黃玉學(xué)+左湘文++孫嘉楠

摘 要：氣象監(jiān)測站網(wǎng)的密度對氣象預(yù)報中的數(shù)值模擬至關(guān)重要。文章利用結(jié)構(gòu)函數(shù)與內(nèi)插法相結(jié)合的方法，對寧夏中部干旱帶區(qū)域自動氣象站的溫度與雨量進(jìn)行密度分析，得出在滿足觀測要求下的站網(wǎng)密度。對比分析了春、夏、秋、冬4個季節(jié)溫度與雨量的結(jié)構(gòu)函數(shù)與距離的關(guān)系，并分析不同內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)誤差與距離的關(guān)系，得到不同內(nèi)插方法下的最大容許測站間距。為干旱帶地區(qū)氣象站網(wǎng)的布局提供參考。

關(guān)鍵詞：氣象監(jiān)測站 結(jié)構(gòu)函數(shù) 站網(wǎng)密度

中圖分類號：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0075-03

在進(jìn)行天氣預(yù)報，開展氣候研究時，氣象觀測資料是數(shù)值計算的重要依據(jù)。由于站網(wǎng)密度是數(shù)據(jù)計算的重要指標(biāo)，若站網(wǎng)太稀達(dá)不到精度計算要求，過密又會造成浪費(fèi)，因此建立一個有科學(xué)根據(jù)的氣象監(jiān)測網(wǎng)體系尤為重要[1-2]。

當(dāng)前氣象監(jiān)測網(wǎng)主要依據(jù)中國氣象局業(yè)務(wù)技術(shù)體制改革氣象綜合觀測體系分方案[3]進(jìn)行布站，遵循平原地區(qū)平均間距20～25 km、沿海地區(qū)以及大江大河流域平均間距為10 km，山區(qū)根據(jù)具體的地形特點、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況以及年平均降水量進(jìn)行設(shè)計。文章利用結(jié)構(gòu)函數(shù)與內(nèi)插法相結(jié)合的方法，對寧夏中部干旱帶區(qū)域自動氣象站的溫度與雨量進(jìn)行密度分析，得出在滿足觀測要求下的站網(wǎng)密度。

1 監(jiān)測網(wǎng)的理論公式

研究表明，氣象要素的內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)誤差，只與該要素的結(jié)構(gòu)函數(shù)有關(guān)，其表征了某一要素在空間上的離散程度。根據(jù)Gantin[4]的定義，某一氣象要素的結(jié)構(gòu)函數(shù)定義為兩站點間要素距平差值平方的平均。即A、B兩站間的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

2 研究對象

文章的研究對象是寧夏中部干旱帶，約70個區(qū)域氣象監(jiān)測站。所選站點站間距最遠(yuǎn)約240 km，最近約5 km。

在資料處理的過程中，為保證所選站點數(shù)據(jù)的完整、可信，首先剔除區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)到報率低于96%的站點，且對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，為避免相鄰站點數(shù)據(jù)間過于相關(guān)，在逐日氣溫數(shù)據(jù)處理中，每間隔兩天取一次記錄作為氣溫場的計算樣本。而月降水量的數(shù)據(jù)依據(jù)寧夏地區(qū)降水觀測時段，選擇4～10月作為雨量場的計算樣本。

3 計算結(jié)果

利用matlab中曲線擬合函數(shù)polyfit，對不同距離下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合。圖1表示賀蘭山沿山地區(qū)氣溫與雨量結(jié)構(gòu)函數(shù)與距離的關(guān)系。

由圖1可以看出，氣溫與雨量的結(jié)構(gòu)函數(shù)均隨距離的增大而增大，變化近似于線性關(guān)系。而在氣溫結(jié)構(gòu)函數(shù)中，不同季節(jié)對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)函數(shù)，其結(jié)構(gòu)函數(shù)從小到大依次為春季、夏季、秋季、冬季。這主要是由于干旱帶地區(qū)秋季與冬季氣溫的變化在空間梯度上較大。由圖1還可以看出，在相同距離下，雨量的結(jié)構(gòu)函數(shù)比氣溫的結(jié)構(gòu)函數(shù)大得多，主要是由于干旱帶地區(qū)降水量的分布不集中，且夏季局部地區(qū)常伴有陣性降水的原因造成的。

由實際觀測資料得到的氣溫與降水的結(jié)構(gòu)函數(shù)與距離的回歸曲線方程，如表1所示。

將式（5）～（8）分別代入表1中的回歸曲線方程，便可以得到寧夏干旱帶地區(qū)不同季節(jié)氣溫與雨量在線性內(nèi)插、平面內(nèi)插（正三角形中心內(nèi)插、正方形中心內(nèi)插）3種內(nèi)插方法下的最大容許距離，如表2所示。

由表2可知，在滿足內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)誤差小于觀測標(biāo)準(zhǔn)誤差條件下，正三角形內(nèi)插方案的最大容許距離最大，在此方案下，干旱帶地區(qū)氣溫的布站精度小于等于16.8 km，降水的布站精度小于等于16.8 km。所以為滿足觀測要求，干旱帶地區(qū)布站精度小于等于16.8 km為宜。

4 結(jié)語

文章統(tǒng)計分析了寧夏中部干旱帶地區(qū)氣溫與雨量的結(jié)構(gòu)函數(shù)與距離的關(guān)系，其擬合曲線基本呈線性關(guān)系，在研究的區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)函數(shù)隨距離的增加而增大，但不同季節(jié)的結(jié)構(gòu)函數(shù)均不同，氣溫的空間梯度變化在冬季最大，然后是秋季、夏季、春季。研究表明，正三角形中心內(nèi)插的精度最低，在此方案下，干旱帶地區(qū)布站精度為16.8 km。監(jiān)測網(wǎng)的合理分布是一個較復(fù)雜的問題，還應(yīng)該考慮重要城鎮(zhèn)、主要工礦企業(yè)、人口聚集區(qū)、主要交通干線及其他防汛重點區(qū)域，文章采用統(tǒng)計方法分析監(jiān)測網(wǎng)時僅從純業(yè)務(wù)的角度考慮了氣象監(jiān)測網(wǎng)的問題，但其理論方法可為其他監(jiān)測網(wǎng)的密度分析提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧文芳，王永華.空間結(jié)構(gòu)函數(shù)在上海地區(qū)氣象站網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報，1989（3）：325-332.

[2] 尉英華，東高紅，徐姝，等.海河流域不同地形站網(wǎng)密度對面雨量精度的影響[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2014，30（6）：75-79.

[3] 中國氣象局.區(qū)域氣象觀測站建設(shè)指導(dǎo)意見[R].2009.

[4] Gandin L S.The planning of meteorological station networks（technical note No.111）[R]. Gnerva：WMO No.265，1970.

[5] 李軍，游松財，黃敬峰.中國1961—2000年月平均氣溫空間插值方法與空間分布[J].生態(tài)環(huán)境，2006（1）：109-114.