郭春迓， 李天然， 胡東明， 林良根， 蔡由昌， 易愛(ài)民

(廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州　510080)

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南海北部測(cè)站風(fēng)速質(zhì)量的控制方法

郭春迓， 李天然， 胡東明， 林良根， 蔡由昌， 易愛(ài)民

(廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州510080)

摘要：利用2009年7月—2014年6月期間南海北部50個(gè)測(cè)站的風(fēng)速資料，進(jìn)行了風(fēng)速質(zhì)量控制研究。質(zhì)量控制的具體方案包括內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、極值檢查、時(shí)間一致性檢查、高度訂正后的空間一致性檢查。結(jié)果表明，大部分測(cè)站觀測(cè)的風(fēng)速質(zhì)量良好，但是有10%～20%左右的測(cè)站不能通過(guò)內(nèi)部一致性檢查和持續(xù)性檢查，有不高于3%的測(cè)站未通過(guò)極值檢查、時(shí)間一致性檢查、空間一致性檢查，其中空間一致性檢查的通過(guò)率最高?；谏鲜鲑|(zhì)量控制的方法建立的資料質(zhì)量控制系統(tǒng)能夠有效剔除不合理值，在實(shí)際業(yè)務(wù)中有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用氣象； 自動(dòng)站； 風(fēng)速； 質(zhì)量控制； 高度訂正； 南海北部

目前我國(guó)在南海北部布設(shè)的岸基站、海島站、錨系浮標(biāo)站、平臺(tái)站、船舶站等常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)站，為近海風(fēng)浪預(yù)報(bào)提供了參考信息[1-4]。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)奇異值[5]，或者資料之間存在差異[6]。本研究將就此問(wèn)題展開研究，針對(duì)南海北部海域自動(dòng)站、平臺(tái)站、浮標(biāo)站的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一套質(zhì)量控制(Quality Control，QC)方案。目前，有許多氣象工作者對(duì)自動(dòng)站進(jìn)行資料質(zhì)量控制的研究，如陶士偉等[7]采用的一套QC方案包括如下幾個(gè)步驟：氣候極值檢查、要素間一致性檢查、時(shí)間一致性檢查、持續(xù)性檢查、背景場(chǎng)一致性檢查、空間一致性檢查、綜合決策算法和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)評(píng)估反饋等；程磊等[8]、馬祖盛等[9]則利用自動(dòng)站資料的邏輯檢查、時(shí)空一致性檢查(時(shí)間上剔除突變點(diǎn)，空間上與插值后的基準(zhǔn)站格點(diǎn)資料對(duì)比)進(jìn)行了質(zhì)量控制。以上研究基本都是對(duì)風(fēng)速和氣溫、氣壓等要素進(jìn)行的質(zhì)量控制，馮良敏[10]的研究中，進(jìn)一步對(duì)緯向風(fēng)速u和經(jīng)向風(fēng)速v進(jìn)行了質(zhì)量控制。上述質(zhì)量控制方法在南海北部自動(dòng)站的風(fēng)速監(jiān)測(cè)中效果如何？是否具有移植性和借鑒價(jià)值？本研究將分別參考上述研究中的QC方案，對(duì)南海北部的50個(gè)測(cè)站風(fēng)速進(jìn)行觀測(cè)質(zhì)量的評(píng)估和質(zhì)量控制方法的適用性研究。

1數(shù)據(jù)和方法

本研究使用的數(shù)據(jù)為南海北部50個(gè)測(cè)站的2 min風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(如圖1所示)，包括42個(gè)自動(dòng)站、5個(gè)平臺(tái)站、3個(gè)浮標(biāo)站；取逐小時(shí)風(fēng)場(chǎng)。大部分測(cè)站的時(shí)間長(zhǎng)度是從2011年至2014年6月，個(gè)別測(cè)站也有2009、2010年起至2014年6月。

圖1　南海北部測(cè)站分布

研究采用的質(zhì)量控制方法包括了內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、極值檢查、時(shí)間一致性檢查和空間一致性檢查。質(zhì)量控制的流程如圖2所示。

所采用質(zhì)量控制方法的定義如下：(1)內(nèi)部一致性檢查。對(duì)風(fēng)向>360°或者<0°、風(fēng)向>1°，而風(fēng)速為零、風(fēng)速>75 m/s的3種情況，標(biāo)記為錯(cuò)誤資料[10]。剔除以上風(fēng)向、風(fēng)速的可疑點(diǎn)，通過(guò)該檢查的數(shù)據(jù)進(jìn)入下面的檢查環(huán)節(jié)。(2)持續(xù)性檢查。當(dāng)某個(gè)測(cè)站風(fēng)速24 h樣本的標(biāo)準(zhǔn)差小于給定的最小值，則未通過(guò)該檢查[10]，通過(guò)該檢查的數(shù)據(jù)進(jìn)入下面的檢查環(huán)節(jié)。(3)極值檢查。逐日平均的各臺(tái)站風(fēng)速加減4倍標(biāo)準(zhǔn)差作為風(fēng)速的極值[11]，剔除超出極值的數(shù)據(jù)，通過(guò)該檢查的數(shù)據(jù)進(jìn)入下面的檢查環(huán)節(jié)。(4)時(shí)間一致性檢查。首先逐月統(tǒng)計(jì)所有臺(tái)站的風(fēng)速在02：00—08：00、08：00—14：00、14：00—20：00、20：00—02：00的差值，計(jì)算該差值在各時(shí)段內(nèi)的極值，然后根據(jù)0.2%的剔除率將未通過(guò)的數(shù)據(jù)剔除[12]。(5)空間一致性檢查。利用空間回歸法，將被檢測(cè)站與其周圍300 km內(nèi)的測(cè)站風(fēng)速做回歸分析，計(jì)算每個(gè)鄰近測(cè)站與被檢測(cè)站的估計(jì)誤差，由小到大排列，取前10個(gè)鄰近測(cè)站，求得加權(quán)均方根誤差估計(jì)s，如果被檢測(cè)站的風(fēng)速x滿足x-f×s≤x≤x+f×s(其中f為經(jīng)驗(yàn)值，可視情況而定，這里取3或4)，則通過(guò)空間一致性檢查[9-10]。

圖2　質(zhì)量控制流程

2質(zhì)量控制結(jié)果與討論

2.1內(nèi)部一致性檢查

圖3給出了50個(gè)測(cè)站在2011—2014年6月期間的內(nèi)部一致性檢查結(jié)果?？梢钥吹?，除59490(珠海內(nèi)伶仃島)、G7190(海陵島試驗(yàn)區(qū)海陵島鎮(zhèn))這2個(gè)測(cè)站未通過(guò)該檢查的個(gè)數(shù)較多外(未通過(guò)率約為20%)，其余站點(diǎn)的未通過(guò)率均保持在10%以下，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)的記錄良好。通過(guò)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，除59490站以外，所有未通過(guò)該檢查的站點(diǎn)出現(xiàn)的錯(cuò)誤觀測(cè)數(shù)據(jù)均為風(fēng)向>1°，且風(fēng)速為零的情況；而59490站有部分?jǐn)?shù)據(jù)也屬于上述情況，另一部分風(fēng)向出現(xiàn)了990°的異常值。

測(cè)站59490和G7190的海拔分別高達(dá)100 和280 m，同時(shí)又處于沿海地區(qū)，常年受到臺(tái)風(fēng)或東北季風(fēng)影響，風(fēng)力較大，因此很有可能是地理因素導(dǎo)致這兩個(gè)測(cè)站多數(shù)時(shí)次未能通過(guò)內(nèi)部一致性檢查的原因。

圖3　南海北部測(cè)站的內(nèi)部一致性檢查

2.2持續(xù)性檢查

為了找到儀器失靈或其他原因，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)在連續(xù)幾個(gè)時(shí)次沒(méi)有變化的情況，檢查如下：求出各測(cè)站每日24 h觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)馮良敏[10]的做法，設(shè)定閾值為0.1，若各測(cè)站24 h內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差小于閾值則標(biāo)記為不通過(guò)檢查。

圖4a顯示了各個(gè)測(cè)站多年風(fēng)速日平均值和平均標(biāo)準(zhǔn)差：除了59515(汕頭浮標(biāo)站)、G3597(陸豐石油平臺(tái))、G3598(番禺石油平臺(tái))日平均風(fēng)速在8 m/s以上，其余測(cè)站風(fēng)速都較小；而各個(gè)測(cè)站風(fēng)速的多年平均日標(biāo)準(zhǔn)差在0.6～2.0之間，因此閾值取0.1較為合理。

持續(xù)性檢查結(jié)果如圖4b所示，灰色直方圖和黑色等值線同2.1節(jié)。除了59490(珠海內(nèi)伶仃島)和G3358(惠州32-1平臺(tái))站以外，其余測(cè)站幾乎均通過(guò)該檢查(個(gè)別站有個(gè)別日除外)，表明大部分測(cè)站儀器性能良好。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，G3358站在2013年1月—5月期間，風(fēng)速幾乎一直維持在0.3 m/s；而59490測(cè)站則有風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間維持1 m/s的現(xiàn)象。

圖4　南海北部各測(cè)站風(fēng)速多年日統(tǒng)計(jì)值(a)和風(fēng)速持續(xù)性檢查(b)

2.3極值檢查

若測(cè)站風(fēng)速超過(guò)歷史上出現(xiàn)的極大值和極小值，則需要標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)。本研究首先利用測(cè)站多年平均的逐日風(fēng)速加(減)4倍標(biāo)準(zhǔn)差，得到風(fēng)速的極大(小)值，然后對(duì)每個(gè)測(cè)站每日平均的風(fēng)速進(jìn)行檢查，若超過(guò)極值則記為不通過(guò)該檢查[11]。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行該檢查之前，資料首先經(jīng)過(guò)了內(nèi)部一致性檢查和持續(xù)性檢查，剔除了可疑點(diǎn)。圖5給出了各個(gè)測(cè)站的極大值和極小值檢查結(jié)果。從結(jié)果來(lái)看，極大值和極小值的未通過(guò)率保持在2%～3%左右。

圖5　風(fēng)速極大值(a)和極小值(b)檢查

由于測(cè)站的資料長(zhǎng)度最長(zhǎng)僅有5年，且檢查之前又排除了不通過(guò)前面兩項(xiàng)檢查的點(diǎn)，對(duì)于極值的確定來(lái)說(shuō)，這種做法缺乏足夠的樣本，結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.4時(shí)間一致性檢查

有時(shí)受儀器或其他因素影響，要素值可能會(huì)出現(xiàn)突變的情況，因此需要在時(shí)間尺度上對(duì)要素進(jìn)行檢查，剔除突變點(diǎn)。本研究參照徐枝芳等[12]的做法，對(duì)每日02：00—08：00、08：00—14：00、14：00—20：00、20：00—02：00四個(gè)時(shí)段的風(fēng)速差值進(jìn)行檢查：統(tǒng)計(jì)各時(shí)段的風(fēng)速差極值，然后確定資料剔除范圍。需要說(shuō)明的是，由于受不同的系統(tǒng)影響，不同季節(jié)的各時(shí)段風(fēng)速差值也會(huì)有所不同，因此本研究按月統(tǒng)計(jì)各時(shí)段風(fēng)速差極值。為了避免由于儀器故障導(dǎo)致的某個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)徒增(減)，在此項(xiàng)檢查之前，首先對(duì)風(fēng)速進(jìn)行了內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、極值檢查，剔除上述檢查中未通過(guò)的數(shù)據(jù)，特別在極值檢查中，剔除了由于風(fēng)速躍變而使得極大(小)值嚴(yán)重偏大(小)的數(shù)據(jù)：若某年某日的風(fēng)速平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，高出其他幾年該日的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差20 m/s以上，則將其剔除。

圖6a、6c分別給出了經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后，1—12月期間，02：00—08：00、08：00—14：00、14：00—20：00、20：00—02：00 四個(gè)時(shí)段內(nèi)，50個(gè)測(cè)站平均的風(fēng)速差的極小值、極大值。可以看到，各時(shí)段的風(fēng)速差的極值較為一致，略有不同的地方是，春季和夏季，各時(shí)段風(fēng)速差極值偏大，這意味著，相對(duì)冷空氣而言，汛期由強(qiáng)對(duì)流、臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)造成風(fēng)速的脈動(dòng)更為偏大。圖6b、6d統(tǒng)計(jì)了4個(gè)時(shí)段風(fēng)速極小、極大值在各個(gè)風(fēng)速段的站次分布，可以看到，各時(shí)段的風(fēng)速差的極值(絕對(duì)值)大多在15 m/s以內(nèi)，但也有個(gè)別測(cè)站例外。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)例外的原因包括以下幾種：冷空氣強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流短時(shí)大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)(圖略)得到，除59667(電白放雞島)、59683(珠海萬(wàn)山群島)、G7190(海陵島試驗(yàn)區(qū)海陵島鎮(zhèn))3個(gè)站的概率為0.06%、0.05%和0.04%以外，其余測(cè)站在4個(gè)時(shí)段風(fēng)速差超過(guò)±15 m/s的概率基本不超過(guò)0.03%。

圖6　南海北部4個(gè)時(shí)段的風(fēng)速差在各月的極小值(a)和極大值(c)；各月極小值(b)和極大值(d)在不同風(fēng)速極值段的站次分布

2.5空間一致性檢查

同一時(shí)次，在海拔高度偏差不大的情況下，測(cè)站風(fēng)速應(yīng)與其周圍一定范圍內(nèi)其他測(cè)站的風(fēng)速值保持連續(xù)，否則要標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)，這就是空間一致性檢查的目的。

在進(jìn)行該項(xiàng)檢查之前，首先應(yīng)將各觀測(cè)站的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行高度訂正。Justus[13]、王志春等[14]、秦鵬等[15]指出在風(fēng)隨高度的變化上，冪指數(shù)法則較為常用，其中的指數(shù)選擇依賴于下墊面條件或者大氣穩(wěn)定度；陳永利等[16]給出了不同風(fēng)況下的海面粗糙度，得到了不同高度風(fēng)速的換算系數(shù)；蘇志等[17]采用指數(shù)律風(fēng)廓線公式和“時(shí)次換算”法訂正了風(fēng)場(chǎng)的最大風(fēng)速。基于上述研究，本研究將采用冪指數(shù)法，并根據(jù)植石群等[18]利用風(fēng)塔數(shù)據(jù)得到的廣東沿海風(fēng)速值與冪指數(shù)alpha的關(guān)系，將各測(cè)站的風(fēng)速訂正到10 m高度，即采用如下公式：

其中，Z1為測(cè)站海拔高度(m)；Z2為所要訂正到的高度(m)；UZ2這里為10 m，為訂正后Z2高度上的風(fēng)速(m/s)；UZ1為原始測(cè)站風(fēng)速(m/s)；冪指數(shù)α為與風(fēng)速有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這里取α=0.312-0.88lnUZ1。

測(cè)站風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、極值檢查和高度訂正后，進(jìn)入空間一致性檢查。

2.5節(jié)已經(jīng)介紹了空間一致性檢查的方法，此處不再贅述。由于測(cè)站地理位置原因，有些地區(qū)方圓500 km范圍內(nèi)沒(méi)有測(cè)站，或者受資料時(shí)間長(zhǎng)度限制，能夠匹配的站點(diǎn)沒(méi)有相同的有效觀測(cè)時(shí)刻，因此50個(gè)測(cè)站中，有36個(gè)測(cè)站可以接受該檢查。從結(jié)果看來(lái)(圖略)，當(dāng)f=3時(shí)，有1/3站點(diǎn)的個(gè)別時(shí)次未通過(guò)該項(xiàng)檢查(單站不通過(guò)檢查的站次最多不超過(guò)10個(gè)，即不超過(guò)單站樣本總數(shù)的的0.03%)；當(dāng)f=4而其他參數(shù)不變時(shí)，僅有59506(汕浮標(biāo)站)的3個(gè)時(shí)次未通過(guò)檢查，這說(shuō)明大部分測(cè)站的風(fēng)速符合空間分布的合理性。

3結(jié)論

本研究對(duì)2009—2014年南海北部的50個(gè)測(cè)站風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行了質(zhì)量控制，包括內(nèi)部一致性、持續(xù)性、極值、時(shí)間一致性和空間一致性等5個(gè)檢查，其中在空間一致性檢查之前做了高度訂正處理，結(jié)果如下：

1)內(nèi)部一致性檢查：除59490(珠海內(nèi)伶仃島)、G7190(海陵島試驗(yàn)區(qū)海陵島鎮(zhèn))兩個(gè)測(cè)站未通過(guò)該檢查的個(gè)數(shù)較多外(未通過(guò)率約為20%)，其余站點(diǎn)的未通過(guò)率均保持在10%以下。

2)持續(xù)性檢查：除了59490(珠海內(nèi)伶仃島)和G3358(惠州32-1平臺(tái))站的未通過(guò)率約在10%和20%以外，其余測(cè)站幾乎均通過(guò)該檢查(個(gè)別站有個(gè)別日除外，未通過(guò)率在0～2%之間)，表明大部分測(cè)站儀器性能良好。

3)極值檢查：大部分測(cè)站都有未通過(guò)該檢查的時(shí)次，但極大值和極小值的未通過(guò)率保持在2%～3%左右。

4)時(shí)間一致性檢查：大部分測(cè)站在02：00—08：00、08：00—14：00、14：00—20：00、20：00—02：00四個(gè)時(shí)段的風(fēng)速極大、極小的絕對(duì)值都不超過(guò)15 m/s。超過(guò)±15 m/s的概率基本不超過(guò)0.03%，可能由以下幾種導(dǎo)致：冬季冷空氣強(qiáng)風(fēng)、前汛期強(qiáng)對(duì)流短時(shí)大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等。

5)空間一致性檢查：在高度訂正的基礎(chǔ)上，利用空間回歸方法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行檢查：經(jīng)驗(yàn)值f=3時(shí)，僅有1/5的站點(diǎn)的個(gè)別時(shí)次未通過(guò)該項(xiàng)檢查；而f=4時(shí)，則僅有一個(gè)測(cè)站的個(gè)別時(shí)次未通過(guò)。該項(xiàng)檢查對(duì)風(fēng)速的通過(guò)率最高。

上述檢查結(jié)果表明，大部分測(cè)站的風(fēng)速資料質(zhì)量較好，但是在實(shí)際業(yè)務(wù)中仍需要實(shí)時(shí)應(yīng)用質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行判斷，剔除不合理點(diǎn)。在持續(xù)性檢查、極值檢查、時(shí)間和空間一致性檢查中，檢查結(jié)果對(duì)于樣本數(shù)量有較高的敏感性，本研究得到的幾種檢查的閾值還需要進(jìn)一步驗(yàn)證；特別是由于自動(dòng)站資料時(shí)間較短，下一步可以結(jié)合遙測(cè)站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外，對(duì)于各種檢查結(jié)果，可以設(shè)定一套綜合決策算法用以評(píng)估各種檢查的結(jié)果，最終得到合理的數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制結(jié)果。

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收稿日期：2015-04-23

基金項(xiàng)目：華南區(qū)域氣象科研專項(xiàng)(GRMC2014M03)；廣東省氣象局專項(xiàng)(2014B01)共同資助

作者簡(jiǎn)介：郭春迓(1985年生)，女,研究生，助理工程師，現(xiàn)從事短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警工作。E-mail：newbiubiu@126.com

中圖分類號(hào)：P49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.011

郭春迓， 李天然， 胡東明， 等.南海北部測(cè)站風(fēng)速質(zhì)量的控制方法[J].廣東氣象，2016,38(1)：44-48.