邱曉暖，范紹佳

(1.中山大學環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州510275 2.廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東廣州 510030)

我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)基本上每隔5 km就有一個自動氣象站，大量數(shù)據(jù)目前主要用于天氣預報分析或應用于數(shù)值模擬［1－4］，研究低能見度事件和霾日判定等［5－7］，總的數(shù)據(jù)利用率不高，缺少比較系統(tǒng)的自動氣象站資料分析處理方法。

海陸風是沿海地區(qū)特有的由海陸熱力差異引起的局地環(huán)流。文獻［8－9］使用自動氣象站資料研究海陸風，吳兌等［10］提出根據(jù)自動氣象站資料，計算“風矢量和”來研究珠江三角洲區(qū)域擴散條件。發(fā)展建立一種有效使用自動氣象站資料的方法，研究海陸風等局地環(huán)流的特征，有重要應用意義。

華南是我國海陸風出現(xiàn)頻率較高地區(qū)［11－20］，珠江三角洲沿海海陸風頻率達25%～35%，最強海風出現(xiàn)在珠江喇叭口頸部［21－23］。珠江三角洲地區(qū)機場密集、航空管制嚴，難于實施野外放球的海陸風觀測研究。利用珠江口西側(cè)廣州市南沙4個自動氣象站2001－2008逐時風向風速資料，本文建立了一套自動氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法、海陸風等局地環(huán)流的分離與判定技術(shù)，并進行應用驗證，取得良好的效果。

1 自動氣象站數(shù)據(jù)有效性判別與處理篩選方法

準 差 (σ)， 小 時 風 速 數(shù) 值 在(U－3σ，U+3σ)范圍外的，可認為出現(xiàn)該時次的數(shù)據(jù)是小概率事件，是異常值，應舍去。③數(shù)據(jù)準確性判斷:剔除上述可判斷的故障值和異常值后，再考察數(shù)據(jù)的規(guī)律性，數(shù)據(jù)變化是否滿足氣象一般規(guī)律，去除不具氣象意義的數(shù)據(jù)。

下面以位于珠江口西側(cè)的廣州市南沙區(qū)圍墾公司站、南沙中學站、橫瀝水利會站、黃閣鎮(zhèn)政府站4個自動氣象站風向風速資料為例，介紹自動氣象站數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選過程。其中圍墾公司站為2001－2008年逐時數(shù)據(jù)，其余3站為2007－2008年逐時數(shù)據(jù)。

首先利用①和②的風向、風速數(shù)據(jù)有效性判別方法，過濾得到新的有效數(shù)組，計算得出數(shù)據(jù)的有效率。使用“3σ準則”對風速數(shù)據(jù)進行過濾后，對比過濾前后的風速分布并無明顯差別，過濾掉的數(shù)據(jù)都為風速相對較大的數(shù)據(jù)，但數(shù)目很少，對于總體風速分布影響不大。然后對數(shù)據(jù)的總體情況進行考察。

由圖1可知，2001－2008年圍墾公司站平均靜風頻率為14.9%，靜風頻率差異較大，為0.8%～39.3%，其他各風向在各年分布情況比較一致，SE-S所占比例最高，NNW-NE次之，SW-WNW出現(xiàn)的概率則很小。各年各風向分布情況的一致性說明數(shù)據(jù)的整體有效性、正確性較高，同時也說明2001－2008年該地區(qū)氣候狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒有大

自動氣象站數(shù)據(jù)由儀器自動采集發(fā)送，由于儀器故障、維護等原因，原始數(shù)據(jù)可能存在部分錯誤值，因此，使用數(shù)據(jù)前需要對數(shù)據(jù)進行整理。為確保自動氣象站的數(shù)據(jù)有效，根據(jù)自動氣象站風向風速數(shù)據(jù)應滿足的一般規(guī)律，可采取下述方法進行數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選:① 風向數(shù)據(jù)有效性:風向數(shù)值是具體到1°的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)中連續(xù)3個或以上時次風向角度不變，可認為該時間段儀器出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)不可靠，應舍去。②風速數(shù)據(jù)有效性－“3σ準則”:一般風速數(shù)據(jù)為偏態(tài)分布，為最大限度保留數(shù)據(jù)的完整，考慮以月為基本數(shù)據(jù)集，由逐時風速計算得到月平均風速 (U)和標的異常情況出現(xiàn)。

圖1 圍墾公司站各年各風向頻率Fig.1 Frequency of annual wind direction in Weiken Company Staion

同樣方法分析2007、2008年黃閣鎮(zhèn)政府站、橫瀝水利會站、南沙中學站和圍墾公司站風向頻率發(fā)現(xiàn):2007年黃閣鎮(zhèn)政府站偏北風頻率與其它站差異較大，2007和2008年南沙中學站、橫瀝水利會站偏南風頻率與其它站差異較大。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，造成不同站點風向頻率差異的原因是多方面的:2007和2008年南沙中學站的風向分布情況與其它站差異較大，與南沙中學站7、8月的數(shù)據(jù)集中性缺值有關(guān);黃閣鎮(zhèn)政府站2007年1－6月W-S-E風向在風玫瑰圖中幾乎不出現(xiàn)，7月偏北風亦明顯比偏南風多，1－6月W-S-E風向幾乎不出現(xiàn)很可能是由于儀器故障，導致數(shù)據(jù)錯誤，7月偏北風比偏南風多，數(shù)據(jù)正確性也偏低;橫瀝水利會站2007和2008年SE-S風向頻率分布規(guī)律較一致，SSW-SW在2008年9、10月出現(xiàn)異常高值。

綜上分析，圍墾公司站數(shù)據(jù)有效率高，正確率大，得到的結(jié)果是可信的;同時，該站數(shù)據(jù)一致性好，具有一定的代表性。而2007年黃閣鎮(zhèn)政府站，2008年橫瀝水利會站和2007－2008年南沙中學站均出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)異常的情況，數(shù)據(jù)正確率低。因此，選定圍墾公司站的數(shù)據(jù)作為代表進行分析，并以南沙 (圍墾站)表示。

綜上所述，處理自動氣象站的原始數(shù)據(jù)時，可依循以下步驟:①根據(jù)風向數(shù)據(jù)有效性準則，去掉風向角度不變者;② 根據(jù)風速“3σ準則”，去掉風速異常值;③考察站點本身及不同站點之間風向差異性，去掉存在較大差異的數(shù)據(jù)，得到合理可用的數(shù)據(jù)。

2 海陸風等局地環(huán)流分離與判定技術(shù)

研究表明，珠江口海陸風頻率為25%～35%，夏季高于冬季［21－23］。在傳統(tǒng)的海陸風分析方法中，文獻 ［24－25］的方法較為適用于自動氣象站資料的海陸風分析。以南沙 (圍墾站)為例，參考于恩洪的方法，可定義南沙海風為E-S，陸風為W-N;陸風盛行時段為1∶00－8∶00時，海風盛行時段為14∶00－21∶00時，其他時間為海風、陸風風向轉(zhuǎn)換時間;實測風在海風盛行時段海風出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，在陸風盛行時段陸風出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，且風速均小于10 m/s，則該天為海陸風日。按照上述定義得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風頻率，2001－2005年不超過5%，2006－2008年不超過10%。用傳統(tǒng)方法統(tǒng)計自動氣象站實測風得到的海陸風頻率，年出現(xiàn)頻率非常低，與已有的關(guān)于珠三角海陸風的研究結(jié)果相差很大，結(jié)果不合理。因此，傳統(tǒng)的海陸風分析方法不適用于自動氣象站資料的局地環(huán)流分析，需要發(fā)展一套適用于自動氣象站資料的局地環(huán)流分析方法。

2.1 系統(tǒng)風和局地風的分離方法

為便于研究，把風分為實測風、系統(tǒng)風和局地風。自動氣象站等測站所測的風稱為實測風，大范圍、大尺度的風稱為系統(tǒng)風，海陸風等局地環(huán)流稱為局地風，實測風為系統(tǒng)風和局地風的疊加。

將自動氣象站每日逐時實測的風矢量分解成u、v分量，分別取各時次u、v分量的平均得到日平均風矢量的分量，合成得到日平均風，為系統(tǒng)風。

作實測風與系統(tǒng)風的矢量差，得到的風矢量為去掉系統(tǒng)風之后的局地風。公式如下:

其中，UHO為每日第H個時次的實測風矢量;UDS為每日系統(tǒng)風矢量;UHL為每日第H個時次的局地風矢量。

判斷海陸風日，還需要考慮數(shù)據(jù)的有效性。一天中，有效的數(shù)據(jù)組數(shù)超過當天應有數(shù)據(jù)組數(shù)的2/3(即24 h至少有17 h的數(shù)據(jù))，定義為“有效天”。海陸風日，必需為有效天。

2.2 風向持續(xù)性統(tǒng)計法

海陸風日的海陸風持續(xù)性則是指海風 (陸風)開始到結(jié)束所用的時間。分析海陸風的連續(xù)性及出現(xiàn)時間，需要將所有數(shù)據(jù)按時間順序作為一個有序的數(shù)據(jù)集，在該有序數(shù)據(jù)集中統(tǒng)計海風 (陸風)連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)及開始時間。

將自動氣象站資料以年為數(shù)據(jù)集進行海陸風持續(xù)性統(tǒng)計，并以其結(jié)果作為判斷海風、陸風一般發(fā)生時間的依據(jù)。在這里需要區(qū)分一般發(fā)生時間和通常所講的盛行時間，一般發(fā)生時間是指海陸風在所指時間內(nèi)可能發(fā)生，盛行時間是指海陸風在所指時間內(nèi)發(fā)生的頻率很高。

2.3 海陸風日判定標準

有效天條件下，局地風中海風在海風一般發(fā)生時間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，陸風在陸風一般發(fā)生時間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，則判定該天為海陸風日。

2.4 海陸風分離與判定技術(shù)的應用

利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風環(huán)流分離方法和海陸風判定方法，分析得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風日頻率結(jié)果見圖2。

圖2 2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風日頻率Fig.2 Frequency of sea-land breeze days in Nansha(Weiken Station)during 2001 to 2008

從圖2可見，利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風環(huán)流分離方法和海陸風判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風頻率，和目前關(guān)于珠三角海陸風研究認為珠江口海陸風頻率25% ～35%相一致。

2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風頻率季節(jié)變化研究結(jié)果 (圖略)，也和夏季高于冬季的一般結(jié)論相一致。

利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風環(huán)流分離方法和海陸風判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風結(jié)果符合一般性，結(jié)果是可信的。

上述自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、局地環(huán)流分離方法和判定方法，具有可程序化的特點，可以推廣到研究山谷風、城市熱島環(huán)流等局地環(huán)流的特征。自動氣象站資料是研究海陸風等局地環(huán)流比較理想的資料。

3 結(jié)論

1)自動氣象站資料是研究海陸風等局地環(huán)流比較理想的資料。

2)利用自動氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法和局地環(huán)流分離與判定技術(shù)，得到珠江口西側(cè)廣州市南沙區(qū)海陸風的分析結(jié)果符合一般規(guī)律，結(jié)果是可信的。該方法能有效地利用自動氣象站數(shù)據(jù)對海陸風等局地環(huán)流進行研究。

3)通過從實測風中分離出系統(tǒng)風和局地風，得到局地風的分離與判定技術(shù)，可用于自動氣象站數(shù)據(jù)的局地環(huán)流研究，有推廣應用價值。

［1］陶士偉，仲躋芹，徐枝芳，等.地面自動站資料質(zhì)量控制方案及應用［J］.高原氣象，2009，28(5):1202－1209.

［2］邵建，胡文東，賈宏元，等.西北六省區(qū)域自動氣象站資料處理及MICAPS應用研究［J］.陜西氣象，2010(5):10－14.

［3］雷衛(wèi)延，譚鑒榮，伍光勝，等.自動站資料統(tǒng)計軟件在亞運會氣象預報的應用［J］.廣東氣象，2010，32(4):62－63.

［4］楊靜，杜小玲.自動站資料在天氣預警中的應用［J］.貴州氣象，2005，29(2):28－29.

［5］陳靜，吳兌，劉啟漢.廣州地區(qū)低能見度事件變化特征分析［J］.熱帶氣象學報，2010，26(2):156－164.

［6］趙普生，張小玲，徐曉峰.利用日均及14時氣象數(shù)據(jù)進行霾日判定的比較分析［J］.環(huán)境科學學報，2011，31(4):704－708.

［7］張立杰，李磊，江崟，等.基于自動站觀測資料的深圳城市熱島研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2011，16(4):479－486.

［8］PRTENJAK M T，GRISOGONO B.Sea/land breeze climatological characteristics along the northern Croatian Adriatic Coast［J］.Theoretical and Applied Climatology，2007，90(3):201－215.

［9］AZORIN-MOLINA C，CHEN D.A climatological study of the influence of synoptic-scale flows on sea breeze evolution in the bay of Alicante(Spain)［J］.Theoretical and Applied Climatology，2009，96(3):249－260.

［10］吳兌，廖國蓮，鄧雪嬌，等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究［J］.應用氣象學報，2008，19(1):1－9.

［11］張立鳳，張銘，林宏源.珠江口地區(qū)海陸風系的研究［J］.大氣科學，1999(5):581－589.

［12］朱乾根，周軍，王志明，等.華南沿海五月份海陸風溫壓場特征與降水［J］.南京氣象學院學報，1983(2):150－158.

［13］徐金輝，郭綿釗，梁漢民.廣東沿海地區(qū)海陸風特征及其分布規(guī)律［J］.氣象科學，1992(2):188－199.

［14］吳兌，陳位超，游積平.?？诘貐^(qū)近地層流場與海陸風結(jié)構(gòu)的研究［J］.熱帶氣象學報，1995(4):306－314.

［15］LIN W，WANG A，WU C，et al.A case modeling of sea-land breeze in macao and its neighborhood［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2001，18(6):1231 －1240.

［16］LIU H，CHAN J C L.An investigation of air-pollutant patterns under sea-land breezes during a severe air-pollution episode in Hong Kong［J］.Atmospheric Environment，2002，36(4):591 －601.

［17］DING A J，WANG T，ZHAO M，et al.Simulation of sea-land breeze and a discussion of their implications on the transport of air pollution during a multi-day ozone episode in the Pearl River Delta of China［J］.Atmospheric Environment，2004，38:6737 －6750.

［18］陳訓來，馮業(yè)榮，范紹佳，等.離岸型背景風和海陸風對珠江三角洲地區(qū)灰霾天氣的影響［J］.大氣科學，2008(3):530－542.

［19］李明華，范紹佳，王寶民，等.2004年10月珠江口西岸海陸風特征觀測研究［J］.中山大學學報:自然科學版，2007(2):123－125.

［20］李明華，范紹佳，王寶民，等.秋季珠江口地區(qū)海風對城市群空氣污染的影響［J］.中山大學學報:自然科學版，2008，47(4):114－121.

［21］黃志興，劉嘉玲.伶仃洋海陸風觀測的初步結(jié)果［J］.熱帶海洋學報，1985(3):21－29.

［22］吳祖常，董保群，任陣海，等.內(nèi)伶仃島及其附近海面低層大氣的平均結(jié)構(gòu)［J］.熱帶氣象學報，1991(2):162－169.

［23］高紹鳳，楊兆禮.珠江三角洲初夏海陸風特征［J］.中山大學學報論叢，1993(1):87－92.

［24］于恩洪，陳彬，白玉榮.渤海灣西部海陸風的空間結(jié)構(gòu)［J］.氣象學報，1987(3):379－381.

［25］陳彬，于恩洪.渤海灣西部海陸風的天氣氣候特征［J］.海洋通報，1989(1):23－29.