浙江省區(qū)域站融雪性降水識(shí)別與判斷淺析

木顯英 何利德 吳書(shū)成

(1.洞頭縣氣象局，浙江 洞頭 325700；2.寧波市氣象局，浙江 寧波 315000；3.浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 杭州 310017 )

浙江省區(qū)域站融雪性降水識(shí)別與判斷淺析

木顯英1何利德2吳書(shū)成3

(1.洞頭縣氣象局，浙江 洞頭 325700；2.寧波市氣象局，浙江 寧波 315000；3.浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 杭州 310017 )

冬季降雪期，部分區(qū)域站因?yàn)榉e存了積雪，導(dǎo)致在天氣轉(zhuǎn)好后因氣溫逐漸升高而出現(xiàn)融雪性降水。本文利用國(guó)家站的天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，并對(duì)降雪天氣過(guò)程作了一定程度的合理簡(jiǎn)化，通過(guò)分析國(guó)家站與區(qū)域站的天氣現(xiàn)象關(guān)系得到一個(gè)積雪關(guān)系函數(shù)，以此識(shí)別出積雪站；定義了一個(gè)積雪站融雪指標(biāo)，以其判斷融雪性降水。在對(duì)一場(chǎng)典型降雪天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)以后，結(jié)果表明本文算法有較好的質(zhì)控效果，但仍需在以后的工作中繼續(xù)研究改進(jìn)。

融雪;積雪關(guān)系函數(shù);融雪指標(biāo);質(zhì)量控制

0 引 言

浙江省地處長(zhǎng)江中下游，每年冬季，浙江北部和中部地區(qū)常常會(huì)下雪，安裝在這些地區(qū)的區(qū)域自動(dòng)氣象站的翻斗式雨量傳感器積存了積雪，這種情況會(huì)導(dǎo)致兩種不同的后果。一是在降雪期間，這些區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)到的降水量失真。二是在降雪停止后，因氣溫逐漸升高，積雪慢慢融化，導(dǎo)致在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)，產(chǎn)生融雪性降水野值。顯然，這種情況下觀測(cè)到的降水量資料必須要經(jīng)過(guò)質(zhì)控處理才能應(yīng)用。對(duì)這類(lèi)融雪產(chǎn)生的降水野值的處理實(shí)際上涉及到兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是要識(shí)別哪些區(qū)域站積雪了，二是判斷積雪了的區(qū)域站何時(shí)開(kāi)始融雪何時(shí)結(jié)束。在判斷融雪方面，常用的有度-日模型和能量平衡模型[1]。在判斷積雪方面，光學(xué)與微波遙感衛(wèi)星可以監(jiān)測(cè)大范圍的積雪狀況[2-5]，但分辨率有所欠缺。

在浙江省，當(dāng)出現(xiàn)一次明顯的降雪天氣過(guò)程后，有人值守的國(guó)家站會(huì)在白天開(kāi)展每小時(shí)一次的天氣現(xiàn)象加密觀測(cè)，在6、7、8、11、14、17、20時(shí)(北京時(shí))進(jìn)行雪深觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到省級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，這為分析工作提供了便利。本文利用國(guó)家站的天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，并對(duì)降雪天氣過(guò)程作一定程度的合理簡(jiǎn)化，推斷了區(qū)域站的積雪狀況。

1 國(guó)家站與區(qū)域站積雪關(guān)系分析

首先，根據(jù)浙江省國(guó)家站的歷史觀測(cè)資料，可以統(tǒng)計(jì)出各站出現(xiàn)降雪的頻次分布。本文中以日為次數(shù)單位，凡某站某日出現(xiàn)降雪或有積雪記錄的則定義為出現(xiàn)降雪一次，按此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)了1970—2013年期間浙江省各國(guó)家站的降雪次數(shù)，并繪制成等值線(xiàn)圖(圖1a)。可見(jiàn)浙江省降雪日數(shù)的地理分布呈明顯的環(huán)狀分布，從浙西北向浙東南逐漸減少，大值中心在浙西北的天目山地區(qū)，次中心在紹興與寧波交接的四明山區(qū)。因此，考慮在一場(chǎng)較為典型的降雪天氣過(guò)程中，降雪區(qū)域的分布情況，依據(jù)降水的相態(tài)自西北向東南大體上可以把它劃分成3個(gè)區(qū)域(圖1b)。

其中A區(qū)域是固態(tài)降水區(qū)，即純降雪區(qū)。B區(qū)域是混合降水區(qū)，即雨夾雪區(qū)。C區(qū)域是液態(tài)降水區(qū)，即純降雨區(qū)。A區(qū)域肯定會(huì)出現(xiàn)積雪區(qū)域站，并有融雪性降水野值，是本文融雪降水野值質(zhì)控處理的主要對(duì)象。B區(qū)域可能隨降隨化，當(dāng)區(qū)域站積雪時(shí)會(huì)出現(xiàn)融雪降水野值。C區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)融雪降水野值，可以不用考慮。由于區(qū)域站并沒(méi)有實(shí)時(shí)的天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，因此考慮用國(guó)家站的天氣現(xiàn)象資料來(lái)推斷區(qū)域站的天氣狀況，每個(gè)國(guó)家站與其所轄區(qū)域站之間的積雪關(guān)系可以用表1簡(jiǎn)化表示如下。

設(shè)國(guó)家站的天氣現(xiàn)象為自變量x，其所轄區(qū)域站的積雪情況為因變量y，則每個(gè)國(guó)家站與其所轄區(qū)域站之間的積雪關(guān)系可表示成函數(shù)y=f(x)，它是一個(gè)離散函數(shù)，x可取7種值，對(duì)應(yīng)y有7種分布，我們也可將其改寫(xiě)成多項(xiàng)式形式，

f(x)=f(x1)+f(x2)+f(x3)+f(x4)+

f(x5)+f(x6)+f(x7)

(1)

現(xiàn)在對(duì)函數(shù)f(x)進(jìn)行逐項(xiàng)分析，

圖1a 浙江省國(guó)家站1970—2013年降雪日數(shù)分布 圖1b一場(chǎng)典型降雪天氣過(guò)程區(qū)域分布

表1 國(guó)家站與區(qū)域站積雪關(guān)系

首先我們知道降雪是一種大尺度的天氣過(guò)程，一般都有一個(gè)較大的地理分布范圍，與局地性很強(qiáng)的夏季強(qiáng)對(duì)流天氣不同，這是下面分析工作的一個(gè)大前提。

第①種情況，對(duì)應(yīng)f(x1)。

第②種情況，對(duì)應(yīng)f(x2)，但哪些區(qū)域站積雪了并不知道。由于國(guó)家站已經(jīng)出現(xiàn)積雪，我們便假設(shè)其轄區(qū)內(nèi)區(qū)域站均處于A區(qū)，或至少大部分區(qū)域站均有積雪，作為近似處理，暫時(shí)把轄區(qū)內(nèi)所有區(qū)域站識(shí)別為積雪站。

第④種情況，對(duì)應(yīng)f(x4)，國(guó)家站無(wú)積雪，所轄區(qū)域站全部有積雪，基于f(x3)的分析，可以認(rèn)為f(x4)也是一個(gè)小概率事件，實(shí)際出現(xiàn)的可能性極小，本文不予考慮。

第⑤種情況，對(duì)應(yīng)f(x5)，國(guó)家站觀測(cè)到固態(tài)降水或固液混合降水，但國(guó)家站無(wú)積雪，部分區(qū)域站有積雪，表明該縣處于A區(qū)至B區(qū)的過(guò)渡地帶，且只有小部分區(qū)域站積雪。此時(shí)單靠國(guó)家站的天氣現(xiàn)象資料已經(jīng)無(wú)法判斷哪些區(qū)域站積雪。因此，對(duì)于f(x5)，我們提出如下判別步驟與指標(biāo)。

其次，根據(jù)“主要降雪過(guò)程時(shí)段”計(jì)算出氣溫指標(biāo)。設(shè)f(x1)、f(x2)對(duì)應(yīng)國(guó)家站及積雪區(qū)域站的總數(shù)為S，計(jì)算這S個(gè)站在“主要降雪過(guò)程時(shí)段”內(nèi)的平均氣溫t，以反映該場(chǎng)降雪天氣過(guò)程的平均溫度狀況。(此處也可以用小時(shí)最低氣溫計(jì)算，實(shí)際計(jì)算表明平均整點(diǎn)氣溫與平均最低氣溫相差不大)。計(jì)算f(x5)對(duì)應(yīng)的各區(qū)域站在“主要降雪過(guò)程時(shí)段”內(nèi)的平均氣溫，當(dāng)其小于等于氣溫指標(biāo)t時(shí)就判別該區(qū)域站為積雪站。

第⑥種情況，對(duì)應(yīng)f(x6)，處于B區(qū)與C區(qū)的過(guò)渡地帶，基于上面相同的分析，也可以認(rèn)為這種情況實(shí)際出現(xiàn)的概率很小，本文不予考慮。

第⑦種情況，對(duì)應(yīng)f(x7)，處于B區(qū)與C區(qū)的過(guò)渡地帶，國(guó)家站只觀測(cè)到液態(tài)降水，如果所轄區(qū)域站的海拔高度較高，也有出現(xiàn)積雪的可能。浙江省區(qū)域站平均海拔高度約170 m，海拔高度大于500 m的約占9%，大于1000 m的約占1%。海拔高度大于500 m的區(qū)域站65%分布在浙西南的麗水與浙南的溫州地區(qū)，因此考慮到高山站的數(shù)量并不多，且其積雪判斷也比較復(fù)雜，故本文不予考慮。

經(jīng)過(guò)上述分析，得到簡(jiǎn)化的國(guó)家站與區(qū)域站積雪關(guān)系函數(shù)f(x)，

f(x)=f(x1)+f(x2)+f(x5)

(2)

2 積雪站融雪指標(biāo)分析

根據(jù)積雪關(guān)系函數(shù)f(x)篩選出一批積雪區(qū)域站，預(yù)計(jì)這些站將會(huì)出現(xiàn)融雪，其他區(qū)域站稱(chēng)為非積雪站。顯然，融雪過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間在“主要降雪天氣過(guò)程結(jié)束時(shí)間”之后。需要注意的是積雪站在降雪過(guò)程中由于緩慢融化等原因也會(huì)產(chǎn)生微量降水，但在總體上，可以預(yù)期它比非積雪站觀測(cè)到的降水量小一些。在融雪期，情況正好相反，積雪站因融雪了，其平均觀測(cè)到的降水量應(yīng)比非積雪站大一些。因此，可以在整個(gè)降雪天氣過(guò)程前后時(shí)段，計(jì)算出積雪站與非積雪站逐小時(shí)平均降水量。設(shè)積雪站逐小時(shí)平均降水量為R1，非積雪站逐小時(shí)平均降水量為R2，定義一個(gè)積雪站融雪指標(biāo)為d，則有：

(3)

當(dāng)融雪指標(biāo)d>0時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為融雪開(kāi)始時(shí)間。

考慮到雪后天晴，區(qū)域站里的積雪逐漸融化要有一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，可以根據(jù)實(shí)際天氣情況延后一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段作為融雪結(jié)束時(shí)間，直至融雪降水野值消失或下一次降水過(guò)程來(lái)臨。

因?yàn)槿谘┙邓块g接對(duì)應(yīng)著積雪深度，若把這些融雪降水量作合計(jì)，則得到各區(qū)域站的累計(jì)融雪量，它也可以用來(lái)估計(jì)各區(qū)域站的積雪深度分布情況。

3 實(shí)例檢驗(yàn)

3.1 由積雪關(guān)系函數(shù)f(x)識(shí)別積雪站

受西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響，2014年2月12—13日浙江省出現(xiàn)一次明顯降雪天氣過(guò)程，全省大部分地區(qū)都出現(xiàn)降雪，13日上午降雪過(guò)程基本結(jié)束，全省大部分地區(qū)天氣轉(zhuǎn)為晴天，局地仍有弱降水。降雪過(guò)程結(jié)束氣溫逐漸升高后，許多區(qū)域站出現(xiàn)明顯的融雪性降水。

全省觀測(cè)到固態(tài)降水或固液混合降水，且出現(xiàn)積雪的國(guó)家站共有33個(gè)(M=33)，分析這批站的天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，滿(mǎn)足c=0.7時(shí)，主要降雪過(guò)程開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間分別為12日14時(shí)和13日10時(shí)。33個(gè)國(guó)家站所轄區(qū)域站有775個(gè)，其中770個(gè)區(qū)域站安裝有雨量傳感器，根據(jù)積雪關(guān)系函數(shù)f(x)的(2)式，這770個(gè)區(qū)域站就是f(x1)、f(x2)識(shí)別出的積雪站。

f(x1)、f(x2)對(duì)應(yīng)國(guó)家站及積雪區(qū)域站的總數(shù)為803個(gè)(S=803)，計(jì)算這803個(gè)站在“主要降雪過(guò)程時(shí)段”(12日14時(shí)—13日10時(shí))內(nèi)的平均氣溫t=0.4℃。(此處用平均最低氣溫計(jì)算時(shí)t=0.3 ℃)。由f(x5)對(duì)應(yīng)的各區(qū)域站滿(mǎn)足“主要降雪過(guò)程時(shí)段”平均氣溫≤0.4℃的有97個(gè)，此即為f(x5)識(shí)別的積雪站。

由此，得到全部積雪站合計(jì)為867，非積雪站合計(jì)為1332。由(3)式計(jì)算逐小時(shí)平均降水量和積雪站融雪指標(biāo)d，得知d>0時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為13日9時(shí)，與主要降雪過(guò)程的結(jié)束時(shí)間13日10時(shí)比較，可知9—10時(shí)積雪已開(kāi)始逐漸融化，因此確定10時(shí)為融雪開(kāi)始時(shí)間。降雪天氣過(guò)程前后積雪站融雪指標(biāo)d逐小時(shí)變化曲線(xiàn)如圖2所示。

將主要降雪過(guò)程時(shí)段和融雪過(guò)程時(shí)段按積雪站、非積雪站分別統(tǒng)計(jì)小時(shí)平均氣溫及小時(shí)平均降水量，制成表2，可見(jiàn)氣溫可以很好地用來(lái)刻畫(huà)積雪站與非積雪站的特征，降水量對(duì)非積雪站來(lái)說(shuō)在整個(gè)降雪天氣過(guò)程中變化不明顯，但對(duì)積雪站而言，降雪過(guò)程與融雪過(guò)程的小時(shí)平均降水量差異顯著。

圖2 降雪天氣過(guò)程前后融雪指標(biāo)d逐小時(shí)變化

表2 積雪站/非積雪站在降雪、融雪過(guò)程的平均氣溫及平均降水量

3.2 積雪站識(shí)別準(zhǔn)確率分析

在2月13日上午降雪過(guò)程結(jié)束后，局地仍有弱降水維持了一段時(shí)間。在2月13日10—20時(shí)期間，累計(jì)降水量>0 mm的區(qū)域站有1567個(gè)，若把累計(jì)降水量<1 mm作為弱降水處理，則累計(jì)降水量≥1 mm的區(qū)域站有967個(gè)，這些區(qū)域站的平均累計(jì)降水量為6.4 mm。

由積雪關(guān)系函數(shù)f(x1)、f(x2)識(shí)別出的積雪區(qū)域站有770個(gè)，其中實(shí)際出現(xiàn)累計(jì)降水量大于0 mm的有686個(gè)，這些站點(diǎn)的地理分布如圖3所示。f(x5)識(shí)別出的97個(gè)積雪區(qū)域站實(shí)際出現(xiàn)累計(jì)降水量大于0 mm的有53個(gè)，這些站點(diǎn)的地理分布如圖4所示。實(shí)際出現(xiàn)累計(jì)降水量大于0 mm的區(qū)域站合計(jì)739個(gè)，其平均累計(jì)降水量為6.6 mm，還有31個(gè)站累計(jì)降水量為0 mm，說(shuō)明這些站未出現(xiàn)積雪或無(wú)降水。

圖3 686個(gè)區(qū)域站的地理分布

圖4 53個(gè)區(qū)域站的地理分布

在2月12日14時(shí)—13日10時(shí)這個(gè)主要降雪過(guò)程時(shí)段里全省區(qū)域站的累計(jì)降水量分布情況如圖5所示，13日10時(shí)—20時(shí)全省區(qū)域站的累計(jì)降水量分布情況如圖6所示。圖5與圖6直觀地展現(xiàn)了積雪區(qū)域站的分布情況，且由積雪關(guān)系函數(shù)f(x)識(shí)別出的積雪站基本上落入了實(shí)際降雪區(qū)。若把967個(gè)區(qū)域站作為真實(shí)的積雪站，則積雪站點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)確率為76.4%。

圖5 12日14時(shí)—13日10時(shí)全省區(qū)域站累計(jì)降水量分布

3.3 融雪降水量分布及區(qū)域站雪深估計(jì)

在2月13日10—20時(shí)，由積雪函數(shù)f(x)識(shí)別出的有效積雪區(qū)域站有739個(gè)，將其累計(jì)降水量繪制成等值線(xiàn)圖(圖7)，可以看出有2個(gè)累計(jì)融雪量分布中心，最大為杭州臨安地區(qū)，其次為紹興新昌地區(qū)。由于融雪量間接對(duì)應(yīng)著雪深，因此也可以把圖7近似地看作區(qū)域站的雪深分布。

圖6 13日10時(shí)—20時(shí)全省區(qū)域站累計(jì)降水量分布

圖7 積雪站累計(jì)融雪量分布

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1冬季降雪期，部分區(qū)域站因?yàn)榉e存了積雪，導(dǎo)致在天氣轉(zhuǎn)好后因氣溫逐漸升高而出現(xiàn)融雪性降水野值，對(duì)這類(lèi)性質(zhì)的降水野值如何判斷甄別，本文提出了一個(gè)識(shí)別算法，做了一個(gè)有益的嘗試。該項(xiàng)工作尚處于初步研究階段，為驗(yàn)證文中方法是否有效，選擇了較典型的降雪過(guò)程進(jìn)行分析。實(shí)際降雪過(guò)程是多樣而復(fù)雜的，今后將進(jìn)一步收集樣本，判別歸類(lèi)，有針對(duì)性地開(kāi)展更細(xì)更深的研究。

4.2本文對(duì)國(guó)家站與區(qū)域站之間的積雪情況關(guān)系做了分析，依托國(guó)家站的天氣現(xiàn)象觀測(cè)記錄，估計(jì)區(qū)域站的積雪狀況，通過(guò)計(jì)算忽略小概率事件，保留主干，得到一個(gè)積雪關(guān)系函數(shù)f(x)，并用它來(lái)識(shí)別積雪區(qū)域站。

4.3根據(jù)積雪站與非積雪站逐小時(shí)平均降水量的變化規(guī)律，定義了一個(gè)積雪站融雪指標(biāo)，用來(lái)刻畫(huà)融雪開(kāi)始時(shí)間。

4.4從實(shí)例檢驗(yàn)情況可以看出，本文提出的積雪區(qū)域站融雪性降水的識(shí)別與判斷算法具有較好的效果，積雪區(qū)域站識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了76.4%。

4.5在本文的分析中，對(duì)實(shí)際的降雪天氣過(guò)程做了一定程度的簡(jiǎn)化，例如降雪的地域分布、主要降雪過(guò)程時(shí)段等方面，實(shí)際情況比較復(fù)雜而多樣，因此若能結(jié)合其他觀測(cè)資料進(jìn)行分析，則在普適性與精確性上能得到進(jìn)一步改進(jìn)。

4.6若將來(lái)國(guó)家站配置了自動(dòng)天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀器，則識(shí)別算法的實(shí)時(shí)性能得到進(jìn)一步提高。若區(qū)域站將來(lái)也能部署雪深或天氣現(xiàn)象探測(cè)儀器，則長(zhǎng)期困擾我們的冬季融雪性降水的識(shí)別與判斷問(wèn)題將得到極大改觀。

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2015-03-23