西安區域自動站氣候界限值訂正及質量控制

王雯燕，張穎梅，唐文哲，魏俊濤，李曉冬

(西安市氣象局，西安 710016)

王雯燕，張穎梅，唐文哲，等.西安區域自動站氣候界限值訂正及質量控制 [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，學士，高工，從事綜合觀測數據分析應用。

西安市氣象局科研創新基金“自動氣象站數據質量控制方法研究”(2014M-7)

西安區域自動站氣候界限值訂正及質量控制

王雯燕，張穎梅，唐文哲，魏俊濤，李曉冬

(西安市氣象局，西安 710016)

基于天氣學原理，探索不同高度區域自動氣象站氣候界限值的訂正方法，在西安區域自動站質量控制軟件中試運行，并對運行結果進行分析。結果表明：用相關系數法計算區域站的參考站符合大氣變化規律，區域站要素界限值高度訂正方法具有代表性，方法簡單，易于操作；區域站溫度傳感器出現問題少，氣壓傳感器故障較多。此方法為其他地方區域站實時質量控制提供參考。

區域自動站；相關系數；質量控制；氣候界限值

近幾年城市經濟快速發展，對短時臨近預報、氣象預警、決策服務和重大氣象服務保障要求越來越高，氣象資料的質量直接影響預報、服務效果。北京、上海、廣西、湖北、江西等地相繼開展了氣象資料實時質量控制研究工作[1-5]，陜西白水城[6]從數據生產、傳輸、檢查等幾個方面設計了自動氣象站數據質量控制體系，理念先進，然而在實際建站過程中，選擇較好的設備和符合規范的觀測場所是較難解決的問題。在設備和測站環境暫時無法改變的情況下，氣候背景資料檢查是一種好的統計檢驗方法[7],在氣象數據資料質量審核中得到普遍應用。為了提高區域自動氣象站(下簡稱“區域站”)觀測的數據質量，西安也基于氣候極值開展了相應的質量控制方法。目前，列入中國氣象局、陜西省氣象局考核的站點122個，其中只有41站建站時間較長，歷史記錄時長等于或接近10年，還有近半數站點為近3年所建，統計數據不適合作為極值指標使用；加之西安地形多樣，有平原、丘陵、溝、塬、山地等，導致區域站海拔高度高差較大，最低352 m，最高1 576 m，復雜的地形特點和較短的歷史觀測資料為區域站用氣候極值法進行實時質量控制增加了難度。本文在傳統質量控制理論[8-10]的基礎上，根據氣象要素空間一致性特點，提出西安地區獲取區域站氣候界限值的方法,投入業務應用并對運行結果進行分析，探索觀測數據誤差產生的原因，為區域站實時質量控制提供借鑒。

1 西安氣象站網基本概況

西安國家基本氣象站7個，其中，涇河國家基本氣象站2005年由西安國家基準站遷站建成，原西安國家基準站建于1951年，遷站后原址保留溫度、氣壓、濕度等六要素觀測，其歷史資料連續性較好，城區天氣預報預測通常以該站觀測資料為基準，因此本研究也將原址觀測的數據作為國家基本氣象站資料使用，各站建站時間如表1所示。

表1 西安國家基本氣象站及建站時間

西安區域站2006年7月開始建設，隨后站點不斷增加，截止2016年底，投入業務使用并參加中國氣象局、陜西省氣象局考核的站點有122個。

2 確定區域站氣候界限值

空間一致性是指氣象參數具有一定的空間分布特點，其有效性取決于觀測站網的密度和被檢參數與空間的相關程度[9]。利用空間一致性確定區域站氣候界限值的主要思路是選擇與區域站相關系數較高的自動站作為參考站，再根據要素隨高度變化規律進行訂正。

2.1 區域站氣候界限值計算方法

區域站氣候界限值計算具體步驟如下。

(1)逐月統計7個國家基本氣象站近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)以區域站全月逐日小時數據作為一個序列，逐對計算與基本氣象站數據之間的相關系數，采用T分布檢驗法進行顯著性檢驗[11]。在通過顯著性檢驗的臺站中，指定相關系數最大的基本氣象站為參考站。

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(3)根據區域站與參考站的海拔高度差，計算區域站的氣候界限值。

2.2 區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氣象學基本原理，高度每升高(降低)100 m，溫度降低(升高)0.65 ℃，訂正計算公式如下：

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 按照天氣學原理，近地面大氣中氣壓隨高度的增加按指數規律遞減，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方程的基礎上推導出來適用于垂直范圍內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為區域站海拔高度；h為參考站海拔高度。Tmax、Tmin為區域站月最高、最低溫度的平均值。

3 觀測數據實時質量控制試運行結果分析

2015年9月至2016年5月，對西安兩要素以上區域站的10 min數據進行實時質量控制，氣壓、溫度顯示有問題的數據數量分別為3 795條、308條，分類統計如表2所示。由表2可知，西安區域站溫度存在問題少，氣壓存在問題較多，下面主要針對氣壓的疑誤數據進行分析。

表2 2015年9月—2016年5月西安區域站氣壓、溫度氣候界限值10 min實時質量控制結果 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。

超最高值主要出現在兩個時間時段，2015年11月29日—2015年12月30日和2016年1月23日—24日。第一個時段期間疑誤數據1 024條、持續時間較長，查看天氣形勢并無任何過程發生，檢查后發現，疑誤數據主要發生在V8852、V8853、V8864三個區域站，觀測值比附近同海拔高度的區域站數值明顯偏大，由此斷定這個階段發生氣壓超界限值的區域站氣壓傳感器出現故障；2016年1月22—24日出現的氣壓超界限值，經分析是西安地區出現寒潮降溫天氣，近地面有較強的冷高壓系統影響，屬于正常現象。

超最低值有兩種情況：一是固定氣壓，數值為800.4 hPa，由于區域站配置的氣壓最低值參數為800 hPa，當傳感器沒有連接時，傳輸回來的值通常為800.4 hPa；二是出現超低異常連續值也會提醒疑誤數據超界限值，2016年2月24日，V8851站氣壓連續數小時在883.9 hPa和885 hPa之間跳變，經查是該站的氣壓傳感器出現故障導致。

3.2 無數據

無數據指要素欄為/////的情況，出現原因有兩個，區域站建設時中心站需定義宏、配置參數，如果將要素字段設定為空時，傳輸回來的要素欄顯示/////；另一方面，當兩要素站使用六要素主板，溫度、降水正常傳輸，其它要素因為傳感器沒有連接，數據傳輸回來時要素欄顯示/////。

3.3 傳輸異常

傳輸異常主要指要素欄出現 9999.9 (溫度為99.9)的情況，當區域站傳感器沒有連接或設備出現故障時，傳輸回來的要素欄顯示9999.9(溫度為99.9)。

4 結論與討論

根據空間一致性特點確定西安地區各區域氣象站的參考自動站，討論了不同海拔高度區域站以100 m為間隔訂正計算氣候界限值的方法，對傳輸數據業務試運行結果進行統計分析，得到如下結論。

(1)相關系數法計算的區域站參考站比較符合大氣變化規律；區域站要素界限值高度訂正方法具有代表性，計算方法簡單，易于操作。

(2)區域站溫度傳感器出現問題少，氣壓傳感器發生故障較多。

(3)理論上，風速也可以依據氣象學原理利用高度差進行訂正，但在與實況資料對比驗證時卻發現，訂正結果與實測值相差較大，而且由于大部分區域站建站時間較短，沒有合適的值可供參考，因此沒有對風速實施質量控制；相對濕度受溫度、水汽含量等影響，變化較為復雜，在不同的地形位置隨高度變化不同，用高度訂正不適宜，所以在質量控制參數中只以10%為界設置了相對濕度極端最低值，對低于10%的的值提出報警。

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