貴州省常規站異常分鐘降水量的分析與處理

支亞京，廖婷婷，魯 霞，白鐵男，黃 鈺

(1.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

地面氣象站降水量觀測是天氣預報、氣象防災、氣象服務的必要參考。近年來，地面氣象觀測自動化后，減輕了基層臺站工作壓力并提升基層臺站工作效率。在實際工作中發現，觀測環境、人為干擾等因素都會對觀測結果的精準度產生影響，容易出現降水量觀測異常和觀測結果不準確等情況，資料失去了利用價值[1-4]。

近年來，已有不少氣象工作者針對這類問題做過一些研究，如唐紅玉等[5]采用相關、合成等統計診斷方法，對重慶2017年秋季降水異常現象進行成因分析；白賢利[6]闡述了氣象觀測降水的概念，并整理了近年來自動站觀測到的幾種降水異常情況以及處理措施；塔吉古·托合提塔等[7]根據自動氣象站雨量傳感工作原理，對喀什地區出現的異常降水情況進行分析，并提出相應解決辦法；范存飛等[8]通過對比DSG4型降水現象儀數據與人工平行觀測數據，分析了降水現象儀誤差因子的產生原因和誤差作用程度，并探討了DSG4型降水現象儀的日常維護及故障分析處理方法。但是由于地域不同，出現的異常情況并不統一。貴州是典型的西南山地省，強降水[9-10]天氣發生時降水量異常情況產生的原因復雜。本文針對發生降水量異常的幾個地面常規站降水量數據，分別從硬件、軟件以及觀測環境等方面入手分析其異常原因，依據當前業務規范提出合理的處理方法，盡量提高降水量數據的準確性，提高氣象數據質量。

1 降水異常特征

通過對臺站的小時累計降水量按臺站排序的方法來篩查異常臺站，小時累計降水量最大的臺站與臨近站的小時累計降水量相差較大的，被認為是該臺站的降水量可能是異常偏大的，異常降水量常規站具體信息如表1所示。

表1 異常降水量常規站具體信息

單純用小時累計降水量判斷其是否異常不十分可靠，需要結合分鐘降水量、雷達回波強度[7]及與降水關聯的其它要素變化情況進行分析，最終判斷是否為異常數據。

2 異常原因分析及處理

2020年6月以來，發現有多個地面常規觀測站發生分鐘降水量異常，立即收集降水量相關資料進行排查，初步判斷存在外界電磁環境對降水量信號干擾。為進一步確定其原因，組織技術人員攜帶現場電磁環境測試儀器、相關備件等趕赴站點了解情況和排查分析。

針對表1中的4個疑似有問題的臺站進行了現場檢查。通過檢查臺站環境、設備安裝規范性、周邊電磁環境、雨量信號狀況等，并讀取采集器中歷史分鐘降水量數據進行分析，同時現場對雨量傳感器作標定。我們判斷除了草原站之外的3個站的降水量數據是正常的。

2.1 個例分析

以草原站為例進行原因分析。2020年6月07日01時的小時降水量為110.6 mm，該時段內多次出現8.1～13.2 mm范圍內的分鐘降水量，數據非常可疑，分鐘降水量序列如圖1所示。現場測量雨量信號線與大地之間絕緣嚴重下降，只有2MΩ左右，已經低于正常值幾個量級，可能是由于電纜線內進水、電纜老化等原因所致；該站安裝于一個廠房后院內，附近有高壓輸電塔，且風桿上纏繞有用途不明的交流電纜線。綜合上述情況，初步判斷該站電磁環境對雨量信號產生雜波干擾，從而使采集器采集到錯誤的降水量信號，造成降水量異常。技術人員對采集器進行了更換，備用采集器在信號輸入端增加更加嚴格的濾波措施，增強了對雜波干擾的抑制能力。建議臺站工作人員更換雨量信號線和清理現場非觀測設備的其他設施。

圖1 草原站2020年06月07日01時分鐘降水量序列

2.2 進一步分析

根據技術小組對于雙翻斗雨量傳感器的測試數據，雨量傳感器的極限測量上限范圍是7.5～9.7 mm左右。當雨強大時，傳感器測量結果會偏大，即現場測到6 mm以上的分鐘降水量，實際降水量可能更小。當降水強度為7 mm/min時，測量誤差范圍是-6%～-1%，符合《地面氣象自動觀測規范(第一版)》中對降水量測量指標的規定[5](測量誤差范圍為±5%)。當降水強度為8 mm/min時，測量誤差范圍是-22%～-3%；當降水強度為9 mm/min時，測量誤差范圍是-43%～-2%。由于雨量傳感器對9 mm以上的分鐘降水量也是能夠測量的，且測量值偏小，因此，我們確定分鐘降水量7 mm以上的為異常數據，需要進一步核實。

以分鐘降水量7 mm為閾值，對數據庫中的分鐘降水量數據進行篩選，共檢出51個臺站有疑誤數據。對篩選出的分鐘降水量可疑的臺站作進一步分析，確認其狀況是否與草原站相似，如是否存在線纜問題、周邊有高壓電線、私拉電線等安裝環境情況。采用上述篩查方法，根據采集器的特性，未出現在篩出結果列表中的臺站，其測量性能是可以信任的，不需要進行現場處理；也可以進一步根據臺站安裝環境情況，最終決定是否采取預防性升級措施。為了從根本上解決這些臺站的后顧之憂，安排技術人員到現場協助進行檢查和采集器升級工作。同時，對分鐘降水量低于閾值的臺站也進行了數據分析，例如碧峰站2020年6月12日04時的小時累計降水量達到163.3 mm，從圖3碧峰站04時的分鐘降水量序列圖可以看出，分鐘降水量的變化是正常的，其中最大的分鐘降水量達到6.4 mm，從之后的災情報道來看，該小時累計降水量也是可信的。

圖2 碧峰站2020年6月12日04時分鐘降水量序列

除上述情況外，有7個站因為分鐘降水量超過6 mm或8 mm的前后一段時間的累計降水量在10 mm左右，向臺站核實情況后得知，這些分鐘強降水是現場降水量儀器校準造成的。

2.3 異常處理方法

當氣象資料業務處理系統中提示降水量數據可疑或錯誤時，可以采取以下方法進行判斷和處理：

第一，排查觀測儀器是否有故障。確認儀器故障時，分鐘降水量作缺測處理。

第二，調取實況格點產品數據對其臨近站分鐘降水量等進行綜合性對比分析。當出現孤站大量值且連續幾個時次，基本可以判斷為數據錯誤，賦予質量控制碼為2；如果是單個時次出現孤站大雨量值，這種情況是有可能的，需要結合雷達回波強度進一步分析。如果當前時次降水時間段內雷達回波強度≥50 dBz時，可以判斷其降水量是正確的，賦予質控碼為0。

第三，針對多要素站點，可以依據降水量相關要素進行判斷處理。如果當前時次氣溫驟降，相對濕度上升，風速變大時，可以判斷該數據為正確數據，賦予質控碼0。

除以上人工判斷情況外，其他情況需要向臺站工作人員核實當地實際情況賦予質控碼。

3 結論

針對貴州省部分地面氣象觀測常規站分鐘降水量異常的問題，分別從觀測儀器、觀測環境、人為干擾和電磁干擾等方面開展降水異常故障排查工作。為提高地面氣象觀測數據質量，一是臺站運維人員需定期檢定觀測儀器，保證儀器正常穩定運行；二是業務值班人員要對監測流程以及數據分析等情況充分了解，采取相應的異常處理方法，根據實際氣象條件作出合理判識，賦予相應的數據質量控制碼。