寧夏中部干旱帶氣象監測網分析研究

黃玉學+左湘文++孫嘉楠

摘 要：氣象監測站網的密度對氣象預報中的數值模擬至關重要。文章利用結構函數與內插法相結合的方法，對寧夏中部干旱帶區域自動氣象站的溫度與雨量進行密度分析，得出在滿足觀測要求下的站網密度。對比分析了春、夏、秋、冬4個季節溫度與雨量的結構函數與距離的關系，并分析不同內插標準誤差與距離的關系，得到不同內插方法下的最大容許測站間距。為干旱帶地區氣象站網的布局提供參考。

關鍵詞：氣象監測站 結構函數 站網密度

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0075-03

在進行天氣預報，開展氣候研究時，氣象觀測資料是數值計算的重要依據。由于站網密度是數據計算的重要指標，若站網太稀達不到精度計算要求，過密又會造成浪費，因此建立一個有科學根據的氣象監測網體系尤為重要[1-2]。

當前氣象監測網主要依據中國氣象局業務技術體制改革氣象綜合觀測體系分方案[3]進行布站，遵循平原地區平均間距20～25 km、沿海地區以及大江大河流域平均間距為10 km，山區根據具體的地形特點、地質災害發生情況以及年平均降水量進行設計。文章利用結構函數與內插法相結合的方法，對寧夏中部干旱帶區域自動氣象站的溫度與雨量進行密度分析，得出在滿足觀測要求下的站網密度。

1 監測網的理論公式

研究表明，氣象要素的內插標準誤差，只與該要素的結構函數有關，其表征了某一要素在空間上的離散程度。根據Gantin[4]的定義，某一氣象要素的結構函數定義為兩站點間要素距平差值平方的平均。即A、B兩站間的結構函數為：

2 研究對象

文章的研究對象是寧夏中部干旱帶，約70個區域氣象監測站。所選站點站間距最遠約240 km，最近約5 km。

在資料處理的過程中，為保證所選站點數據的完整、可信，首先剔除區域內數據到報率低于96%的站點，且對所有數據進行質量控制，為避免相鄰站點數據間過于相關，在逐日氣溫數據處理中，每間隔兩天取一次記錄作為氣溫場的計算樣本。而月降水量的數據依據寧夏地區降水觀測時段，選擇4～10月作為雨量場的計算樣本。

3 計算結果

利用matlab中曲線擬合函數polyfit，對不同距離下對應的結構函數進行曲線擬合。圖1表示賀蘭山沿山地區氣溫與雨量結構函數與距離的關系。

由圖1可以看出，氣溫與雨量的結構函數均隨距離的增大而增大，變化近似于線性關系。而在氣溫結構函數中，不同季節對應不同的結構函數，其結構函數從小到大依次為春季、夏季、秋季、冬季。這主要是由于干旱帶地區秋季與冬季氣溫的變化在空間梯度上較大。由圖1還可以看出，在相同距離下，雨量的結構函數比氣溫的結構函數大得多，主要是由于干旱帶地區降水量的分布不集中，且夏季局部地區常伴有陣性降水的原因造成的。

由實際觀測資料得到的氣溫與降水的結構函數與距離的回歸曲線方程，如表1所示。

將式（5）～（8）分別代入表1中的回歸曲線方程，便可以得到寧夏干旱帶地區不同季節氣溫與雨量在線性內插、平面內插（正三角形中心內插、正方形中心內插）3種內插方法下的最大容許距離，如表2所示。

由表2可知，在滿足內插標準誤差小于觀測標準誤差條件下，正三角形內插方案的最大容許距離最大，在此方案下，干旱帶地區氣溫的布站精度小于等于16.8 km，降水的布站精度小于等于16.8 km。所以為滿足觀測要求，干旱帶地區布站精度小于等于16.8 km為宜。

4 結語

文章統計分析了寧夏中部干旱帶地區氣溫與雨量的結構函數與距離的關系，其擬合曲線基本呈線性關系，在研究的區域內，結構函數隨距離的增加而增大，但不同季節的結構函數均不同，氣溫的空間梯度變化在冬季最大，然后是秋季、夏季、春季。研究表明，正三角形中心內插的精度最低，在此方案下，干旱帶地區布站精度為16.8 km。監測網的合理分布是一個較復雜的問題，還應該考慮重要城鎮、主要工礦企業、人口聚集區、主要交通干線及其他防汛重點區域，文章采用統計方法分析監測網時僅從純業務的角度考慮了氣象監測網的問題，但其理論方法可為其他監測網的密度分析提供一定的參考。

參考文獻

[1] 盧文芳，王永華.空間結構函數在上海地區氣象站網設計中的應用[J].南京氣象學院學報，1989（3）：325-332.

[2] 尉英華，東高紅，徐姝，等.海河流域不同地形站網密度對面雨量精度的影響[J].氣象與環境學報，2014，30（6）：75-79.

[3] 中國氣象局.區域氣象觀測站建設指導意見[R].2009.

[4] Gandin L S.The planning of meteorological station networks（technical note No.111）[R]. Gnerva：WMO No.265，1970.

[5] 李軍，游松財，黃敬峰.中國1961—2000年月平均氣溫空間插值方法與空間分布[J].生態環境，2006（1）：109-114.