傅娜;陈葆德;谭燕;周伟灿
【摘 要】运用Barnes插值方法和2011年7月1日00时至2012年6月30日23时(北京时间)逐时自动站气温资料,对Barnes插值方法的空间一致性质量控制进行研究,研究表明该方法在上海及华东地区有一定的适用性,同时分析了代表性区域的资料特征.结果表明:非降水日情况下,陆地站点和海边站点的气温具有显著的日变化特征,09时与18时左右两者之间差异最小;白天(夜晚),陆地(海边)站点气温高于海边(陆地)站点,最高(最低)气温差异约为0.74℃(0.79℃),多数时刻海陆差异显著,同时海陆气温日变化曲线不同的原因与日照、风向风速相关.此外,自动站资料能够充分反映出有天气过程时气象要素的变化特征,并能体现城市热岛效应. 【期刊名称】《大气科学学报》
【年(卷),期】2014(037)002
【总页数】9页(P199-207)
【关键词】自动站;空间质量控制;气温;特征分析
【作 者】烟机备件傅娜;陈葆德;谭燕;周伟灿
【作者单位】舟山市气象局,浙江舟山316021;上海台风研究所,上海200030;上海台风研究所,上海200030;南京信息工程大学,江苏南京210044
【正文语种】中 文
【中图分类】P413
0 引言
除雷达、卫星遥感、飞机观测、GPS/MET等非常规资料外，自动站资料也是中尺度、短时临近预报所依靠的重要资料之一，同时高分辨率的自动站观测资料也可作为预报检验资料。目前上海有100多个自动站，其观测要素主要有温、压、湿、风速风向和能见度等。由于自动站的特殊性，其分布密集、地形差异大、数据实时性强等，质量问题比人工常规站显得更为复杂(陶士伟和徐枝芳，2007)，可能出现的数据误差主要有系统误差、粗大误差、随机误差和微气象误差(王海军等，2007)。因此需要对自动站资料进行质量控制。国内外针对气象自动站资料的质量控制已作大量研究及应用(王新华等，2006;窦以文等，200
8;任芝花等，2010)。孙娟和胡平(2009)对上海自动气象站实时数据做了较有效的质量控制，但其空间一致性检查由于采用站点与该站点所在的区域平均做比较，故一方面选取区域过大，另一方面忽略了微气象误差(World Meteorological Organization，2004)。微气象误差由小尺度天气系统扰动引起。由于观测系统的时空分辨率很高，所以小尺度天气系统不能被所有的站点观测到。当待测站观测到此天气事件(如暴雨)时，引起气温骤降，而邻近站未观测到，从而导致待测站与邻近站相比，为“异常”。因此，本文将在此基础上对自动站气温资料做进一步的空间质量控制。空间一致性检查是自动站质量控制的常用方法之一，在实际工作中，使用较多的空间一致性检查方法有空间插值法(Luo et al．，1998;Snell et al．，2000)、最近邻域法(王海军等，2007)、反向距离法(刘宇等，2006)、空间回归检验法(刘小宁等，2006)、Madsen-Allerupt法(熊安元，2003)。目前利用 Barnes方法(Barnes，1964)进行空间质量控制的研究较少。郭静(2011)采用Barnes方法对江苏自动站进行了质量控制，由于其选取的影响半径过大(50 km)，忽略了待测站点受天气系统影响而出现的异常情况。此外，自动站资料也能反映城市热岛、海陆差异等特性。如辛跳儿等(2009)利用2005年1月至2008年8月上海市11个自动站逐时资料，分析了城市和郊区气温季节变化和日变化规律。本文将利用所有的上海自动站资料，对2011年7月1日00时至2012巴氏小体
年6月30日23时(北京时间，下同)观测期间逐时气温资料进行分析，通过Barnes插值方法进行高精度空间一致性检查，同时考虑待测站点受天气系统影响的情况;此外研究观测资料的合理性与可靠性。
1 资料
1.1 自动站介绍
图1 上海自动站分布(a)和上海分区情况(b)Fig．1 (a)Distribution of AWSs and(b)regionalization in Shanghai
上海自动气象站(automatic weather station，AWS)主要包括中国气象局审核的一、二级站点和上海市气象局审核的一、二、三级站点，图1a为上海地区自动站的分布情况。将整个上海划分为16个区域(分别记为a1—a16，包括中心城区、8个郊区、1个郊县及5个小岛，详见图1b)，主要提供1 h累积雨量、气温、瞬时风速风向、能见度等实况资料，对应采用算术平均法进行面气象要素的计算。本文使用的自动测站总数为129个。图2为各区域分布的自动站点总数。可见，中心城区站点分布密集，其他各区站点数不足中心城区一半，同
时站点的空间分布不均匀，如宝山、闵行站点均设置在区域边界附近，此外崇明中东部站点稀缺，而奉贤有效站点仅为3个。从站点分布来看，气象要素的面平均准确率，应是中心城区的资料最具代表性，相对而言，奉贤、崇明等几个站点稀少、分布极不均匀的区域的代表性较差。因为自动站观测资料具有高分辨特性，所以很难保障所有测站点都能满足视野开阔无障碍物的环境要求。下面将对自动站点的气温资料进行验证分析，研究自动站资料的可靠性。
走近女局长1.2 所用的观测资料
上海位于中国大陆海岸线中部的长江口，以中心城区向外拓展，其中宝山、浦东、南汇、奉贤、金山部分地区靠近海边，此外包括3个主要岛屿——崇明岛、长兴岛、横沙岛。本文选取2011年7月1日00时至2012年6月30日23时逐时自动站气温资料，研究观测资料的可靠性。表1给出了选取时段内各区域观测资料的缺测率。在上述观测期内(即8 784 h)，平均缺测709 h，缺测率为8.1%(当各区域每个时次的站点少于90%时记为缺测)，分析发现:缺测较多时次的区域如浦东、嘉定、崇明分别对应 98612、98804、98004自动站点出现 48.6%、85.2%、76.4%的缺测率，将其剔除后，缺测率降为2.9%、1.5%、4.8%，说明观
纳米技术论文测资料较完整。选取具有代表性的三个区域——浦东新区(这里不包括南汇地区)、中心城区和松江地区作为研究对象。
图2 上海各区域的自动站点总数Fig．2 Amount of AWSs in each region of Shanghai
表1 各区域观测资料的缺测率Table 1 The unobserved rate of observations in each region of Shanghai区域 缺测时次/h 缺测率/%中心城区 953 10.8浦东 1 320 15.0闵行 899 10.2嘉定 1 304 14.9金山 129 1.5松江 218 2.5南汇 191 2.2崇明 2 193 25.0宝山 104 1.2青浦 183 2.1奉贤 1 095 12.5长兴 158 1.8横沙 469 5.3
2 观测资料的空间质量控制方法
目前常规地面站下设置的自动站是有人工定时检测观测设备运行状态的，相对来说，数据出现错误的概率较低，而其他自动站则缺乏定时维护，可能会出现错误的数据，同时本文采用的原始气温资料未考虑微气象误差等，此外在逐一分析站点时发现确实有个别的自动站点与邻近的站点有较大差异，因此需要作进一步的空间质量控制。
对于孤立的错误资料，空间一致性检查是极为有效的质量控制方法，本文采用Barnes客观
方法(Barnes，1964)进行站点排查。该方法计算简单快速，适用范围广，是大气科学研究和应用中常用的插值方法之一。本文主要将待测站插值后与自身的原始资料比较，误差大于一定范围(本文综合考虑了国内空间一致性检查所用的阈值(孙娟和胡平，2009;郭静，2011))，这里假定温差的绝对值大于等于5℃)时即可剔除，为避免影响半径内其他站点有误而造成待测站的误差，在有限范围内选取尽可能多的测站。具体方法主要应用Barnes方法的第一步，即形成任一站点的初估值Fo(k):
其中:
其中:Fo(k)为待测站k的初估值;F(i)为待测站周围的第i个测站的观测值;Wi为第i点的权重函数;R为影响半径;ri为待测站k点与第i个测站的距离;φ为纬度;λ为经度;h为海拔高度;R0为地球半径;N为测站数。
2.1 Barnes方法对上海自动站的质量控制
对观测期间内的上海自动站气温资料质量控制时，定义初始影响半径为2 km，在影响半径内必须有大于等于5个测站，否则以增加0.5 km的形式扩大影响范围，通过Barnes方法插cusa
值后滤去一些误差较大的个别站点。个别站点主要集中在相同时刻相同站点上，这可能与自动站仪器出现故障未能及时维护有关，导致资料有一定的偏差，在初步的质量控制中未能剔除。由图3可见，该日无天气过程，从00时到18时，98609测站与其余测站的气温变化较一致，从19时起，该站表现极为异常，通过验证发现该站及附近并无降水、大风等气象条件的影响，可以判断数据有误。通过空间一致性的质量控制，共滤去了346个站点数据(含所有时刻)，进一步保证了所研究的观测资料的可靠性。
2.2 Barnes方法的适用性
图3 2011年7月13日中心城区所有自动站点气温的日变化(单位:℃)Fig．3 Daily change of air temperature at all AWSs in the central city on 13 July 2011(units:℃)
华东地区共有27 574个自动站点，采用上述Barnes方法对2012年4月24日08—19时的逐时自动站气温资料进行质量控制。由于华东站点分布相较上海站点稀疏，这里定义初始影响半径为10 km，在影响半径内必须有大于等于5个测站，否则以增加1 km的形式扩大影响范围。插值后每个时刻平均滤去317个站点(无剧烈天气影响)，详见表2;同时将剔除站数最多与最少的时刻比较，发现有误站点并非固定站点。上述说明，Barnes方法对自动站空间一汇源果汁债务压顶
致性质量控制效果较好，在华东地区具有一定的适用性。
表2 2012年4月24日华东自动站每小时有效站数和剔除站数Table 2 The hourly amount of effective station and removed station in East China on 24 April 2012北京时间 有效站数 剔除站数 北京时间 有效站数 剔除站数08:00 19 592 377 14:00 21 693 308 09:00 19 303 351 15:00 21 843 294 10:00 19 002 344 16:00 19 750 294 11:00 21 231 350 17:00 18 439 297 12:00 17 663 290 18:00 20 313 290 13:00 21 672 329 19:00 20 105 286
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