識別區域站風傳感器現場核查時機的方法研究

吳舉秀，黃 磊，邊文超，于 帥

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南 250031)

0 引言

區域自動氣象站是全國自動氣象觀測體系的重要組成部分，區域站和天氣站的風向風速測量數據的準確性，對天氣預報、氣候監測、霧霾防治、氣象預警以及氣象理論研究等方面具有重要作用。為了確保區域站風傳感器探測數據的準確性，需要定期對其進行檢測[1]。但是由于區域站、天氣站地理位置偏遠，環境比較惡劣，風向、風速傳感器經常出現軸承卡澀現象，造成啟動風速過大和小風速缺失等問題，目前運行的業務監控系統無法識別出軸承卡澀造成的數據錯誤問題，臺站雖然根據區域站核查辦法制定了不同臺站現場核查時間，但是核查時間是固定的，使得大量臺站出現風傳感器軸承卡滯問題無法被及時發現和處理，從而產生了很多錯誤數據。部分文獻對現場核查的方法進行了研究[2，3]，劉昕[4]等詳細介紹了風向、風速現場校準方法，但是沒有具體研究臺站風向風速核查維護的最佳時間。也有一些文獻對風傳感器的凍結問題進行了探討，朱世恒[5]等設計了一種基于風傳感器的故障自動檢測裝置，可以快速判斷風傳感器是否被凍結，但如何利用目前的業務監控系統快速判定傳感器是否被凍住尚未有人研究。

綜合氣象觀測運行監控系統是國家氣象探測設備保障領域內的實時業務系統，運行監控系統對提高氣象裝備運行效能發揮了重要作用[6，7]。但是省級ASOM2.0系統和在全國已完成了業務試運行的省級裝備保障一體化系統以及綜合氣象觀測業務運行信息化平臺(“天元”系統)，都沒有識別出傳感器卡滯以及凍結故障，造成大量的風速風向數據錯誤。所以文章研究了一種風向風速傳感器軸承卡滯以及凍結故障的識別算法，依托已經試運行的綜合觀測省級裝備保障一體化業務系統，開發了個性化監控模塊，識別出軸承卡澀需要現場核查的臺站以及軸承凍結需要維護的臺站，使得臺站可以根據識別的結果制定區域站風向風速核查計劃以及利用凍結連續時間決策維護維修時間，提高區域站風向風速核查的有效性以及保障的及時性，從設備前端實現數據質量控制。

1 算法設計

風速、風向傳感器軸承有卡澀時，小風速下傳感器測的風向主要表現為連續一段時間內為某一固定值，風速可表現為連續一段時間內為0 m/s，軸承卡滯越嚴重持續時間越長。風向、風速傳感器凍結時，主要表現為風向連續不變，有時數據為0°，風速體現為連續一段時間為0 m/s。目前靜風時區域站業務軟件處理得到的風速、風向數據表現為0°、0 m/s，因此要識別出風速、風向傳感器軸承卡澀或凍結現象，首先需要統計山東省靜風持續時間，把靜風因素去掉。文中選用區域站的小時觀測數據進行算法設置，利用小時數據而不用分鐘數據的原因是：軸承卡滯造成的風向風速連續不變的時間以及靜風持續時間都會持續幾小時以上；業務系統讀取的都是小時數據，比存儲分鐘數據節省存儲資源；極大風速的風速風向完全可以體現出分鐘數據風速風向的特征，所以用小時數據更有實際意義。

1.1 靜風持續時間統計

文章中的數據來自經過初步質控的CIMISS系統中的中國地面逐小時資料(國家站)，利用山東省123個國家氣象觀測站的風傳感器觀測數據，統計了2018年12月至2020年11月靜風持續時間。統計時認為國家站的風向風速傳感器是符合校準的，不考慮部分臺站軸承出現輕微卡澀造成對靜風時間的影響。統計發現，風向出現靜風頻率比風速的多，2 min平均風速的持續時間與瞬時風速的持續時間相差不大，靜風持續時間絕大多數為1 h，個別最長持續時間可達12 h，但持續時間在5 h以上的臺站較少，與王玉辰[8]統計的延安地區的靜風時間分布規律基本一致。通過統計每月風向、風速的靜風最長連續時次以及連續超過6時次的站點個數，可以得出多數月份最大持續時次超過5時次，但是站點個數很少，7—12月靜風時間可連續超過6時次；靜風時，2 min平均風速的持續時間稍高于極大風速持續的時間。其中1月、2月很多站點傳感器出現凍結造成多時次數據缺測，統計的靜風時間也可能由于受到冰凍天氣的影響而稍有增長，但總體來說，1—6月靜風持續時間相對較短。

1.2 具體算法

文章跟蹤了實際軸承卡澀時的風要素數據，發現很多臺站在11月份雖然極大風速連續不變的時次只有5時次以上，但是2 min平均風速連續不變的時次可達18時次以上，因此結合以上統計的靜風分布時間特點，不同月份設置不同的閾值。因為風向風速傳感器是一起進行核查維護的，所以可忽略風向風速靜風持續時間的差別。臺站人員根據告警結果分析傳感器狀態，合理安排核查臺站次序、時間，制定核查方案，優先安排去現場核查持續報警站點，通常軸承卡澀嚴重的需要及時更換風傳感器[9，10]。

1)3—6月

設置瞬時風速或者2 min平均風速或者極大風速(風向)連續6時次不變進行風速(風向)持續不變告警。

2)1—2月

1—2月天氣很冷，不利于傳感器的現場核查以及維護維修。通常出現最多的問題是風傳感器被凍結，風向傳感器凍結表現為風向風速連續不變，也可以聯合濕度、氣溫進行判斷。袁佰順等研究確定了風傳感器凍結時氣溫、濕度、風速的臨界值；尹憲志等認為，凍結時濕度最小閾值為93%，氣溫閾值為0°，也可以設置算法識別風速傳感器是否被凍結。算法流程為風速或者風向連續6時次，氣溫小于等于0°，并且最小相對濕度大于等于93%，則凍結報警；風速或者風向連續6時次無變化也可以識別出出現凍結臺站或者軸承卡澀的臺站。此算法只適合有濕度要素的區域站，未安裝濕度要素的區域站則不做考慮，風向傳感器的判別流程與風速相同。

3)7—12月

設置極大風速(風向)或者瞬時風速(風向)或者2 min平均風速(風向)連續12時次不變進行告警。12月也可能出現凍結的情況，凍結故障識別算法同1—2月。

2 軟件設計

為了能夠使用省級裝備保障一體化業務平臺數據庫的觀測數據，文章在此平臺上開發了開放式個性化監控算法實現模塊，以Web形式實現設計的算法。模塊使用JAVA語言編程，在設計時考慮到了兼容推廣問題，可以很方便地切換到省級ASOM2.0綜合觀測監控系統，也可以作為天元系統本地化的一部分，軟件包括算法查詢、新增算法、報警信息查詢等3部分，具體功能介紹見文獻Lin G等[11]。個性化的監控算法流程：1)首先建立質控規則，按照站點數據質控業務需求來篩選不同站點的數據集合，對具體要素內容設置多個規則的方式準確地篩選出業務所需要的質控告警狀態信息，告警內容格式按照告警描述的內容可以自行設置。對于要素的質控規則，根據不同要素業務需求設計了多種可供搭配使用的規則。2)利用數據調度工程，根據規則質控完成篩選：先一次性從規則表中查詢所有已啟用且在規則月份內的需要質控的記錄，然后根據條件分類拼接數據庫查詢篩選數據，完成業務上的邏輯拼接后返回需要的告警信息。3)告警信息以列表形式顯示。

3 告警結果統計分析

2020年11月份將風向風速持續不變的識別算法應用到軟件中進行檢驗，首先試驗了連續5時次無變化的區域站，識別出110個區域站風向或風速連續5時次無變化，與臺站進行了核實，連續5時次不變的臺站基本認為是靜風，部分測站則是因周圍有高大的樹木遮擋造成的，其中12時次以上基本為風傳感器的問題。同時檢測出很多站點已經連續幾十天風向風速持續不變，利用該方法檢測后，臺站可以及時檢查維修，形成良性循環。2020年12月份風向連續12時次無變化準確識別出了5個臺站出現異常，經核實是風向傳感器問題。

4 結束語

文章通過統計山東省每月發生的靜風持續時間，設計了識別區域站風傳感器軸承卡滯的算法，并探討了聯合氣溫、濕度、風速識別傳感器凍住的算法。

算法運行結果顯示，軟件運行可靠，算法識別準確，為區域站的風傳感器現場核查合理時機提供了判斷依據，也為保障人員處理傳感器凍結問題提供了時間參考。軟件可用在業務監控系統上，便于在全省進行業務推廣應用，也可以應用在天元系統作為本地化的一部分在全國推廣使用。