]研究同仁地區(qū)精細化降水分布特征，可掌握降水量分布情況，可直接服務(wù)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)級預報預警服務(wù)。所以不同海拔高度上均有自動氣象站的分布，實時監(jiān)測雨情等氣象信息，可以為研究不同海拔高度地區(qū)小氣候特征提供數(shù)據(jù)支撐，有利于防災(zāi)減災(zāi)，同時對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也起到良好的作用，

圖3 門頭溝區(qū)不同海拔高度地區(qū)自動氣象站分布情況

2 門頭溝區(qū)汛期降雨情況

2.1 2006—2017年汛期降水量分布

對不同海拔高度汛期平均降水量的分布情況進行分析，有利于提高強對流天氣預報預警服務(wù)針對性、有效性。分析2006—2017年不同海拔高度地區(qū)的自動氣象站汛期平均降水量分布情況（圖4），汛期平均降水量最小值出現(xiàn)在向陽口站，最大值出現(xiàn)在東山村站，且海拔高度低的門城區(qū)汛期平均降水量(456.5 mm)多于中、高海拔的山區(qū)（分別為382.9、390.0 mm），說明不同海拔高度地區(qū)的汛期平均降水量存在明顯的地域性差異。段志方等[18]也發(fā)現(xiàn)不同海拔高度降水分布存在很大差異，同一緯度、同一迎風面上，海拔越高，降水量就越大；孔玲[19]對張家口市區(qū)到張北縣狼窩溝30 km不同海拔高程的降水特性的差異進行了研究，同樣發(fā)現(xiàn)降水量隨地勢的不同差異顯著，壩頭一帶降水量偏大，其余2處差異不顯著。

圖4 2006—2017年不同海拔高度地區(qū)自動氣象站汛期平均降水量分布情況

2.2 2018年汛期降水量分布

優(yōu)化自動氣象站網(wǎng)分布之后，2018年不同海拔高度地區(qū)的自動氣象站降水量（7—9月）分布情況如圖5所示。中、高海拔地區(qū)新建自動氣象站的降水量較大，平均降水量分別為382.8、423.3 mm，大于低海拔的門城區(qū)平均降水量(335.7 mm)，與優(yōu)化自動氣象站網(wǎng)分布之前的汛期平均降水量規(guī)律有所差異。說明自動氣象站優(yōu)化加密之后，雨量信息遺漏較少，能更全面地反映門頭溝區(qū)實際降雨情況，更準確地提供精細化的雨情氣象信息，有利于進一步完善預報、預警服務(wù)體系，為決策服務(wù)和公眾服務(wù)提供保障支撐。

圖5 2018年7—9月不同海拔高度地區(qū)自動氣象站降水量分布

3 自動氣象站實際效果檢驗

2018年門頭溝區(qū)自動氣象站網(wǎng)不斷完善，大大提高了對暴雨、局地強對流天氣實況的監(jiān)測能力，準確及時反映局地突發(fā)性災(zāi)害天氣實況。結(jié)合本區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展特點，全面開展防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)，有效發(fā)揮了自動氣象站網(wǎng)的作用。2018年新建的清水鎮(zhèn)小龍門、洪水口等站點在7月2—3日發(fā)生強降雨天氣過程中發(fā)揮實效，彌補了山區(qū)復雜地形的自動氣象站的空缺，如圖6所示。通過實時監(jiān)測局地強降雨變化情況，結(jié)合雷達、衛(wèi)星云圖等資料分析天氣情況，及時、精準地發(fā)布實時服務(wù)信息和預警信息，為領(lǐng)導決策、鄉(xiāng)村人員轉(zhuǎn)移提供了科學支撐。整個過程監(jiān)測到雨量小龍門137.9 mm、洪水口114.5 mm，達到暴雨量級，清水鎮(zhèn)共完成小龍門村4戶7人、洪水口村1戶1人的轉(zhuǎn)移工作，成功解除了強降雨帶來的人員生命財產(chǎn)的損失，服務(wù)效果受到當?shù)卣目隙ā?/p>

圖6 2018年7月2日13時—3日09時降水分布情況

4 思考與探討

氣象數(shù)據(jù)資料要素場變化規(guī)律對于系統(tǒng)性的天氣預報預警能夠起到較好的指示作用，但對于局地性較強的強對流來說，不易尋找規(guī)律，較難在災(zāi)害性天氣出現(xiàn)前做出判斷，是臨近預報預警的另一個難點。區(qū)域自動氣象站具有分布面積廣、獲取的氣象資料準確度高、時空分辨率強、傳輸及時等特點，并且減少了復雜地形下人類無法進行連續(xù)觀測的盲區(qū)，在大氣探測領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用，在氣象服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用[20]。而區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)，又大大增加了氣象資料的空間、時間密度，實現(xiàn)了對短時突發(fā)性和局地性災(zāi)害天氣的實時、連續(xù)監(jiān)測，提高了氣象部門對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力和突發(fā)事件應(yīng)急救援氣象保障服務(wù)能力，為各級黨政領(lǐng)導能夠隨時掌握各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實時氣象信息情況，做好防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學決策依據(jù)。

區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)，不是一勞永逸的，而是一個不斷升級改進的過程；區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)，并不只是簡單的設(shè)備安裝，而是后續(xù)的維護使用，并協(xié)助氣象部門不斷提升氣象預報預警服務(wù)水平[21-22]。門頭溝區(qū)目前的區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)取得了一定成效，但更應(yīng)該思考如何更高效、更合理化進行后續(xù)區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)和管理，進一步高效發(fā)揮精密監(jiān)測能力，從而將基層氣象部門的精細化氣象服務(wù)融入門頭溝區(qū)政府鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略之中，在全國氣象部門形成良好的示范作用。

4.1 加強現(xiàn)有氣象站網(wǎng)管理

加強設(shè)備的升級改造。要保證數(shù)據(jù)的準確性，就必須保證儀器的正常運轉(zhuǎn)，日常維護區(qū)域自動氣象站不容忽視，應(yīng)進一步利用好現(xiàn)有場地進行設(shè)備的智能化觀測升級；對于通訊網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋或較差的地區(qū)，且選址位置又是關(guān)鍵的地方，采集器設(shè)備能否升級為雙卡雙待；無線通迅設(shè)施的建設(shè)還需地方政府的進一步協(xié)調(diào)溝通，解決一些深山區(qū)關(guān)鍵溝域無線網(wǎng)絡(luò)信號的問題，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼！Ｓ绕溲雌趯τ谝装l(fā)生山洪、距離較長的溝域上游，要加強設(shè)備的巡視力度，避免災(zāi)害性天氣發(fā)生設(shè)備故障帶來的隱患。建立長效機制，應(yīng)明確專門人員進行裝備保障工作，加強監(jiān)管。

4.2 加密建設(shè)氣象站網(wǎng)

在開展防災(zāi)減災(zāi)工作時，繼續(xù)優(yōu)化完善重點區(qū)域氣象災(zāi)害監(jiān)測能力，在氣象災(zāi)害高影響區(qū)和高海拔區(qū)域、流域等氣象觀測空白區(qū)，進一步增加區(qū)域自動氣象站的建設(shè)，可從均勻向不均勻調(diào)優(yōu)站網(wǎng)布局。在群眾活動密集區(qū)、經(jīng)濟社會發(fā)展關(guān)鍵區(qū)、國家重要基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)、生態(tài)易災(zāi)脆弱區(qū)、偏遠和人口稀疏區(qū)，因地制宜地完善氣象災(zāi)害加密監(jiān)測站網(wǎng)并升級智能化觀測設(shè)備[23-24]。

4.3 加強多種氣象方式融合應(yīng)用

區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)和使用對汛期暴雨的實時監(jiān)測很重要，能夠及時監(jiān)測局地雨量的變化情況、雨強大小、時間的持續(xù)性等。結(jié)合天氣圖、數(shù)據(jù)預報產(chǎn)品、X波段雷達、衛(wèi)星云圖、云雷達的情況分析，可以方便、準確、及時地進行短時臨近暴雨預報預警[25-27]；此外，結(jié)合定量化的氣象災(zāi)害風險評估方法，推進氣象災(zāi)害風險的實時動態(tài)研判和分析，發(fā)揮氣象服務(wù)精細手段，為地方政府領(lǐng)導決策提供科學依據(jù)。

4.4 完善氣象監(jiān)測體系機制

區(qū)域自動氣象站觀測站網(wǎng)較廣泛的覆蓋范圍和較強的時空分辨率以及信息傳輸能力，能夠更精準地收集小尺度范圍內(nèi)的氣象信息，及時監(jiān)測地形復雜地區(qū)的天氣實況，提前預測災(zāi)害性天氣的發(fā)生，有利于促進開展區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作。針對農(nóng)業(yè)、生態(tài)、交通、旅游等重點服務(wù)領(lǐng)域，加強與相關(guān)部委、企業(yè)和用戶團體的合作，鼓勵社會力量積極參與氣象站網(wǎng)建設(shè)，大力提升滿足服務(wù)對象個性化需求的專業(yè)氣象觀測能力[28-29]。在更大程度上提高區(qū)域災(zāi)害性天氣精密監(jiān)測和精細化預報預警能力，進而為防災(zāi)減災(zāi)工作的有效開展創(chuàng)造便利的條件。

5 結(jié)論

門頭溝區(qū)地形復雜、局地性強對流天氣頻發(fā)、多發(fā)，給當?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)安全造成了極大威脅。優(yōu)化建設(shè)區(qū)域自動氣象站網(wǎng)，大大增加了氣象資料的空間、時間密度，實現(xiàn)了對短時突發(fā)性和局地性災(zāi)害天氣的實時、連續(xù)監(jiān)測，提高了氣象部門對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力和突發(fā)事件應(yīng)急救援氣象保障服務(wù)能力，并在實際強降雨過程中發(fā)揮實效，為各級黨政領(lǐng)導能夠隨時掌握各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實時氣象信息情況，做好防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學決策依據(jù)。進一步高效、合理進行區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)和管理尤為重要，可從加強現(xiàn)有氣象站網(wǎng)管理、加密建設(shè)氣象站網(wǎng)、加強多種氣象方式融合應(yīng)用、完善氣象監(jiān)測體系機制4個方面入手，高效發(fā)揮自動氣象站監(jiān)測精密能力，將基層氣象部門的精細化氣象服務(wù)融入門頭溝區(qū)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略之中，在全國氣象部門形成良好的示范作用。