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(yáng) 550002;2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

地面氣象站降水量觀測(cè)是天氣預(yù)報(bào)、氣象防災(zāi)、氣象服務(wù)的必要參考。近年來(lái)，地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化后，減輕了基層臺(tái)站工作壓力并提升基層臺(tái)站工作效率。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)環(huán)境、人為干擾等因素都會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度產(chǎn)生影響，容易出現(xiàn)降水量觀測(cè)異常和觀測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確等情況，資料失去了利用價(jià)值[1-4]。

近年來(lái)，已有不少氣象工作者針對(duì)這類問(wèn)題做過(guò)一些研究，如唐紅玉等[5]采用相關(guān)、合成等統(tǒng)計(jì)診斷方法，對(duì)重慶2017年秋季降水異常現(xiàn)象進(jìn)行成因分析；白賢利[6]闡述了氣象觀測(cè)降水的概念，并整理了近年來(lái)自動(dòng)站觀測(cè)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(jù)自動(dòng)氣象站雨量傳感工作原理，對(duì)喀什地區(qū)出現(xiàn)的異常降水情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)解決辦法；范存飛等[8]通過(guò)對(duì)比DSG4型降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)與人工平行觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了降水現(xiàn)象儀誤差因子的產(chǎn)生原因和誤差作用程度，并探討了DSG4型降水現(xiàn)象儀的日常維護(hù)及故障分析處理方法。但是由于地域不同，出現(xiàn)的異常情況并不統(tǒng)一。貴州是典型的西南山地省，強(qiáng)降水[9-10]天氣發(fā)生時(shí)降水量異常情況產(chǎn)生的原因復(fù)雜。本文針對(duì)發(fā)生降水量異常的幾個(gè)地面常規(guī)站降水量數(shù)據(jù)，分別從硬件、軟件以及觀測(cè)環(huán)境等方面入手分析其異常原因，依據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)規(guī)范提出合理的處理方法，盡量提高降水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 降水異常特征

通過(guò)對(duì)臺(tái)站的小時(shí)累計(jì)降水量按臺(tái)站排序的方法來(lái)篩查異常臺(tái)站，小時(shí)累計(jì)降水量最大的臺(tái)站與臨近站的小時(shí)累計(jì)降水量相差較大的，被認(rèn)為是該臺(tái)站的降水量可能是異常偏大的，異常降水量常規(guī)站具體信息如表1所示。

表1 異常降水量常規(guī)站具體信息

單純用小時(shí)累計(jì)降水量判斷其是否異常不十分可靠，需要結(jié)合分鐘降水量、雷達(dá)回波強(qiáng)度[7]及與降水關(guān)聯(lián)的其它要素變化情況進(jìn)行分析，最終判斷是否為異常數(shù)據(jù)。

2 異常原因分析及處理

2020年6月以來(lái)，發(fā)現(xiàn)有多個(gè)地面常規(guī)觀測(cè)站發(fā)生分鐘降水量異常，立即收集降水量相關(guān)資料進(jìn)行排查，初步判斷存在外界電磁環(huán)境對(duì)降水量信號(hào)干擾。為進(jìn)一步確定其原因，組織技術(shù)人員攜帶現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境測(cè)試儀器、相關(guān)備件等趕赴站點(diǎn)了解情況和排查分析。

針對(duì)表1中的4個(gè)疑似有問(wèn)題的臺(tái)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查。通過(guò)檢查臺(tái)站環(huán)境、設(shè)備安裝規(guī)范性、周邊電磁環(huán)境、雨量信號(hào)狀況等，并讀取采集器中歷史分鐘降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)雨量傳感器作標(biāo)定。我們判斷除了草原站之外的3個(gè)站的降水量數(shù)據(jù)是正常的。

2.1 個(gè)例分析

以草原站為例進(jìn)行原因分析。2020年6月07日01時(shí)的小時(shí)降水量為110.6 mm，該時(shí)段內(nèi)多次出現(xiàn)8.1～13.2 mm范圍內(nèi)的分鐘降水量，數(shù)據(jù)非?？梢?，分鐘降水量序列如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量雨量信號(hào)線與大地之間絕緣嚴(yán)重下降，只有2MΩ左右，已經(jīng)低于正常值幾個(gè)量級(jí)，可能是由于電纜線內(nèi)進(jìn)水、電纜老化等原因所致；該站安裝于一個(gè)廠房后院內(nèi)，附近有高壓輸電塔，且風(fēng)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(huán)境對(duì)雨量信號(hào)產(chǎn)生雜波干擾，從而使采集器采集到錯(cuò)誤的降水量信號(hào)，造成降水量異常。技術(shù)人員對(duì)采集器進(jìn)行了更換，備用采集器在信號(hào)輸入端增加更加嚴(yán)格的濾波措施，增強(qiáng)了對(duì)雜波干擾的抑制能力。建議臺(tái)站工作人員更換雨量信號(hào)線和清理現(xiàn)場(chǎng)非觀測(cè)設(shè)備的其他設(shè)施。

圖1 草原站2020年06月07日01時(shí)分鐘降水量序列

2.2 進(jìn)一步分析

根據(jù)技術(shù)小組對(duì)于雙翻斗雨量傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，雨量傳感器的極限測(cè)量上限范圍是7.5～9.7 mm左右。當(dāng)雨強(qiáng)大時(shí)，傳感器測(cè)量結(jié)果會(huì)偏大，即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)到6 mm以上的分鐘降水量，實(shí)際降水量可能更小。當(dāng)降水強(qiáng)度為7 mm/min時(shí)，測(cè)量誤差范圍是-6%～-1%，符合《地面氣象自動(dòng)觀測(cè)規(guī)范(第一版)》中對(duì)降水量測(cè)量指標(biāo)的規(guī)定[5](測(cè)量誤差范圍為±5%)。當(dāng)降水強(qiáng)度為8 mm/min時(shí)，測(cè)量誤差范圍是-22%～-3%；當(dāng)降水強(qiáng)度為9 mm/min時(shí)，測(cè)量誤差范圍是-43%～-2%。由于雨量傳感器對(duì)9 mm以上的分鐘降水量也是能夠測(cè)量的，且測(cè)量值偏小，因此，我們確定分鐘降水量7 mm以上的為異常數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步核實(shí)。

以分鐘降水量7 mm為閾值，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的分鐘降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，共檢出51個(gè)臺(tái)站有疑誤數(shù)據(jù)。對(duì)篩選出的分鐘降水量可疑的臺(tái)站作進(jìn)一步分析，確認(rèn)其狀況是否與草原站相似，如是否存在線纜問(wèn)題、周邊有高壓電線、私拉電線等安裝環(huán)境情況。采用上述篩查方法，根據(jù)采集器的特性，未出現(xiàn)在篩出結(jié)果列表中的臺(tái)站，其測(cè)量性能是可以信任的，不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理；也可以進(jìn)一步根據(jù)臺(tái)站安裝環(huán)境情況，最終決定是否采取預(yù)防性升級(jí)措施。為了從根本上解決這些臺(tái)站的后顧之憂，安排技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助進(jìn)行檢查和采集器升級(jí)工作。同時(shí)，對(duì)分鐘降水量低于閾值的臺(tái)站也進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，例如碧峰站2020年6月12日04時(shí)的小時(shí)累計(jì)降水量達(dá)到163.3 mm，從圖3碧峰站04時(shí)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(dá)到6.4 mm，從之后的災(zāi)情報(bào)道來(lái)看，該小時(shí)累計(jì)降水量也是可信的。

圖2 碧峰站2020年6月12日04時(shí)分鐘降水量序列

除上述情況外，有7個(gè)站因?yàn)榉昼娊邓砍^(guò)6 mm或8 mm的前后一段時(shí)間的累計(jì)降水量在10 mm左右，向臺(tái)站核實(shí)情況后得知，這些分鐘強(qiáng)降水是現(xiàn)場(chǎng)降水量?jī)x器校準(zhǔn)造成的。

2.3 異常處理方法

當(dāng)氣象資料業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)中提示降水量數(shù)據(jù)可疑或錯(cuò)誤時(shí)，可以采取以下方法進(jìn)行判斷和處理：

第一，排查觀測(cè)儀器是否有故障。確認(rèn)儀器故障時(shí)，分鐘降水量作缺測(cè)處理。

第二，調(diào)取實(shí)況格點(diǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)其臨近站分鐘降水量等進(jìn)行綜合性對(duì)比分析。當(dāng)出現(xiàn)孤站大量值且連續(xù)幾個(gè)時(shí)次，基本可以判斷為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，賦予質(zhì)量控制碼為2；如果是單個(gè)時(shí)次出現(xiàn)孤站大雨量值，這種情況是有可能的，需要結(jié)合雷達(dá)回波強(qiáng)度進(jìn)一步分析。如果當(dāng)前時(shí)次降水時(shí)間段內(nèi)雷達(dá)回波強(qiáng)度≥50 dBz時(shí)，可以判斷其降水量是正確的，賦予質(zhì)控碼為0。

第三，針對(duì)多要素站點(diǎn)，可以依據(jù)降水量相關(guān)要素進(jìn)行判斷處理。如果當(dāng)前時(shí)次氣溫驟降，相對(duì)濕度上升，風(fēng)速變大時(shí)，可以判斷該數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，賦予質(zhì)控碼0。

除以上人工判斷情況外，其他情況需要向臺(tái)站工作人員核實(shí)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況賦予質(zhì)控碼。

3 結(jié)論

針對(duì)貴州省部分地面氣象觀測(cè)常規(guī)站分鐘降水量異常的問(wèn)題，分別從觀測(cè)儀器、觀測(cè)環(huán)境、人為干擾和電磁干擾等方面開(kāi)展降水異常故障排查工作。為提高地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，一是臺(tái)站運(yùn)維人員需定期檢定觀測(cè)儀器，保證儀器正常穩(wěn)定運(yùn)行；二是業(yè)務(wù)值班人員要對(duì)監(jiān)測(cè)流程以及數(shù)據(jù)分析等情況充分了解，采取相應(yīng)的異常處理方法，根據(jù)實(shí)際氣象條件作出合理判識(shí)，賦予相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制碼。