臨桂站極大風速觀測值可靠性分析

李艷萍 黎錦雷 陶偉 楊麗麗 毛壽興

(1 廣西壯族自治區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022； 2 廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，梧州 543002)

引言

2019年3月21日21:13，臨桂國家氣象觀測站(以下簡稱臨桂站)觀測到分鐘內(nèi)最大瞬時風速是60.3 m/s，根據(jù)風力等級表[1]，平地10 m高處的風速范圍56.1～61.2 m/s的風力等級是17級(12級是颶風)，超過了2014年超強臺風“威馬遜”在廣西潿洲島創(chuàng)下的極大風速記錄59.4 m/s。臨桂站位于廣西桂林市臨桂區(qū)，地處內(nèi)陸，出現(xiàn)如此極端的大風，實屬罕見，當即有數(shù)據(jù)使用單位對臨桂站觀測到的60.3 m/s極大風速值的真實性提出質(zhì)疑，同時對觀測設(shè)備性能是否還可靠也提出了疑問。省級保障部門通過對臨桂站觀測場內(nèi)主用、備用雙套自動氣象站觀測資料進行分析，檢查觀測設(shè)備性能，撤換風傳感器并送到國家氣象計量站校準等，分析了臨桂站極端大風觀測值的真實性和觀測設(shè)備性能可靠性。

國內(nèi)有學者研究中國強風區(qū)分布、強雷暴大風特點、臺風極端大風的變化等，認為西部內(nèi)陸地區(qū)強風主要出現(xiàn)在春夏兩季，氣壓梯度力是形成西部內(nèi)陸地區(qū)強風的根本動力，強風分布和地形有很大關(guān)系[2-4]。地面氣象資料質(zhì)量控制方法的研究，國內(nèi)已經(jīng)開展了一些工作并應用到業(yè)務工作中[5-8]，對自動氣象站實時觀測資料(包括風觀測資料)的質(zhì)量控制方法和流程的研究有了一定的進展，質(zhì)量控制方法主要采用格式檢查、缺測檢查、極值檢查、時間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、綜合判斷檢查等，還有學者從計量角度提出還應對儀器傳感器失效、長期漂移進行評估[9-11]。針對大風特別是極端大風，很多研究工作[12-16]主要是從大氣背景去分析大風形成機制，鮮有從觀測設(shè)備性能可靠性去分析數(shù)據(jù)的準確性。針對臨桂站極端大風觀測值的真實性和觀測設(shè)備性能可靠性的分析過程和結(jié)果，對地面氣象資料質(zhì)量控制研究工作和極端天氣過后設(shè)備運維措施有重要參考意義。

1 極端大風觀測值出現(xiàn)過程和觀測資料分析

1.1 極端大風觀測值出現(xiàn)過程

2019年3月21日21:13，臨桂站觀測到分鐘內(nèi)最大瞬時風速達60.3 m/s，隨后急速下降；同時本站氣壓缺測1 min，市電開始停電，觀測場啟用UPS供電；21:22開始因百葉箱被吹倒傳感器損壞造成氣溫、相對濕度缺測。觀測場內(nèi)安裝有另一套實時運行的備用自動站設(shè)備，數(shù)據(jù)上傳主要以主用自動站數(shù)據(jù)為主。翟麗萍等[16]對本次臨桂站極端大風的發(fā)展演變和成因進行了分析，結(jié)果表明此極端大風是由線狀對流系統(tǒng)中超級單體風暴產(chǎn)生的濕下?lián)舯┝髟斐?，極端大風是發(fā)生在有利的天氣形勢下，高空槽提供了很好的動力背景，上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)顯著，有利于雷暴大風等強對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展；臨桂上空具有很好的產(chǎn)生雷暴大風的環(huán)境條件及發(fā)展成超級單體風暴的潛勢；地面冷空氣適時抵達利于斜壓性增大和低層中氣旋的形成及加強，從而利于下?lián)舯┝鞯脑鰪?，是形成極端大風的重要因素。

1.2 自動站觀測資料分析

通過對比分析在極大風速出現(xiàn)前后的主用、備用自動站觀測資料的變化情況來從觀測數(shù)據(jù)的角度判斷臨桂站極大風速值的真實性。從主、備自動站的風向、風速、本站氣壓逐分鐘變化曲線(圖1)來看，2019年3月21日20:54開始，2套自動站的風向均出現(xiàn)由東南風轉(zhuǎn)東北風再轉(zhuǎn)西北風的逆時針轉(zhuǎn)向，風速也隨之逐漸增大，21:08開始風速急增，21:13達到最大值，主用站分鐘內(nèi)瞬時風速60.3 m/s，備用站分鐘內(nèi)瞬時風速59.5 m/s，主用站與備用站的風速值相差0.8 m/s，數(shù)值相近，隨后2 min風速急速下降，主用站降幅52.6 m/s，備用站降幅52 m/s；2套自動站的本站氣壓變化趨勢和缺測情況也很一致，21:10—21:12本站氣壓陡降(主用站降幅2.9 hPa，備用站降幅3.0 hPa)，21:12—21:14本站氣壓陡升(主用站升幅6.4 hPa，備用站升幅6.5 hPa), 2套自動站在21:13同時出現(xiàn)本站氣壓缺測，根據(jù)《自動氣候站數(shù)據(jù)采樣算法和質(zhì)量控制》[17]的規(guī)定，本站氣壓的采樣頻率30次/min，有效采樣樣本允許最大變化值是0.3 hPa，采集器對采樣值變化速率檢查，當2個采樣值的差異大于允許最大變化值時，當前采樣值被標記為無效(不可信)，計算瞬時氣象值要求有效樣本比例大于66%，臨桂站21:13本站氣壓缺測，說明當時氣壓陡升，有超過20 s連續(xù)陡升幅度過大，升幅超出了現(xiàn)有質(zhì)量控制規(guī)則范圍，采集器記錄的有效樣本值比例少，導致本站氣壓記為缺測。

圖1 2019年3月21日20:30—21:55臨桂站主站(a)、備用站(b)分鐘內(nèi)最大瞬時風速及風向、本站氣壓逐分鐘曲線

從主、備自動站降水、氣溫、相對濕度逐分鐘變化曲線(圖2)來看，2套自動站均顯示從2019年3月21日20:59開始出現(xiàn)降水，雨強逐漸增大，21:14分鐘降水量達到最大值，主用站6.6 mm，備用站6.7 mm，均超出雨量傳感器的測量降水強度范圍(SL3-1型雨量傳感器，測量降水強度4 mm/min以內(nèi))，主用站小時降水量48.1 mm，備用站小時降水量47.2 mm；氣溫逐漸下降，相對濕度逐漸上升，21:14備用站相對濕度開始缺測，21:22主用站氣溫、相對濕度缺測。臨桂站保障人員事后對觀測場設(shè)備檢查時，發(fā)現(xiàn)百葉箱被風吹倒損壞，并向東南向移動1 m左右，百葉箱吹倒移動過程溫濕度傳感器及線纜受到不同程度的損壞，是造成主、備自動站氣溫、相對濕度在不同時間出現(xiàn)缺測的原因。

圖2 2019年3月21日20:50—22:55臨桂站主備用站降水(a)、氣溫(b)、相對濕度(c)逐分鐘變化曲線

根據(jù)以上對主、備自動站觀測資料的對比分析，2套自動站的觀測資料變化趨勢一致，誤差小，缺測情況一致，觀測資料變化符合要素間的邏輯關(guān)系，結(jié)合觀測場百葉箱受損情況，可認為臨桂站的觀測資料的可信程度很高。

2 風速傳感器撤換檢查和檢定

臨桂站的主用和備用自動站的風速傳感器均為同一型號(表1)，測量范圍0.3～60 m/s，抗風強度75 m/s，均在計量檢定周期內(nèi)，其中主用站的風傳感器比較接近有效期。2019年3月21日晚臨桂站觀測到的極大風速值，其中主用站60.3 m/s已經(jīng)超出了傳感器的測量范圍，備用站59.5 m/s很接近測量范圍的界限。通過撤換風速傳感器進行外觀檢查和檢定來確認風速傳感器的性能是否可靠，從設(shè)備性能角度進一步分析極大風速值的準確度。臨桂站同時撤換了主用和備用自動站的風速傳感器，并將撤換下來的風速傳感器做好標識寄回省級計量所進行檢查、檢定。

表1 臨桂站主、備自動站風速傳感器基本信息表

2.1 風速傳感器外觀檢查

撤換下來的主用站、備用站2套風速傳感器的風杯表面都存在不同程度的凹陷(圖3)， 主用站傳感器較之備用站傳感器甚為嚴重，主用站風杯表面共16處凹陷，備用站風杯表面共4處凹陷，凹陷邊緣均勻(圖3中方框處)，根據(jù)風杯表面的凹陷數(shù)量和形狀特點，可以排除因撤換或運輸過程外力導致。據(jù)臨桂站保障人員反饋，22日對觀測場進行全面檢查和設(shè)備修復時發(fā)現(xiàn)，有一塊長約1 m、重約2000 g的鐵皮被風吹到風塔上并懸掛在2.5 m高處，可見當時風力和上揚力度是非常強的。因極大風速出現(xiàn)時間是夜間，觀測場的實景監(jiān)控系統(tǒng)無法觀察到真實場景，根據(jù)臨桂站數(shù)據(jù)資料分析結(jié)果和觀測場周邊情況可推斷，風杯表面的凹陷應該是在極端大風出現(xiàn)時被大風揚起的沙礫快速沖擊而導致的。

圖3 臨桂站主備站風速傳感器風杯受損(紅色方框顯示凹陷處)

2.2 風速傳感器檢定結(jié)果

主用站、備用站的風速傳感器已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損壞，傳感器性能是否還可靠，觀測出來的風速值偏差是否還能使用，需要送到風洞實驗室檢定進一步確認。廣西省級計量所僅有40 m/s實驗室，無法滿足傳感器檢定要求，最后將撤換下來的2套風速傳感器送到國家氣象計量站進行檢定，考慮到全面檢查風速傳感器性能， 同時也從省級庫房選了一個同型號、全新的風速傳感器一起送檢。表2是風速傳感器的校準數(shù)據(jù)，風速傳感器的最大允差是±(0.5+0.03V) m/s[18]，表中加粗的數(shù)據(jù)是屬于超差的。主用站、備用站的風速傳感器在各校準點的風速均表現(xiàn)偏大，其中，主站風速傳感器在啟動風速、20～60 m/s校準點不符合檢定規(guī)程要求，超差嚴重，9個校準點僅有3個合格，應該是與風杯表面的多處凹陷有很大的關(guān)系；備站風傳感器和新風傳感器在60 m/s校準點不符合檢定規(guī)程要求，超差程度相近，備站風速傳感器雖然風杯也有少量凹陷點，但大部分校準點都合格，性能和新風速傳感器接近。從檢定結(jié)果來看，2019年3月21日21:13臨桂站主站觀測值60.3 m/s、備站觀測值59.5 m/s比真實風速要偏大，主用站觀測值(60.3 m/s)偏差程度更嚴重。

表2 風速傳感器校準數(shù)據(jù) m/s

風速傳感器出廠風速與頻率的線性公式是Vs=0.049f+0.3(Vs為風速，f為傳感器輸出頻率)。在分析風速傳感器校準數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主用站、備用站的風速傳感器的頻率值與風速值仍有非常好的線性關(guān)系(圖4)，線性相關(guān)系數(shù)R2=1，因而得出主用站和備用站風速傳感器風杯受損后新的線性公式，主用站Vs=0.0452f+0.6078，備用站Vs=0.0466f+0.4632。通過出廠線性公式反推出極大風速出現(xiàn)時風速傳感器的頻率值，根據(jù)新的線性公式，可以訂正出比較接近真實的風速值，訂正結(jié)果是：主用站自動站觀測出的極大風速值60.3 m/s訂正為55.95 m/s，備用站自動站觀測出的極大風速值59.5 m/s訂正為56.76 m/s，訂正后主用站與備用站風速值相差-0.81 m/s，數(shù)值相近。

圖4 臨桂站主站(a)、備用站(b)風速傳感器頻率與風速線性關(guān)系

3 結(jié)論與討論

臨桂站2019年3月21日21:13觀測到60.3 m/s極端大風，極大風速值出現(xiàn)后2 min內(nèi)風速急速下降，內(nèi)陸出現(xiàn)如此極端的大風，實屬罕見。為了確認臨桂站觀測到的60.3 m/s極大風速值的真實性，利用臨桂站觀測場內(nèi)主用、備用自動氣象站觀測資料進行對比分析，撤換風傳感器并送到國家氣象計量站校準檢查觀測設(shè)備性能，從觀測資料角度和設(shè)備性能角度進行綜合分析。得出如下結(jié)論:

(1)臨桂站極端大風值出現(xiàn)前主、備自動站觀測資料變化趨勢一致，誤差小，缺測情況一致，觀測資料變化符合要素間的邏輯關(guān)系，結(jié)合觀測場設(shè)備受損情況，說明3月21日晚臨桂出現(xiàn)非常罕見的極端大風，臨桂站的觀測資料是可信的。

(2)檢定結(jié)果說明臨桂站風速傳感器風杯受到一定程度損壞后頻率值與風速仍然存在很好的線性關(guān)系，根據(jù)新的線性關(guān)系訂正出風速值55.95 m/s，訂正值更接近臨桂站2019年3月21日21:13的極端風速的真實值。

根據(jù)臨桂站極大風速觀測值的真實性分析和處理過程中總結(jié)的經(jīng)驗和不足，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測數(shù)據(jù)極值認定及訂正應用、設(shè)備運維措施等3個方面提出了思考和建議：

(1)現(xiàn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對本站氣壓要素的設(shè)備端質(zhì)量控制要求是，有效采樣樣本允許最大變化值是0.3 hPa，在前文的分析中可知臨桂站2019年3月21日21:13本站氣壓缺失證明了某些極端天氣下氣壓的突變是有可能出現(xiàn)相鄰氣壓采樣樣本變化值超過0.3 hPa，建議對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法特別是設(shè)備端的質(zhì)控方法做進一步研究和修改。

(2)臨桂站觀測出60.3 m/s極端大風，超過了2014年超強臺風“威馬遜”在廣西潿洲島創(chuàng)下的極大風速記錄59.4 m/s，事后對風速傳感器檢查和檢定發(fā)現(xiàn)，傳感器受到一定的損壞但采集信號和風速值仍有很好的線性關(guān)系，意味著還可以訂正出比較接近極端大風的真實風速，最后訂正出55.95 m/s，因為沒有相關(guān)規(guī)定和要求，目前訂正值僅僅是作為設(shè)備性能的參考。極端天氣過程往往會產(chǎn)生一些容易質(zhì)疑的觀測數(shù)據(jù)，特別是有可能產(chǎn)生某一個區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)極值，對這類數(shù)據(jù)如何認定和應用，建議制定統(tǒng)一處理規(guī)范。

(3)極端天氣出現(xiàn)的過程中不一定會對觀測設(shè)備帶來致命損壞，但有可能對觀測設(shè)備性能造成一定的漂移。臨桂站極端天氣發(fā)生后，因問題主要聚焦在極大風速觀測值的真實性上的討論分析上，除了對已經(jīng)造成損壞的溫度濕度傳感器進行檢查和修復外，沒有及時對風向風速傳感器之外的觀測設(shè)備進行必要的質(zhì)量檢查或核查甚至撤換，無法保證極端天氣過后所有觀測設(shè)備保持原來的性能。建立和執(zhí)行極端天氣過后設(shè)備運維措施是非常必要的。