一次寒潮冰凍天氣自動站維護和異常數據的處理

哈艷麗，黃本峰，袁海豹

(山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003)

一次寒潮冰凍天氣自動站維護和異常數據的處理

哈艷麗，黃本峰，袁海豹

(山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003)

2016年2月12—14日，煙臺市出現寒潮、大風、降溫、冰凍天氣，其中出現的雨轉雪天氣和急速降溫對當地部分站點的風和能見度等要素的觀測帶來了很大影響。該文從風、能見度傳感裝置在設備維護，數據的記錄、極值及異常值的處理等方面進行了分析，對提高數據的完整性和可用度以及設備的完善等方面給出了建議。

寒潮冰凍天氣；自動站維護；異常數據處理

Abstract：A cold snap, with strong wind, cooling down and ice freezing, occurred in Yantai, on Feb.12 to 14, 2016. During the process, there were great influences on the measurement for wind and visibility using automatic weather station by the rain to snow weather and the rapid cooling down. In this study, based on the analysis on equipment maintenance, data recording, and extreme and abnormal value processing from the wind and visibility sensing devices, we gave some suggestions about the integrity and availability of measure data and the improvement of equipment.

Keywords：cold snap；maintenance for automatic weather station；processing on abnormal data

1 引言

低溫雨雪冰凍天氣往往會給氣象觀測帶來較大影響，若自動觀測設備未能采取預防措施，在低溫、靜風條件下會經常造成風速風向傳感器失靈，使氣象觀測記錄缺失。2008年1—2月我國南方地區發生歷史罕見的低溫雨雪冰凍災害, 對交通運輸、能源供應、電力傳輸、農業及人民群眾生活造成了嚴重影響，同時地嚴重影響遍布各地的氣象觀測儀器，特別是測風儀器，影響最為嚴重[1]。2016年2月12—14日，山東境內出現一次強冷空氣過程，伴隨出現的大范圍降水、降溫、大風天氣，對風和能見度觀測也造成不同程度的影響，其中尤以煙臺市最重。本文針對煙臺市在此次天氣過程中，對氣象觀測所帶來的一系列情況進行了分析。

2 整體影響情況

受寒潮天氣影響，2016年2月12日夜間開始，煙臺市自西向東出現明顯降水天氣，13日凌晨到上午以雨為主，13日中午前后，陸續轉為降雪。13日20時，全市主要降雪結束，13日夜間—14日，除煙臺市區出現陣性降雪外，其他地區均無降水。截止14日16時降水結束，全市平均降水量為32.2 mm，最大出現在福山區，為43.2 mm。煙臺日降水量打破建站以來2月份單日降水量歷史紀錄。12日下午開始，煙臺全市氣溫明顯下降，此次寒潮過程的最低氣溫出現在棲霞，為-8.3 ℃，其他各站氣溫均低于-4 ℃；海島站觀測到的海面最大風力為10級，陣風11級，陸地觀測最大風力為8級，陣風10級，均出現在13日夜間。

此次天氣過程出現了降水、大風、降溫、大霧等天氣，對部分自動觀測儀器及記錄造成很大影響，其中13日降水從雨到雨夾雪再到雪，氣溫下降再結合當時的降水形成凍結，造成自西向東先后有多個國家級自動站和區域站出現風傳感器凍結現象，最多時全市有72個站點的風向、風速自動傳感器被凍結，占全部站點的39.6%(表1、圖1)，而強的降雪對部分臺站能見度觀測也造成了一定的影響。部分數據的缺失給氣象極值的確定、數據的連續性、資料的應用等都帶來很大的問題。下面就此次復雜天氣過程的儀器維護及異常記錄處理應對等進行分析。

表1 煙臺轄區有人值守站(國家級自動站)因寒潮冰凍天氣造成的影響Tab.1 Effects of cold wave and freezing weather on manned stations (national level automatic stations) in Yantai area

圖1 煙臺轄區自動觀測站因風傳感器凍結影響的站點數Fig.1 Number of stations affected by wind sensor freezing at automatic observation station in Yantai area

3 對風傳感器的影響

目前煙臺轄區風向風速傳感器主要有兩種型號：一種是無錫的ZQZ-TF、一種是天津的EL15-2D(1A)。這兩種傳感器均為單翼風向傳感器和風杯式風速傳感器，風向標和風杯轉動帶動內部格雷碼盤或磁棒旋轉而產生電壓、電流或脈沖信號，進而感應出風向和風速，此次過程前期為降雨，而后氣溫迅速下降，快速轉為雨夾雪或雪，降水和快速降溫結合造成風向標和風杯凍結無法旋轉，從而長時間無風記錄。此次國家級自動站風要素最長的缺測時間長達23 h，對記錄的連續性產生了很大影響。

3.1 風傳感器的維護

①從此次過程的國家級自動站數據來看，風傳感器凍結的4個國家級自動站中的3個為雨夾雪凍結導致，一個為雨伴隨雨凇導致，凍結時氣溫為0℃～-1℃(圖2)，最大風均降至4級及以下(圖3)，而統計未出現凍結的其余7個國家級自動站氣溫降至0℃以下的情況則是最大平均風力均在5級，所以當氣溫在0 ℃或以下出現雨或雨夾雪，平均風力在4級或以下時，值班員就要重點觀察風杯或風向標轉動情況，及時用長桿輕輕撥動，防止凍結；已出現凍結時，需要人員爬上風塔進行轉動維護，轉不動情況下要對軸承外部加熱。周曉倩等還提出采用放倒風桿，用小錘輕敲外部冰層，將傳感器拆下，清除內部冰渣，擦拭干凈，重新安裝好，使其能自由轉動，立起風桿，固定好拉線的方法[2]，可以根據情況嘗試。

②常年易出現凍結的臺站(如海島站)可以考慮更換傳感器型號，目前超聲波風傳感器可以不受凍結影響[1]，還有一種是尹憲志[3]、孫文良[4]等對風杯風向標傳感器軸承內部添加加熱元件使整個軸承在寒冷的天氣運行進行過研究，并得出了自動站風傳感器防凍加熱保護裝置能有效防御雨凇、霧凇和冰凍等凍害，確保觀測資料的連續性和自動站正常運行的結論。

圖2 風傳感器凍結前的氣溫實況Fig.2 Temperature before the wind sensor is frozen

圖3 蓬萊(a)、萊州(b)、長島(c)、棲霞(d)站風傳感器凍結前的風力實況(下線為正點平均風力，上線為陣風風力)Fig.3 Wind power before freezing sensor in Penglai (a), Laizhou (b), ChangDao (c) and Qixia (d) station(the line below is the average wind. The wind blowing is the Gusts of wind.)

3.2 風傳感器異常時的記錄處理

3.2.1 正點記錄的處理 對正點時次風向、風速異常記錄的處理，首先觀察正點前、后10 min記錄是否正常，正常的話用其代替；正點前后10 min記錄均異常，雙套自動站情況下，正點的風向風速記錄用備用站記錄代替，編發長Z文件發更正報。若兩套自動站全部凍結，僅定時觀測時次記錄用人工目測代替(如08時、14時、20時)，風向按8方位、風速按13級風力等級進行觀測，并記錄其相應風速的中數值，記入2 min風向、風速記錄中，其它時次記錄按缺測處理。

3.2.2 分鐘記錄的處理 目前新型站分鐘記錄每日20時05分形成上傳MDOS省局一體化平臺，MDOS系統對日常反饋和疑誤信息處理上都有明確的要求[5]，凍結時段內的風向風速分鐘記錄按缺測處理，修改分鐘記錄可以從兩種渠道進行:一是找到本地原文件，在smodatase山東IIiiiAWS新型自動站質控Minute下，文件名AWS_M_Z_IIiii_YYYYMMDDHH.txt，打開原文件，找到對應的時間所在的行，小時分鐘4個字節后依次為2 min、10 min、瞬時的風向風速，各占8個字節，修改保存后上傳省局(圖4)；二是20時05分后直接登陸MDOS平臺調出凍結時間的數據依次缺測，提交平臺，其處理方法黃敏堂在相應數據處理時也有提及[6]。

圖4 分鐘數據文件格式Fig.4 Minutes data file format

3.2.3 極值處理 正點數據中風向、風速小時極值缺測或異常時，從本時次實有記錄中挑取。正點數據用正點后10 min或備份站代替時，若該值挑為小時極值，出現時間記為正點00分。

4 能見度傳感器

目前煙臺市能見度傳感器是由華云升達氣象科技有限公司生產的前向散射能見度儀，測量范圍為10 m～30 km，傳感器部分包括接收器、發射器和控制處理器等；前向散射能見度儀的發射器與接收器在成一定角度和一定距離的兩處。強降雪會遮住能見度傳感器的接收器或發射器造成數據缺測，或能見度劇烈下降導致新型站軟件誤判斷為大霧。此次過程共有2個臺站出現了能見度的缺測。

4.1 能見度傳感器維護

在強降雪天氣下，出現大雪應及時清潔能見度傳感器透鏡，切忌長時間直視發射端鏡頭。

4.2 能見度異常記錄處理

①當能見度設備故障或數據異常時，非定時觀測時次的正點數據中所有能見度數據均按缺測處理；定時觀測時次進行人工補測，人工觀測值存入Z文件CW段能見度和VV段10 min平均能見度，其他VV段自動能見度數據按缺測處理，圖5是軟件操作界面。

圖5 Z文件CW段能見度和VV段輸入位置Fig.5 Z file CW segment visibility and VV segment input position

②強降雪造成能見度劇烈下降新型站軟件誤判斷為大霧，人工刪除大霧天氣現象，在一體化平臺的備注欄中03項備注。

5 小結

①當氣溫下降到0 ℃或以下出現雨或雨夾雪，平均風力在4級或以下時，值班員要重點做好風杯或風向標維護，提前預防凍結。

②超聲波風傳感器和一種在軸承部位添加加熱裝置的風向風速傳感器，可以解決凍結的發生。

③風向、風速正點數據有缺失時按照先正點前、后10 min，再備用站，最后人工的順序補救。

④能見度傳感器在降雪天氣應注意及時清潔透鏡，以防缺測的發生。

[1] 周曉香，黃少平，劉冬梅.測風儀器抗御雨雪冰凍天氣的對策分析[J]. 氣象水文海洋儀器，2008(3)：32-33.

[2] 周曉倩，王喜華，金淑博.自動氣象站常見故障及排除方法[J].山東氣象，2014，34(4):91-92.

[3] 尹憲志，張強，胡文超，等.自動氣象站風傳感器雨霧凇凍害研究[J].高原氣象，2011，30(3)：287-292.

[4] 孫文良，孫丘寧，任德發，等.自動氣象站風傳感器加熱器的研制與實現[J].氣象水文海洋儀器，2009(1):34-36.

[5] 韓艷君，王闊，韓春賢.臺站級MDOS系統的日常反饋及疑誤信息處理[J].貴州氣象，2015，39(6):78-80.

[6] 黃敏堂.上思站一次自動站儀器故障的診斷、排除及數據處理[J].貴州氣象，2012，36(3):52-54.

Themaintenanceofautomaticweatherstationandtheprocessingonabnormaldataduringacoldsnapwithfreezing

HA Yanli，HUANG Benfeng，YUAN Haibao

(Yantai Meteorological Bureau of Shandong Province, Yantai 264003, China)

P415.1+2

B

1003-6598(2017)04-0081-04

2017-07-10

哈艷麗(1979-)，女，工程師，主要從事氣象觀測工作，E-mail：pdfz75@126.com。