四川省區(qū)域自動(dòng)氣象站資料的質(zhì)量評估

吳 薇， 郭 旭， 尹 娟， 杜 冰

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072; 2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072)

引 言

國家級氣象觀測站(以下簡稱“國家站”)因其記錄時(shí)間長且資料相對準(zhǔn)確完整而被廣泛用于天氣氣候變化的研究中[1-6]。由于國家站主要建設(shè)在市縣一級，站點(diǎn)稀疏，無法滿足日益增長的社會需求，特別是對局地災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、決策服務(wù)等的數(shù)據(jù)支撐能力明顯不足，因此從20世紀(jì)90年代末，全國陸續(xù)開展區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站(以下簡稱“區(qū)域站”)的建設(shè)[7]。截至目前，全國已建成4萬多個(gè)區(qū)域站。作為地面觀測的有力補(bǔ)充，區(qū)域站因其覆蓋范圍廣、信息量大等優(yōu)勢，且觀測資料在強(qiáng)降水、高溫、大風(fēng)等區(qū)域性災(zāi)害天氣分析和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用，在決策服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮了巨大的作用[8-12]。

由于區(qū)域站無人值守，探測設(shè)備和探測環(huán)境維護(hù)保障不及時(shí)，區(qū)域站的數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，制約區(qū)域站資料被廣泛深入應(yīng)用[13]。2015年開始，中國氣象局在全國各省統(tǒng)一部署氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)，對地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、統(tǒng)一的質(zhì)量控制，在一定程度上降低了自動(dòng)氣象站觀測疑誤數(shù)據(jù)對天氣監(jiān)測、預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、氣象服務(wù)可能造成的不利影響。

目前，部分省份已針對四川省的地面觀測數(shù)據(jù)情況進(jìn)行了評估分析[13-20]。在四川復(fù)雜地形下，經(jīng)過質(zhì)量控制的區(qū)域站資料的完整性、穩(wěn)定性和可靠性尚待評估。本文通過對四川省已建的近5000個(gè)區(qū)域站逐小時(shí)資料質(zhì)量的評估分析，以期為區(qū)域站數(shù)據(jù)在區(qū)域氣候研究、防災(zāi)減災(zāi)、決策服務(wù)及站網(wǎng)布局等各方面的應(yīng)用提供客觀依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文資料來自于四川省各區(qū)域站逐小時(shí)觀測資料。截至2017年底，四川省共啟用4930個(gè)區(qū)域站進(jìn)行地面氣象要素的觀測。其中，國家考核的為2190站，省級考核的為1555站，不參與考核的為1185站。從區(qū)域站站點(diǎn)空間分布(圖1)可以看出，大部分區(qū)域站建在四川盆地內(nèi)，川西高原和攀西地區(qū)站點(diǎn)相對稀疏。

區(qū)域站按觀測要素個(gè)數(shù)來分，有單要素站、二要素站、四要素站、五要素站、六要素站和六要素以上站。從四川省區(qū)域站觀測要素站點(diǎn)類型的統(tǒng)計(jì)(表略)來看，數(shù)量最多的是單要素站(主要是降水觀測)，為2161站，占所有區(qū)域站的43.83%；其次是二要素站和四要素站。區(qū)域站的主要觀測要素包括氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、淺層地溫和能見度。從區(qū)域站觀測要素的統(tǒng)計(jì)來看,觀測要素最多的是降水，全省除了1站無降水觀測外，其他4929站都有降水觀測任務(wù)；其次是氣溫，全省共有2769個(gè)區(qū)域站有氣溫觀測，占所有區(qū)域站的56.17%；有風(fēng)、相對濕度、氣壓、淺層地溫、能見度觀測的區(qū)域站分別為1762站、678站、664站、6站、8站；而淺層地溫和能見度的觀測站點(diǎn)很少，所以本文質(zhì)量分析不包括淺層地溫和能見度這兩個(gè)要素。

圖1 2018年四川省區(qū)域站空間分布圖

1.2 方 法

本研究中，評估分析的對象為2018年1月1日至12月31日的逐小時(shí)區(qū)域站資料，評估的要素包括氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速和降水5大類共17個(gè)要素。

依托氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)，所有區(qū)域站資料經(jīng)過了氣候?qū)W界限值、區(qū)域極值、時(shí)間一致性、內(nèi)部一致性、空間一致性等質(zhì)量控制和檢查[21-27]。本文在完整性、可用性和可靠性這3個(gè)方面對資料進(jìn)行評估分析。

2 質(zhì)量評估分析

2.1 資料完整性

缺測情況是反映觀測資料完整性的重要指標(biāo)之一，缺測量越少,說明其完整度相對越高[19-20]。2018年，區(qū)域站的缺測數(shù)為13357392個(gè)，占數(shù)據(jù)總量(268581600個(gè))的4.97%。從各站平均數(shù)據(jù)缺測率的月變化(圖2)可以看出，數(shù)據(jù)缺測率有明顯的季節(jié)變化規(guī)律：4-9月為四川省的汛期，全省區(qū)域站保障力度增強(qiáng)，數(shù)據(jù)缺測率相對偏低；1-3月和10-12月為非汛期，數(shù)據(jù)缺測率明顯升高。國家考核站各月的平均數(shù)據(jù)缺測率相對最低，省級考核站的居中，非考核站的最高。

數(shù)據(jù)的缺測分為整站資料缺測和部分要素缺測。整站資料缺測，主要是區(qū)域站設(shè)備故障、通信故障或者站址被破壞等原因造成，部分要素缺測主要是因?yàn)橄鄳?yīng)要素儀器故障或者要素值異常且無法代替而主動(dòng)做缺測造成。2018年，整站資料的缺測數(shù)為12665041個(gè)，占總?cè)睖y量的94.82%；要素缺測數(shù)為692351個(gè)，占總?cè)睖y量的5.18%。

圖2 2018年四川省區(qū)域站平均數(shù)據(jù)缺測率月變化

資料的完整性還體現(xiàn)在依據(jù)資料能否計(jì)算出日、旬、月、年等統(tǒng)計(jì)值。這些統(tǒng)計(jì)值能否計(jì)算得出取決于每日02、08、14、20時(shí)的定時(shí)觀測記錄值是否完整(降水除外)[28]。從氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)各定時(shí)時(shí)次的缺測率(表1)來看，各時(shí)次各要素的缺測率都在6.3%以內(nèi)，風(fēng)的缺測率最低，為4.36%～4.50%，氣溫的次之。對各要素定時(shí)時(shí)次的完整性分析表明，氣溫缺測率為0的站有1300多個(gè)，占有氣溫觀測站(2769站)的47%；降水的統(tǒng)計(jì)與其他要素的統(tǒng)計(jì)略有不同，為各時(shí)次的累計(jì)值，2018年降水缺測率小于0.1%的站有2500個(gè)，占有降水觀測站(4929站)的51%。

表1 2018年四川省區(qū)域站各氣象要素定時(shí)時(shí)次缺測率 %

2.2 資料可用性

可用的資料指通過氣候?qū)W界限值、時(shí)間一致性、空間一致性等質(zhì)量控制后判定為正確(正確值)或通過主觀判斷修改為正確值的數(shù)據(jù)(修改值)。本文用數(shù)據(jù)的可用率[(正確數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)+修改為正確數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù))/數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)]對資料可用性進(jìn)行分析。2018年，區(qū)域站數(shù)據(jù)正確量為252641298個(gè)，修改量為1164個(gè)，數(shù)據(jù)可用率為94.76%。下面分別從資料可用性的月變化特征、日變化特征和空間分布情況進(jìn)行分析。

2.2.1 數(shù)據(jù)可用率月變化特征

從2018年各月數(shù)據(jù)可用率變化情況(圖3)可以看出，各月的數(shù)據(jù)可用率均大于90%，且呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，6-9月為四川的主汛期，數(shù)據(jù)可用率相對比較高，都在95%以上，而冬半季數(shù)據(jù)可用率相對偏低。

圖3 2018年四川省區(qū)域站數(shù)據(jù)可用率月變化

2.2.2 數(shù)據(jù)可用率日變化特征

利用站點(diǎn)逐小時(shí)觀測資料，計(jì)算一天24個(gè)時(shí)次的可用率，以分析區(qū)域站可用率的日變化特征。從數(shù)據(jù)可用率日變化曲線(圖4)可以看出，除03時(shí)外，各個(gè)時(shí)次的可用率都為94%～95%，白天數(shù)據(jù)可用率高于夜間的，在18時(shí)可用率達(dá)到峰值后，夜間至凌晨逐漸呈現(xiàn)下降的趨勢，從早上08時(shí)開始數(shù)據(jù)可用率逐步上升。在一天24個(gè)時(shí)次中，出現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)據(jù)可用率低值，分別在03時(shí)和15時(shí)。

2.2.3 數(shù)據(jù)可用率空間分布特征

四川省區(qū)域站數(shù)據(jù)可用率超過99%的有3513站，占所有區(qū)域站的71.26%。從數(shù)據(jù)可用率空間分布圖(圖5)可以看出，數(shù)據(jù)可用率超過99%的站主要集中在四川盆地和攀枝花地區(qū)；數(shù)據(jù)可用率低于90%的站為535個(gè)(占10.85%)，主要分布于四川盆地與高原交界的區(qū)域及高原地區(qū)地勢低洼的地方，這是因?yàn)檫@些區(qū)域地形地貌復(fù)雜，維護(hù)困難，以及站點(diǎn)設(shè)備通訊、電力保障不足。

圖4 2018年四川省區(qū)域站數(shù)據(jù)可用率日變化

圖5 2018年四川省區(qū)域站數(shù)據(jù)可用率空間分布

2.3 資料可靠性

本研究中，區(qū)域站資料的可靠性是通過與經(jīng)過質(zhì)量控制的國家站資料的對比分析來評估。四川省目前有156個(gè)國家站，各站均有降水、氣溫、氣壓、相對濕度和風(fēng)等要素的觀測。下面分別對四川省區(qū)域站的降水、氣溫、氣壓、相對濕度和風(fēng)速等要素資料的可靠性進(jìn)行評估分析。

2.3.1 降 水

在四川省所有區(qū)域站中，僅有一站沒有降水觀測。2018年，國家站最大小時(shí)降水量為85.3 mm，發(fā)生在8月22日05時(shí)自貢榮縣站；區(qū)域站最大小時(shí)降水量為126.2 mm，發(fā)生在6月26日13時(shí)樂山峨眉山市雙福鎮(zhèn)。國家站最大小時(shí)降水和區(qū)域站最大小時(shí)降水分別對應(yīng)四川省2018年兩次強(qiáng)降水過程。下面就這兩次強(qiáng)降水過程對區(qū)域站降水資料的可靠性進(jìn)行分析。

2.3.1.1 2018年8月22日降水過程

8月22日降水過程中，國家站最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在自貢榮縣，為85.3 mm；區(qū)域站最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在眉山丹棱縣石橋鄉(xiāng)，為103.7 mm。2018年8月21日20時(shí)-22日20時(shí)24 h累積降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，國家站24 h最大累積降水量出現(xiàn)在自貢榮縣，為162.8 mm；區(qū)域站24 h最大累積降水量出現(xiàn)在樂山沙灣區(qū)福祿鎮(zhèn)，為167.6 mm。從24 h累積降水量空間分布(圖6)可知，區(qū)域站和國家站的強(qiáng)降水區(qū)域基本一致，都集中在盆地南部、西南部和東北部。

圖6 四川省2018年8月22日過程24 h累積降水量空間分布

2.3.1.2 2018年6月26日降水過程

6月26日降水過程中，國家站最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在26日15時(shí)樂山夾江，為32.9 mm；區(qū)域站最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在26日13時(shí)樂山峨眉山市雙福鎮(zhèn)，為126.2 mm。2018年6月25日20時(shí)-26日20時(shí)24 h累積降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，國家站24 h最大累積降水量出現(xiàn)在廣元青川，為111.4 mm;區(qū)域站24 h最大累積降水量出現(xiàn)在雅安雨城區(qū)孔坪李壩村，為369.7 mm。從24 h累積降水量空間分布(圖7)可知，區(qū)域站觀測的降水量級更大，部分站點(diǎn)觀測的降雨量級達(dá)到大暴雨；區(qū)域站和國家站觀測的強(qiáng)降水區(qū)域基本一致，主要發(fā)生在盆地西側(cè)沿山一帶。

圖7 四川省2018年6月26日過程24 h累積降水量空間分布

從兩次強(qiáng)降水的分析可以看出，區(qū)域站觀測的降水量級明顯大于國家站的，體現(xiàn)出降水的局地性特征；在降水落區(qū)上，區(qū)域站和國家站的基本一致。這說明區(qū)域站降水資料是穩(wěn)定可靠的。

2.3.2 氣 溫

四川省有氣溫要素觀測的區(qū)域站有2769站。2018年，國家站觀測的最低氣溫出現(xiàn)在阿壩州紅原站，為-24.2 ℃；區(qū)域站觀測的最低氣溫出現(xiàn)在甘孜州白玉縣阿察鎮(zhèn)，為-29.3 ℃。國家站觀測的最高氣溫出現(xiàn)在瀘州市敘永縣，為42.3 ℃；區(qū)域站觀測的最高氣溫出現(xiàn)在瀘州市合江縣福寶鎮(zhèn)，為47.9 ℃。

從區(qū)域站和國家站氣溫的日變化特征和小時(shí)變化特征來看(圖8)，區(qū)域站和國家站觀測的氣溫有明顯的季節(jié)變化和日變化規(guī)律，符合四川省氣候特征，而且區(qū)域站和國家站觀測的逐日和逐時(shí)平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫都呈現(xiàn)完全一致的變化趨勢(平均最高氣溫和平均最低氣溫圖略)。從區(qū)域站與國家站的氣溫差值日序圖(圖9a)可以看出，最高氣溫的變化幅度最大，為-2～2 ℃，最低氣溫的次之，平均氣溫的變化幅度最小，為-1～1 ℃。從區(qū)域站和國家站日氣溫均值和極值統(tǒng)計(jì)來看(表2)，區(qū)域站日平均氣溫及平均最高、最低氣溫的最大值和平均值均大于國家站的，而最小值除日平均最低氣溫外則是國家站的高于區(qū)域站的。就平均值而言，區(qū)域站和國家站的日平均最低氣溫的差值最大，為0.5 ℃；就極值而言，區(qū)域站和國家站日平均最高氣溫最大值相差最大，為1.7 ℃。從區(qū)域站與國家站的氣溫差值時(shí)序圖(圖9b)可知，17-22時(shí)區(qū)域站平均氣溫、平均最高和最低氣溫略低于國家站的，其余時(shí)次均是區(qū)域站的高于國家站的(差值>0表示區(qū)域站氣溫高于國家站的，差值<0則表示區(qū)域站氣溫低于國家站的)；區(qū)域站與國家站的平均氣溫、平均最高和最低氣溫最大差值集中在09時(shí)和10時(shí)。

圖8 2018年四川省區(qū)域站與國家站氣溫時(shí)間變化圖

圖9 2018年四川省區(qū)域站與國家站氣溫差值時(shí)間變化圖

2.3.3 氣 壓

區(qū)域站有氣壓要素觀測的為664站。利用逐小時(shí)可用的本站氣壓數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)逐日四川省區(qū)域站和國家站的平均氣壓(圖10)。從圖10中可以看出，區(qū)域站和國家站的逐日平均氣壓具有一致的變化趨勢，冬季氣壓高于夏季的，符合氣壓的季節(jié)變化規(guī)律。區(qū)域站的平均氣壓明顯低于國家站的，這主要是氣壓與海拔高度的相關(guān)性(海拔升高，氣壓降低)引起的。根據(jù)區(qū)域站與國家站的逐日海拔高度差值換算氣壓差值，與區(qū)域站和國家站的逐日氣壓差值進(jìn)行比較(圖11)。區(qū)域站平均海拔為1159.6 m，國家站平均海拔為1099.2 m，兩者相差60 m左右，約6.7 hPa。經(jīng)過海拔高度換算后的氣壓差值與逐日平均氣壓差值幾乎一致，說明區(qū)域站的氣壓值與國家站的較為吻合。

表2 2018年四川省區(qū)域站和國家站日平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫統(tǒng)計(jì) ℃

圖10 2018年四川省區(qū)域站和國家站平均氣壓日序圖

圖11 2018年四川省區(qū)域站與國家站海拔高度差值換算氣壓差值與氣壓差值日序圖

2.3.4 相對濕度

區(qū)域站有相對濕度要素觀測的為678站。利用逐小時(shí)可用的相對濕度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)逐日四川省區(qū)域站和國家站的平均相對濕度(圖12)。從圖12中可以看出，區(qū)域站與國家站的相對濕度變化趨勢一致，大多數(shù)情況下區(qū)域站的平均相對濕度高于國家站的，經(jīng)分析主要與區(qū)域站和國家站的站點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。

圖12 2018年四川省區(qū)域站和國家站平均濕度日序圖

2.3.5 風(fēng) 速

區(qū)域站有風(fēng)速要素觀測的為1762站。利用逐小時(shí)可用的2 min風(fēng)速數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)逐日四川省區(qū)域站和國家站的平均風(fēng)速(圖13)。從圖13中可以看出，區(qū)域站與國家站的日平均風(fēng)速變化趨勢完全一致，區(qū)域站的日平均風(fēng)速比國家站的低0.4 m/s，這主要與兩者的站點(diǎn)數(shù)量差異和風(fēng)的局地性特征有關(guān)。

圖13 2018年四川省區(qū)域站和國家站平均風(fēng)速日序圖

3 結(jié)論與討論

通過對2018年四川省4930個(gè)區(qū)域站資料的完整性、可用性、可靠性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出：

(1)四川省區(qū)域站資料的完整性較好，其中國家考核站的最好，省級考核站的次之，非考核站的最差。區(qū)域站的缺測主要是整站資料的缺測。經(jīng)分析，主要是設(shè)備故障、通信故障、供電不足或站址被破壞等造成的缺測。

(2)區(qū)域站資料的可用性較好，數(shù)據(jù)可用率較高的區(qū)域站主要集中在四川盆地和攀枝花地區(qū)，而數(shù)據(jù)可用率較低的區(qū)域主要是四川盆地與高原交界的地區(qū)及高原地區(qū)地勢低洼的地方。

(3)從區(qū)域站降水資料的可靠性分析來看，兩次強(qiáng)降水過程區(qū)域站和國家站觀測的降水落區(qū)都基本一致，說明區(qū)域站降水資料穩(wěn)定可靠；區(qū)域站的降水量級明顯大于國家站的，體現(xiàn)出降水的局地性特征。

(4)從區(qū)域站氣溫資料的可靠性分析來看，無論是日變化還是小時(shí)變化，區(qū)域自動(dòng)氣象站和國家自動(dòng)氣象站觀測的平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫都具有高度一致的變化規(guī)律，相關(guān)性非常好。

(5)從區(qū)域站氣壓、相對濕度和風(fēng)資料的可靠性分析來看，區(qū)域自動(dòng)氣象站和國家自動(dòng)氣象站上述要素的日變化趨勢完全一致，差異主要與區(qū)域站和國家站的站點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。

總體來說，區(qū)域站相對于國家站，站網(wǎng)分布更密集，質(zhì)量控制后的區(qū)域站能更精細(xì)地反映區(qū)域氣候特征，可以作為國家站資料的有效補(bǔ)充,應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測、防災(zāi)減災(zāi)和決策服務(wù)中。