地面自动站气压的台站极值检查方法研究

书书书第２６卷第３期２０１０年６月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ２０１０收稿日期：２０１０－０５－０５；修订日期：２０１０－０５－２８。基金项目：公益性行业（气象）科研专项项目“中国气候系统协同观测与预测研究”０５课题资助。作者简介：鞠晓慧，女，１９７３年生，工程师，主要从事气象资料质量控制技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。地面自动站气压的台站极值检查方法研究鞠晓慧１　曹丽娟１　朱建华２（１国家气象信息中心，北京１０００８１；２北京市气象局观测与预报处，北京１０００８１）　　摘　要：根据压高公式，利用２０００多个国家级台站海拔高度和本站气压观测资料，得到了自动站本站气压的台站极值检查方法，称为“台站海拔高度统计法”。首先由观测资料得到台站海拔高度和本站气压的指数经验公式，此经验公式可以计算出本站气压的估计值；然后由经验公式，选α＝００１，可以估算出００１信度下本站气压的取值范围，其中剩余均方差的估算方法类同本站气压的估计方法。使用台站海拔高度统计法依次对国家基准站、国家级台站以及区域自动站定时气压进行试验，试验效果较好。此方法可以用于气象业务中实时和非实时气压质量控制流程中的台站气压极值检查。关键词：自动站气压；极值检查；台站海拔高度　　中图分类号：Ｐ４１３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０３－００４８－０５１　引言随着我国自动气象观测系统的建立，高空间密度和高时间密度的气象资料越来越多。到目前为止，国家级地面台站数量达到了２４２５个（其中自动站２０３０个），区域自动站的数量接近３万个。自动站气象资料的时间密度为分钟和小时，观测系统每天产生大量的气象观测数据。对气象观测资料进行质量控制，保证其准确性非常重要。过去人工观测时期的资料，站点少，时间间隔长，因此数据量少，资料的审核和质量控制以人工为主。现今，面对如此庞大的观测资料，必须研究出可行、有效的资料控制方法，减少人工干预，提高质量控制的效率。近年来，气象工作者对自动站资料的质量控制和质量评估进行了大量的研究［１－５］，这些研究对提高气象资料的质量很有意义。本文讨论的是本站气压观测值的质量控制问题。气压要素在大气环流中扮演着重要角色。大气中的天气现象和天气变化都与气压变化密切相关［６］。气象台站观测的本站气压经过换算成海平面气压组成了气压场，被用来分析天气系统和天气过程的变化。现在国内外对地面自动气象站观测数据的质量控制一般包括如下５个过程：气候界限值检查（又称要素允许值检查）、台站极值检查（又称要素主要变化范围检查）、内部一致性检查、时间一致性检查和空间一致性检查［７］。以上５个检查中最重要、最复杂的是第二步，即台站极值检查，因为极值检查要给出每个台站定量的范围。这个范围太大的话，起不到控制作用；太小的话，就会将正确的数据误判为（可）疑（错）误数据，既增加下一步检查的计算量，又增加综合判断的难度，将影响到整个质量控制系统的效果。对本站气压观测资料来说，其气候界限值检查和台站极值检查联系紧密。由于本站气压和台站海拔高度密切相关，本站气压的数值代表了台站所在高度的大气压力。从这个意义上说，本站气压的台站极值检查就是该台站海拔高度上的气候界限值检查。传统方法对台站极值检查都是基于台站历史观测资料，取其累年最大、最小值，再扩大一定的范围。现在，出现了越来越多的新建自动站，尤其是区域自动站，建站时间短，没有历史过程资料可以参考，寻取一种有效的、不依赖于历史观测资料的台站极值方法很有必要。本文利用气压和高度的理论相关关系，使用了２０００多个台站建站至２００８年的定时气压观测资料统计出具体相关形式，最终得到了利用台站海拔高度估计本站气压合理取值范围的方法，称为“台站海拔高度统计法”。通过试验，该方法可以用于实时业务中定时气压的质量控制以及科研中本站气压值的质量控制。２　台站海拔高度统计法检查原理２１　气压和高度的理论关系气压是从观测点到大气上界单位面积上垂直空气柱的重量，因此，地球上任何地方的气压值总是随着海拔高度的增加而递减。这种变化关系可以定量地用等温大气压高公式来表示［８］：ｚ２－ｚ１＝１８４００（１＋ｔ２７３）ｌｏｇｐ１ｐ２（１）　第３期鞠晓慧等：地面自动站气压的台站极值检查方法研究４９　　　式（１）中，ｐ１和ｐ２分别为高度ｚ１和ｚ２的气压值；ｔ为空气柱温度。根据式（１），等温大气的气压随高度按指数规律递减。式（１）有广泛的应用。例如，海平面气压不是直接观测值，是由本站气压经过高度订正换算得到，其订正公式就是从式（１）推导而来［９］。２２　气压观测和台站海拔高度在气象观测中，气压观测仪器是水银气压表（人工气象站）或气压传感器（自动气象站）。气象台站观测的气压值是测站所在海拔高度（严格地说是水银气压表或气压传感器所在高度）上的大气压强，称为“本站气压”（简称“气压”）。人工气象站直接观测的是水银气压表读数，通过计算公式得到本站气压；自动气象站的气压传感器根据有关原理直接测得本站气压［１０］。国家气象信息中心气象资料室２００８年首次制作了国家级台站自建站至２００８年地面气象观测资料数据集。该数据集包括了国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站共２４２５个台站资料，数据经过了基本的质量控制。在气象统计上，一般认为１９７１—２０００年的气象资料代表了气候的平均状况。本文从２４２５个国家级台站中挑选出１９７１—２０００年有３０ａ气压观测值的台站共２２４２个，使用台站每日４次定时（北京时０２、０８、１４时和２０时）气压和年平均气压等数据。既然气压和高度如此相关，首先分析我国国家级台站海拔高度分布情况。本文涉及的２２４２个台站分布见图１，其中圆圈图标代表了１５００ｍ以下的图１　中国气象台站分布台站；三角图标代表了１５００ｍ以上的台站。我国中东部台站多、密度高、海拔高度低；西部站点少，分布不均，海拔高度高。总的来看，海拔高度超过１５００ｍ的台站，集中分布在我国青藏高原的中东部（空间范围：９０—１０５°Ｅ，２５—４０°Ｎ）；零散分布在中国中东部地区的高山上。　　将２２４２个台站根据海拔高度进行分类，各个海拔高度上的台站数量及比例见表１。表１中共有１４２８个台站海拔在５００ｍ及以下，占总站数的６３６５％；其中吐鲁番东坎站海拔为－４８７ｍ，是国家级台站中海拔高度最低的台站。共有１９７９个在１５００ｍ及以下，占总站数的８８２０％。有２６４个台站海拔高度超过１５００ｍ。表１　不同海拔高度的台站分类海拔高度／ｍｈ≤００＜ｈ≤５００５００＜ｈ≤１０００１０００＜ｈ≤１５００１５００＜ｈ≤２０００２０００＜ｈ≤２５００２５００＜ｈ≤３０００３０００＜ｈ≤３５００３５００＜ｈ≤４０００４０００＜ｈ≤４５００４５００＜ｈ≤５０００台站数量１１４２７２８４２６７１２６４２２９２７１８１６６百分率００４６３６５１２６２１１９１５６２１８７１２９１２００８００７１０２７２３　台站气压和海拔高度的经验方程利用２４２２个台站的海拔高度和１９７１—２０００年３０ａ年平均气压绘制散点图（图２）。从图２可知，散点图的趋势既像线性的又像指数的，究竟选取哪种趋势要通过详细分析。当选择线性趋势时，回归系数用最小二乘法得到，线性回归方程见图２中第一个线性方程，其复相关系数Ｒ２＝０９９２。当选择指数趋势时，指数方程要通过变换成线性方程方能求得回归系数，最终回归方程见图２中第二个指数方程，其复相关系数Ｒ２＝０９９７。从复相关系数看，两种趋势的拟合效果均不错，复相关系数接近１，但指数趋势比线性趋势稍好些。从图２中的拟合效果看，确实指数趋势比线性趋势要好，因为在海拔高度超过３０００ｍ时，线性趋势明显偏离了实际情况。所以，无论是从直观上还是根据复相关系数，指数方程的拟合效果要比线性拟合图２　台站海拔高度和台站多年年平均气压的散点分布和拟合方程５０　　　气象与环境学报第２６卷　效果好，即台站多年年平均气压随台站海拔高度的增加呈指数递减，这也与式（１）相吻合。实际上图２中的指数公式就是压高公式经过简化形成的经验方程。３　气压台站极值检查方法———台站海拔高度统计法３１　不同信度的置信区间根据图２指数回归方程为可得：＾ｙ＝１０１６６ｅ－００００１ｘ（２）式（２）中，依变量＾ｙ作为估计值表示海拔高度为ｘ的台站平均气压，每个台站都可以由此得到一个估计的平均气压值。每个台站每个观测值对估计值的剩余方差为：ｓ２ｒ＝１ｎ－２∑ｎｔ＝１（ｙｔ－＾ｙ）２（３）式（３）中，ｓ２ｒ为剩余方差，ｓｒ为剩余均方差，表示气压观测值对估计值的偏离程度；ｎ为样本数；ｙｔ为实测气压；＾ｙ为气压估计值。由式（２）计算得到。给定信度α，实测气压值的区间估计为［１１］：＾ｙ±ｕαｓｒ（４）即观测值将以（１－α）的概率落在（＾ｙ±ｕαｓｒ）上。以下用定时气压讨论如何选择合适的信度。使用的资料是国家气象信息中心气象资料室收集归档的中国地面２０３０个国家级台站（除去有缺测的台站）２００８年全年每日２４时次定时气压值（均为自动站观测值）。样本数ｎ＝８７８４（无缺测情况下），α＝００５时，ｕα＝１９６，近似地取ｕα＝２；α＝００１时，ｕα＝２５８，近似地取ｕα＝３。得到每个台站定时气压在信度００５和００１时的取值范围（置信区间）的步骤如下：（１）根据式（２）计算每个台站的气压估计值。（２）根据式（３）计算台站２００８年３６６ｄ每日２４时次定时气压值和气压估计值的剩余均方差。（３）α取不同的值，得到不同ｕα值。每个台站定时气压在信度α时的取值范围（置信区间）为（＾ｙ－ｕαｓｒ，＾ｙ＋ｕαｓｒ）。即每个台站定时气压取值范围在（＾ｙ－ｕαｓｒ，＾ｙ＋ｕαｓｒ）的概率为（１－α）。（４）统计定时气压观测值超出信度α时取值范围（置信区间）的台站数量和比例，选定合适的信度。表２为α＝００１和α＝００５时２０３０个台站的检验结果。定义超出率ｒ：表２　不同信度下台站超出率ｒ统计信度ｒ＝０数量百分率０＜ｒ≤１％数量百分率１＜ｒ≤５％数量百分率平均总超出率／（％）００１１９１６９４４１１４５６００９×１０－４００５５９６２９４５５３２７２８８１４３４１０　　ｒ＝ｍｎ×１００％（５）式（５）中，ｎ为某台站全年定时气压观测值总数；ｍ为定时气压观测值超出取值范围的数量。在α＝００１时，即选择０９９概率下的取值范围时，有９４４％的台站全部观测值均在取值范围内；其余５６％的台站超出率在１０％以内。在α＝００５时，即选择０９５概率下的取值范围时，只有２９４％的台站全年观测值均在取值范围内。可见，当信度取００５时，台站超出率过高，多数观测值超出估计范围，不符合实际情况，因此取信度为００１较合适。３２　剩余均方差和海拔高度通过以上讨论，可以总结出检查一个台站定时气压是否合理的步骤是：（１）确认台站的海拔高度正确，并根据式（２）计算台站的气压估计值。（２）用式（３）计算该站检查时段内定时气压观测值和气压估计值的剩余均方差。（３）气压估计值减去３倍的剩余均方差就是该站定时气压的最小值；气压估计值加上３倍的剩余均方差就是该站定时气压的最大值。最小值≤观测的定时气压≤最大值。图３　２０３０个台站２００８年定时气压的剩余均方差和海拔高度　　判断一个定时气压观测值是否在合理的范围内和剩余均方差的大小密切相关。剩余均方差的计算在实际的业务使用中较为复杂，因为要用到检查时段当年或历史年的观测资料。当新建站没有历史观测资料时，剩余均方差则无法计算。为此，考虑是否　第３期鞠晓慧等：地面自动站气压的台站极值检查方法研究５１　　　能够找到剩余均方差与台站海拔高度之间的关系。将２００８年２０３０个台站海拔高度和定时气压的剩余均方差制作成散点图，可以看到它们之间有较好的相关关系（图３），其一元线性回归方程：＾ｙ＝００１２ｘ＋８２（６）复相关系数达到０９８，拟合效果较好。台站的剩余均方差随着台站海拔高