株洲市區(qū)域自動氣象站現(xiàn)狀及應(yīng)用探討

彭浴，周延彤

（1.株洲市氣象局，湖南 株洲 412000；2.吉首市氣象局，湖南 吉首 416000）

0 引言

區(qū)域自動氣象站是氣象部門加快綜合氣象觀測系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是社會主義新農(nóng)村建設(shè)中加強(qiáng)氣象服務(wù)的建設(shè)內(nèi)容。從2006年開始建設(shè)，至今已有8年時(shí)間，氣象部門為此獲得了大量寶貴的第一手觀測資料，然而，如何開展對資料的研究應(yīng)用，充分發(fā)揮這些資料的作用，是各級氣象部門面臨的一項(xiàng)艱巨工作。

1 株洲市區(qū)域自動氣象站現(xiàn)狀

1.1 自動化程度高

區(qū)域自動氣象站是氣象部門建在野外無人值守的氣象站，是技術(shù)含量較高的氣象探測設(shè)備。株洲市采用的是天津中環(huán)天儀公司生產(chǎn)的DZZ2型自動氣象站，它由采集器、傳感器、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成。傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給采集器，采集器收集數(shù)據(jù)后通過通信系統(tǒng)，每間隔5min向機(jī)房中心站傳送一次數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用太陽能供電，利用移動SIM卡的GPRS方式進(jìn)行通信。其系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

1.2 部署方便靈活

采集器可以接一個(gè)或者多個(gè)傳感器，根據(jù)需要進(jìn)行配置。株洲目前部署了單要素、二要素、四要素、五要素、六要素等類型區(qū)域自動氣象站。其中，單要素配備了雨量傳感器，二要素配備了雨量、溫度傳感器，四要素配備了雨量、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，五要素配備了雨量、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速傳感器、氣壓（或者濕度）傳感器，六要素配備了雨量、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、濕度傳感器。站址的選擇以不影響觀測值的準(zhǔn)確、客觀為原則，一般選擇在場地空曠、視野開闊、周圍無導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)生異變的干擾源、移動手機(jī)信號良好的地方即可。

1.3 覆蓋面廣

株洲市現(xiàn)在已經(jīng)建成195套區(qū)域自動氣象站，其中，單要素站82套，二要素站79套，四要素站30套，五要素站及六要素站各2套。覆蓋全市四區(qū)五縣 116個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涵蓋湘江、洣水、淥水3大流域。區(qū)域站自動氣象站的廣泛部署，大大加強(qiáng)了氣象部門對各地氣象資料的獲取，使氣象部門獲取氣象資料的途徑由原本單一的點(diǎn)（本站觀測場提供）擴(kuò)大到覆蓋全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面（區(qū)站自動氣象站提供），對各地氣象資料的掌握更加全面、及時(shí)。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 The system work fl ow diagram

1.4 帶有鮮明的地域性

株洲處于湘江中下游流域，湘江干流自南向北穿過株洲，境內(nèi)河流長度89.6km，流域內(nèi)共有5km以上河流341條。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量1441mm，多年平均蒸發(fā)量1275.5mm。豐沛的降水使株洲暴雨、洪澇、雷雨大風(fēng)等氣象災(zāi)害及山洪、泥石流、滑坡等氣象次生災(zāi)害連年不斷。因此，株洲每年防汛形勢嚴(yán)峻，區(qū)域自動氣象站都配備了雨量傳感器，用以監(jiān)測各地降水情況。

2 數(shù)據(jù)應(yīng)用前的準(zhǔn)備工作

2.1 確保數(shù)據(jù)的三性要求

代表性、準(zhǔn)確性、比較性，這是氣象資料的基本要求[1]。

代表性：一般可表述為某一瞬間，在給定區(qū)域的任一點(diǎn)（或空間一定點(diǎn)給定時(shí)段的任一時(shí)刻）測得的要素值在所規(guī)定的精度范圍內(nèi)，對該地區(qū)（或該時(shí)刻）是可信的，即可認(rèn)為該測定值具有代表性。

準(zhǔn)確性：如果被測要素處于穩(wěn)定的條件下，準(zhǔn)確性可歸結(jié)為儀器的精度。一般來說，只需所獲得的資料能夠滿足實(shí)際工作提出的精度要求，且所測的要素值能反映當(dāng)時(shí)該要素的客觀特征，這樣的資料就認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

比較性：包含兩個(gè)方面：一方面是不同測站觀測同一要素時(shí)，其觀測資料可以相互比較，并經(jīng)過比較能夠顯示出該要素的地區(qū)分布特點(diǎn)，預(yù)測天氣變化過程的發(fā)展方向；另一方面是同一測站不同時(shí)刻對同一要素的觀測資料也應(yīng)能互相比較，以說明該要素隨時(shí)間的變化特點(diǎn)。

為確保數(shù)據(jù)的三性要求，主管部門應(yīng)當(dāng)制定相關(guān)規(guī)章制度，組織精干力量，加強(qiáng)維護(hù)，及時(shí)做好儀器的標(biāo)校和巡檢工作，以保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制

區(qū)域自動氣象站由于地處野外，受各種干擾因素較多，雖然氣象部門極力保障數(shù)據(jù)符合三性要求，但儀器故障、蟲蟻干擾等總是難免的，會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)不可用。因此，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剔除不可用的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的可用性。

2.3 建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)DBS（Data Base System）

區(qū)域自動氣象站每5min向中心站傳送一次數(shù)據(jù)，每個(gè)小時(shí)的整點(diǎn)，中心站軟件還會生成一個(gè)數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一的文本文件。株洲市目前共建設(shè)195個(gè)區(qū)域自動氣象站，每天接收的數(shù)據(jù)量非常大。面對如此龐大的數(shù)據(jù)量，如何管理、保存、使用這些數(shù)據(jù)呢？文件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)持久的數(shù)據(jù)管理與保存，但不方便數(shù)據(jù)的快速訪問。為此，必須建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)DBS（Data Base System）。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是存儲介質(zhì)、處理對象和管理系統(tǒng)的集合體，通常由軟件、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)管理員組成。

3 應(yīng)用方面的探討

區(qū)域自動氣象站在各地采集了大量的氣象資料，為氣象工作提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，而且隨著時(shí)間的增加，這些資料越發(fā)顯得珍貴。然而，如何充分發(fā)揮這些資料的作用，為氣象服務(wù)、社會生產(chǎn)、理論研究等方面做貢獻(xiàn)呢？這是每個(gè)氣象工作者應(yīng)當(dāng)認(rèn)真思考的問題。

3.1 監(jiān)測農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害

中國是世界上受農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，農(nóng)業(yè)受災(zāi)損失的70%~80%都是由氣象災(zāi)害造成的。農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不利天氣、氣候和微氣象條件造成災(zāi)害的總稱[2]。區(qū)域自動氣象站的建立，能有效監(jiān)測各地發(fā)生的氣象災(zāi)害。然而，有些氣象災(zāi)害是可以直接通過觀測數(shù)據(jù)就能反映出來的，比如大風(fēng)、高溫、凍害等，有些氣象災(zāi)害則需統(tǒng)計(jì)一段時(shí)期的數(shù)據(jù)，甚至結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛蔡卣鳎娇傻贸鼋Y(jié)果，比如干旱、洪水、澇害等。另外，許多動植物病蟲害的發(fā)生往往也與異常天氣有關(guān)。這時(shí)，如何設(shè)計(jì)一套完善的系統(tǒng)，以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的分布特征及氣象災(zāi)害發(fā)生的臨界條件，能及時(shí)反映氣象災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生的軟件是很有必要的。

3.2 進(jìn)一步做好氣象服務(wù)工作

氣象服務(wù)按其屬性，屬于公共服務(wù)范疇。按氣象服務(wù)對象劃分，氣象服務(wù)可劃分為決策氣象服務(wù)、公眾氣象服務(wù)、專業(yè)氣象服務(wù)、科技?xì)庀蠓?wù)。決策氣象服務(wù)是為各級政府和有關(guān)部門決策提供的氣象服務(wù)；公眾氣象服務(wù)是為公眾提供的日常氣象服務(wù)；專業(yè)氣象服務(wù)是為各行各業(yè)提供的針對行業(yè)需要的氣象服務(wù)；科技?xì)庀蠓?wù)是為專門用戶提供特殊需要的氣象服務(wù)。

區(qū)域自動氣象站的建立，拓展了氣象服務(wù)領(lǐng)域，使氣象服務(wù)更加全面、及時(shí)。尤其在應(yīng)對各種自然災(zāi)害，如暴雨、洪澇、干旱、高溫、雷暴、大風(fēng)等方面，區(qū)域自動氣象站能夠及時(shí)提供第一手資料，為各級政府和部門制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供依據(jù)。

3.3 提高預(yù)報(bào)預(yù)測技術(shù)

1）有利于開展精細(xì)化預(yù)報(bào)、定量降水預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣落區(qū)預(yù)報(bào)、短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)等。精細(xì)化預(yù)報(bào)要求預(yù)報(bào)精度達(dá)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級，區(qū)域自動氣象站大量分布在鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村一級，恰好彌補(bǔ)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級無氣象探測設(shè)備的不足，對指導(dǎo)精細(xì)化預(yù)報(bào)、定量降水預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣落區(qū)預(yù)報(bào)有著良好的作用，而且探測數(shù)據(jù)還能及時(shí)檢驗(yàn)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為預(yù)報(bào)員以后的預(yù)報(bào)預(yù)測提供經(jīng)驗(yàn)參考。

2）有利于開展流域面雨量的預(yù)報(bào)。面雨量是指某一特定區(qū)域或流域平均降水狀況，定義為單位面積上的降水量[3]。面雨量的計(jì)算方法有算術(shù)平均法、等值線法、泰森多邊形法等。地形起伏不大、降水分布均勻、測站分布合理的情況下，一般采用算術(shù)平均法；如果流域內(nèi)的觀測點(diǎn)分布不均勻，且有的站點(diǎn)偏居一角，一般采用泰森多邊形法；如果流域內(nèi)觀測點(diǎn)多且分布均勻，一般可用等值線法。株洲境內(nèi)河流較多，主要有湘江、洣水、淥水3大流域。如何尋求適合本地流域的最佳面雨量計(jì)算方法，要根據(jù)本地實(shí)際情況，如氣候、地形、地貌、測站分布情況等加以研究。株洲區(qū)域自動氣象站全部配備了雨量傳感器，每次降水過程均有詳細(xì)的降水量記錄，且已經(jīng)觀測采集了8年的數(shù)據(jù)，完全可以開展對這一領(lǐng)域的研究工作，如果有需要，還可適當(dāng)調(diào)整區(qū)域自動氣象站的布局，以利于這一工作的順利開展。

3.4 研究城市快速擴(kuò)張所產(chǎn)生的問題

目前，中國城市擴(kuò)張迅速，由此帶來諸多問題，造成自然環(huán)境和資源的破壞及浪費(fèi)。氣象部門可以利用手中掌握的數(shù)據(jù)，對相關(guān)領(lǐng)域展開研究評估工作。

1）研究本地城市氣候特征。城市氣候是城市地理環(huán)境的重要組成要素[4]。農(nóng)業(yè)文明基礎(chǔ)上的城市與自然環(huán)境基本保持和諧的狀態(tài)，城市氣候未表現(xiàn)出受人類活動影響的明顯特征。工業(yè)革命后，城市工業(yè)的發(fā)展及規(guī)模的擴(kuò)張，以水泥、瀝青、磚石等為主的城市下墊面的改變、大氣污染等造成城市特殊氣候的產(chǎn)生。城市內(nèi)部的氣溫、風(fēng)、濕度、太陽輻射、降水、能見度等氣象要素都發(fā)生了改變，這些要素改變的程度如何，變化趨勢如何，對人們的生活有何影響，該如何防范等問題，都值得深入研究。株洲195套區(qū)域自動氣象站的組網(wǎng)觀測，遍布城鄉(xiāng)各個(gè)區(qū)域，涵蓋對降水、氣溫、風(fēng)、濕度、氣壓的觀測，可以對株洲城市小氣候特征展開研究。

2）研究本地城市熱島效應(yīng)問題。城市熱島效應(yīng)也稱“大氣熱污染現(xiàn)象”，是指當(dāng)城市發(fā)展到一定規(guī)模，由于人為及環(huán)境等多種因素的作用，致使城市的氣溫明顯高于周邊郊區(qū)的氣溫，形成類似高溫孤島的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在氣象學(xué)上稱為“城市熱島效應(yīng)”[5]。城市熱島反映的是一個(gè)溫差的概念，只要城市與郊區(qū)有明顯的溫差，就可以說存在了城市熱島。目前，城市熱島效應(yīng)的研究方法基本有3種：城郊?xì)庀笥^測數(shù)據(jù)對比法、遙感技術(shù)反演法、模擬預(yù)測法。遙感技術(shù)受云系、高大建筑物等影響，誤差較大，數(shù)值模擬范圍較窄且因下跌面的復(fù)雜性而容易導(dǎo)致模擬不完善，應(yīng)用較多的主要是原始觀測法。而且，遙感技術(shù)反演法與數(shù)值模擬法最后均需原始觀測法去驗(yàn)證，區(qū)域自動氣象站的建立，解決了長時(shí)間高空間分辨率的連續(xù)觀測問題。株洲配備溫度傳感器的區(qū)域自動氣象站有113個(gè)，在城市中心地區(qū)、城市邊緣區(qū)、近郊區(qū)及遠(yuǎn)郊區(qū)均有分布，加上數(shù)年的觀測資料積累，完全可以選擇有代表性的觀測點(diǎn)及有典型意義的天氣（無云、無風(fēng)或者微風(fēng)），對株洲城市熱島問題展開研究，分析城市熱島是否形成，如果形成，達(dá)到何種級別，如何緩解等系列問題。

4 結(jié)束語

區(qū)域氣象自動站的建立與組網(wǎng)，大大加強(qiáng)了氣象部門對各地氣象資料的獲取，它有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，圍繞著它的應(yīng)用，有些已經(jīng)開展，有些因條件限制尚未起步，但無論如何，調(diào)整布局，充分挖掘區(qū)域自動氣象站的內(nèi)在潛力，讓它最大限度地為社會生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，是各級氣象部門面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。

[1]張文煜,袁九毅.大氣探測學(xué)[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1999:3-5.

[2]鄭大瑋,鄭大瓊,劉虎城.農(nóng)業(yè)減災(zāi)實(shí)用技術(shù)手冊[M].杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2005:12-13.

[3]王銘才.大氣科學(xué)常用公式[M].北京:氣象出版社,1994:182.

[4]周淑貞,束炯.城市氣候?qū)W[M].北京:氣象出版社,1994:3-6.

[5]劉雯.城市熱島效應(yīng)的成因和改善策略探究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010,4:116-117.