雷達監測在海南自動站降水質控中的應用方法初探

朱文婷++姜小云++吳俞

摘 要：利用海口雷達定量估測降水的格點數據與海南島自動站實際觀測到的降水數據的比值構建了折算系數，發現其折算系數服從正態分布。以折算系數的多倍標準差質控空間為檢驗實況觀測降水的可信程度，結果表明，雷達定量估測降水對自動站實際觀測降水有良好的質控效果，尤其適用于熱帶地區局地強降水的質量檢驗。

關鍵詞：自動站；雷達估測降水；折算系數；質控區間

中圖分類號：P458.1+21 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.134

根據氣象現代化觀測體系建設的需要，近10年來，海南省部署、建設了大量的區域自動氣象站。這些測站分布在海南島和所轄海域的島礁上，形成了密度較高的區域觀測自動站網。研究表明，高密度雨量計組網可以降低降雨測量時間和空間上的不確定性。在強降水預報、中小河流域山洪和地質災害風險評估等中，這些區域自動氣象站觀測到的降水數據都得到了廣泛的應用。由于儀器故障、異物誤入、維護程度等原因，區域自動站的降水量時而會出現疑誤值，因此，需要對觀測數據進行質量控制。

海南島地處低緯熱帶地區，對流性降水頻繁，尤其在夏季，陣性降雨量大，持續時間短，降水區域小。由于降水的復雜性，利用常規的格式檢查、極值檢查、空間一致性檢查等方法對其進行質量控制效果有限，因此本文嘗試對比分析雷達小時估測降水與自動測站降水，檢驗自動站降水的可信度。

1 資料與方法

1.1 資料

所用數據為海口雷達小時估測降水數據和海南島390個自動站降水數據。雷達小時估測降水產品數據分辨率為2 km，海南島自動站平均覆蓋密度為6～7 km。

1.2 方法

以自動測站的經緯度為中心點，以固定的半徑畫圓周，計算落在該圓周內所有雷達小時估測降水網格點的算術平均值，即得到該站的雷達估測小時降水量P：

. （1）

式（1）中：Gi為落入計算半徑圓周內的第i個格點值。

雷達小時估測降水數據的分辨率是2 km，所以計算半徑應為2 km或2 km的倍數?？紤]到海南島自動站的平均覆蓋密度為6～7 km，因此圓周的直徑應小于6 km，計算半徑為2 km。以自動站實測小時降水量為數據序列A，以同一時次的雷達估測的小時降水量為數據序列B，分別計算各站的折算系數di，得到數據序列C.折算系數di為：

di=Pi﹡/Pi. （2）

式（2）中：Pi﹡為第i個自動站雷達估測降水量；Pi為第i個自動站實測降水量。

以2015-07-11—20自動站實測降水數據和雷達1 h降水數據為例，分析A，B和C三組數據序列，發現數據序列C整體上較好地服從正態分布。用公式（3）計算數據序列C的標準差S，并以3倍標準差劃分質控區間，系數di落在區間[-3S，+3S]為正常數據，落在區間外的為疑誤數據。序列C的標準差S為：

. （3）

式（3）中：S為樣本標準差；N為總自動站數，是di的平均值。

2 檢驗結果與分析

以2015-07-18—19影響海南島的強降水過程為例，降水數據選取的時間段為2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00，選取的區域為海南省臨高縣轄區。臨高縣內的自動站總個數N為20，其中發生降雨的有16個。根據公式（2）計算可得雷達估測降水折算系數d的平均值為1.2，由公式（3）可得標準差為0.18，則3倍標準差質控區間為[0.66，1.74]，折算系數d的分布整體上接近正態分布。落在3倍標準差質控區間[0.66，1.74]之外的視為可疑，小于0.3或大于2.1的基本可判定為錯誤。根據檢驗方法的統計結果，2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00臨高縣內自動站小時降水可疑總站次為33次，其中判為錯誤的站次為2次。

在16個發生降水的自動站中，有15個站累計降水折算系數都落在3倍標準差質控區間[0.66，1.74]內，僅有M1701站遠低于平均值。M1701站位于臨高縣臨城鎮臨高角，處于海陸交界處，對于此類受局地天氣影響顯著的測站，傳統的一致性檢驗效果不佳。深入分析M1701站2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00的小時降水發現，主要的降水時段出現在2015-07-18T10：00—11：00，其中，11：00的降水量為101 mm，而該時段的雷達小時估測降水量僅為5.0 mm；10：00的降水量為26.9 mm，對應該時段的雷達小時估測降水量為3.0 mm。兩個時次的折算系數均遠遠小于3倍標準差質控區間值，因此，降水的異常偏大極其不合理。后來據人工檢查發現，該時段確有異物落入雨量筒，導致測量出現異常。

3 討論

對于熱帶地區局地特征顯著的對流性降水過程而言，利用雷達定量降水估測對實況觀測降水進行質控檢驗不同于業務中使用的傳統質量控制方法，如果能在業務中引進，可以彌補原有質控方法的不足，特別是對儀器故障導致的降水異常偏大現象有較好的檢驗效果。

選取折算系數d的3倍和5倍標準差質控區間作為判定觀測數據是否存疑或錯誤的依據主要是基于經驗。臨界值的界定仍需要時間更長、涵蓋空間更廣的樣本數進行回歸統計，才能接近合理值域。

2015-07-18—19影響海南島的強降水主要為急流降水，系統較為穩定，因此過程雷達估測降水與自動站實測降水的擬合率較好。至于其他類型降水，比如臺風，夏季熱對流降水的擬合率尚未明了。因此，未來需要加強對不同類型降水的檢驗，以修正該方法的不足。

參考文獻

[1]東高紅，劉黎平.雷達與雨量計聯合估測降水的相關性分析[J].應用氣象學報，2012，23（1）：30-39.

[2]吳書成，魏爽，吳京生.雷達估測降水在區域站降水質控中的應用[J].氣象科技，2015，43（1）：49-52.

〔編輯：王霞〕