區(qū)域氣象站雨量數(shù)據(jù)異常的分析與處理

莫遵元

摘 要：區(qū)域加密氣象站在防汛抗旱工作中發(fā)揮著重要的作用，是地方領(lǐng)導(dǎo)開展相關(guān)工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但由于加密氣象站一般無人值守，氣象數(shù)據(jù)，特別是雨量數(shù)據(jù)故障率較高。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，第一時(shí)間維護(hù)故障站點(diǎn)，有重要的社會(huì)意義。本文提出了通過極值檢查、空間連續(xù)性檢查、時(shí)間連續(xù)性檢查等方法，對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑數(shù)據(jù)，該方法在實(shí)際工作中發(fā)揮了明顯的作用。

關(guān)鍵詞：區(qū)域氣象站雨量；異常數(shù)據(jù)；分析

中圖分類號(hào)：S164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180532065

引言

近年來，湖北省投入了巨大的人力物力，至2017年底已建設(shè)了近3000套區(qū)域加密自動(dòng)氣象站，為防汛指揮提供了豐富的數(shù)據(jù)，是防御山洪和地質(zhì)災(zāi)害的法寶。但由于區(qū)域自動(dòng)氣象站未無人值守站點(diǎn)，雖然每年都進(jìn)行了數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，但由于地處環(huán)境復(fù)雜，各類數(shù)據(jù)，特別是雨量數(shù)據(jù)故障頻發(fā)。由于區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量數(shù)據(jù)是地方開展防汛抗旱決策的重要依據(jù)，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)會(huì)影響到政府的決策，造成嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失，因此，確保自動(dòng)氣象站雨量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠是氣象保障工作的重中之重。在實(shí)際工作中，如果能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)可以的雨量數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行處理，是提高自動(dòng)站雨量數(shù)據(jù)可用性最行之有效的方法。

1 區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣象資料的質(zhì)量控制方法作過一些研究，如王海軍等研究了自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)資料自動(dòng)質(zhì)量控制的方法[1]，劉小寧等研究了地面氣象資料質(zhì)量控制方法[2-3]，王新華等研究了自動(dòng)站A文件質(zhì)量控制方法[4]，不過針對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的降水資料質(zhì)量控制的研究在國(guó)內(nèi)較少。

區(qū)域自動(dòng)氣象站一般建設(shè)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)，站點(diǎn)分布密集，可以監(jiān)測(cè)中小尺度的天氣系統(tǒng)，但這也對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量數(shù)據(jù)的異常分析帶來了很大的難度。由于中小尺度系統(tǒng)降水突發(fā)性強(qiáng)，時(shí)空分布很不均勻，因此很難在一次降雨過程中發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)是否異常。

本文主要介紹了通過對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)的異常，并提醒保障人員處理異常數(shù)據(jù)，維護(hù)故障臺(tái)站。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

目前，對(duì)于雨量數(shù)據(jù)異常分析的主要方法，在國(guó)內(nèi)外仍以通過分析過程雨量數(shù)據(jù)的時(shí)空差異性和極值檢查為主。不過通過實(shí)際工作，在對(duì)異常雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)中，筆者發(fā)現(xiàn)通過檢查小時(shí)數(shù)據(jù)和分鐘數(shù)據(jù)，更易發(fā)現(xiàn)雨量異常數(shù)據(jù)。

2.1 雨量異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因

區(qū)域自動(dòng)氣象站雨量數(shù)據(jù)的異常主要有以下原因產(chǎn)生：由于雨量傳感器或電纜出現(xiàn)故障，如干簧管生銹或斷裂，數(shù)據(jù)線斷裂或短路等原因，導(dǎo)致出現(xiàn)的雨量數(shù)據(jù)故障，該類故障一般表現(xiàn)為無降雨或者降雨異常偏大獲偏小；雨量筒堵塞或損壞導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)為0或者數(shù)據(jù)偏小，在實(shí)際保障中筆者發(fā)現(xiàn)因?yàn)橹┲刖W(wǎng)導(dǎo)致的堵塞，導(dǎo)致降水?dāng)?shù)據(jù)異常的情況時(shí)有發(fā)生，且較難判斷；由于采集器的故障，出現(xiàn)雨量產(chǎn)生隨機(jī)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這種情況較少。

2.2 雨量數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和建立

為了第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)雨量異常數(shù)據(jù)，需要對(duì)區(qū)域站雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過人工來監(jiān)控大量的區(qū)域站雨量數(shù)據(jù)，顯然不太可能。因此，建立了區(qū)域自動(dòng)站雨量數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)從省局CIMISS系統(tǒng)中獲取雨量數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫主要包括以下3個(gè)庫表。

臺(tái)站基本信息表，主要設(shè)計(jì)了臺(tái)站名稱，區(qū)站號(hào)，所在縣名，所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)名，經(jīng)度，緯度，海拔高度，建設(shè)時(shí)間，手機(jī)卡號(hào)，相關(guān)聯(lián)系人員，備注信息等。

自動(dòng)站雨量數(shù)據(jù)表，主要設(shè)計(jì)了區(qū)站號(hào)，數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間，數(shù)據(jù)入庫時(shí)間，分鐘降雨量，小時(shí)降雨量，日降雨量，控制代碼，運(yùn)行狀態(tài)。

異常雨量數(shù)據(jù)表，主要設(shè)計(jì)了區(qū)站號(hào)，異常數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間，數(shù)據(jù)異常原因，異常數(shù)據(jù)值。

2.3 氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的冗余檢查

為了對(duì)分鐘數(shù)據(jù)的缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，保證氣象數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)了氣象數(shù)據(jù)的冗余檢查功能，對(duì)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。在冗余檢查中，如果該小時(shí)內(nèi)有過多的分鐘數(shù)據(jù)為缺測(cè)，當(dāng)缺測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時(shí)，那么在對(duì)該小時(shí)數(shù)據(jù)入庫時(shí)，加上缺測(cè)標(biāo)識(shí)，判斷該小時(shí)數(shù)據(jù)不可靠。

2.4 雨量數(shù)據(jù)的極值檢查

在雨量數(shù)據(jù)的極值檢查中，一般通過對(duì)小時(shí)數(shù)據(jù)極值檢查和分鐘數(shù)據(jù)的極值檢查2種方式來開展。一般實(shí)施中以小時(shí)極值判讀為基礎(chǔ)，配合分鐘雨量閾值檢查，來確定異常數(shù)據(jù)。

雨量數(shù)據(jù)的小時(shí)極值檢查是通過設(shè)定自動(dòng)站小時(shí)雨量的極值，該值一般以30a整編質(zhì)量為依據(jù)，設(shè)置分月的小時(shí)雨量極值。在設(shè)置中，綜合考慮每個(gè)加密自動(dòng)站與國(guó)家氣象站的距離、地理環(huán)境等是否相似等因素。如湖北省某站小時(shí)雨量極值表如下。

通過該方法，利用設(shè)定的極值對(duì)該地區(qū)2016年5—6月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，僅查出10條數(shù)據(jù)超過極值。可以發(fā)現(xiàn)通過小時(shí)雨量極值檢查的方法可能會(huì)濾掉很多可疑數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)樾r(shí)雨量機(jī)制本身就有很大的極端性，超過該極端天氣的雨量值一般較難出現(xiàn)。

分鐘雨量閾值一般按照本地的氣候特征來設(shè)置。比如上站，設(shè)置分鐘雨量極值為10mm，然后利用分鐘雨量極值法進(jìn)行分析，查出了59條數(shù)據(jù)超過極值，經(jīng)過進(jìn)一步分析，確認(rèn)這59條數(shù)據(jù)全部為異常數(shù)據(jù)。

2.5 降雨數(shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)性檢查

對(duì)于一場(chǎng)系統(tǒng)性連續(xù)降雨過程，可以通過雨量數(shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)性來檢查。通過對(duì)小時(shí)內(nèi)的所有分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析小時(shí)內(nèi)各分鐘雨量的大小和分鐘雨量數(shù)據(jù)的聯(lián)系性，可以發(fā)現(xiàn)降雨的異常數(shù)據(jù)。

選擇了6月22日20：00—6月23日20：00一次降水天氣過程的24h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在分析中，排除小時(shí)雨量很小的數(shù)據(jù)，僅分析小時(shí)雨量超過10mm的降水?dāng)?shù)據(jù)，在對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)后，共統(tǒng)計(jì)了小時(shí)雨強(qiáng)大于10mm的數(shù)據(jù)1053條，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分類分析，發(fā)現(xiàn)如下情況。

首先把小時(shí)內(nèi)分鐘降雨量值大于0的數(shù)據(jù)條數(shù)，依次按照0～10條，10～20條，20～30條，30個(gè)以上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。小時(shí)內(nèi)降水分鐘數(shù)不超過10條的有15個(gè)時(shí)次，在10～20條之間的有23個(gè)時(shí)次。分析這38個(gè)時(shí)次的降雨，發(fā)現(xiàn)其中雨量數(shù)據(jù)異常的很多，因此可以把分析的重點(diǎn)放在降水分鐘數(shù)不超過20條時(shí)次上。

然后把小時(shí)內(nèi)有降水的分鐘數(shù)不超過20條的38個(gè)時(shí)次，檢查這些時(shí)次中分鐘降雨量在3mm以上的。在分析中發(fā)現(xiàn)，如果沒有超過3mm分鐘降雨量的雨量數(shù)據(jù)，在進(jìn)一步判斷中基本沒有異常。但是如果有超過3mm分鐘降雨量的，特別是3mm分鐘降雨量數(shù)據(jù)達(dá)到5條以上的，該小時(shí)的數(shù)據(jù)一般都是有誤的，屬于異常數(shù)據(jù)，需要保障人員及時(shí)維修。

在分析中發(fā)現(xiàn)還有一種情況，當(dāng)某個(gè)分鐘降雨數(shù)據(jù)超過了1mm，但是該時(shí)次前后都沒有雨量數(shù)據(jù)，那么這條孤立的數(shù)據(jù)也是可疑數(shù)據(jù)。如果這種情況出現(xiàn)了多次的話，那么該站數(shù)據(jù)基本可以判定為有誤數(shù)據(jù)。出現(xiàn)這種情況，一般都是由于雨量筒堵塞導(dǎo)致，由于堵塞不完全，每過一段時(shí)間滲水會(huì)出現(xiàn)1mm的降雨。

2.6 降雨數(shù)據(jù)的空間分布一致性檢查

對(duì)于一場(chǎng)降雨天氣過程，降水一般發(fā)生時(shí)不會(huì)僅有1個(gè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到降雨，周邊站點(diǎn)也會(huì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)該降雨過程。不過對(duì)于特別局地性的降雨過程，對(duì)于降水過程進(jìn)行空間一致性分析則不可靠。因此，該方法主要用來分析比較長(zhǎng)時(shí)間降雨偏少或者是沒有降雨發(fā)生的站點(diǎn)。

該檢查方法一般是通過統(tǒng)計(jì)分析一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段的雨量數(shù)據(jù)，將雨量數(shù)據(jù)相對(duì)周邊站點(diǎn)或相對(duì)于平均雨量明顯偏小的站點(diǎn)列為可疑站點(diǎn)，進(jìn)行人工復(fù)檢。比如當(dāng)某一站點(diǎn)的降雨量小于該地區(qū)平均雨量的30%以上時(shí)，可以認(rèn)為該地區(qū)降雨數(shù)據(jù)不正常。這種故障一般是由于雨量傳感器堵塞、干簧管損壞等原因造成的。利用該方法判斷1個(gè)月數(shù)據(jù)，基本上可以確定儀器故障站點(diǎn)，需要保障人員進(jìn)行維護(hù)。

3 對(duì)照中尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行人工檢查

利用計(jì)算機(jī)算法，對(duì)區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行雨量數(shù)據(jù)異常檢查，雖然能發(fā)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)的一些問題，但是還需要技術(shù)人員進(jìn)行最終的判斷來確定。保障人員可以通過人機(jī)交互，通過查看雷達(dá)、衛(wèi)星反演降雨數(shù)據(jù)，檢索周邊站點(diǎn)降雨量，對(duì)異常站點(diǎn)和周邊站點(diǎn)雨量進(jìn)行時(shí)序檢查，多種方式判斷站點(diǎn)數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

利用自動(dòng)站雨量異常判斷方法，如果只有個(gè)別時(shí)次出現(xiàn)了可疑數(shù)據(jù)，則可能是有些偶然的因素導(dǎo)致的，只需要電話通知協(xié)理員進(jìn)行檢查即可；如果某個(gè)站點(diǎn)降雨量多次提示可疑，那么該站設(shè)備發(fā)生故障的可能性極大，需要技術(shù)去維護(hù)。對(duì)于局地性很強(qiáng)的中小尺度天氣系統(tǒng)，如果系統(tǒng)提示為可疑數(shù)據(jù)，在對(duì)應(yīng)雷達(dá)分析的基礎(chǔ)上，可以聯(lián)系當(dāng)?shù)貐f(xié)理員，以免誤刪暴雨天氣。為了最大程度的保證自動(dòng)站雨量數(shù)據(jù)的可用性，保障人員需要每年汛期前對(duì)所有自動(dòng)站設(shè)備做一次全面巡檢，在有強(qiáng)天氣過程前對(duì)重要站點(diǎn)和故障頻發(fā)站點(diǎn)進(jìn)行再巡檢，以免設(shè)備故障導(dǎo)致雨量信息不可用。

利用自動(dòng)站雨量異常判斷法來尋找故障站點(diǎn)在本地業(yè)務(wù)中發(fā)揮了明顯的效益，但數(shù)據(jù)處理方法仍需要完善，要想做到異常數(shù)據(jù)的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，仍有一定的技術(shù)差距。利用單種中尺度觀測(cè)設(shè)備來判讀設(shè)備的運(yùn)行情況，本身就具有很大的局限性。因此在下一步的工作中，需要綜合利用衛(wèi)星、雷達(dá)等中尺度探測(cè)產(chǎn)品，結(jié)合雷達(dá)反演降水?dāng)?shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域自動(dòng)站異常降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行再次分析，在多種產(chǎn)品的支持下，判斷的準(zhǔn)確性必將可以大大提高。

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