王雯燕,張穎梅,唐文哲,魏俊濤,李曉冬
(西安市氣象局,西安 710016)
王雯燕,張穎梅,唐文哲,等.西安區(qū)域自動(dòng)站氣候界限值訂正及質(zhì)量控制 [J].陜西氣象,2017(5):38-40.
1006-4354(2017)05-0038-03
2017-03-06
王雯燕(1972—),女,陜西大荔人,漢族,學(xué)士,高工,從事綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。
西安市氣象局科研創(chuàng)新基金“自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究”(2014M-7)
西安區(qū)域自動(dòng)站氣候界限值訂正及質(zhì)量控制
王雯燕,張穎梅,唐文哲,魏俊濤,李曉冬
(西安市氣象局,西安 710016)
基于天氣學(xué)原理,探索不同高度區(qū)域自動(dòng)氣象站氣候界限值的訂正方法,在西安區(qū)域自動(dòng)站質(zhì)量控制軟件中試運(yùn)行,并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明:用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算區(qū)域站的參考站符合大氣變化規(guī)律,區(qū)域站要素界限值高度訂正方法具有代表性,方法簡(jiǎn)單,易于操作;區(qū)域站溫度傳感器出現(xiàn)問題少,氣壓傳感器故障較多。此方法為其他地方區(qū)域站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供參考。
區(qū)域自動(dòng)站;相關(guān)系數(shù);質(zhì)量控制;氣候界限值
近幾年城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,對(duì)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、氣象預(yù)警、決策服務(wù)和重大氣象服務(wù)保障要求越來越高,氣象資料的質(zhì)量直接影響預(yù)報(bào)、服務(wù)效果。北京、上海、廣西、湖北、江西等地相繼開展了氣象資料實(shí)時(shí)質(zhì)量控制研究工作[1-5],陜西白水城[6]從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、傳輸、檢查等幾個(gè)方面設(shè)計(jì)了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系,理念先進(jìn),然而在實(shí)際建站過程中,選擇較好的設(shè)備和符合規(guī)范的觀測(cè)場(chǎng)所是較難解決的問題。在設(shè)備和測(cè)站環(huán)境暫時(shí)無法改變的情況下,氣候背景資料檢查是一種好的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[7],在氣象數(shù)據(jù)資料質(zhì)量審核中得到普遍應(yīng)用。為了提高區(qū)域自動(dòng)氣象站(下簡(jiǎn)稱“區(qū)域站”)觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,西安也基于氣候極值開展了相應(yīng)的質(zhì)量控制方法。目前,列入中國(guó)氣象局、陜西省氣象局考核的站點(diǎn)122個(gè),其中只有41站建站時(shí)間較長(zhǎng),歷史記錄時(shí)長(zhǎng)等于或接近10年,還有近半數(shù)站點(diǎn)為近3年所建,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不適合作為極值指標(biāo)使用;加之西安地形多樣,有平原、丘陵、溝、塬、山地等,導(dǎo)致區(qū)域站海拔高度高差較大,最低352 m,最高1 576 m,復(fù)雜的地形特點(diǎn)和較短的歷史觀測(cè)資料為區(qū)域站用氣候極值法進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制增加了難度。本文在傳統(tǒng)質(zhì)量控制理論[8-10]的基礎(chǔ)上,根據(jù)氣象要素空間一致性特點(diǎn),提出西安地區(qū)獲取區(qū)域站氣候界限值的方法,投入業(yè)務(wù)應(yīng)用并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析,探索觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因,為區(qū)域站實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供借鑒。
西安國(guó)家基本氣象站7個(gè),其中,涇河國(guó)家基本氣象站2005年由西安國(guó)家基準(zhǔn)站遷站建成,原西安國(guó)家基準(zhǔn)站建于1951年,遷站后原址保留溫度、氣壓、濕度等六要素觀測(cè),其歷史資料連續(xù)性較好,城區(qū)天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)通常以該站觀測(cè)資料為基準(zhǔn),因此本研究也將原址觀測(cè)的數(shù)據(jù)作為國(guó)家基本氣象站資料使用,各站建站時(shí)間如表1所示。
表1 西安國(guó)家基本氣象站及建站時(shí)間
西安區(qū)域站2006年7月開始建設(shè),隨后站點(diǎn)不斷增加,截止2016年底,投入業(yè)務(wù)使用并參加中國(guó)氣象局、陜西省氣象局考核的站點(diǎn)有122個(gè)。
空間一致性是指氣象參數(shù)具有一定的空間分布特點(diǎn),其有效性取決于觀測(cè)站網(wǎng)的密度和被檢參數(shù)與空間的相關(guān)程度[9]。利用空間一致性確定區(qū)域站氣候界限值的主要思路是選擇與區(qū)域站相關(guān)系數(shù)較高的自動(dòng)站作為參考站,再根據(jù)要素隨高度變化規(guī)律進(jìn)行訂正。
2.1 區(qū)域站氣候界限值計(jì)算方法
區(qū)域站氣候界限值計(jì)算具體步驟如下。
(1)逐月統(tǒng)計(jì)7個(gè)國(guó)家基本氣象站近30年溫度、氣壓等要素的最高和最低氣候界限值,建立各站氣候界限值序列。
(2)以區(qū)域站全月逐日小時(shí)數(shù)據(jù)作為一個(gè)序列,逐對(duì)計(jì)算與基本氣象站數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù),采用T分布檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[11]。在通過顯著性檢驗(yàn)的臺(tái)站中,指定相關(guān)系數(shù)最大的基本氣象站為參考站。
互聯(lián)網(wǎng) 20世紀(jì)60年代,美國(guó)和蘇聯(lián)卷入了古巴導(dǎo)彈危機(jī),核戰(zhàn)爭(zhēng)似乎一觸即發(fā),每個(gè)國(guó)家都在考慮核攻擊后的情景。蘭德研究員保羅·巴蘭(Paul Baran)試圖解決核攻擊后的一個(gè)問題:在核襲擊造成毀滅性后果后,如何保持官方溝通渠道的暢通。他的答案為互聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)框架。
(3)根據(jù)區(qū)域站與參考站的海拔高度差,計(jì)算區(qū)域站的氣候界限值。
2.2 區(qū)域站氣候界限值訂正公式
2.2.1 溫度 溫度界限值訂正方法是依據(jù)氣象學(xué)基本原理,高度每升高(降低)100 m,溫度降低(升高)0.65 ℃,訂正計(jì)算公式如下:
月最高溫度界限值
tmax=tmax1-(h1-h)×0.006 5 ,
(1)
月最低溫度界限值
tmin=tmin1-(h1-h)×0.006 5。
(2)
式中,tmax1為參考站月最高溫度界限值;tmin1為參考站月最低溫度界限值;h1為區(qū)域站海拔高度;h為參考站海拔高度。
2.2.2 氣壓 按照天氣學(xué)原理,近地面大氣中氣壓隨高度的增加按指數(shù)規(guī)律遞減,氣壓界限值訂正方法采用拉普拉斯壓高公式。拉普拉斯壓高公式是在大氣靜力學(xué)方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來適用于垂直范圍內(nèi)氣壓隨高度變化的公式,具體公式如下:
月最高氣壓界限值
pmax=pmax1/ 10((h1-h)/18 400(1+Tmax/273)),
(3)
月最低氣壓界限值
pmin=pmin1/ 10((h1-h)/18 400(1+Tmin/273))。
(4)
式中,pmax1為參考站最高氣壓界限值;pmin1為參考站最低氣壓界限值;h1為區(qū)域站海拔高度;h為參考站海拔高度。Tmax、Tmin為區(qū)域站月最高、最低溫度的平均值。
2015年9月至2016年5月,對(duì)西安兩要素以上區(qū)域站的10 min數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制,氣壓、溫度顯示有問題的數(shù)據(jù)數(shù)量分別為3 795條、308條,分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2可知,西安區(qū)域站溫度存在問題少,氣壓存在問題較多,下面主要針對(duì)氣壓的疑誤數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
表2 2015年9月—2016年5月西安區(qū)域站氣壓、溫度氣候界限值10 min實(shí)時(shí)質(zhì)量控制結(jié)果 條
3.1 超界限值
氣壓超界限值有兩種情況:超最高值和超最低值。
超最高值主要出現(xiàn)在兩個(gè)時(shí)間時(shí)段,2015年11月29日—2015年12月30日和2016年1月23日—24日。第一個(gè)時(shí)段期間疑誤數(shù)據(jù)1 024條、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),查看天氣形勢(shì)并無任何過程發(fā)生,檢查后發(fā)現(xiàn),疑誤數(shù)據(jù)主要發(fā)生在V8852、V8853、V8864三個(gè)區(qū)域站,觀測(cè)值比附近同海拔高度的區(qū)域站數(shù)值明顯偏大,由此斷定這個(gè)階段發(fā)生氣壓超界限值的區(qū)域站氣壓傳感器出現(xiàn)故障;2016年1月22—24日出現(xiàn)的氣壓超界限值,經(jīng)分析是西安地區(qū)出現(xiàn)寒潮降溫天氣,近地面有較強(qiáng)的冷高壓系統(tǒng)影響,屬于正常現(xiàn)象。
超最低值有兩種情況:一是固定氣壓,數(shù)值為800.4 hPa,由于區(qū)域站配置的氣壓最低值參數(shù)為800 hPa,當(dāng)傳感器沒有連接時(shí),傳輸回來的值通常為800.4 hPa;二是出現(xiàn)超低異常連續(xù)值也會(huì)提醒疑誤數(shù)據(jù)超界限值,2016年2月24日,V8851站氣壓連續(xù)數(shù)小時(shí)在883.9 hPa和885 hPa之間跳變,經(jīng)查是該站的氣壓傳感器出現(xiàn)故障導(dǎo)致。
3.2 無數(shù)據(jù)
無數(shù)據(jù)指要素欄為/////的情況,出現(xiàn)原因有兩個(gè),區(qū)域站建設(shè)時(shí)中心站需定義宏、配置參數(shù),如果將要素字段設(shè)定為空時(shí),傳輸回來的要素欄顯示/////;另一方面,當(dāng)兩要素站使用六要素主板,溫度、降水正常傳輸,其它要素因?yàn)閭鞲衅鳑]有連接,數(shù)據(jù)傳輸回來時(shí)要素欄顯示/////。
3.3 傳輸異常
傳輸異常主要指要素欄出現(xiàn) 9999.9 (溫度為99.9)的情況,當(dāng)區(qū)域站傳感器沒有連接或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),傳輸回來的要素欄顯示9999.9(溫度為99.9)。
根據(jù)空間一致性特點(diǎn)確定西安地區(qū)各區(qū)域氣象站的參考自動(dòng)站,討論了不同海拔高度區(qū)域站以100 m為間隔訂正計(jì)算氣候界限值的方法,對(duì)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到如下結(jié)論。
(1)相關(guān)系數(shù)法計(jì)算的區(qū)域站參考站比較符合大氣變化規(guī)律;區(qū)域站要素界限值高度訂正方法具有代表性,計(jì)算方法簡(jiǎn)單,易于操作。
(2)區(qū)域站溫度傳感器出現(xiàn)問題少,氣壓傳感器發(fā)生故障較多。
(3)理論上,風(fēng)速也可以依據(jù)氣象學(xué)原理利用高度差進(jìn)行訂正,但在與實(shí)況資料對(duì)比驗(yàn)證時(shí)卻發(fā)現(xiàn),訂正結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大,而且由于大部分區(qū)域站建站時(shí)間較短,沒有合適的值可供參考,因此沒有對(duì)風(fēng)速實(shí)施質(zhì)量控制;相對(duì)濕度受溫度、水汽含量等影響,變化較為復(fù)雜,在不同的地形位置隨高度變化不同,用高度訂正不適宜,所以在質(zhì)量控制參數(shù)中只以10%為界設(shè)置了相對(duì)濕度極端最低值,對(duì)低于10%的的值提出報(bào)警。
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