調優站網布局融合鄉村振興提升氣象服務精細的思考

曹久才，吳 輝，楊經博，劉建忠

（1門頭溝區氣象局，北京102300；2北京市氣象局，北京100081）

0 引言

隨著國內大氣探測業務的飛速發展，大氣監測自動化系統建設進入了新的發展階段。區域自動氣象站是國內綜合氣象觀測系統的重要組成部分，學者們對區域自動氣象站做了一定研究。夏澤雄等[1]針對區域自動氣象站建設過程中的站址選擇、現場施工、雷電防護以及日常維護等方面進行了總結性闡述；李雁等[2]從主要技術路線、實現的主要功能以及建設中所采用的關鍵技術等方面介紹了中國區域自動氣象站運行監控系統的建設情況。利用區域自動站豐富的氣象要素資料，可分析各站點雨量差異以及不同季節和天氣狀況下各站點氣象要素的變化規律。張立杰等[3]利用深圳市103個自動站氣溫觀測資料研究城市熱島現象；劉偉東等[4]利用北京地區自動站的降水觀測資料聚類分析北京地區降水特征，研究發現北京西部降水集中出現在6月逐日18—20時、7月逐日23時—次日03時，降水小時數最多，降水強度不大，降水量不大。區域自動氣象站具有分布面積廣、資料獲取準確度高、時空分辨率高、傳輸及時、并能獲取空白區域資料的特點，使國內地面觀測網對天氣系統特別是中小尺度天氣系統和災害性天氣系統的監測能力大大加強，在氣象服務中也得到廣泛應用。龔佃利等[5]、李欣等[6]采用Barnes逐步訂正客觀分析、帶通濾波等方法建立了基于自動氣象站高時空分辨率實時觀測資料的精細天氣分析和業務應用系統；丁立善等[7]、趙建軍[8]、宋歌[9]利用區域自動站資料作短時臨近預報預警方面進行了研究；山義昌等[10]利用自動氣象觀測站資料從中小尺度天氣系統的識別、人工影響天氣作業時機的選擇、人工增雨作業效果評估3個方面總結了其在人工影響天氣作業中的應用；江海生等[11]研究了2006—2008年區域氣象觀測降水與地質災害發生情況的關系，并提出了有針對性防范山洪地質災害的方案和流程；張萬東等[12]利用天柱縣區域自動氣象站在實際天氣個例中的應用分析，探索區域自動氣象站在防災減災中的運用；陸霞等[13]總結認為，區域自動站觀測資料的應用提高了定點、定時、定量預報的準確率，提高了農業災害監測能力；巫志剛[14]認為利用隨時監測到實時的氣象要素資料，實行科技農業，對各農事有著很好的指導作用。很多學者對區域自動氣象站的建設、觀測資料的分析以及在氣象服務中的應用研究較多，但在區域自動站調優方面研究較少，尤其是對北京西部生態涵養區的門頭溝區研究更少。何光碧等[15]利用西南區域自動站資料進行區域模式預報影響的同化試驗分析，總結同化自動站資料對不同個例改善程度不同，認為其對極端強降水事件改善最為顯著。門頭溝區地處北京市西部，是與河北交界的山區，有著獨特的地理環境，地形復雜，溝壑多，局地性強對流天氣多發。2017年6月18日門頭溝區與河北交界山區出現強降水，形成局地山洪，引發災情。但京冀兩地氣象部門觀測站監測到的雨量均在10 mm左右，凸顯京冀交界區、山洪溝等隱患點災害性天氣監測能力不足。因此，亟需在京冀交界山區門頭溝區加密布設自動氣象站，對門頭溝區山洪、泥石流易發區等重點區域的進行有效探測，為當地政府部門提供精細化氣象服務，達到防災減災的目的，融入鄉村振興戰略中。

筆者針對北京西部生態涵養區門頭溝區防災減災需求，聚焦門頭溝重點山洪溝、泥石流等隱患重點區，分析了門頭溝區2018年區域氣象站調優情況以及調優前后不同地形的降雨分布特點，并結合實例分析區域氣象站調優在鄉村振興和精細化氣象服務中發揮的效果，并提出相關建議，提升對門頭溝重點山洪溝、泥石流等隱患重點區的氣象監測能力，為提升應對門頭溝區災害性天氣的防災減災能力和應急響應能力提供基礎數據支撐。

1 門頭溝區自動氣象站布局情況

1.1 2017年自動氣象站網整體布局

2017年門頭溝區共有33個氣象觀測站（或點），其中，2個國家一般氣象觀測站分別在門頭溝城區和齋堂鎮；其他31個區域自動氣象站（六要素站14個、溫雨站7個、單雨量站10個）分布在門頭溝區九鎮四街。從圖1可以看出，東部平原地區自動氣象站相對密集，10 km左右1套；西部深山區自動氣象站相對稀疏，最遠相距21 km；門頭溝區北部與河北交界處自動氣象站分布更稀疏，不利于邊界處雨情信息收集。

圖1 2017年門頭溝區自動氣象站網分布圖

1.2 2018年自動氣象站網整體布局

1.2.1 2018年自動氣象站建設情況 2018年北京市氣象局依托“十三五”工程項目，以京冀兩地實際需求為牽引、以防災減災為目的，在京冀交界的門頭溝區山洪泥石流易發區等隱患重點區的監測能力薄弱環節加密布設自動氣象站。按照門頭溝區氣象災害風險評估與區劃[16]，2018—2019年門頭溝區新建六要素氣象站4個、溫雨氣象站22個，合理兼顧了重點村、人口密集區、流域和山區地質災害易發區等重點區。

從圖2可以看出，2018—2019年門頭溝區自動氣象站數量達59個，平均7 km左右1個，分布廣泛、布局較合理，尤其是與河北交界處新增自動氣象站，實時觀測上游天氣情況和“客水”來源、降水量，及時準確了解上游地區降水等氣象資料，提高災害性天氣監測預警聯防能力，為地方氣象防災減災服務打下堅實基礎，減少因氣象災害引發的人員傷亡和財產損失。

圖2 2019年門頭溝區區域自動氣象站網分布圖

1.2.2 2018年自動氣象站地理分布 門頭溝區根據地理位置分為門城區（平原）、淺山區、深山區。門城區有3個鎮、3個街道辦事處，土地面積少，卻集中了全區60%以上的人口；淺山區有3個鎮、1個街道辦事處，為全區特色林果特別是鮮果的主要產區；深山區有3個鎮，占地面積大，以干果為主的特色林果，產量在全區占有重要的地位。從不同海拔高度地區自動氣象站分布情況（圖3）可以看出，自動氣象站在門城區（平原）、淺山區、深山區均有分布，分別為6、16、37個。其中，海拔最高的自動氣象站為靈山站，海拔高度1669 m；其次為向陽水站，海拔高度1475 m；永定站海拔最低，海拔僅96 m。許顯花等[17]研究同仁地區精細化降水分布特征，可掌握降水量分布情況，可直接服務于鄉鎮級預報預警服務。所以不同海拔高度上均有自動氣象站的分布，實時監測雨情等氣象信息，可以為研究不同海拔高度地區小氣候特征提供數據支撐，有利于防災減災，同時對指導農業生產也起到良好的作用，

圖3 門頭溝區不同海拔高度地區自動氣象站分布情況

2 門頭溝區汛期降雨情況

2.1 2006—2017年汛期降水量分布

對不同海拔高度汛期平均降水量的分布情況進行分析，有利于提高強對流天氣預報預警服務針對性、有效性。分析2006—2017年不同海拔高度地區的自動氣象站汛期平均降水量分布情況（圖4），汛期平均降水量最小值出現在向陽口站，最大值出現在東山村站，且海拔高度低的門城區汛期平均降水量(456.5 mm)多于中、高海拔的山區（分別為382.9、390.0 mm），說明不同海拔高度地區的汛期平均降水量存在明顯的地域性差異。段志方等[18]也發現不同海拔高度降水分布存在很大差異，同一緯度、同一迎風面上，海拔越高，降水量就越大；孔玲[19]對張家口市區到張北縣狼窩溝30 km不同海拔高程的降水特性的差異進行了研究，同樣發現降水量隨地勢的不同差異顯著，壩頭一帶降水量偏大，其余2處差異不顯著。

圖4 2006—2017年不同海拔高度地區自動氣象站汛期平均降水量分布情況

2.2 2018年汛期降水量分布

優化自動氣象站網分布之后，2018年不同海拔高度地區的自動氣象站降水量（7—9月）分布情況如圖5所示。中、高海拔地區新建自動氣象站的降水量較大，平均降水量分別為382.8、423.3 mm，大于低海拔的門城區平均降水量(335.7 mm)，與優化自動氣象站網分布之前的汛期平均降水量規律有所差異。說明自動氣象站優化加密之后，雨量信息遺漏較少，能更全面地反映門頭溝區實際降雨情況，更準確地提供精細化的雨情氣象信息，有利于進一步完善預報、預警服務體系，為決策服務和公眾服務提供保障支撐。

圖5 2018年7—9月不同海拔高度地區自動氣象站降水量分布

3 自動氣象站實際效果檢驗

2018年門頭溝區自動氣象站網不斷完善，大大提高了對暴雨、局地強對流天氣實況的監測能力，準確及時反映局地突發性災害天氣實況。結合本區經濟社會發展特點，全面開展防災減災氣象服務，有效發揮了自動氣象站網的作用。2018年新建的清水鎮小龍門、洪水口等站點在7月2—3日發生強降雨天氣過程中發揮實效，彌補了山區復雜地形的自動氣象站的空缺，如圖6所示。通過實時監測局地強降雨變化情況，結合雷達、衛星云圖等資料分析天氣情況，及時、精準地發布實時服務信息和預警信息，為領導決策、鄉村人員轉移提供了科學支撐。整個過程監測到雨量小龍門137.9 mm、洪水口114.5 mm，達到暴雨量級，清水鎮共完成小龍門村4戶7人、洪水口村1戶1人的轉移工作，成功解除了強降雨帶來的人員生命財產的損失，服務效果受到當地政府的肯定。

圖6 2018年7月2日13時—3日09時降水分布情況

4 思考與探討

氣象數據資料要素場變化規律對于系統性的天氣預報預警能夠起到較好的指示作用，但對于局地性較強的強對流來說，不易尋找規律，較難在災害性天氣出現前做出判斷，是臨近預報預警的另一個難點。區域自動氣象站具有分布面積廣、獲取的氣象資料準確度高、時空分辨率強、傳輸及時等特點，并且減少了復雜地形下人類無法進行連續觀測的盲區，在大氣探測領域發揮了越來越重要的作用，在氣象服務中得到廣泛應用[20]。而區域自動氣象站網的優化建設，又大大增加了氣象資料的空間、時間密度，實現了對短時突發性和局地性災害天氣的實時、連續監測，提高了氣象部門對災害性天氣的監測能力和突發事件應急救援氣象保障服務能力，為各級黨政領導能夠隨時掌握各鄉鎮的實時氣象信息情況，做好防災減災決策提供科學決策依據。

區域自動氣象站網的優化建設，不是一勞永逸的，而是一個不斷升級改進的過程；區域自動氣象站網的優化建設，并不只是簡單的設備安裝，而是后續的維護使用，并協助氣象部門不斷提升氣象預報預警服務水平[21-22]。門頭溝區目前的區域自動氣象站網的優化建設取得了一定成效，但更應該思考如何更高效、更合理化進行后續區域自動氣象站網的優化建設和管理，進一步高效發揮精密監測能力，從而將基層氣象部門的精細化氣象服務融入門頭溝區政府鄉村振興戰略之中，在全國氣象部門形成良好的示范作用。

4.1 加強現有氣象站網管理

加強設備的升級改造。要保證數據的準確性，就必須保證儀器的正常運轉，日常維護區域自動氣象站不容忽視，應進一步利用好現有場地進行設備的智能化觀測升級；對于通訊網絡沒有覆蓋或較差的地區，且選址位置又是關鍵的地方，采集器設備能否升級為雙卡雙待；無線通迅設施的建設還需地方政府的進一步協調溝通，解決一些深山區關鍵溝域無線網絡信號的問題，以保證數據傳輸的正常。尤其汛期對于易發生山洪、距離較長的溝域上游，要加強設備的巡視力度，避免災害性天氣發生設備故障帶來的隱患。建立長效機制，應明確專門人員進行裝備保障工作，加強監管。

4.2 加密建設氣象站網

在開展防災減災工作時，繼續優化完善重點區域氣象災害監測能力，在氣象災害高影響區和高海拔區域、流域等氣象觀測空白區，進一步增加區域自動氣象站的建設，可從均勻向不均勻調優站網布局。在群眾活動密集區、經濟社會發展關鍵區、國家重要基礎設施區、生態易災脆弱區、偏遠和人口稀疏區，因地制宜地完善氣象災害加密監測站網并升級智能化觀測設備[23-24]。

4.3 加強多種氣象方式融合應用

區域自動氣象站網的優化建設和使用對汛期暴雨的實時監測很重要，能夠及時監測局地雨量的變化情況、雨強大小、時間的持續性等。結合天氣圖、數據預報產品、X波段雷達、衛星云圖、云雷達的情況分析，可以方便、準確、及時地進行短時臨近暴雨預報預警[25-27]；此外，結合定量化的氣象災害風險評估方法，推進氣象災害風險的實時動態研判和分析，發揮氣象服務精細手段，為地方政府領導決策提供科學依據。

4.4 完善氣象監測體系機制

區域自動氣象站觀測站網較廣泛的覆蓋范圍和較強的時空分辨率以及信息傳輸能力，能夠更精準地收集小尺度范圍內的氣象信息，及時監測地形復雜地區的天氣實況，提前預測災害性天氣的發生，有利于促進開展區域防災減災工作。針對農業、生態、交通、旅游等重點服務領域，加強與相關部委、企業和用戶團體的合作，鼓勵社會力量積極參與氣象站網建設，大力提升滿足服務對象個性化需求的專業氣象觀測能力[28-29]。在更大程度上提高區域災害性天氣精密監測和精細化預報預警能力，進而為防災減災工作的有效開展創造便利的條件。

5 結論

門頭溝區地形復雜、局地性強對流天氣頻發、多發，給當地人民群眾生命財產安全造成了極大威脅。優化建設區域自動氣象站網，大大增加了氣象資料的空間、時間密度，實現了對短時突發性和局地性災害天氣的實時、連續監測，提高了氣象部門對災害性天氣的監測能力和突發事件應急救援氣象保障服務能力，并在實際強降雨過程中發揮實效，為各級黨政領導能夠隨時掌握各鄉鎮的實時氣象信息情況，做好防災減災決策提供科學決策依據。進一步高效、合理進行區域自動氣象站網的優化建設和管理尤為重要，可從加強現有氣象站網管理、加密建設氣象站網、加強多種氣象方式融合應用、完善氣象監測體系機制4個方面入手，高效發揮自動氣象站監測精密能力，將基層氣象部門的精細化氣象服務融入門頭溝區鄉村振興戰略之中，在全國氣象部門形成良好的示范作用。