司鵬，梁冬坡，朱男男，羅傳軍

（1.天津市氣象局天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300074；2.天津市氣象局天津市氣象信息中心，天津300074；3.天津市氣象局天津市氣候中心，天津300074；4.天津市氣象局天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074）

1 引言

海洋氣象預(yù)報(bào)是促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高防災(zāi)減災(zāi)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等的重要依據(jù)之一。隨著海洋氣象事業(yè)的發(fā)展需求，近海常規(guī)資料的觀測(cè)無(wú)疑是深入了解海洋氣象信息的基礎(chǔ)保障。天津市氣象局于2016年開(kāi)始逐步開(kāi)展了近海海洋氣象觀測(cè)站建設(shè)工作，在黃渤海海域新建海上石油平臺(tái)站15個(gè)，并對(duì)海域內(nèi)已有4個(gè)站進(jìn)行了更新升級(jí)。目前，這些站的一手觀測(cè)資料直接進(jìn)入存儲(chǔ)系統(tǒng)供用戶(hù)使用。然而，在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，海上平臺(tái)承載的儀器設(shè)備很容易受到人為因素或自然因素的影響導(dǎo)致傳感器靈敏度受損，使探測(cè)值產(chǎn)生奇異值，如果在業(yè)務(wù)或科研工作中使用了這些數(shù)據(jù)，勢(shì)必會(huì)造成分析結(jié)論的偏頗。質(zhì)量控制是確保資料代表性和準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。早在20世紀(jì)90年代前人在對(duì)海洋狀況分析中已然意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題[1-2]。鄭文振等[3]對(duì)中國(guó)的海平面研究中指出，為了滿(mǎn)足研究需要，所用數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)一系列的檢驗(yàn)和質(zhì)量控制。同樣，沈佩玉[4]、郭豐義等[5]、王慧等[6]在研究海洋環(huán)境及海平面變化時(shí)也充分意識(shí)到觀測(cè)資料的質(zhì)量能夠直接影響分析結(jié)果和結(jié)論的可靠性。近年來(lái)，我國(guó)氣象資料的質(zhì)控技術(shù)得到了突破性進(jìn)展，基本實(shí)現(xiàn)地面、高空、土壤水分等實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)疑誤信息的識(shí)別[7-9]，但對(duì)于海洋觀測(cè)資料的質(zhì)控技術(shù)研究相對(duì)甚少。

海浪和海上大風(fēng)是海洋氣象預(yù)報(bào)的兩個(gè)重要方面，其中實(shí)時(shí)觀測(cè)的風(fēng)速資料是建立人工預(yù)報(bào)方程及數(shù)值模式預(yù)報(bào)實(shí)況分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是海上風(fēng)能資源評(píng)估中的寶貴支撐[10]。但是在已有的許多研究中并沒(méi)有考慮風(fēng)速資料的質(zhì)控問(wèn)題。尹盡勇等[11]在評(píng)述我國(guó)海洋氣象監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)存在的不足時(shí)提出海上資料缺乏必要的質(zhì)量控制。張?jiān)龊５萚12]對(duì)渤海灣海域的風(fēng)況特征及海陸風(fēng)進(jìn)行分析時(shí)采用了沒(méi)有經(jīng)過(guò)質(zhì)控處理的天津渤海A平臺(tái)實(shí)測(cè)風(fēng)速資料。王國(guó)松等[13]同樣基于沒(méi)有質(zhì)控的A平臺(tái)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)10 m風(fēng)場(chǎng)再分析資料統(tǒng)計(jì)得到的我國(guó)近海風(fēng)能分布進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估。武強(qiáng)等[14]對(duì)龍口至旅順海上航線(xiàn)大風(fēng)實(shí)況處理研究中也是僅僅考慮了高度訂正等可能對(duì)風(fēng)速資料質(zhì)量造成影響的因素。另外，值得注意的是我國(guó)目前海上常規(guī)觀測(cè)風(fēng)速資料較為稀缺[10,15]，所以，如何能在現(xiàn)有條件下提高實(shí)測(cè)風(fēng)速資料的可用性和代表性，充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高海洋氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、精細(xì)化水平、近海風(fēng)能資源評(píng)估等海洋氣象事業(yè)具有重要意義。

因此，我們擬對(duì)天津建設(shè)的海上石油平臺(tái)站觀測(cè)的風(fēng)速資料進(jìn)行質(zhì)量控制研究，為黃渤海海域智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)浪要素協(xié)同訂正、基于實(shí)況資料的數(shù)值模式網(wǎng)格預(yù)報(bào)偏差訂正等預(yù)報(bào)技術(shù)提供數(shù)據(jù)保障。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

研究中選取了黃渤海海域運(yùn)行狀況良好的16個(gè)石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)站，分布于渤海中部、渤海灣、遼東灣和萊州灣4個(gè)區(qū)域（見(jiàn)圖1），對(duì)其觀測(cè)的2 min風(fēng)場(chǎng)和極大風(fēng)風(fēng)場(chǎng)逐時(shí)資料進(jìn)行質(zhì)量控制分析。資料源自全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)（China Integrated Meteorological Information Sharing System，CIMISS），由天津市氣象信息中心提供。考慮到站點(diǎn)資料完整性和時(shí)間序列長(zhǎng)度的一致性，這里將研究時(shí)段定義為2017年2—10月。CIMISS是由中國(guó)氣象局建設(shè)的，是一套覆蓋全國(guó)的，集數(shù)據(jù)收集與分發(fā)、質(zhì)量控制與產(chǎn)品生成、存儲(chǔ)管理、共享服務(wù)、業(yè)務(wù)監(jiān)控于一體的氣象信息共享業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為氣象部門(mén)及相關(guān)行業(yè)用戶(hù)提供涵蓋綜合氣象探測(cè)數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品的更高質(zhì)量共享服務(wù)。

2.2 質(zhì)量控制方法

研究采用的風(fēng)速資料質(zhì)控方法是綜合了地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]及已有研究中用到的方法[17]，同時(shí)結(jié)合天津地區(qū)海洋氣象預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)得到的。包括氣候?qū)W界限值檢查、內(nèi)部一致性檢查、持續(xù)性檢查、時(shí)間一致性檢查、空間一致性檢查及質(zhì)量控制綜合分析。質(zhì)控流程如圖2所示。具體方法如下：

（1）氣候?qū)W界限值檢查。0 m/s≤2 min平均風(fēng)速＜75 m/s；0 m/s＜極大風(fēng)速＜150 m/s。未通過(guò)檢查的數(shù)據(jù)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

（2）內(nèi)部一致性檢查。2 min平均風(fēng)速≤極大風(fēng)速；（2 min平均風(fēng)速或極大風(fēng)速）風(fēng)向≥0°并且（2 min平均風(fēng)速或極大風(fēng)速）風(fēng)速≠0 m/s。未通過(guò)檢查的數(shù)據(jù)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

（3）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)差小于當(dāng)日的最小值，則未通過(guò)該檢查，視為可疑數(shù)據(jù)。

（4）時(shí)間一致性檢查。過(guò)去1 h風(fēng)速變化幅度的最小值為0.5 m/s，未通過(guò)檢查的數(shù)據(jù)視為可疑數(shù)據(jù)。

圖1 黃渤海海域16個(gè)海上石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)站分布

表1 被檢站與其對(duì)應(yīng)鄰近站信息

（5）空間一致性檢查。按照空間距離法選取3個(gè)鄰近測(cè)站（見(jiàn)表1），被檢站分別與其同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行比較，差值異常為可疑數(shù)據(jù)（這里選取的差值閾值為≥20.0 m/s）。

（6）質(zhì)量控制綜合分析。對(duì)上述檢查后的可疑資料進(jìn)行綜合分析，辨別其正確與否。如果某測(cè)站同一時(shí)間點(diǎn)同時(shí)被上述（3）—（5）方法檢測(cè)出可疑，則視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。對(duì)檢查為錯(cuò)誤的資料進(jìn)行置缺處理。

值得注意的是，研究中16個(gè)海上石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)站所處高度分別在30.3～60.0 m（見(jiàn)表1），由于大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速一般隨高度增加而增大，所以在空間一致性檢查中需要將石油平臺(tái)上測(cè)得的2 min平均或極大風(fēng)速統(tǒng)一訂正到海平面以上10 m高度風(fēng)速再進(jìn)行比較，訂正方法采用常用的指數(shù)定律：

式中：uz為海平面上空z高度處風(fēng)速，α為風(fēng)速隨高度變化的冪指數(shù)，這里參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[18]定義α =0.12。

2.3 未通過(guò)檢查統(tǒng)計(jì)

研究中各個(gè)石油平臺(tái)站的逐時(shí)2 min 平均風(fēng)速（或極大風(fēng)速）資料錯(cuò)誤率（Er）或可疑率（Sr）均利用檢查出的錯(cuò)誤條數(shù)（Eq）或疑誤條數(shù)（Sq）與整個(gè)分析時(shí)段（N）（見(jiàn)表1）的比值來(lái)表示，如式（2）所示：

圖2 逐時(shí)風(fēng)速資料質(zhì)量控制流程

3 結(jié)果分析

3.1 氣候?qū)W界限值和內(nèi)部一致性檢查

研究中對(duì)于氣候?qū)W界限值檢查和內(nèi)部一致性檢查中未通過(guò)的數(shù)據(jù)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行置缺處理。通過(guò)分析得到16個(gè)石油平臺(tái)站2017年2—10月觀測(cè)的逐時(shí)2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速均符合相關(guān)要素氣候?qū)W界限范圍，無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

對(duì)于內(nèi)部一致性檢查來(lái)說(shuō)，16個(gè)站的風(fēng)速資料均被檢測(cè)出了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。但極大風(fēng)速資料相對(duì)2 min平均風(fēng)速的內(nèi)部一致性要好，如圖3所示，除了54630（大沽燈塔）、54649（渤中35號(hào)）、54743（渤中34號(hào)）、54745（墾利10號(hào)）站之外，其他12個(gè)站極大風(fēng)速均無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。而2 min平均風(fēng)速均被檢查出了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，特別是54630（大沽燈塔）和54745（墾利10號(hào)）兩個(gè)站，錯(cuò)誤率分別達(dá)到了75.4%、25.5%，對(duì)應(yīng)極大風(fēng)速的錯(cuò)誤率也分別達(dá)到了12.6%、24.1%。主要表現(xiàn)為觀測(cè)時(shí)次有正常的風(fēng)向值但風(fēng)速值為0.0 m/s，這也是其他14個(gè)站出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的表現(xiàn)情況。同時(shí)，54743（渤中34號(hào)）站2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速分別有0.4%、1.0%風(fēng)速觀測(cè)值有誤。糾其原因主要是石油平臺(tái)上油煙較大、海上高濕、高鹽等環(huán)境因素影響造成了測(cè)風(fēng)傳感器靈敏度受損，一定程度上導(dǎo)致了風(fēng)速觀測(cè)值的異常。

3.2 持續(xù)性檢查

從圖4可以看出，在持續(xù)性檢查中，極大風(fēng)速數(shù)據(jù)被檢測(cè)出的可疑率相對(duì)2 min平均風(fēng)速要多，有10個(gè)站極大風(fēng)速數(shù)據(jù)的可疑率達(dá)到3.0%～3.5%，而2 min平均風(fēng)速資料的可疑率達(dá)到1.6%～2.1%的站僅有4個(gè)。其中，包括54468（錦州20號(hào)）、54553（綏中36）、54639（渤中13）、54646（A平臺(tái)）4個(gè)站，2類(lèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)的可疑率均相對(duì)較多，對(duì)其是否為錯(cuò)誤資料的判定我們將在質(zhì)量控制綜合分析時(shí)做進(jìn)一步確定。

圖3 黃渤海海域16個(gè)海上石油平臺(tái)內(nèi)部一致性檢查

圖4 黃渤海海域16個(gè)海上石油平臺(tái)持續(xù)性檢查

3.3 時(shí)間一致性檢查

如圖5所示，在時(shí)間一致性檢查中，除54630（大沽燈塔）站外，其他15個(gè)站2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速數(shù)據(jù)被檢測(cè)出的可疑率基本相當(dāng)，分別為21.2%～28.5%、27.0%～34.7%。對(duì)于54630站來(lái)說(shuō)，其2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速數(shù)據(jù)的可疑率分別為18.8%、76.7%。在內(nèi)部一致性檢查中（見(jiàn)圖3），該站風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)最差，特別是2 min平均風(fēng)速75.4%的數(shù)據(jù)均置為缺測(cè)，結(jié)合這里的檢查結(jié)果，說(shuō)明該站有大量風(fēng)速數(shù)據(jù)的時(shí)間變化規(guī)律不合理，資料的可用性相對(duì)較差。但同樣對(duì)于錯(cuò)誤資料的定性還需進(jìn)一步分析確定。

3.4 空間一致性檢查

通過(guò)分析檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖略），16個(gè)石油平臺(tái)站的空間一致性相對(duì)較好，正因?yàn)榍捌谠趦?nèi)部一致性檢查中去除了大量的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，所以除54464（錦州25號(hào)）和54468（錦州20號(hào)）站以外，其他14個(gè)站與其鄰近站相同觀測(cè)時(shí)次風(fēng)速值的差異均在合理數(shù)值范圍內(nèi)。但檢查出的數(shù)據(jù)可疑率相對(duì)較少，54464站2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速分別有0.02%、0.04%的定時(shí)值可疑，而54468站的極大風(fēng)速可疑數(shù)值量為0.12%，其中兩個(gè)站的極大風(fēng)速可疑值達(dá)到了43.6～65.8 m/s。

3.5 質(zhì)量控制綜合分析

綜合上述持續(xù)性檢查、時(shí)間一致性檢查以及空間一致性檢查結(jié)果，對(duì)3類(lèi)方法同時(shí)檢測(cè)出的疑誤數(shù)據(jù)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但也不排除每種方法檢測(cè)出的特殊異常值。通過(guò)分析并且結(jié)合16個(gè)石油平臺(tái)站風(fēng)速傳感器的運(yùn)行情況，除3.1節(jié)中置缺處理的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)外，對(duì)54464（錦州25號(hào)）站2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速數(shù)據(jù)新確定了3條錯(cuò)誤信息，對(duì)54468（錦州20號(hào)）、54630（大沽燈塔）兩個(gè)站的極大風(fēng)速數(shù)據(jù)分別新確定6條和1128條錯(cuò)誤信息。而其他13個(gè)站最終的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)均是3.1節(jié)中內(nèi)部一致性的檢查結(jié)果。

圖6給出了16個(gè)石油平臺(tái)站2017年2—10月風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況。圖中顯示，54630（大沽燈塔）站的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)最差，2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速的錯(cuò)誤率分別達(dá)到75.4%、35.4%；其次為54745（墾利10號(hào)）站，兩類(lèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率分別達(dá)到25.5%、24.1%，進(jìn)而導(dǎo)致這兩個(gè)站的可用性較差。而其他14個(gè)站風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好，能夠?yàn)楹Ｑ髿庀蠓治?、風(fēng)能資源評(píng)估等提供寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

因此，通過(guò)對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)石油平臺(tái)搭載的設(shè)備儀器往往會(huì)受到海上惡劣環(huán)境影響導(dǎo)致探測(cè)數(shù)據(jù)異常。所以，在使用之前進(jìn)行系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量控制是非常必要和重要的，只有清楚并解決海洋氣象資料中存在的質(zhì)量問(wèn)題，才能保證業(yè)務(wù)應(yīng)用、研究分析以及資料統(tǒng)計(jì)與加工的準(zhǔn)確性。

圖5 黃渤海海域16個(gè)海上石油平臺(tái)時(shí)間一致性檢查

圖6 黃渤海海域16個(gè)海上石油平臺(tái)風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量

4 結(jié)論與展望

本研究基于氣候?qū)W界限值、內(nèi)部一致性、持續(xù)性、時(shí)間一致性及空間一致性等檢查方法對(duì)黃渤海海域16個(gè)石油平臺(tái)站2017年2—10月逐時(shí)風(fēng)速資料進(jìn)行了初步質(zhì)量檢測(cè)。通過(guò)綜合分析得到，有87.5%的海上平臺(tái)站風(fēng)速觀測(cè)資料質(zhì)量較好，2 min平均風(fēng)速和極大風(fēng)速的錯(cuò)誤率平均僅為1.1%、0.1%左右，主要反映在內(nèi)部一致性較差，但其能夠?yàn)辄S渤海海域的氣象預(yù)報(bào)等提供基礎(chǔ)支撐。與此同時(shí)，由于海上環(huán)境等因素影響造成12.5%的平臺(tái)站風(fēng)速資料可用性較差，這些資料除內(nèi)部一致性較差以外，時(shí)間和空間一致性也相對(duì)較差，特別是極大風(fēng)速。

因此，通過(guò)對(duì)風(fēng)速資料的質(zhì)量檢測(cè)，一方面得到了海上平臺(tái)站儀器探測(cè)資料在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段一定會(huì)受到環(huán)境或人為等因素影響，導(dǎo)致一段時(shí)期或某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的資料失去其真實(shí)性。所以，在利用海上觀測(cè)資料進(jìn)行分析之前，需要進(jìn)行必要的質(zhì)量控制，否則一定程度上會(huì)造成統(tǒng)計(jì)結(jié)果的偏頗。另一方面從臺(tái)站維護(hù)角度，為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，技術(shù)保障部門(mén)有必要對(duì)海上儀器設(shè)備進(jìn)行定期巡檢，并且定期對(duì)觀測(cè)的資料進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，這樣對(duì)資料的使用多一份保障。

另外，從技術(shù)手段來(lái)看，目前海上常規(guī)觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法有限，本研究在持續(xù)性和時(shí)間一致性檢查中檢測(cè)到了部分可疑數(shù)據(jù)，但最終沒(méi)有對(duì)其定性為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生勢(shì)必有其原因。所以，好多問(wèn)題資料通過(guò)常規(guī)的質(zhì)量控制技術(shù)很難被發(fā)現(xiàn)，在今后的研究工作中，可以結(jié)合衛(wèi)星遙感等非常規(guī)資料以及更為先進(jìn)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù)，研發(fā)具有針對(duì)性的海上觀測(cè)資料質(zhì)量控制方法。