區(qū)域天氣自動站資料的加工處理、應用與影響的因素分析淺探

1、區(qū)域天氣自動站資料的加工處理、應用與影響的因素分析淺探    論文導讀：贛南區(qū)域天氣自動站網(wǎng)始建于2005年底，分三年時間建成，現(xiàn)有區(qū)域天氣自動站300個，其中6要素站3個，4要素站244個，2要素站53個，分布于全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，另有大氣監(jiān)測自動站18個，平均網(wǎng)格約為11km*11km，基本滿足監(jiān)測中尺度天氣系統(tǒng)布點（10km*10km）要求。因此，區(qū)域天氣自動站網(wǎng)監(jiān)測資料對于中尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預報預警服務有著十分廣泛的應用。 關鍵詞：區(qū)域天氣自動站，資料，加工處理與應用，影響的因素    贛南區(qū)域天氣自動站網(wǎng)始建

2、于2005年底，分三年時間建成，現(xiàn)有區(qū)域天氣自動站300個，其中6要素站3個，4要素站244個，2要素站53個，分布于全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，另有大氣監(jiān)測自動站18個，平均網(wǎng)格約為11km*11km，基本滿足監(jiān)測中尺度天氣系統(tǒng)布點（10km*10km）要求。因此，區(qū)域天氣自動站網(wǎng)監(jiān)測資料對于中尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預報預警服務有著十分廣泛的應用。如贛州在20060726上猶五指峰特大暴雨、20090703崇義聶都特大暴雨等歷次氣象及其次生災害的預警服務和防災抗災決策中起到至關重要的作用。論文發(fā)表。 1.區(qū)域天氣自動站資料的加工處理 通過對區(qū)域天氣自動站資料的收集整理，統(tǒng)計出某一時刻或某段時間內(nèi)氣象要素分布狀

3、況、平均狀況和極值，并繪制離散離分布圖、格點分布圖。資料的讀取和加工處理均可通過編程來實現(xiàn)。繪制分布圖時應疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至村級區(qū)域圖。實踐中常用溫度和降水資料，而風、壓、濕等因站點少、代表性差等原因很少進行分析和應用。 1.1統(tǒng)計表格 根據(jù)需要以表格的形式列出某時刻或某時段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點氣象要素實測值、平均值、極值。這是一種比較原始的應用方式。只是簡單地進行了一些加工，直觀性差，是一種離散性的表達。 1.2離散點分布圖 根據(jù)需要將某時刻或某時段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點氣象要素實測值或平均值或累計值在地圖上相應位置上標注出來，分析勾勒分析出等值線，以不同顏色的線條表示不同數(shù)值，并標注極值。等值線值可以根據(jù)需要

4、取值，溫度值可取偶數(shù)值等間隔值，降水可以按照1、5、10、20、50、100、250毫米取值。這是一種圖形化應用方式，直觀性比較好。 MICAPS系統(tǒng)的相應功能可以實現(xiàn)離散點分布圖的繪制，資料以第三類格式數(shù)據(jù)存放。 在實踐中可以通過編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)、地理信息的定時自動取值，并自動調(diào)用MICAPS生成、保存不同時次、不同時間段的氣象要素值或累計量分布圖，再通過web方式供不同的用戶使用。 1.3格點分布圖 根據(jù)需要將某時刻或某時段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點氣象要素實測值或平均值或累計值與站點地理信息，建立統(tǒng)計學平面分布模型：對于某次過去的天氣過程的影響來說，某地的氣象要素值是確定的，且其分布也具有一定的規(guī)律性

5、，即可用W(x,y)=F(x,y,z)來描述氣象要素沿地表的分布狀態(tài)。由于地表的不平坦性，模型中需要引入z坐標，表明氣象要素也受地表海拔高度變化影響，但z受x和y約束，即z=z(x,y)，這樣，更能客觀地反映氣象要素沿地表的分布狀態(tài)。以此來計算格點處氣象要素值，標注在地圖相應位置上，分析勾勒出等值線，以不同顏色的線條表示不同數(shù)值，標注極值。網(wǎng)格點可取1km、2km、5km、或10km，等值線值可以根據(jù)需要取值，溫度值可取偶數(shù)值等間隔值，降水可以按照1、5、10、20、50、100、250毫米取值。這是一種精細化圖形應用方式，直觀性非常好，更能表達氣象要素的實際分布狀況。 MICAPS系統(tǒng)的相應

6、功能可以實現(xiàn)格點分布圖的繪制，并可用色標來表達氣象要素的具體分布。資料以第四類格式數(shù)據(jù)存放。論文發(fā)表。 在實踐中需要建立格點處地理信息，通過編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)、地理信息的定時自動取值，并自動調(diào)用MICAPS生成、保存不同時次、不同時間段的氣象要素值或累計量分布圖，再通過web方式供不同的用戶使用。 由于氣象要素沿地表分布的復雜性，真正的分布函數(shù)難以找到。因此，可以采用有限次冪多項式來模擬，即W(x,y)F(x,y,z)=A+B1*X+B2*Y+B3*Z+C1*(X2)+C2*(Y2)+C3*(Z2)+C4*(X*Y) + C5*(X*Z)+C6*(Y*Z)+D1*(X3)+D2*(Y3)+D3*(

7、Z3)+D4*(X2*Y)+D5*(X2*Z)+D6*(X*Y2)+ D7*(X*Z2)+D8*(Y2*Z)+D9*(Y*Z2)+。 以最小二乘法的方法求解方程。確定最高次冪可以從低階到高階計算樣本殘差平方和與樣本方差的比值來確定，當比值<=5%時可以認為該次冪模擬函數(shù)能夠描述氣象要素的分布狀態(tài)，不再繼續(xù)更高次冪函數(shù)的求解。 1.4色標分布圖 建立全境范圍內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)前述方式建立氣象要素模擬分布函數(shù)，并規(guī)定不同區(qū)段要素值狀態(tài)用不同的顏色來表示（即色標），以此來繪制分布圖，這樣可以相對連續(xù)地表達境內(nèi)各點的氣象要素分布。 實踐中由于要獲取全境內(nèi)地理信息十分困難，可以利用前述計算出的

8、格點資料建立一個氣象要素的二維有限次冪多項式來模擬氣象要素的二維分布，即W(x,y)=F(x,y)=A+B1*X+B2*Y+B3*Z+ C1*(X2)+C2*(Y2)+C3*(X*Y)+D1*(X3)+D2*(Y3)+D3*(X2*Y)+D4*(X*Y2)+。 方程求解和確定最高次冪的方法同前。 另外，還可用arcview來實現(xiàn)色標分布圖的繪制。 1.5格點流場圖 將站點風資料分解成U、V方向分量，再按1.3方法分別建立分布模型，計算格點U、V分量值，調(diào)用MICAPS系統(tǒng)的相應功能實現(xiàn)流場分析，資料以第十一類數(shù)據(jù)格式存放。 2.區(qū)域天氣自動站資料的應用 區(qū)域天氣自動站資料在中小尺度天氣監(jiān)測、短

9、時臨近預報預警、決策氣象服務、災害評估、人工增雨效果檢驗等方面具有廣泛的應用。 2.1中小尺度天氣的監(jiān)測 贛南暴雨洪澇、地質(zhì)災害具有突發(fā)性強、局部性明顯的特征，是典型的中小尺度天氣系統(tǒng)造成的。區(qū)域天氣自動站布點廣泛，網(wǎng)格大小達到了11km*11km，資料獲取時間間隔達到了每5分鐘一次，從空間和時間尺度上基本具備了對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力，由于區(qū)域天氣自動站網(wǎng)資料的實時性和圖形化，可以較為直觀地鎖定中小尺度天氣系統(tǒng)的空間位置及強度，通過不同時次的探測資料，全程監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)的演變。 2.2短時臨近預報預警 根據(jù)不同時次、不同時間段氣象要素值或累計值的分布特點及流場特征，判斷中小尺度天氣

10、系統(tǒng)的位置、移動、范圍及強度變化，以此預測未來系統(tǒng)演變的趨勢，并作出較為精細化的短時臨近預報，對于較強烈的天氣可以及時就影響時間、影響范圍、影響強度作出預警。在實踐中可以通過對不同時次、不同時段的氣象要素值或累計值（主要是降水）分布的比較，結合雷達回波、衛(wèi)星云圖資料，來判定生成、發(fā)展、移動及消亡趨勢。 2.3精細化天氣預報 可以象天氣圖一樣在精細化業(yè)務中應用區(qū)域天氣自動站資料。利用氣象要素值或累計值分布圖為依據(jù)，制作區(qū)域內(nèi)任何點未來某一時段內(nèi)氣象要素值或累計值預報，并根據(jù)未來時間段資料對預報的準確性進行必要的檢驗。實踐中必須在充分考慮天氣圖、數(shù)值預報、衛(wèi)星云圖等資料的前提下，作出總體的天氣趨勢

11、預報，再結合區(qū)域天氣自動站資料進行空間點上的精細化預報。 2.4公共氣象服務 利用區(qū)域天氣自動站資料的分布圖，可以直觀地了解各地氣象要素值或累計值的分布，結合暴雨型地質(zhì)災害隱患點、山塘水庫隱患點、江（堤）防隱患點、農(nóng)作物種植分布區(qū)域、人員密集場所分布就可以提出具有針對性的防范措施和建議，供政府決策參考，聯(lián)合相關部門開展有針對性的暴雨型地質(zhì)災害、山洪災害、作物凍害、電（通信）網(wǎng)冰災等預警業(yè)務。如強降水區(qū)與暴雨型地質(zhì)災害隱患點、山塘水庫隱患點、江（堤）防隱患點重合，則可能需要對隱患點進行搶險、救災，并疏散轉(zhuǎn)移群眾；組織轉(zhuǎn)移強降水下游區(qū)域群眾，并對隱患點進行加固、除險。如強降溫區(qū)或低溫區(qū)與某作物種植

12、區(qū)重合，則該種植區(qū)應當采取增溫保溫或其他救災措施。由此制作而成的決策氣象服務材料也更具直觀性和觀賞性。 2.5氣象災害評估 利用區(qū)域天氣自動站資料分布圖，結合暴雨型地質(zhì)災害隱患點、山塘水庫隱患點、江（堤）防隱患點、農(nóng)作物種植分布區(qū)域、人員密集場所分布等資料，可以確定氣象災害的地點、區(qū)域、范圍和強度，并對可能造成或已經(jīng)造成的災害進行評估。 2.6人工增雨作業(yè)效益評估 人工增雨作業(yè)效益的評估，需要確定兩個數(shù)據(jù)，一個是人工增雨作業(yè)的影響區(qū)域，一個是人工增雨作業(yè)影響區(qū)的自然降水。根據(jù)有關研究，一次火箭或高炮地面作業(yè)影響范圍約為300平方公里、兩頭為半圓、中間為矩形的區(qū)域，走向為引導氣流的方向。我們可以

13、利用該次人工增雨作業(yè)影響區(qū)域外的站點建立降水分布模型，以此計算出該區(qū)域內(nèi)降水為自然降水，再與該區(qū)域內(nèi)實測值進行比較后，計算出區(qū)域內(nèi)增雨量和直接經(jīng)濟效益。論文發(fā)表。當然也可以分別用全境內(nèi)站點資料、不含人工增雨作業(yè)影響區(qū)站點資料建立降水分布模型，分別計算區(qū)域內(nèi)實測降水和自然降水，比較后計算出區(qū)域內(nèi)增雨量和直接經(jīng)濟效益。 2.7氣候區(qū)劃和氣象災害評估 針對某種需要（作物種植、資源利用、災害防御等），利用arcview將地理信息與區(qū)域天氣自動站歷史資料結合起來，進行氣候區(qū)劃和氣象災害風險評估。 3.影響區(qū)域天氣自動站資料使用的因素 由于區(qū)域天氣自動站遠離臺站的客觀，決定了有許多影響區(qū)域天氣自動站資料使

14、用的因素存在。 3.1供電 電源是區(qū)域天氣自動站運行的基礎前提。我市所有區(qū)域天氣自動站均為太陽能電源，當遇有長時間的連陰雨天氣時，太陽能采集器不能吸收太陽能，蓄電池儲能不足以保證對數(shù)據(jù)的采集和傳輸。 解決供電問題的方法有：一是將單一太陽能電源改為太陽能電源加市電供電，優(yōu)先采用太陽能供電，當蓄電池電壓不足時，自動啟用市電供電；二是儲備一定數(shù)量蓄電池，規(guī)定連陰雨達多天后及時更換蓄電池，保證在用設備蓄電池電量充足。 3.2數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)傳輸是區(qū)域天氣自動站資料匯集的關鍵。我市區(qū)域天氣自動站均通過gprs/gsm方式將區(qū)域天氣自動站采集的資料傳輸?shù)街行恼?。當區(qū)域天氣自動站處于比較偏遠的山區(qū)時，gprs

15、/gsm信號可能覆蓋不到或者信號強度比較弱，影響數(shù)據(jù)的傳輸。另外，當未及時繳納通信費時，通信企業(yè)將關停未繳費站點的通信功能，造成數(shù)據(jù)傳輸中斷。 解決數(shù)據(jù)傳輸問題的方法有：一是把站點調(diào)整到gprs/gsm信號能夠覆蓋的地區(qū)，或者請求通信企業(yè)加強某些方向的gprs/gsm信號，二是及時繳納通信費用。 3.3數(shù)據(jù)的精度 區(qū)域天氣自動站在自身性能上與大監(jiān)站有一定差距，主要表現(xiàn)在傳感器的分辨能力與穩(wěn)定性上。在業(yè)務運行中，也沒有對在用區(qū)域天氣自動站進行強制性檢定的規(guī)定，器差得不到訂正；區(qū)域天氣自動站遠離臺站，日常維護不到位，影響了傳感器的靈敏度，特別是降水，誤差更大；另外，設備安裝不規(guī)范，也造成探測數(shù)據(jù)不準的問題。這些都是造成區(qū)域天氣自動站探測資料的系統(tǒng)性誤差的原因，導致區(qū)域天氣自動站探測資料的準確性、穩(wěn)定性、可靠性得不到保證。 解決數(shù)據(jù)精度問題，可以從以下幾方面入手，來消除資料的系統(tǒng)性和隨機性誤差：一是從設備選型上，要選用經(jīng)過認證和實踐證明，具有高可靠性、穩(wěn)定性、準確性產(chǎn)品；二是對在線區(qū)域天氣自動站進行強制性檢定，規(guī)定每兩年定期檢定一次；三是規(guī)范日常維護制度，要求每