浙江省國家地面氣象站分鐘降水數據集研制

王麗吉，魏爽，劉熔熔

（浙江省氣象信息網絡中心，杭州310017）

0 引言

地面觀測因其原位探測原理，成為所有觀測手段中對真實大氣的最可靠逼近。地面觀測業務化直接關系到天氣預報的準確性，同時也是極端天氣災害、季風變率、氣候模式改進等相關研究工作的主要數據支撐[1]，因而從早期就有較完整的歷史資料積累。然而，由于觀測手段與信息化能力的不斷發展，歷史氣象資料存在數據源多樣、存儲手段多樣等非均一化問題。

降水隨時間變化的過程和降水強度，對于研究我國降水特征，尤其是暴雨特征具有重要意義，而短時強降水因發生時間短、強度大，造成的危害更大。因此，長時間序列、高時間分辨率、高質量的降水數據產品的研制需求迫切[2]。在自動觀測業務化運行之前臺站觀測設備為非傳感器形式，其中降水觀測使用自記式雨量計，降水過程在自記紙上留下的降水曲線（即降水跡線）客觀記錄了降水隨時間變化的過程，反映了各種時段的降水強度，其最小時間分辨率為分鐘，是其他降水觀測資料所不可替代的[3]。而自動觀測業務化運行之后降水量的觀測由自動雨量傳感器獲得，無論是數據的存儲、傳輸還是使用都已數字化。

早期的降水自記紙時間跨度長、觀測時間分辨率高，作為歷史降水資料十分珍貴，但卻因其是紙質圖像檔案，無法大量快速便捷地被調用，與自動觀測獲得的數字化數據脫節，其規范保存和數字化建設意義重大。中國氣象局對紙質歷史氣象資料的數字化工作開展多年，到2018 年為止，通過提取降水自記紙跡線信息獲得的歷史分鐘降水數據集已全部制作完成。

1 數據源介紹

浙江省最早的氣象觀測資料可追溯至建國前，目前省氣象檔案館內完好保存的地面觀測自記紙始于1948 年。自建國前至2003 年省內自動氣象站建設之前，氣象觀測設備一直以非傳感器形式的觀測儀器（如自記雨量計等）為主。從2003 年開始，省內的國家地面氣象站逐漸開始使用自動化設備，并于2005 年全部實現自動化。自動氣象站以自動傳感器觀測為主，浙江省氣象局氣象信息網絡中心負責各個站點的數據接收，并完成數據入庫、質量控制和業務服務。

下面分別介紹從自記雨量計的自記紙降水跡線中提取的分鐘降水量和從自動雨量傳感器中獲得的分鐘降水量兩類分鐘降水數據。

1.1 自記紙跡線提取分鐘降水文件

圖1 虹吸式自記雨量計內部結構（左圖：實物，右圖：示意圖）

圖2 浙江省文成縣1987年6月13-14日降水自記紙掃描及跡線跟蹤圖像文件（.bmp格式文件）

地面氣象站自動化業務開始之前，站點的降水量觀測以自記式的翻斗雨量計或虹吸式雨量計（見圖1）為主，當有降水現象產生時，自記儀器會在自記紙上留下降水跡線。降水跡線雖然客觀記錄了降水隨時間變化的過程，反映了各種時段的降水強度，但自記紙以紙張形式保存于氣象檔案館內，數據使用過程很難滿足目前實際業務和科研工作中大量快速的需求。

中國氣象局對于紙質歷史氣象資料的數字化處理工作始于上世紀70 年代末[4]，先后對全國地面站的報表以及溫、壓、濕、風、降水自記紙進行了圖像掃描。在圖像文件得以全面保存的基礎上逐步開展圖像文件數字化。浙江省到目前為止完成了所有站點自建站始至自動觀測前的降水自記紙跡線信息提取，該時段的分鐘降水數據集也已制作完成。圖2 給出了浙江省文成縣1987 年6 月13-14 日降水自記紙掃描圖樣，圖中同時保留了降水跡線的跟蹤提取痕跡（紅色實現）。下面簡要介紹跡線提取流程。

按照國家氣象信息中心制定的《降水自記紙數據提取技術規定》[5]要求，在降水自記紙跡線提取之前需完成降水自記紙圖像文件預處理，圖像文件初檢、圖像朝向和分辨率調整，并建立降水自記紙圖像文件清單。在此基礎上使用軟件進行跡線的自動跟蹤。自記紙數據提取應以站為單位進行，開始提取后首先進行圖像檢查，如圖像嚴重傾斜應重新掃描。然后進行提取參數設置和時間分辨率設置，包括自記紙類型（虹吸、翻斗）、圖像分辨率、跟蹤方式和閾值等的設置，按照跡線的起止點位置及標注時間設置時間分辨率。跡線數據提取以自動跟蹤為主，當跟蹤不準確時需人工修正跟蹤跡線，確保與實際跡線重合。

跡線跟蹤產生的圖像文件格式為.bmp 格式，在跡線跟蹤過程中產生的相關數據記錄文件為.zjr 格式。跡線跟蹤過程實際上每分鐘降水量的記錄過程，將zjr通過特定算法轉換為.dat 文本格式的分鐘降水量文件，便于后期讀取和應用。圖3 為分鐘降水文本文件截圖，文件名命名規則為

R01IIiiiY11Y12Y13Y14Y21Y22Y23Y24。DAT，其 中IIiii 為國家氣象站統一臺站號，Y11Y12Y13Y14數據起始年份，Y21Y22Y23Y24為數據終止年份。

圖3 以臺站號為單位的分鐘數據降水文件

1.2 自動站分鐘數據J文件

浙江省自2003 年開始在全省范圍內逐步建設自動氣象觀測系統，其中降水雨量傳感器多采用雙翻斗式雨量傳感器。到2005 年為止所有國家級站點自動觀測都已正式業務運行。

自動站觀測結果由各地方臺站以.txt 文件形式按時傳輸至省氣象局氣象信息網絡中心，其中分鐘數據文件每日上傳一次。每月月初將上一月所有分鐘數據文件按照固定格式制作成一份時間跨度一個月的分鐘數據文件，即J 文件。

2 數據質量控制

2.1 自記紙跡線提取數據質量控制

由降水自記紙跡線提取獲得的分鐘降水數據經過浙江省氣象信息網絡中心以及國家氣象信息中心兩輪質量控制。質量控制方法的基本思路是：從跡線中提取的分鐘降水：①將其小時累計值與小時降水量（A6文件）進行對比或：②將其20～20 時累計值與歷史記錄的定時降水量進行對比。由于A6 文件中的小時降水量是觀測員在自記紙換下后對紙上小時雨量的人工計算，與當前使用軟件進行跡線提取后獲得分鐘降水再進行小時累加得到小時降水量相比，兩者的原始數據完全一致，因而兩者在數值上應幾乎相等的。然而由于人工計算誤差、錯誤以及遺漏難以避免，在實際情況中兩者存在差異。

排除正常時差影響，如提取的逐時降水量累計值與對應時間段A6 逐時降水量累計值差異超過以下范圍：①小時累計降水量＜5.0mm 時絕對誤差＞0.3mm，②小時累計降水量≥5.0mm 時誤差百分率＞2%，③無A6時，當提取數據20～20 時累計降水量與雨量器日降水量R 的絕對誤差超過0.5mm（R≤5mm）或者超過R×10%（R＞5mm）時，應依次檢查跟蹤跡線與降水跡線是否重合，降水分辨率、起止時間設置等有無錯誤，A6 是否有誤（A6 中數據與自記紙標注降水量不一致時為A6 錯誤）。當發現A6 錯誤或缺失且原因不明時，需要將A6 文件中的數值予以訂正或補全。

2.2 自動站分鐘數據質量控制

對自動觀測站分鐘數據的質量控制即對每月制作的J 文件進行質量控制，其中涉及到降水數據的主要質控算法為時間一致性和內部一致性[6]。通過使用地面氣象測報業務軟件（Operational Software for Surface Meteorological Observation，OSSMO）完成對J 文件的自動質量控制，如在質控過程中出現疑誤，由審核人員對J 文件進行修正。

3 數據源整合及數據庫錄入

從降水自記紙掃描圖像中提取跡線信息獲得的歷史分鐘降水數據，按照國家氣象局數據文件格式和命名要求制作成數據集，并且經過了省級和國家級數據質量控制。然而這一數據集數據文件格式與2003 年后地面自動氣象觀測站上傳至省級氣象部門的分鐘數據文件格式并不一致，由此給需要使用長序列、全時段分鐘降水數據的業務和科研工作者帶來極大不便。為了整合兩種數據源，將兩種數據的分鐘降水量以站點為單位、按時間順序依次錄入數據庫中，以此隱藏不同時期不同數據源的格式差異，形成統一表結構的、便于查詢和使用的長序列、全時段分鐘降水數據。

圖4 給出了浙江省長興站（國家氣象站統一臺站號為58443）分鐘降水數據表，數據庫為SQL Server，表中字段依次包括站號、年、月、日、時、觀測時間以及逐分鐘降水量。如需獲得一定時間段和（或）一定空間分布的累積降水量只需對數據庫進行操作即可。

圖4 采用SQL Server數據庫的分鐘降水數據表

4 結語

長時間序列、高時間分辨率、高質量降水數據集的研制對氣象業務和科研工作意義重大。地面氣象站自動觀測業務化運行之前，降水觀測使用自記式雨量計，通過降水過程在自記紙上留下降水曲線記錄降水隨時間的變化，自記紙以紙質歷史檔案的形式保存于省一級氣象檔案館內。而自動觀測業務化運行之后降水量的觀測由自動雨量傳感器獲得并上傳至省一級氣象部門。本文重點闡述了兩種數據源及其質量控制方法的差異，并討論了通過數據庫錄入整合兩種數據源的可能性。本文主要結論如下：

（1）按照國家氣象局氣象信息中心技術規定，對降水自記紙進行圖像掃描、跡線提取和歷史分鐘降水數據集制作，獲得地面氣象站建站始至自動觀測前的分鐘降水數據；從自動站上傳的分鐘數據文件中獲得自動觀測后的分鐘降水數據。

（2）計算小時累計降水量或20～20 時定時累計降水量，通過其與歷史記錄對比，完成跡線提取的歷史分鐘降水數據質量控制；通過地面氣象測報業務軟件完成對自動觀測分鐘降水數據質量控制。

（3）采用SQL Server 數據庫，將兩種數據以站點為單位、按時間順序依次錄入，形成統一表結構的長序列、全時段分鐘降水數據表。

值得指出的是，如此長時間跨度、高時間分辨的降水數據集是我國降水強度特征，特別是短時強降水特征的研究的重要數據支撐。浙江省地處長江下游入海口，東臨太平洋，全年汛期時間長、降水量大，如何在降水氣候特征研究中有效使用該數據集是下一步工作的重點。