區(qū)域自動(dòng)氣象站環(huán)境影響因素及災(zāi)害安全防范

毛佩柱 毛智政 汪 俊 馬士欽

秦皇島市氣象局 河北秦皇島 066000

1 概述

氣象觀測(cè)是氣象工作的基礎(chǔ),也是氣象服務(wù)、氣象決策的最重要的依據(jù),關(guān)系到社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生產(chǎn)生活甚至人們的安全。氣象觀測(cè)(探測(cè))工作十分重要。

臺(tái)站取得的氣象資料必須準(zhǔn)確地代表一個(gè)地區(qū)的氣象特點(diǎn),氣象資料應(yīng)具有代表性、準(zhǔn)確性和比較性,即觀測(cè)資料的“三性”。

氣象觀測(cè)站是氣象數(shù)據(jù)獲取的業(yè)務(wù)部門(mén),目前我國(guó)的氣象站的類型,主要為有業(yè)務(wù)人員值守的國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站,和無(wú)人值守的區(qū)域自動(dòng)氣象站。國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站由氣象觀測(cè)員進(jìn)行值守,觀測(cè)的氣象要素種類豐富,是我國(guó)氣候資料的主要數(shù)據(jù)源。無(wú)人值守的區(qū)域自動(dòng)氣象站,觀測(cè)的氣象要素根據(jù)氣象服務(wù)的需要,一般有單要素、2要素及多要素(4至7要素)。區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)量巨大,分布廣泛,是國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站的補(bǔ)充,使氣象服務(wù)人員獲取空間上更加詳細(xì)的氣象觀測(cè)資料,為氣象決策和氣象服務(wù)提供有力的數(shù)據(jù)支持。

區(qū)域自動(dòng)氣象站要取得區(qū)域性的氣象觀測(cè)資料,自動(dòng)站必須廣泛布設(shè)在一定的地理區(qū)域內(nèi),一般的情況下,合理的自動(dòng)氣象布設(shè)為每5～10平方千米架設(shè)一個(gè)自動(dòng)氣象站。

由于自動(dòng)氣象站分布范圍廣,而且對(duì)于地理環(huán)境復(fù)雜的地域,致使區(qū)域自動(dòng)氣象站的站址環(huán)境復(fù)雜,不僅對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的探測(cè)數(shù)據(jù)的代表性產(chǎn)生影響,有的甚至對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的運(yùn)行安全產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時(shí),這些因素都是在區(qū)域自動(dòng)氣象站選址中必須重視的。

因建設(shè)中各種復(fù)雜原因的影響,區(qū)域自動(dòng)氣象站難以達(dá)到《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的觀測(cè)環(huán)境條件,在數(shù)據(jù)的代表性上存在差距。在實(shí)際的選址中,由于站點(diǎn)附近土地權(quán)屬問(wèn)題,多數(shù)站點(diǎn)所在單位無(wú)法提供建站所需的理想探測(cè)環(huán)境。區(qū)域站站點(diǎn)受周邊環(huán)境影響嚴(yán)重,區(qū)域站周邊的山體、建筑、超高的樹(shù)木以及觀測(cè)場(chǎng)地外圍超高的雜草等,對(duì)區(qū)域站的風(fēng)向、風(fēng)速、降水、溫度等觀測(cè)有很大影響。

2 區(qū)域站的場(chǎng)地周邊環(huán)境對(duì)氣象要素觀測(cè)的影響

2.1 區(qū)域站周邊植物的影響

區(qū)域站的定位為無(wú)人型自動(dòng)觀測(cè),觀測(cè)場(chǎng)地?zé)o法像有人值守的國(guó)家級(jí)氣象臺(tái)站一樣達(dá)到對(duì)探測(cè)環(huán)境的維護(hù)嚴(yán)格要求。觀測(cè)場(chǎng)地周邊若為自然地貌時(shí),雜草自然生長(zhǎng),超過(guò)觀測(cè)規(guī)范要求,在植物生長(zhǎng)季節(jié),周邊過(guò)高的雜草、灌木等,對(duì)氣象數(shù)據(jù)將產(chǎn)生顯著影響。

在日常工作中,區(qū)域自動(dòng)站所在地周邊的雜草一般超過(guò)100cm高,按觀測(cè)規(guī)范要求,溫度和濕度傳感器的安裝高度為距地面150cm。過(guò)高的植物使植物的枝葉,距離百葉箱內(nèi)溫度和濕度傳感器的距離過(guò)近,對(duì)探測(cè)的溫度和濕度造成影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)雜草超高時(shí),對(duì)區(qū)域氣象站的溫度數(shù)據(jù)有明顯的影響,特別是晴天天氣條件下。當(dāng)雜草高度超過(guò)50cm時(shí),雜草場(chǎng)地的溫度出現(xiàn)夜間低于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地,白天高于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地溫度的特征。在晴天的夜間,草高在50cm時(shí),低于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地平均0.2℃,草高在100cm時(shí),低于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地平均0.3℃。在夏季晴天的白晝時(shí)段,草高在50cm時(shí),高于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地平均0.6℃,草高在100cm時(shí),高于標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地平均0.8℃,最大的溫差出現(xiàn)在14時(shí)時(shí)段內(nèi),最大溫差為1.0℃。見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)站周邊植物高度對(duì)溫度數(shù)據(jù)的影響

2.2 區(qū)域站周邊障礙物對(duì)風(fēng)的觀測(cè)的影響

為取得準(zhǔn)確的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),在《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中要求,國(guó)家氣象觀測(cè)站周?chē)系K物距離觀測(cè)場(chǎng)的距離,應(yīng)在障礙物高度的10倍距離以上。

通過(guò)障礙物對(duì)風(fēng)速影響的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速在5.0m/s時(shí),障礙物背風(fēng)面方向上的風(fēng)速衰減隨距離增大而減小,在5倍障礙物高度距離處平均約衰減35%,在10倍障礙物高度距離處平均約衰減12%;風(fēng)速大于5m/s時(shí),背風(fēng)面方向的風(fēng)速衰減,在大約5倍障礙物高度的距離處衰減70%,10倍障礙物高度的距離處平均約衰減25%。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)障礙物距離測(cè)站過(guò)近時(shí),障礙物對(duì)迎風(fēng)面方向的風(fēng)速也會(huì)產(chǎn)生影響,經(jīng)測(cè)試障礙物對(duì)風(fēng)速的影響距離為迎風(fēng)面上3倍建筑物高度。

障礙物的存在使測(cè)站的風(fēng)向的觀測(cè)受到影響,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)測(cè)站在障礙物的背風(fēng)面方向上,當(dāng)測(cè)站距障礙物距離為7倍建筑物高度;測(cè)站在障礙物的側(cè)向方向上,當(dāng)測(cè)站距障礙物距離為3倍建筑物高度;測(cè)站在障礙物的迎風(fēng)面方向上,當(dāng)測(cè)站距障礙物距離為1.5倍建筑物高度,測(cè)站觀測(cè)的風(fēng)向,與實(shí)際風(fēng)向出現(xiàn)明顯偏差。

由于區(qū)域站面積很小,秦皇島市一般的區(qū)域站的標(biāo)準(zhǔn)約6米×6米,很多特殊地點(diǎn)無(wú)觀測(cè)場(chǎng)地。由于較小的觀測(cè)場(chǎng)地,區(qū)域站的運(yùn)行極易受到外界環(huán)境因素影響。場(chǎng)地附近的高大樹(shù)木、人為因素,以及供電情況影響,從而影響區(qū)域站的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 特殊的站址環(huán)境對(duì)區(qū)域站安全性的影響

為更好地開(kāi)展氣象服務(wù),很多氣象站架設(shè)在海島、海岸、河邊、山地等地,這些特殊地段的環(huán)境,在惡劣天氣出現(xiàn)時(shí),可能對(duì)自動(dòng)氣象站的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響,甚至造成氣象站的損毀。建立在山地的自動(dòng)站因地勢(shì)較高,接地電阻偏高的影響,在雷雨天氣中,設(shè)備被雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)很大;建立在河流附近的自動(dòng)站,在暴雨天氣中,暴漲的河水可能造成設(shè)備的損壞;建立在海岸堤頭的自動(dòng)站,惡劣天氣下海浪對(duì)氣象站的威脅巨大。自動(dòng)站的損壞,造成惡劣天氣條件下氣象數(shù)據(jù)的缺測(cè),對(duì)防災(zāi)減災(zāi)等氣象服務(wù)和決策的開(kāi)展產(chǎn)生不利影響。因此在氣象站選址時(shí),應(yīng)對(duì)區(qū)域站所處場(chǎng)所的安全性進(jìn)行充分考慮,以避免區(qū)域站出現(xiàn)安全性事故而影響其運(yùn)行。

3.1 區(qū)域站的損毀過(guò)程實(shí)例分析

在實(shí)際工作中,區(qū)域站受惡劣天氣損壞的情況時(shí)有發(fā)生,在我市實(shí)際的運(yùn)行情況中,總共發(fā)生較大的自動(dòng)站安全問(wèn)題3次,均造成了區(qū)域站設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p毀,其中典型的為長(zhǎng)城游船碼頭站的在氣象和天文潮汐造成的惡劣天氣條件下造成的損毀。

長(zhǎng)城游船碼頭站建設(shè)在游船碼頭的堤頭,位于堤頭平臺(tái)的東側(cè),測(cè)站環(huán)境特殊,環(huán)境測(cè)站東側(cè)直面海洋,并缺乏防浪涌的沖擊設(shè)施。見(jiàn)圖2。2021年9月20日長(zhǎng)城游船碼頭站在惡劣天氣條件下被海浪損毀。從被摧毀的情況分析,區(qū)域站受到地形環(huán)境影響明顯,在出現(xiàn)較強(qiáng)的東風(fēng)及浪涌時(shí),自動(dòng)站承受的外界壓力較大,是區(qū)域站被毀壞的主要原因。

圖2 長(zhǎng)城游船碼頭站測(cè)站環(huán)境

3.1.1 區(qū)域站損毀時(shí)段的天氣背景

從2021年9月20日的850hpa天氣實(shí)況中,秦皇島地區(qū)位于低壓氣旋的北部,等高線密集,氣壓梯度大,是出現(xiàn)大風(fēng)天氣有利條件。見(jiàn)圖3。當(dāng)日為農(nóng)歷八月十四日,在天文上屬于天文潮汐較強(qiáng)期,在天氣條件的天文條件的效應(yīng)疊加下,本地出現(xiàn)了持續(xù)的偏東大風(fēng),并出現(xiàn)風(fēng)暴潮。

圖3 2021年9月20日08時(shí)850hpa天氣實(shí)況

3.1.2 區(qū)域站損毀時(shí)段的測(cè)站實(shí)況

在2021年9月20日的損毀中,秦皇島沿海各區(qū)域站均出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的偏東大風(fēng)天氣,各個(gè)站偏東風(fēng)向穩(wěn)定,持續(xù)時(shí)間超過(guò)20小時(shí)。從19日下午到長(zhǎng)城游船站損毀時(shí)刻,沿海各區(qū)域站測(cè)得的風(fēng)向均為穩(wěn)定偏東風(fēng)。秦皇島海域沿岸的5個(gè)區(qū)域站2分鐘平均風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間維持在10m/s以上,各測(cè)站的極大風(fēng)速均大于20m/s,其中翡翠島站極大風(fēng)速達(dá)到30m/s。長(zhǎng)城游船站自20日6時(shí)后到13時(shí)的損毀時(shí)刻,2分鐘平均風(fēng)速始終在15m/s以上。

由于受天文潮汐影響,長(zhǎng)城游船站附近水位較高,海水水位超過(guò)平臺(tái)高度,巨大海浪和浪涌劇烈沖擊測(cè)站,且作用時(shí)間持續(xù)。長(zhǎng)城游船站在惡劣災(zāi)害環(huán)境下?lián)p毀。

3.2 測(cè)站在災(zāi)害天氣中損毀的影響

自秦皇島建設(shè)區(qū)域站以來(lái)出現(xiàn)3次測(cè)站在災(zāi)害天氣中損毀的案例,區(qū)域站在災(zāi)害天氣中的損毀,不僅造成氣象部門(mén)設(shè)備的損壞,但更為重要的是,測(cè)站損毀后,災(zāi)害天氣下的氣象數(shù)據(jù)的缺失,可能影響氣候極值統(tǒng)計(jì),同時(shí)惡劣的災(zāi)害天氣,對(duì)公眾的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響,缺失的氣象數(shù)據(jù),對(duì)于地方政府的防災(zāi)減災(zāi)決策影響巨大。

4 區(qū)域自動(dòng)站選址中注意的問(wèn)題

區(qū)域站的環(huán)境對(duì)獲取準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)至關(guān)重要,區(qū)域站的安全對(duì)氣象設(shè)備的保護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行非常重要,因此在區(qū)域氣象站的站址選址時(shí),一定要高度重視區(qū)域站站址環(huán)境,認(rèn)真勘察,避免不利于區(qū)域站穩(wěn)定運(yùn)行的因素。

在可能的情況下,盡可能選擇地勢(shì)平坦開(kāi)闊,具備一定代表性的站址。由于區(qū)域站站址均選址在地方政府所在地,一般都是在所在單位的邊角地帶建站,場(chǎng)地受外墻、建筑、樹(shù)木的影響嚴(yán)重。在選址盡量選擇地勢(shì)開(kāi)闊處,若十分不理想,可考慮在野外選擇。

自動(dòng)站選址時(shí),特別是海岸、河邊及低洼地段選址,要時(shí)刻對(duì)站址附近進(jìn)行綜合觀察,避免影響自動(dòng)站安全的外界因素,選擇安全可靠的站址建站,避免自動(dòng)站在災(zāi)害天氣中的損失。常規(guī)地段,特別注意站址是否低洼,因低洼易積水地段,當(dāng)水位達(dá)到雨量器翻斗位置時(shí),雨量翻斗將不能翻動(dòng),造成儀器失效。

沿海地區(qū)在海岸堤頭選址,盡量選擇堤頭內(nèi)側(cè),不要在外側(cè)直面海洋,避免直接受到海浪沖擊,對(duì)于靠近海洋站區(qū)域站,應(yīng)加固測(cè)站基礎(chǔ)建設(shè),并在迎海面建設(shè)防浪涌沖擊設(shè)施。

對(duì)于建設(shè)在山地的區(qū)域站,建設(shè)時(shí)應(yīng)建設(shè)閉合防雷接地網(wǎng),接地電阻應(yīng)小于4Ω,必要時(shí)應(yīng)添加降阻劑,使接地電阻符合規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn),有效避免雷電的破壞。山地建設(shè)的區(qū)域站應(yīng)選址在開(kāi)闊地帶,避免建設(shè)在山腳低洼地帶,避免山體對(duì)測(cè)站風(fēng)向風(fēng)速的影響。

結(jié)語(yǔ)

區(qū)域自動(dòng)氣象站是對(duì)國(guó)家級(jí)氣象站氣象觀測(cè)的補(bǔ)充,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)和政府決策中提供了積極的參考依據(jù)。區(qū)域站的站址選擇十分重要,不僅直接影響探測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性,而且特殊地帶的環(huán)境,使區(qū)域站的安全穩(wěn)定造成影響,增加測(cè)站的損毀風(fēng)險(xiǎn)。因此在日常的區(qū)域站站址選擇時(shí),加強(qiáng)對(duì)區(qū)域站周邊環(huán)境的勘察,防范環(huán)境對(duì)區(qū)域站的不利影響。