索朗卓嘎，李彥軍，巴果卓瑪，阿 桑，唐富安

（1.西藏林芝市氣象局，西藏 林芝 860000；2.西藏工布江達(dá)縣氣象局，西藏 林芝 860200；3.西藏察隅縣氣象局，西藏 林芝 860600）

1 研究背景

1.1 研究的目的、意義及必要性

目前林芝市共有4 個(gè)人工站、68 個(gè)區(qū)域自動站投入業(yè)務(wù)使用，可為當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報(bào)、短時(shí)預(yù)報(bào)、重大氣象服務(wù)保障及決策氣象服務(wù)等提供數(shù)據(jù)支撐。對于區(qū)域自動氣象站來說，其觀測資料的質(zhì)量將會對預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)效果直接產(chǎn)生影響，常規(guī)的地面質(zhì)控軟件只能監(jiān)測缺測資料，無法保證數(shù)據(jù)本身質(zhì)量，其中，異常數(shù)據(jù)的閾值則是對質(zhì)量控制效果影響最大的關(guān)鍵性因素，本文結(jié)合藏東南地區(qū)區(qū)域自動氣象站觀測的各種氣象要素?cái)?shù)據(jù)資料和常用的質(zhì)量控制方法，并將林芝境內(nèi)的區(qū)域自動氣象站分布規(guī)律和實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行結(jié)合，對溫濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、降水量等不同種類的異常氣象要素?cái)?shù)據(jù)的閾值進(jìn)行研究，并形成技術(shù)指標(biāo)，對它進(jìn)行總結(jié)并形成技術(shù)指標(biāo)，為地面綜合數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測研究提供參考。

依據(jù)氣象數(shù)據(jù)在天氣學(xué)、氣候?qū)W原理、時(shí)間和空間上的相互聯(lián)系得出如下常用傳統(tǒng)質(zhì)控方法：氣候極值的檢查、時(shí)間序列的檢查、空間序列的檢查[1]。針對歷史數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中的一些方法，如內(nèi)部一致性、歷史極值判定等方法同樣適用于實(shí)時(shí)自動站質(zhì)量控制。需要引起注意的是，實(shí)時(shí)信息檢驗(yàn)同歷史質(zhì)量控制之間還有一些差異存在，通過歷史控制可以了解到某時(shí)刻前后及空間的數(shù)據(jù)信息，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性水平，只能了解到過去時(shí)刻及空間數(shù)據(jù)信息[2-3]。本文以傳統(tǒng)質(zhì)量控制理論為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象要素空間一致性特點(diǎn)，以尋找林芝市區(qū)域自動氣象站獲取氣候界限值常用方法，在將其投入業(yè)務(wù)應(yīng)用后，可分析最終的運(yùn)行結(jié)果，以對觀測數(shù)據(jù)誤差原因進(jìn)行探尋，為區(qū)域自動站開展實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供參考。本文從以下幾個(gè)方面來判別數(shù)據(jù)異常情況，并找出閾值。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)很多地方已經(jīng)有了很成熟的地面數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控平臺，能很好地監(jiān)測地面氣象數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性、準(zhǔn)確性。區(qū)內(nèi)目前是利用天元系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，只能監(jiān)控缺測數(shù)據(jù)，MODS 可以對疑問數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)或缺測數(shù)據(jù)由省級發(fā)現(xiàn)，因此，希望通過對地面綜合數(shù)據(jù)異常質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的研究快速發(fā)現(xiàn)疑誤。

2 計(jì)算方法

2.1 建站不足10 年的區(qū)域站確定參證站

對于區(qū)域站來說，因臺站建設(shè)時(shí)間相對較短，在選擇質(zhì)量控制參數(shù)時(shí)不宜選用本站統(tǒng)計(jì)值，需要選擇建站時(shí)間超過10 年站點(diǎn)的氣候資料作為參證站。有關(guān)步驟如下[4]。

2.1.1 確定區(qū)域站建設(shè)時(shí)間超過10 年的站點(diǎn)

對區(qū)域站建設(shè)時(shí)間超過10 年的站點(diǎn)進(jìn)行確定，并將它作為該站的參證站使用。

2.1.2 確定參證站的對應(yīng)方法

眾所周知，區(qū)域自動站建設(shè)的時(shí)間較短，通過對區(qū)域站與超過10年以上站點(diǎn)的最近距離進(jìn)行計(jì)算來確定最終的參證站。

計(jì)算公式如下：

式（1）中：s為兩站點(diǎn)之間的距離；a為2 點(diǎn)緯度差，主要是A 點(diǎn)與B 點(diǎn)緯度的差；A 點(diǎn)經(jīng)緯度用Lat1 Lung1表示，B 點(diǎn)經(jīng)緯度用Lat2 Lung2 表示；b為2 點(diǎn)經(jīng)度差，主要是A 點(diǎn)與B 點(diǎn)經(jīng)度之差；地球半徑為6 378.137 km，最終計(jì)算結(jié)果單位為km。

在訂正時(shí)應(yīng)結(jié)合相關(guān)要素隨著高度的變化規(guī)律進(jìn)行，這樣才能確保最終的氣候值具有代表性水平。例如用布久鄉(xiāng)、易貢、南伊溝等站進(jìn)行舉例，距離布久鄉(xiāng)距離較近的站點(diǎn)分別為林芝站和尼池站，距離易貢鄉(xiāng)較近的站點(diǎn)為波密站及通麥站，根據(jù)式（1）來計(jì)算得出區(qū)域站離參證站更近的距離來確定參證站，根據(jù)計(jì)算出來的距離可以確定布久鄉(xiāng)的參證站為尼池，易貢的參證站為通麥，除了考慮氣候距離及海拔高度的條件外，仍需考慮氣候背景，因此南伊溝的參證站設(shè)為派鎮(zhèn)。

2.1.3 海拔高度差的計(jì)算

參證站之后，通過兩站的海拔高度計(jì)算出兩站的高度差。設(shè)臨近站位為h，被檢站位為h0，當(dāng)h0＜2 500 m時(shí)，|h-h0|≤100 m，h0＞2 500 m 時(shí)，|h-h0|≤300 m。

通過以上計(jì)算方法找出建站不足10 年的區(qū)域站的參證站，具體參證站情況如表1 所示。

表1 林芝各區(qū)域站參證站表

2.2 異常數(shù)據(jù)判別方法

2.2.1 臺站要素極值及氣候極值

結(jié)合林芝市境內(nèi)的氣候特點(diǎn)給出的溫濕度、氣壓、風(fēng)速和降水量不同氣象要素的極值參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著四季的更迭變化氣溫?cái)?shù)據(jù)的變化最為明顯，可以根據(jù)對應(yīng)月份給出對應(yīng)的極值條件。在檢查氣候極限值的過程中，若是在極值范圍內(nèi)不包含該氣象要素?cái)?shù)據(jù)信息，則可以將該數(shù)據(jù)標(biāo)定為錯(cuò)誤值。自臺站建站以來累積的各月不同氣象要素的極值信息稱之為歷史機(jī)制，一旦觀測資料超過歷史極值范圍則將其看作是可疑資料。在對歷史極值進(jìn)行檢查時(shí)，對應(yīng)的氣象要素主要有氣壓、溫度、相對濕度、降水量和風(fēng)速數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 內(nèi)部一致性

在對氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部一致性檢查時(shí)，主要是根據(jù)同時(shí)刻觀測到的要素之間或多或少存在相關(guān)性事實(shí)，在檢測時(shí)則是對某些有物理特征關(guān)聯(lián)氣象要素間能否保持一致作為最終依據(jù)。

2.2.3 時(shí)間一致性

在時(shí)間上，氣象要素變化的連續(xù)性特征較為明顯。從月份極值中可以對最大變化值進(jìn)行檢查[3]：針對當(dāng)前各個(gè)氣象要素同過去10 min 的數(shù)值變化，一旦比月份極值中的懷疑極限值要高，同時(shí)比錯(cuò)誤極限值要小，可將它看為懷疑值；若是與月份極值中的錯(cuò)誤極限值相等或偏大，則將它看為錯(cuò)誤值。

對多個(gè)時(shí)次連續(xù)無變化的檢查也是時(shí)間序列檢查中的內(nèi)容，若是連續(xù)6 個(gè)整點(diǎn)時(shí)次內(nèi)，空氣溫度、地溫、草溫、露點(diǎn)溫度及相對濕度沒有變化，可以將它看為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

2.3 氣象要素異常數(shù)據(jù)閾值方法研究

對氣溫、氣壓、風(fēng)速進(jìn)行氣候界限值參數(shù)值的統(tǒng)計(jì)，對超過10 年站點(diǎn)要素的氣候界限值參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算提??；訂正站點(diǎn)超過10 年的氣候界限值高度，并將該區(qū)域自動站對應(yīng)的質(zhì)量控制參數(shù)值計(jì)算出來。

2.3.1 氣溫

選擇自從建站以來林芝市23個(gè)國家氣象站每月的極端最高氣溫的大值、極端最低氣溫低值，并對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇人工方式核對最終結(jié)果，在確定后界限值基礎(chǔ)上，不斷向外擴(kuò)展，最終國家站的氣候界限值參數(shù)可以選擇最高氣溫向大值、最低氣溫向低值擴(kuò)展到可以被5 整除的數(shù)。利用王超球提出的方法來進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算月最高最低氣溫的擴(kuò)展值在均在0～4.5 之間，擴(kuò)展值范圍在上述月份極值的范圍之內(nèi)，并得出林芝各氣象站點(diǎn)的氣溫界限值，當(dāng)氣溫的數(shù)據(jù)超過界限值時(shí)可判定為數(shù)據(jù)“錯(cuò)誤”，需要進(jìn)行人工判斷，具體結(jié)果如圖1 所示（以部分站點(diǎn)為例）。

圖1 各站點(diǎn)氣溫氣候界限值圖

2.3.2 氣壓

統(tǒng)計(jì)國家站氣候界限值參數(shù)。選擇自從建站以來林芝市23 個(gè)國家氣象站每月的極端最高氣壓的高值、極端最低氣壓的低值，并對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇人工方式核對最終結(jié)果，在確定后界限值基礎(chǔ)上，不斷向外擴(kuò)展，最終國家站的氣候界限值參數(shù)可以選擇最高氣壓向高值、最低氣壓向低值擴(kuò)展到可以被5 整除的數(shù)。利用王超球提出的方法來進(jìn)行計(jì)算，找出擴(kuò)展值最高氣壓的擴(kuò)展值K在0～10 之間，最低氣壓的擴(kuò)展值K在0～9.9 之間，擴(kuò)展值的范圍為超過月份極值所制定的范圍，并根據(jù)公式計(jì)算出林芝各氣象站點(diǎn)的氣壓界限值，當(dāng)氣壓的數(shù)據(jù)超過界限值時(shí)可判定為數(shù)據(jù)“錯(cuò)誤”，需要進(jìn)行人工判斷[4]，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 各站點(diǎn)氣壓氣候界限值圖

2.3.3 風(fēng)速

統(tǒng)計(jì)站風(fēng)速界限值參數(shù)值。選擇自從建站以來林芝市23 個(gè)國家氣象站每月的最大風(fēng)速，并對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇人工方式核對最終結(jié)果，在確定后界限值基礎(chǔ)上，不斷向外擴(kuò)展，最終國家站的氣候界限值參數(shù)可以選擇最大風(fēng)速向高值擴(kuò)展到可以被5整除的數(shù)。通過利用王超球提出的方法來進(jìn)行計(jì)算通過計(jì)算擴(kuò)展K的范圍在0～4.9 之間，并根據(jù)公式計(jì)算林芝各氣象站點(diǎn)的風(fēng)速界限值，當(dāng)最大風(fēng)速的數(shù)據(jù)超過界限值時(shí)可判定為數(shù)據(jù)“錯(cuò)誤”，需要進(jìn)行人工判斷，具體結(jié)果如圖3 所示。

圖3 各站點(diǎn)最大風(fēng)速氣候界限值圖

2.3.4 小時(shí)降水量

2.3.4.1 氣候極值檢驗(yàn)

需檢驗(yàn)降水總量的氣候值[5]。當(dāng)前，氣候界限值在0～150 mm/h 是中國較為常用的降水資料。通過分析林芝市境內(nèi)氣候特點(diǎn)情況，將上限值設(shè)置為60 mm/h，一旦消失降水量不在氣候界限值范圍內(nèi)，則將小時(shí)降水量數(shù)據(jù)判定為錯(cuò)誤，需選擇人工方式進(jìn)行判定。

2.3.4.2 歷史極值檢驗(yàn)

結(jié)合林芝市2006—2020年自動站消失降水量數(shù)據(jù)信息，并將各個(gè)站點(diǎn)每月的小時(shí)降水量最大值篩選出來，作為本站的歷史極值閾值。通過對比小時(shí)雨量與歷史數(shù)據(jù)信息，利用歷史極值數(shù)據(jù)作為小時(shí)雨量的閾值，再根據(jù)月份極值的序列最大變化值，若是歷史極值比懷疑極限值高且比錯(cuò)誤極限值小，可將該數(shù)據(jù)作為懷疑值；若是比錯(cuò)誤極限值高，可將其看作錯(cuò)誤值。由于區(qū)域自動站運(yùn)行時(shí)間不斷增加，需逐年調(diào)整歷史極值，以增加數(shù)據(jù)量，確保極值檢驗(yàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[6]。

由于林芝自動站分布不均勻且國家站數(shù)量較少，因此空間插值交叉檢驗(yàn)法[7]和Madsen-allerupt 方法是用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的暫不能得到閾值，故目前采用氣候極值及歷史極值作為小時(shí)雨量的閾值。當(dāng)小時(shí)降水超過歷史極值的閾值時(shí)，超過歷史極值5 mm 時(shí)判定數(shù)據(jù)“可疑”，當(dāng)小時(shí)降水量超過60 mm 時(shí)則判定數(shù)據(jù)“錯(cuò)誤”，需要進(jìn)行人工判斷，具體如圖4 所示（以部分站點(diǎn)為例）。

圖4 各站點(diǎn)小時(shí)雨量異常數(shù)據(jù)閾值

2.3.5 相對濕度

2.3.5.1 氣候極值檢驗(yàn)

工作人員需對歷史值開展氣候值檢驗(yàn)工作，氣候界限值為0%～100%是中國相對濕度資料中的界限值。上限值可以設(shè)置為100%，一旦相對濕度值超過氣候界限值范圍，則判定該數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，需選擇人工方式進(jìn)行判定。

2.3.5.2 歷史極值檢驗(yàn)

相對濕度與降水呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，不同季節(jié)、不同模式（降水、晴天、陰天）下相對濕度的值變化是很大的。根據(jù)不同季節(jié)、不同模式下逐站的相對濕度大值和小值，篩選完成后作為本站歷史極值閾值，再根據(jù)月份極值的序列確定最大變化值。若是歷史極值比月份極值中懷疑極限值要高且比錯(cuò)誤極限值低，則將它看作是懷疑值；若是相對濕度數(shù)值不在0%～100%范圍內(nèi)，則可以將它看作是錯(cuò)誤值。隨著時(shí)間的推移，區(qū)域自動氣象站運(yùn)行時(shí)間將不斷增加，需逐年調(diào)整相對濕度歷史極值，以提升數(shù)據(jù)量，確保極值檢驗(yàn)更具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。具體閾值如圖5 所示（以部分站點(diǎn)為例）。

圖5 各站點(diǎn)相對濕度數(shù)據(jù)閾值

3 結(jié)束語

利用自動站觀測的數(shù)據(jù)以及上述計(jì)算方法，研究確定了氣溫、氣壓、小時(shí)最大降水、相對濕度、最大風(fēng)速的異常數(shù)據(jù)閾值，為今后數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及異常數(shù)據(jù)判斷提供了較大的支持。