地面自動氣象站風(fēng)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制閾值的判定

李秀英，荀偉唯，李瑞蘇，楊翠麗

(1.沙河市氣象局，沙河 054100；2.河北省清河縣氣象局，清河 054800)

0 引言

由于風(fēng)向的瞬時變化較大，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中未對風(fēng)向時間一致性檢查設(shè)定最大允許變化范圍。隨著觀測自動化的發(fā)展，國家氣象觀測站實現(xiàn)了雙套風(fēng)向傳感器同時運行，且2套風(fēng)向傳感器安裝在同一觀測環(huán)境里，高度相同，水平距離間隔1.5 m左右，使獲取到的觀測數(shù)據(jù)有可比性。

現(xiàn)階段風(fēng)向質(zhì)量控制方法較少，如：質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[1]中只對風(fēng)向數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)在0°～360°進(jìn)行判斷；張永軍[2]等提出了基于分布律規(guī)則的風(fēng)向傳感器故障檢測算法，需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計樣本，且對故障檢測具有一定的滯后性；楊麗中[3]等采用風(fēng)向數(shù)據(jù)排列規(guī)律分析法，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)向頻率分布波形跳躍可作為風(fēng)向傳感器故障判斷的間接依據(jù)；陳峰云[4]采用反查格雷碼法，通過檢測某些方位永遠(yuǎn)缺失的現(xiàn)象查找風(fēng)向故障點；李昕娣[5]等采用雷達(dá)圖進(jìn)行風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)偏差分析；何利德[6]等利用集合理論定位判定故障方法；金燦[7]等提出通過7個發(fā)光二極管判斷7位格雷碼故障點，但是必須具備專業(yè)工具才可以進(jìn)行檢測。

風(fēng)向的突變、長時間的靜風(fēng)、儀器故障、數(shù)據(jù)缺測等特殊情況都會造成新型站與備份站的風(fēng)向差值很大，但是在一定的概率范圍內(nèi)，可以設(shè)定一個差值閾值，嘗試對風(fēng)向進(jìn)行質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

文章對比分析新型站與備份站風(fēng)向傳感器氣象要素數(shù)據(jù)，通過差值對比的方法計算出備份站與新型站風(fēng)向的差值，再對差值進(jìn)行區(qū)間劃分求得區(qū)間占比，從而確定風(fēng)向變化較為合理的最大允許變化閾值。

1 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文章選用2019—2020年新型站AWS_H_Z文件(小時數(shù)據(jù)文件)、備份站Z文件(小時數(shù)據(jù)文件)中的2 min風(fēng)向風(fēng)速、10 min風(fēng)向風(fēng)速、瞬時風(fēng)向風(fēng)速的小時數(shù)據(jù)以及2020年1月新型站AWS_M_Z文件(分鐘數(shù)據(jù)文件)、備份站RTD文件(分鐘數(shù)據(jù)文件)中的2 min風(fēng)向風(fēng)速、10 min風(fēng)向風(fēng)速、瞬時風(fēng)向風(fēng)速的分鐘數(shù)據(jù)。

1.2 技術(shù)方法

通過差值對比的方法可計算出備份站與新型站風(fēng)向的差值，再對差值進(jìn)行區(qū)間劃分求得區(qū)間占比，找出占比達(dá)到或超過90%時的最大區(qū)間，將此區(qū)間確定為風(fēng)向的最大變化界限值，即將區(qū)間占比之和≥90%的區(qū)間范圍定義為差值閾值。

2 風(fēng)向數(shù)據(jù)最大允許變化閾值的確定

2.1 對比分析2019—2020年新型站與備份站小時數(shù)據(jù)

對2019—2020年17，532個有效小時數(shù)據(jù)的風(fēng)向差值以10°為區(qū)間進(jìn)行劃分，統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，從而計算得出區(qū)間占比值。

通過計算得出：當(dāng)差值閾值定義為±20°時，2 min風(fēng)向區(qū)間占比為91.4%，10 min風(fēng)向區(qū)間占比為92.4%，瞬時風(fēng)向區(qū)間占比為60.1%，而瞬時風(fēng)向差值閾值定義為±50°時區(qū)間占比為90.8%。

2.2 對比分析2020年1月新型站與備份站分鐘數(shù)據(jù)

對新型站與備份站2020年1月44，579個有效分鐘數(shù)據(jù)的差值以10°為區(qū)間劃分。

經(jīng)統(tǒng)計得出：差值閾值定義為±20°時，2 min風(fēng)向區(qū)間占比為94.0%，10 min風(fēng)向區(qū)間占比為93.0%，瞬時風(fēng)向區(qū)間占比為69.6%，而瞬時風(fēng)向差值閾值定義為±50°時區(qū)間占比為93.6%。

2.3 對比新型站2020年1月分鐘數(shù)據(jù)時間變化

分析新型站2020年1月風(fēng)向分鐘數(shù)據(jù)，對分鐘數(shù)據(jù)之間的風(fēng)向差值以10°為區(qū)間劃分。

經(jīng)統(tǒng)計得出：差值閾值定義為±20°時，2 min風(fēng)向區(qū)間占比為93.3%，10 min風(fēng)向區(qū)間占比為99.0%，瞬時風(fēng)向區(qū)間占比為73.6%，而瞬時風(fēng)向差值閾值定義為±50°時區(qū)間占比為95.0%。

綜上所述，在區(qū)間占比90%概率范圍內(nèi)風(fēng)向的差值存在一個區(qū)間閾值。2 min，10 min風(fēng)向最大允許變化閾值定義為±20°，瞬時風(fēng)向最大允許變化閾值定義為±50°較為合適。

3 風(fēng)向差值較大的原因分析

3.1 風(fēng)向突變

2020-02-22T06：10—2020-02-22T06：30，風(fēng)向發(fā)生突變，1 min變化達(dá)到60°，差值為-124°。

正常情況下突變的時間不會持續(xù)很長，且新型站與備份站突變的趨勢基本一致。

3.2 較長時間靜風(fēng)

2020-01-03T08：10—2020-01-03T08：30，2 min風(fēng)向差值較大，原因為風(fēng)速為0(靜風(fēng))。

3.3 數(shù)據(jù)缺測

由于備份站2 min風(fēng)向風(fēng)速出現(xiàn)缺測，造成風(fēng)向差值較大。

4 風(fēng)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制檢驗

當(dāng)風(fēng)向變化較小時，2 min風(fēng)向差值閾值±20°，10 min風(fēng)向差值閾值±20°，瞬時風(fēng)向差值閾值±50°有較好的可用性。

檢驗：2020-07-17風(fēng)向變化較小，2 min風(fēng)向差值在-9°～18°，差值閾值±20°達(dá)到100%；10 min風(fēng)向差值在-3°～14°，差值閾值±20°達(dá)到100%；瞬時風(fēng)向差值在-63°～74°，差值閾值±50°達(dá)到98%，如表1所示。

表1 2020-07-17新型站與備份站分鐘數(shù)據(jù)風(fēng)向差值區(qū)間占比

5 風(fēng)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

通過備份站風(fēng)向數(shù)據(jù)對新型站風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行實時質(zhì)控，當(dāng)差值超出閾值范圍時，提示數(shù)據(jù)可疑。經(jīng)分析，風(fēng)向突變、長時間靜風(fēng)、儀器故障、數(shù)據(jù)缺測等都會造成差值超出閾值范圍，此種情況下需要參考新型站與備份站風(fēng)向隨時間的變化情況和風(fēng)速值進(jìn)一步判定：

1)正常的風(fēng)向突變，新型站與備份站分鐘數(shù)據(jù)同時發(fā)生突變，而且持續(xù)時間較短，可以判斷為正常數(shù)據(jù)；

2)當(dāng)風(fēng)速較小或為靜風(fēng)，且持續(xù)時間較短時，可以判斷為正常數(shù)據(jù)；

3)當(dāng)風(fēng)速較小或為靜風(fēng)，且持續(xù)時間較長時，應(yīng)考慮風(fēng)傳感器出現(xiàn)故障或被凍結(jié)；

4)當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測或長時間超過閾值時可判定數(shù)據(jù)可疑，考慮風(fēng)向傳感器出現(xiàn)故障。

6 結(jié)束語

文章對比分析了新型站與備份站的風(fēng)向數(shù)據(jù)，確定了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)向要素質(zhì)控閾值，并初步構(gòu)建了風(fēng)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。

該方法與其他氣象要素相比風(fēng)向瞬息多變，在確定最大允許變化范圍時只確定了在一定概率范圍內(nèi)的質(zhì)控閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值范圍時，提示數(shù)據(jù)可疑，還需要參考新型站與備份站風(fēng)向隨時間的變化情況和風(fēng)速值進(jìn)一步判定，排除正常的風(fēng)向突變及風(fēng)速較小時引起的超閾值情況，目前尚無法確定可以判定數(shù)據(jù)錯誤的差值閾值。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，希望今后能夠增加對不同區(qū)域內(nèi)風(fēng)向變化的研究，找出更為合理的質(zhì)量控制方法。