毛佩柱 毛智政 汪 俊 馬士欽

秦皇島市氣象局 河北秦皇島 066000

1 概述

氣象觀測是氣象工作的基礎,也是氣象服務、氣象決策的最重要的依據,關系到社會的經濟發(fā)展、生產生活甚至人們的安全。氣象觀測(探測)工作十分重要。

臺站取得的氣象資料必須準確地代表一個地區(qū)的氣象特點,氣象資料應具有代表性、準確性和比較性,即觀測資料的“三性”。

氣象觀測站是氣象數據獲取的業(yè)務部門,目前我國的氣象站的類型,主要為有業(yè)務人員值守的國家級氣象觀測站,和無人值守的區(qū)域自動氣象站。國家級氣象觀測站由氣象觀測員進行值守,觀測的氣象要素種類豐富,是我國氣候資料的主要數據源。無人值守的區(qū)域自動氣象站,觀測的氣象要素根據氣象服務的需要,一般有單要素、2要素及多要素(4至7要素)。區(qū)域自動氣象站數量巨大,分布廣泛,是國家級氣象觀測站的補充,使氣象服務人員獲取空間上更加詳細的氣象觀測資料,為氣象決策和氣象服務提供有力的數據支持。

區(qū)域自動氣象站要取得區(qū)域性的氣象觀測資料,自動站必須廣泛布設在一定的地理區(qū)域內,一般的情況下,合理的自動氣象布設為每5～10平方千米架設一個自動氣象站。

由于自動氣象站分布范圍廣,而且對于地理環(huán)境復雜的地域,致使區(qū)域自動氣象站的站址環(huán)境復雜,不僅對區(qū)域自動氣象站的探測數據的代表性產生影響,有的甚至對區(qū)域自動氣象站的運行安全產生影響,進而影響自動氣象數據的準確及時,這些因素都是在區(qū)域自動氣象站選址中必須重視的。

因建設中各種復雜原因的影響,區(qū)域自動氣象站難以達到《地面氣象觀測規(guī)范》的觀測環(huán)境條件,在數據的代表性上存在差距。在實際的選址中,由于站點附近土地權屬問題,多數站點所在單位無法提供建站所需的理想探測環(huán)境。區(qū)域站站點受周邊環(huán)境影響嚴重,區(qū)域站周邊的山體、建筑、超高的樹木以及觀測場地外圍超高的雜草等,對區(qū)域站的風向、風速、降水、溫度等觀測有很大影響。

2 區(qū)域站的場地周邊環(huán)境對氣象要素觀測的影響

2.1 區(qū)域站周邊植物的影響

區(qū)域站的定位為無人型自動觀測,觀測場地無法像有人值守的國家級氣象臺站一樣達到對探測環(huán)境的維護嚴格要求。觀測場地周邊若為自然地貌時,雜草自然生長,超過觀測規(guī)范要求,在植物生長季節(jié),周邊過高的雜草、灌木等,對氣象數據將產生顯著影響。

在日常工作中,區(qū)域自動站所在地周邊的雜草一般超過100cm高,按觀測規(guī)范要求,溫度和濕度傳感器的安裝高度為距地面150cm。過高的植物使植物的枝葉,距離百葉箱內溫度和濕度傳感器的距離過近,對探測的溫度和濕度造成影響。經過對比實驗,發(fā)現(xiàn)當雜草超高時,對區(qū)域氣象站的溫度數據有明顯的影響,特別是晴天天氣條件下。當雜草高度超過50cm時,雜草場地的溫度出現(xiàn)夜間低于標準場地,白天高于標準場地溫度的特征。在晴天的夜間,草高在50cm時,低于標準場地平均0.2℃,草高在100cm時,低于標準場地平均0.3℃。在夏季晴天的白晝時段,草高在50cm時,高于標準場地平均0.6℃,草高在100cm時,高于標準場地平均0.8℃,最大的溫差出現(xiàn)在14時時段內,最大溫差為1.0℃。見圖1。

圖1 測站周邊植物高度對溫度數據的影響

2.2 區(qū)域站周邊障礙物對風的觀測的影響

為取得準確的氣象觀測數據,在《地面氣象觀測規(guī)范》中要求,國家氣象觀測站周圍障礙物距離觀測場的距離,應在障礙物高度的10倍距離以上。

通過障礙物對風速影響的實驗,發(fā)現(xiàn)當風速在5.0m/s時,障礙物背風面方向上的風速衰減隨距離增大而減小,在5倍障礙物高度距離處平均約衰減35%,在10倍障礙物高度距離處平均約衰減12%;風速大于5m/s時,背風面方向的風速衰減,在大約5倍障礙物高度的距離處衰減70%,10倍障礙物高度的距離處平均約衰減25%。

實驗發(fā)現(xiàn),當障礙物距離測站過近時,障礙物對迎風面方向的風速也會產生影響,經測試障礙物對風速的影響距離為迎風面上3倍建筑物高度。

障礙物的存在使測站的風向的觀測受到影響,實驗數據表明,當測站在障礙物的背風面方向上,當測站距障礙物距離為7倍建筑物高度;測站在障礙物的側向方向上,當測站距障礙物距離為3倍建筑物高度;測站在障礙物的迎風面方向上,當測站距障礙物距離為1.5倍建筑物高度,測站觀測的風向,與實際風向出現(xiàn)明顯偏差。

由于區(qū)域站面積很小,秦皇島市一般的區(qū)域站的標準約6米×6米,很多特殊地點無觀測場地。由于較小的觀測場地,區(qū)域站的運行極易受到外界環(huán)境因素影響。場地附近的高大樹木、人為因素,以及供電情況影響,從而影響區(qū)域站的穩(wěn)定運行。

3 特殊的站址環(huán)境對區(qū)域站安全性的影響

為更好地開展氣象服務,很多氣象站架設在海島、海岸、河邊、山地等地,這些特殊地段的環(huán)境,在惡劣天氣出現(xiàn)時,可能對自動氣象站的安全運行造成嚴重影響,甚至造成氣象站的損毀。建立在山地的自動站因地勢較高,接地電阻偏高的影響,在雷雨天氣中,設備被雷擊損壞的風險很大;建立在河流附近的自動站,在暴雨天氣中,暴漲的河水可能造成設備的損壞;建立在海岸堤頭的自動站,惡劣天氣下海浪對氣象站的威脅巨大。自動站的損壞,造成惡劣天氣條件下氣象數據的缺測,對防災減災等氣象服務和決策的開展產生不利影響。因此在氣象站選址時,應對區(qū)域站所處場所的安全性進行充分考慮,以避免區(qū)域站出現(xiàn)安全性事故而影響其運行。

3.1 區(qū)域站的損毀過程實例分析

在實際工作中,區(qū)域站受惡劣天氣損壞的情況時有發(fā)生,在我市實際的運行情況中,總共發(fā)生較大的自動站安全問題3次,均造成了區(qū)域站設備的嚴重損毀,其中典型的為長城游船碼頭站的在氣象和天文潮汐造成的惡劣天氣條件下造成的損毀。

長城游船碼頭站建設在游船碼頭的堤頭,位于堤頭平臺的東側,測站環(huán)境特殊,環(huán)境測站東側直面海洋,并缺乏防浪涌的沖擊設施。見圖2。2021年9月20日長城游船碼頭站在惡劣天氣條件下被海浪損毀。從被摧毀的情況分析,區(qū)域站受到地形環(huán)境影響明顯,在出現(xiàn)較強的東風及浪涌時,自動站承受的外界壓力較大,是區(qū)域站被毀壞的主要原因。

圖2 長城游船碼頭站測站環(huán)境

3.1.1 區(qū)域站損毀時段的天氣背景

從2021年9月20日的850hpa天氣實況中,秦皇島地區(qū)位于低壓氣旋的北部,等高線密集,氣壓梯度大,是出現(xiàn)大風天氣有利條件。見圖3。當日為農歷八月十四日,在天文上屬于天文潮汐較強期,在天氣條件的天文條件的效應疊加下,本地出現(xiàn)了持續(xù)的偏東大風,并出現(xiàn)風暴潮。

圖3 2021年9月20日08時850hpa天氣實況

3.1.2 區(qū)域站損毀時段的測站實況

在2021年9月20日的損毀中,秦皇島沿海各區(qū)域站均出現(xiàn)長時間持續(xù)的偏東大風天氣,各個站偏東風向穩(wěn)定,持續(xù)時間超過20小時。從19日下午到長城游船站損毀時刻,沿海各區(qū)域站測得的風向均為穩(wěn)定偏東風。秦皇島海域沿岸的5個區(qū)域站2分鐘平均風速長時間維持在10m/s以上,各測站的極大風速均大于20m/s,其中翡翠島站極大風速達到30m/s。長城游船站自20日6時后到13時的損毀時刻,2分鐘平均風速始終在15m/s以上。

由于受天文潮汐影響,長城游船站附近水位較高,海水水位超過平臺高度,巨大海浪和浪涌劇烈沖擊測站,且作用時間持續(xù)。長城游船站在惡劣災害環(huán)境下?lián)p毀。

3.2 測站在災害天氣中損毀的影響

自秦皇島建設區(qū)域站以來出現(xiàn)3次測站在災害天氣中損毀的案例,區(qū)域站在災害天氣中的損毀,不僅造成氣象部門設備的損壞,但更為重要的是,測站損毀后,災害天氣下的氣象數據的缺失,可能影響氣候極值統(tǒng)計,同時惡劣的災害天氣,對公眾的生活、工農業(yè)生產造成嚴重影響,缺失的氣象數據,對于地方政府的防災減災決策影響巨大。

4 區(qū)域自動站選址中注意的問題

區(qū)域站的環(huán)境對獲取準確的氣象數據至關重要,區(qū)域站的安全對氣象設備的保護和穩(wěn)定運行非常重要,因此在區(qū)域氣象站的站址選址時,一定要高度重視區(qū)域站站址環(huán)境,認真勘察,避免不利于區(qū)域站穩(wěn)定運行的因素。

在可能的情況下,盡可能選擇地勢平坦開闊,具備一定代表性的站址。由于區(qū)域站站址均選址在地方政府所在地,一般都是在所在單位的邊角地帶建站,場地受外墻、建筑、樹木的影響嚴重。在選址盡量選擇地勢開闊處,若十分不理想,可考慮在野外選擇。

自動站選址時,特別是海岸、河邊及低洼地段選址,要時刻對站址附近進行綜合觀察,避免影響自動站安全的外界因素,選擇安全可靠的站址建站,避免自動站在災害天氣中的損失。常規(guī)地段,特別注意站址是否低洼,因低洼易積水地段,當水位達到雨量器翻斗位置時,雨量翻斗將不能翻動,造成儀器失效。

沿海地區(qū)在海岸堤頭選址,盡量選擇堤頭內側,不要在外側直面海洋,避免直接受到海浪沖擊,對于靠近海洋站區(qū)域站,應加固測站基礎建設,并在迎海面建設防浪涌沖擊設施。

對于建設在山地的區(qū)域站,建設時應建設閉合防雷接地網,接地電阻應小于4Ω,必要時應添加降阻劑,使接地電阻符合規(guī)范要求的標準,有效避免雷電的破壞。山地建設的區(qū)域站應選址在開闊地帶,避免建設在山腳低洼地帶,避免山體對測站風向風速的影響。

結語

區(qū)域自動氣象站是對國家級氣象站氣象觀測的補充,在我國經濟建設服務和政府決策中提供了積極的參考依據。區(qū)域站的站址選擇十分重要,不僅直接影響探測到的氣象數據的準確性和代表性,而且特殊地帶的環(huán)境,使區(qū)域站的安全穩(wěn)定造成影響,增加測站的損毀風險。因此在日常的區(qū)域站站址選擇時,加強對區(qū)域站周邊環(huán)境的勘察,防范環(huán)境對區(qū)域站的不利影響。