貴州省常規(guī)站異常分鐘降水量的分析與處理

支亞京，廖婷婷，魯 霞，白鐵男，黃 鈺

(1.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

地面氣象站降水量觀測是天氣預報、氣象防災、氣象服務的必要參考。近年來，地面氣象觀測自動化后，減輕了基層臺站工作壓力并提升基層臺站工作效率。在實際工作中發(fā)現(xiàn)，觀測環(huán)境、人為干擾等因素都會對觀測結(jié)果的精準度產(chǎn)生影響，容易出現(xiàn)降水量觀測異常和觀測結(jié)果不準確等情況，資料失去了利用價值[1-4]。

近年來，已有不少氣象工作者針對這類問題做過一些研究，如唐紅玉等[5]采用相關、合成等統(tǒng)計診斷方法，對重慶2017年秋季降水異?，F(xiàn)象進行成因分析；白賢利[6]闡述了氣象觀測降水的概念，并整理了近年來自動站觀測到的幾種降水異常情況以及處理措施；塔吉古·托合提塔等[7]根據(jù)自動氣象站雨量傳感工作原理，對喀什地區(qū)出現(xiàn)的異常降水情況進行分析，并提出相應解決辦法；范存飛等[8]通過對比DSG4型降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)與人工平行觀測數(shù)據(jù)，分析了降水現(xiàn)象儀誤差因子的產(chǎn)生原因和誤差作用程度，并探討了DSG4型降水現(xiàn)象儀的日常維護及故障分析處理方法。但是由于地域不同，出現(xiàn)的異常情況并不統(tǒng)一。貴州是典型的西南山地省，強降水[9-10]天氣發(fā)生時降水量異常情況產(chǎn)生的原因復雜。本文針對發(fā)生降水量異常的幾個地面常規(guī)站降水量數(shù)據(jù)，分別從硬件、軟件以及觀測環(huán)境等方面入手分析其異常原因，依據(jù)當前業(yè)務規(guī)范提出合理的處理方法，盡量提高降水量數(shù)據(jù)的準確性，提高氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 降水異常特征

通過對臺站的小時累計降水量按臺站排序的方法來篩查異常臺站，小時累計降水量最大的臺站與臨近站的小時累計降水量相差較大的，被認為是該臺站的降水量可能是異常偏大的，異常降水量常規(guī)站具體信息如表1所示。

表1 異常降水量常規(guī)站具體信息

單純用小時累計降水量判斷其是否異常不十分可靠，需要結(jié)合分鐘降水量、雷達回波強度[7]及與降水關聯(lián)的其它要素變化情況進行分析，最終判斷是否為異常數(shù)據(jù)。

2 異常原因分析及處理

2020年6月以來，發(fā)現(xiàn)有多個地面常規(guī)觀測站發(fā)生分鐘降水量異常，立即收集降水量相關資料進行排查，初步判斷存在外界電磁環(huán)境對降水量信號干擾。為進一步確定其原因，組織技術人員攜帶現(xiàn)場電磁環(huán)境測試儀器、相關備件等趕赴站點了解情況和排查分析。

針對表1中的4個疑似有問題的臺站進行了現(xiàn)場檢查。通過檢查臺站環(huán)境、設備安裝規(guī)范性、周邊電磁環(huán)境、雨量信號狀況等，并讀取采集器中歷史分鐘降水量數(shù)據(jù)進行分析，同時現(xiàn)場對雨量傳感器作標定。我們判斷除了草原站之外的3個站的降水量數(shù)據(jù)是正常的。

2.1 個例分析

以草原站為例進行原因分析。2020年6月07日01時的小時降水量為110.6 mm，該時段內(nèi)多次出現(xiàn)8.1～13.2 mm范圍內(nèi)的分鐘降水量，數(shù)據(jù)非?？梢?，分鐘降水量序列如圖1所示?，F(xiàn)場測量雨量信號線與大地之間絕緣嚴重下降，只有2MΩ左右，已經(jīng)低于正常值幾個量級，可能是由于電纜線內(nèi)進水、電纜老化等原因所致；該站安裝于一個廠房后院內(nèi)，附近有高壓輸電塔，且風桿上纏繞有用途不明的交流電纜線。綜合上述情況，初步判斷該站電磁環(huán)境對雨量信號產(chǎn)生雜波干擾，從而使采集器采集到錯誤的降水量信號，造成降水量異常。技術人員對采集器進行了更換，備用采集器在信號輸入端增加更加嚴格的濾波措施，增強了對雜波干擾的抑制能力。建議臺站工作人員更換雨量信號線和清理現(xiàn)場非觀測設備的其他設施。

圖1 草原站2020年06月07日01時分鐘降水量序列

2.2 進一步分析

根據(jù)技術小組對于雙翻斗雨量傳感器的測試數(shù)據(jù)，雨量傳感器的極限測量上限范圍是7.5～9.7 mm左右。當雨強大時，傳感器測量結(jié)果會偏大，即現(xiàn)場測到6 mm以上的分鐘降水量，實際降水量可能更小。當降水強度為7 mm/min時，測量誤差范圍是-6%～-1%，符合《地面氣象自動觀測規(guī)范(第一版)》中對降水量測量指標的規(guī)定[5](測量誤差范圍為±5%)。當降水強度為8 mm/min時，測量誤差范圍是-22%～-3%；當降水強度為9 mm/min時，測量誤差范圍是-43%～-2%。由于雨量傳感器對9 mm以上的分鐘降水量也是能夠測量的，且測量值偏小，因此，我們確定分鐘降水量7 mm以上的為異常數(shù)據(jù)，需要進一步核實。

以分鐘降水量7 mm為閾值，對數(shù)據(jù)庫中的分鐘降水量數(shù)據(jù)進行篩選，共檢出51個臺站有疑誤數(shù)據(jù)。對篩選出的分鐘降水量可疑的臺站作進一步分析，確認其狀況是否與草原站相似，如是否存在線纜問題、周邊有高壓電線、私拉電線等安裝環(huán)境情況。采用上述篩查方法，根據(jù)采集器的特性，未出現(xiàn)在篩出結(jié)果列表中的臺站，其測量性能是可以信任的，不需要進行現(xiàn)場處理；也可以進一步根據(jù)臺站安裝環(huán)境情況，最終決定是否采取預防性升級措施。為了從根本上解決這些臺站的后顧之憂，安排技術人員到現(xiàn)場協(xié)助進行檢查和采集器升級工作。同時，對分鐘降水量低于閾值的臺站也進行了數(shù)據(jù)分析，例如碧峰站2020年6月12日04時的小時累計降水量達到163.3 mm，從圖3碧峰站04時的分鐘降水量序列圖可以看出，分鐘降水量的變化是正常的，其中最大的分鐘降水量達到6.4 mm，從之后的災情報道來看，該小時累計降水量也是可信的。

圖2 碧峰站2020年6月12日04時分鐘降水量序列

除上述情況外，有7個站因為分鐘降水量超過6 mm或8 mm的前后一段時間的累計降水量在10 mm左右，向臺站核實情況后得知，這些分鐘強降水是現(xiàn)場降水量儀器校準造成的。

2.3 異常處理方法

當氣象資料業(yè)務處理系統(tǒng)中提示降水量數(shù)據(jù)可疑或錯誤時，可以采取以下方法進行判斷和處理：

第一，排查觀測儀器是否有故障。確認儀器故障時，分鐘降水量作缺測處理。

第二，調(diào)取實況格點產(chǎn)品數(shù)據(jù)對其臨近站分鐘降水量等進行綜合性對比分析。當出現(xiàn)孤站大量值且連續(xù)幾個時次，基本可以判斷為數(shù)據(jù)錯誤，賦予質(zhì)量控制碼為2；如果是單個時次出現(xiàn)孤站大雨量值，這種情況是有可能的，需要結(jié)合雷達回波強度進一步分析。如果當前時次降水時間段內(nèi)雷達回波強度≥50 dBz時，可以判斷其降水量是正確的，賦予質(zhì)控碼為0。

第三，針對多要素站點，可以依據(jù)降水量相關要素進行判斷處理。如果當前時次氣溫驟降，相對濕度上升，風速變大時，可以判斷該數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，賦予質(zhì)控碼0。

除以上人工判斷情況外，其他情況需要向臺站工作人員核實當?shù)貙嶋H情況賦予質(zhì)控碼。

3 結(jié)論

針對貴州省部分地面氣象觀測常規(guī)站分鐘降水量異常的問題，分別從觀測儀器、觀測環(huán)境、人為干擾和電磁干擾等方面開展降水異常故障排查工作。為提高地面氣象觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，一是臺站運維人員需定期檢定觀測儀器，保證儀器正常穩(wěn)定運行；二是業(yè)務值班人員要對監(jiān)測流程以及數(shù)據(jù)分析等情況充分了解，采取相應的異常處理方法，根據(jù)實際氣象條件作出合理判識，賦予相應的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制碼。