區(qū)域天氣自動(dòng)站資料的加工處理、應(yīng)用與影響的因素分析淺探

1、區(qū)域天氣自動(dòng)站資料的加工處理、應(yīng)用與影響的因素分析淺探贛南區(qū)域天氣自動(dòng)站網(wǎng)始建于2005 年底，分三年時(shí)間建成，現(xiàn)有區(qū)域天氣自動(dòng)站300 個(gè)，其中 6 要素站 3 個(gè)，4 要素站 244 個(gè)，2要素站 53 個(gè)，分布于全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，另有大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)站18 個(gè)，平均網(wǎng) 格 約 為11km*11km ， 基 本 滿(mǎn) 足 監(jiān) 測(cè) 中 尺 度 天 氣 系 統(tǒng) 布 點(diǎn)（10km*10km）要求。因此，區(qū)域天氣自動(dòng)站網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料對(duì)于中尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)有著十分廣泛的應(yīng)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(zāi)害的預(yù)警服務(wù)和防災(zāi)抗災(zāi)決

2、策中起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)區(qū)域天氣自動(dòng)站資料的收集整理，統(tǒng)計(jì)出某一時(shí)刻或某段時(shí)間內(nèi)氣象要素分布狀況、平均狀況和極值，并繪制離散離分布圖、格點(diǎn)分布圖。 資料的讀取和加工處理均可通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。繪制分布圖時(shí)應(yīng)疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至村級(jí)區(qū)域圖。 實(shí)踐中常用溫度和降水資料， 而風(fēng)、壓、濕等因站點(diǎn)少、代表性差等原因很少進(jìn)行分析和應(yīng)用。1.1 統(tǒng)計(jì)表格根據(jù)需要以表格的形式列出某時(shí)刻或某時(shí)段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)氣象要素實(shí)測(cè)值、平均值、極值。這是一種比較原始的應(yīng)用方式。只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行了一些加工，直觀性差，是一種離散性的表達(dá)。1.2 離散點(diǎn)分布圖根據(jù)需要將某時(shí)刻或某時(shí)段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)氣象要素實(shí)測(cè)值或平均值或累計(jì)值在地圖上相

3、應(yīng)位置上標(biāo)注出來(lái)，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(biāo)注極值。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。這是一種圖形化應(yīng)用方式，直觀性比較好。micaps 系統(tǒng)的相應(yīng)功能可以實(shí)現(xiàn)離散點(diǎn)分布圖的繪制，資料以第三類(lèi)格式數(shù)據(jù)存放。在實(shí)踐中可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地理信息的定時(shí)自動(dòng)取值，并自動(dòng)調(diào)用micaps 生成、保存不同時(shí)次、不同時(shí)間段的氣象要素值或累計(jì)量分布圖，再通過(guò)web 方式供不同的用戶(hù)使用。1.3 格點(diǎn)分布圖根據(jù)需要將某時(shí)刻或某時(shí)段內(nèi)某區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)氣象要素實(shí)測(cè)值或平均值或累計(jì)值與站點(diǎn)地理信息，建立統(tǒng)

4、計(jì)學(xué)平面分布模型： 對(duì)于某次過(guò)去的天氣過(guò)程的影響來(lái)說(shuō)，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，即可用w(x,y)=f(x,y,z)來(lái)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(biāo)，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(lái)計(jì)算格點(diǎn)處氣象要素值，標(biāo)注在地圖相應(yīng)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(biāo)注極值。網(wǎng)格點(diǎn)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、2

5、0、50、100、250 毫米取值。這是一種精細(xì)化圖形應(yīng)用方式， 直觀性非常好， 更能表達(dá)氣象要素的實(shí)際分布狀況。micaps 系統(tǒng)的相應(yīng)功能可以實(shí)現(xiàn)格點(diǎn)分布圖的繪制，并可用色標(biāo)來(lái)表達(dá)氣象要素的具體分布。資料以第四類(lèi)格式數(shù)據(jù)存放。由于氣象要素沿地表分布的復(fù)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(xiàng) 式 來(lái) 模 擬 ， 即w(x,y) f(x,y,z)=a+b1*x+b2*y+b3*z+c1*(x )+c2*(y )+c3*(z )+c4*(x*y) + c5*(x*z)+c6*(y*z)+d1*(x )+d2*(y )+d3*(z )+d4*(x *y)+

6、d5*(x *z)+d6*(x*y )+ d7*(x*z )+d8*(y *z)+d9*(y*z )+。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(jì)算樣本殘差平方和與樣本方差的比值來(lái)確定，當(dāng)比值 =5%時(shí)可以認(rèn)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(biāo)分布圖建立全境范圍內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)， 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(lái)表示（即色標(biāo)） ，以此來(lái)繪制分布圖，這樣可以相對(duì)連續(xù)地表達(dá)境內(nèi)各點(diǎn)的氣象要素分布。實(shí)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(jì)算出的格點(diǎn)資料建立一個(gè)氣象要素的二維有

7、限次冪多項(xiàng)式來(lái)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*(x )+c2*(y )+c3*(x*y)+d1*(x )+d2*(y )+d3*(x *y)+d4*(x*y )+。方程求解和確定最高次冪的方法同前。另外，還可用 arcview 來(lái)實(shí)現(xiàn)色標(biāo)分布圖的繪制。1.5 格點(diǎn)流場(chǎng)圖將站點(diǎn)風(fēng)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(jì)算格點(diǎn)u、v 分量值，調(diào)用micaps 系統(tǒng)的相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分析，資料以第十一類(lèi)數(shù)據(jù)格式存放。2.區(qū)域天氣自動(dòng)站資料的應(yīng)用區(qū)域天氣自動(dòng)站資料在中小尺度天氣監(jiān)測(cè)、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警、決策氣象服務(wù)

8、、災(zāi)害評(píng)估、人工增雨效果檢驗(yàn)等方面具有廣泛的應(yīng)用。2.1 中小尺度天氣的監(jiān)測(cè)贛南暴雨洪澇、地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、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(dòng)站布點(diǎn)廣泛， 網(wǎng)格大小達(dá)到了 11km*11km，資料獲取時(shí)間間隔達(dá)到了每5 分鐘一次，從空間和時(shí)間尺度上基本具備了對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力，由于區(qū)域天氣自動(dòng)站網(wǎng)資料的實(shí)時(shí)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(qiáng)度，通過(guò)不同時(shí)次的探測(cè)資料， 全程監(jiān)測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)的演變。2.2 短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警根據(jù)不同時(shí)次、不同時(shí)間段氣象要素值或累計(jì)值的分布特點(diǎn)及流場(chǎng)特征，判斷中小尺度天氣系統(tǒng)的位置、移動(dòng)、范圍及

9、強(qiáng)度變化，以此預(yù)測(cè)未來(lái)系統(tǒng)演變的趨勢(shì)， 并作出較為精細(xì)化的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)，對(duì)于較強(qiáng)烈的天氣可以及時(shí)就影響時(shí)間、影響范圍、影響強(qiáng)度作出預(yù)警。在實(shí)踐中可以通過(guò)對(duì)不同時(shí)次、不同時(shí)段的氣象要素值或累計(jì)值（主要是降水）分布的比較，結(jié)合雷達(dá)回波、 衛(wèi)星云圖資料， 來(lái)判定生成、發(fā)展、移動(dòng)及消亡趨勢(shì)。2.3 精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)可以象天氣圖一樣在精細(xì)化業(yè)務(wù)中應(yīng)用區(qū)域天氣自動(dòng)站資料。利用氣象要素值或累計(jì)值分布圖為依據(jù)，制作區(qū)域內(nèi)任何點(diǎn)未來(lái)某一時(shí)段內(nèi)氣象要素值或累計(jì)值預(yù)報(bào)， 并根據(jù)未來(lái)時(shí)間段資料對(duì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性進(jìn)行必要的檢驗(yàn)。實(shí)踐中必須在充分考慮天氣圖、數(shù)值預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖等資料的前提下， 作出總體的天氣趨勢(shì)預(yù)報(bào)， 再結(jié)合區(qū)

10、域天氣自動(dòng)站資料進(jìn)行空間點(diǎn)上的精細(xì)化預(yù)報(bào)。2.4 公共氣象服務(wù)利用區(qū)域天氣自動(dòng)站資料的分布圖， 可以直觀地了解各地氣象要素值或累計(jì)值的分布， 結(jié)合暴雨型地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、 山塘水庫(kù)隱患點(diǎn)、江（堤）防隱患點(diǎn)、農(nóng)作物種植分布區(qū)域、人員密集場(chǎng)所分布就可以提出具有針對(duì)性的防范措施和建議，供政府決策參考， 聯(lián)合相關(guān)部門(mén)開(kāi)展有針對(duì)性的暴雨型地質(zhì)災(zāi)害、山洪災(zāi)害、作物凍害、電（通信）網(wǎng)冰災(zāi)等預(yù)警業(yè)務(wù)。 如強(qiáng)降水區(qū)與暴雨型地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、山塘水庫(kù)隱患點(diǎn)、江（堤）防隱患點(diǎn)重合，則可能需要對(duì)隱患點(diǎn)進(jìn)行搶險(xiǎn)、救災(zāi)，并疏散轉(zhuǎn)移群眾；組織轉(zhuǎn)移強(qiáng)降水下游區(qū)域群眾，并對(duì)隱患點(diǎn)進(jìn)行加固、除險(xiǎn)。 如強(qiáng)降溫區(qū)或低溫區(qū)與某作物種植區(qū)重

11、合，則該種植區(qū)應(yīng)當(dāng)采取增溫保溫或其他救災(zāi)措施。由此制作而成的決策氣象服務(wù)材料也更具直觀性和觀賞性。2.5 氣象災(zāi)害評(píng)估利用區(qū)域天氣自動(dòng)站資料分布圖，結(jié)合暴雨型地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、山塘水庫(kù)隱患點(diǎn)、江（堤）防隱患點(diǎn)、農(nóng)作物種植分布區(qū)域、人員密集場(chǎng)所分布等資料，可以確定氣象災(zāi)害的地點(diǎn)、區(qū)域、范圍和強(qiáng)度，并對(duì)可能造成或已經(jīng)造成的災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估。2.6 人工增雨作業(yè)效益評(píng)估人工增雨作業(yè)效益的評(píng)估， 需要確定兩個(gè)數(shù)據(jù)， 一個(gè)是人工增雨作業(yè)的影響區(qū)域， 一個(gè)是人工增雨作業(yè)影響區(qū)的自然降水。根據(jù)有關(guān)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?yàn)橐龑?dǎo)氣流的方向。我們可

12、以利用該次人工增雨作業(yè)影響區(qū)域外的站點(diǎn)建立降水分布模型，以此計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)降水為自然降水， 再與該區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較后，計(jì)算出區(qū)域內(nèi)增雨量和直接經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)某種需要（作物種植、資源利用、災(zāi)害防御等）， 利用 arcview將地理信息與區(qū)域天氣自動(dòng)站歷史資料結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行氣候區(qū)劃和氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。3.影響區(qū)域天氣自動(dòng)站資料使用的因素由于區(qū)域天氣自動(dòng)站遠(yuǎn)離臺(tái)站的客觀，決定了有許多影響區(qū)域天氣自動(dòng)站資料使用的因素存在。3.1 供電電源是區(qū)域天氣自動(dòng)站運(yùn)行的基礎(chǔ)前提。我市所有區(qū)域天氣自動(dòng)站均為太陽(yáng)能電源， 當(dāng)遇有長(zhǎng)時(shí)間的連陰雨天氣時(shí)，太陽(yáng)能采集器不能吸收太陽(yáng)能，蓄電池儲(chǔ)能不足以保證對(duì)數(shù)據(jù)的采集和

13、傳輸。解決供電問(wèn)題的方法有： 一是將單一太陽(yáng)能電源改為太陽(yáng)能電源加市電供電，優(yōu)先采用太陽(yáng)能供電，當(dāng)蓄電池電壓不足時(shí)，自動(dòng)啟用市電供電；二是儲(chǔ)備一定數(shù)量蓄電池， 規(guī)定連陰雨達(dá)多天后及時(shí)更換蓄電池，保證在用設(shè)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(dòng)站資料匯集的關(guān)鍵。我市區(qū)域天氣自動(dòng)站均通過(guò) gprs/gsm方式將區(qū)域天氣自動(dòng)站采集的資料傳輸?shù)街行恼?。?dāng)區(qū)域天氣自動(dòng)站處于比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)時(shí)，gprs/gsm信號(hào)可能覆蓋不到或者信號(hào)強(qiáng)度比較弱，影響數(shù)據(jù)的傳輸。另外，當(dāng)未及時(shí)繳納通信費(fèi)時(shí)，通信企業(yè)將關(guān)停未繳費(fèi)站點(diǎn)的通信功能，造成數(shù)據(jù)傳輸中斷。解決數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的方法有：一是把站點(diǎn)調(diào)整到gpr

14、s/gsm 信號(hào)能夠覆蓋的地區(qū)，或者請(qǐng)求通信企業(yè)加強(qiáng)某些方向的gprs/gsm信號(hào)，二是及時(shí)繳納通信費(fèi)用。3.3 數(shù)據(jù)的精度區(qū)域天氣自動(dòng)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(wù)運(yùn)行中， 也沒(méi)有對(duì)在用區(qū)域天氣自動(dòng)站進(jìn)行強(qiáng)制性檢定的規(guī)定，器差得不到訂正； 區(qū)域天氣自動(dòng)站遠(yuǎn)離臺(tái)站，日常維護(hù)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(shè)備安裝不規(guī)范，也造成探測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的問(wèn)題。這些都是造成區(qū)域天氣自動(dòng)站探測(cè)資料的系統(tǒng)性誤差的原因，導(dǎo)致區(qū)域天氣自動(dòng)站探測(cè)資料的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性得不到保證。解決數(shù)據(jù)精度問(wèn)題， 可以從以下幾方面入手， 來(lái)消除資料的系統(tǒng)性和隨機(jī)性誤差：一是從設(shè)備選型上，要選用經(jīng)過(guò)認(rèn)證和實(shí)踐證明，具有高可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性產(chǎn)品；二是對(duì)在線區(qū)域天氣自動(dòng)站進(jìn)行強(qiáng)制性檢定，規(guī)定每?jī)赡甓ㄆ跈z定一次；三是規(guī)范日常維護(hù)制度，要求每月至少進(jìn)行一次區(qū)域天氣自動(dòng)