李艷萍 黎錦雷 陶偉 楊麗麗 毛壽興

(1 廣西壯族自治區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022； 2 廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局，梧州 543002)

引言

2019年3月21日21:13，臨桂國家氣象觀測站(以下簡稱臨桂站)觀測到分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速是60.3 m/s，根據(jù)風(fēng)力等級表[1]，平地10 m高處的風(fēng)速范圍56.1～61.2 m/s的風(fēng)力等級是17級(12級是颶風(fēng))，超過了2014年超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”在廣西潿洲島創(chuàng)下的極大風(fēng)速記錄59.4 m/s。臨桂站位于廣西桂林市臨桂區(qū)，地處內(nèi)陸，出現(xiàn)如此極端的大風(fēng)，實(shí)屬罕見，當(dāng)即有數(shù)據(jù)使用單位對臨桂站觀測到的60.3 m/s極大風(fēng)速值的真實(shí)性提出質(zhì)疑，同時對觀測設(shè)備性能是否還可靠也提出了疑問。省級保障部門通過對臨桂站觀測場內(nèi)主用、備用雙套自動氣象站觀測資料進(jìn)行分析，檢查觀測設(shè)備性能，撤換風(fēng)傳感器并送到國家氣象計(jì)量站校準(zhǔn)等，分析了臨桂站極端大風(fēng)觀測值的真實(shí)性和觀測設(shè)備性能可靠性。

國內(nèi)有學(xué)者研究中國強(qiáng)風(fēng)區(qū)分布、強(qiáng)雷暴大風(fēng)特點(diǎn)、臺風(fēng)極端大風(fēng)的變化等，認(rèn)為西部內(nèi)陸地區(qū)強(qiáng)風(fēng)主要出現(xiàn)在春夏兩季，氣壓梯度力是形成西部內(nèi)陸地區(qū)強(qiáng)風(fēng)的根本動力，強(qiáng)風(fēng)分布和地形有很大關(guān)系[2-4]。地面氣象資料質(zhì)量控制方法的研究，國內(nèi)已經(jīng)開展了一些工作并應(yīng)用到業(yè)務(wù)工作中[5-8]，對自動氣象站實(shí)時觀測資料(包括風(fēng)觀測資料)的質(zhì)量控制方法和流程的研究有了一定的進(jìn)展，質(zhì)量控制方法主要采用格式檢查、缺測檢查、極值檢查、時間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、綜合判斷檢查等，還有學(xué)者從計(jì)量角度提出還應(yīng)對儀器傳感器失效、長期漂移進(jìn)行評估[9-11]。針對大風(fēng)特別是極端大風(fēng)，很多研究工作[12-16]主要是從大氣背景去分析大風(fēng)形成機(jī)制，鮮有從觀測設(shè)備性能可靠性去分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。針對臨桂站極端大風(fēng)觀測值的真實(shí)性和觀測設(shè)備性能可靠性的分析過程和結(jié)果，對地面氣象資料質(zhì)量控制研究工作和極端天氣過后設(shè)備運(yùn)維措施有重要參考意義。

1 極端大風(fēng)觀測值出現(xiàn)過程和觀測資料分析

1.1 極端大風(fēng)觀測值出現(xiàn)過程

2019年3月21日21:13，臨桂站觀測到分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速達(dá)60.3 m/s，隨后急速下降；同時本站氣壓缺測1 min，市電開始停電，觀測場啟用UPS供電；21:22開始因百葉箱被吹倒傳感器損壞造成氣溫、相對濕度缺測。觀測場內(nèi)安裝有另一套實(shí)時運(yùn)行的備用自動站設(shè)備，數(shù)據(jù)上傳主要以主用自動站數(shù)據(jù)為主。翟麗萍等[16]對本次臨桂站極端大風(fēng)的發(fā)展演變和成因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明此極端大風(fēng)是由線狀對流系統(tǒng)中超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的濕下?lián)舯┝髟斐桑瑯O端大風(fēng)是發(fā)生在有利的天氣形勢下，高空槽提供了很好的動力背景，上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)顯著，有利于雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展；臨桂上空具有很好的產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的環(huán)境條件及發(fā)展成超級單體風(fēng)暴的潛勢；地面冷空氣適時抵達(dá)利于斜壓性增大和低層中氣旋的形成及加強(qiáng)，從而利于下?lián)舯┝鞯脑鰪?qiáng)，是形成極端大風(fēng)的重要因素。

1.2 自動站觀測資料分析

通過對比分析在極大風(fēng)速出現(xiàn)前后的主用、備用自動站觀測資料的變化情況來從觀測數(shù)據(jù)的角度判斷臨桂站極大風(fēng)速值的真實(shí)性。從主、備自動站的風(fēng)向、風(fēng)速、本站氣壓逐分鐘變化曲線(圖1)來看，2019年3月21日20:54開始，2套自動站的風(fēng)向均出現(xiàn)由東南風(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)再轉(zhuǎn)西北風(fēng)的逆時針轉(zhuǎn)向，風(fēng)速也隨之逐漸增大，21:08開始風(fēng)速急增，21:13達(dá)到最大值，主用站分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速60.3 m/s，備用站分鐘內(nèi)瞬時風(fēng)速59.5 m/s，主用站與備用站的風(fēng)速值相差0.8 m/s，數(shù)值相近，隨后2 min風(fēng)速急速下降，主用站降幅52.6 m/s，備用站降幅52 m/s；2套自動站的本站氣壓變化趨勢和缺測情況也很一致，21:10—21:12本站氣壓陡降(主用站降幅2.9 hPa，備用站降幅3.0 hPa)，21:12—21:14本站氣壓陡升(主用站升幅6.4 hPa，備用站升幅6.5 hPa), 2套自動站在21:13同時出現(xiàn)本站氣壓缺測，根據(jù)《自動氣候站數(shù)據(jù)采樣算法和質(zhì)量控制》[17]的規(guī)定，本站氣壓的采樣頻率30次/min，有效采樣樣本允許最大變化值是0.3 hPa，采集器對采樣值變化速率檢查，當(dāng)2個采樣值的差異大于允許最大變化值時，當(dāng)前采樣值被標(biāo)記為無效(不可信)，計(jì)算瞬時氣象值要求有效樣本比例大于66%，臨桂站21:13本站氣壓缺測，說明當(dāng)時氣壓陡升，有超過20 s連續(xù)陡升幅度過大，升幅超出了現(xiàn)有質(zhì)量控制規(guī)則范圍，采集器記錄的有效樣本值比例少，導(dǎo)致本站氣壓記為缺測。

圖1 2019年3月21日20:30—21:55臨桂站主站(a)、備用站(b)分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速及風(fēng)向、本站氣壓逐分鐘曲線

從主、備自動站降水、氣溫、相對濕度逐分鐘變化曲線(圖2)來看，2套自動站均顯示從2019年3月21日20:59開始出現(xiàn)降水，雨強(qiáng)逐漸增大，21:14分鐘降水量達(dá)到最大值，主用站6.6 mm，備用站6.7 mm，均超出雨量傳感器的測量降水強(qiáng)度范圍(SL3-1型雨量傳感器，測量降水強(qiáng)度4 mm/min以內(nèi))，主用站小時降水量48.1 mm，備用站小時降水量47.2 mm；氣溫逐漸下降，相對濕度逐漸上升，21:14備用站相對濕度開始缺測，21:22主用站氣溫、相對濕度缺測。臨桂站保障人員事后對觀測場設(shè)備檢查時，發(fā)現(xiàn)百葉箱被風(fēng)吹倒損壞，并向東南向移動1 m左右，百葉箱吹倒移動過程溫濕度傳感器及線纜受到不同程度的損壞，是造成主、備自動站氣溫、相對濕度在不同時間出現(xiàn)缺測的原因。

圖2 2019年3月21日20:50—22:55臨桂站主備用站降水(a)、氣溫(b)、相對濕度(c)逐分鐘變化曲線

根據(jù)以上對主、備自動站觀測資料的對比分析，2套自動站的觀測資料變化趨勢一致，誤差小，缺測情況一致，觀測資料變化符合要素間的邏輯關(guān)系，結(jié)合觀測場百葉箱受損情況，可認(rèn)為臨桂站的觀測資料的可信程度很高。

2 風(fēng)速傳感器撤換檢查和檢定

臨桂站的主用和備用自動站的風(fēng)速傳感器均為同一型號(表1)，測量范圍0.3～60 m/s，抗風(fēng)強(qiáng)度75 m/s，均在計(jì)量檢定周期內(nèi)，其中主用站的風(fēng)傳感器比較接近有效期。2019年3月21日晚臨桂站觀測到的極大風(fēng)速值，其中主用站60.3 m/s已經(jīng)超出了傳感器的測量范圍，備用站59.5 m/s很接近測量范圍的界限。通過撤換風(fēng)速傳感器進(jìn)行外觀檢查和檢定來確認(rèn)風(fēng)速傳感器的性能是否可靠，從設(shè)備性能角度進(jìn)一步分析極大風(fēng)速值的準(zhǔn)確度。臨桂站同時撤換了主用和備用自動站的風(fēng)速傳感器，并將撤換下來的風(fēng)速傳感器做好標(biāo)識寄回省級計(jì)量所進(jìn)行檢查、檢定。

表1 臨桂站主、備自動站風(fēng)速傳感器基本信息表

2.1 風(fēng)速傳感器外觀檢查

撤換下來的主用站、備用站2套風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯表面都存在不同程度的凹陷(圖3)， 主用站傳感器較之備用站傳感器甚為嚴(yán)重，主用站風(fēng)杯表面共16處凹陷，備用站風(fēng)杯表面共4處凹陷，凹陷邊緣均勻(圖3中方框處)，根據(jù)風(fēng)杯表面的凹陷數(shù)量和形狀特點(diǎn)，可以排除因撤換或運(yùn)輸過程外力導(dǎo)致。據(jù)臨桂站保障人員反饋，22日對觀測場進(jìn)行全面檢查和設(shè)備修復(fù)時發(fā)現(xiàn)，有一塊長約1 m、重約2000 g的鐵皮被風(fēng)吹到風(fēng)塔上并懸掛在2.5 m高處，可見當(dāng)時風(fēng)力和上揚(yáng)力度是非常強(qiáng)的。因極大風(fēng)速出現(xiàn)時間是夜間，觀測場的實(shí)景監(jiān)控系統(tǒng)無法觀察到真實(shí)場景，根據(jù)臨桂站數(shù)據(jù)資料分析結(jié)果和觀測場周邊情況可推斷，風(fēng)杯表面的凹陷應(yīng)該是在極端大風(fēng)出現(xiàn)時被大風(fēng)揚(yáng)起的沙礫快速沖擊而導(dǎo)致的。

圖3 臨桂站主備站風(fēng)速傳感器風(fēng)杯受損(紅色方框顯示凹陷處)

2.2 風(fēng)速傳感器檢定結(jié)果

主用站、備用站的風(fēng)速傳感器已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損壞，傳感器性能是否還可靠，觀測出來的風(fēng)速值偏差是否還能使用，需要送到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室檢定進(jìn)一步確認(rèn)。廣西省級計(jì)量所僅有40 m/s實(shí)驗(yàn)室，無法滿足傳感器檢定要求，最后將撤換下來的2套風(fēng)速傳感器送到國家氣象計(jì)量站進(jìn)行檢定，考慮到全面檢查風(fēng)速傳感器性能， 同時也從省級庫房選了一個同型號、全新的風(fēng)速傳感器一起送檢。表2是風(fēng)速傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，風(fēng)速傳感器的最大允差是±(0.5+0.03V) m/s[18]，表中加粗的數(shù)據(jù)是屬于超差的。主用站、備用站的風(fēng)速傳感器在各校準(zhǔn)點(diǎn)的風(fēng)速均表現(xiàn)偏大，其中，主站風(fēng)速傳感器在啟動風(fēng)速、20～60 m/s校準(zhǔn)點(diǎn)不符合檢定規(guī)程要求，超差嚴(yán)重，9個校準(zhǔn)點(diǎn)僅有3個合格，應(yīng)該是與風(fēng)杯表面的多處凹陷有很大的關(guān)系；備站風(fēng)傳感器和新風(fēng)傳感器在60 m/s校準(zhǔn)點(diǎn)不符合檢定規(guī)程要求，超差程度相近，備站風(fēng)速傳感器雖然風(fēng)杯也有少量凹陷點(diǎn)，但大部分校準(zhǔn)點(diǎn)都合格，性能和新風(fēng)速傳感器接近。從檢定結(jié)果來看，2019年3月21日21:13臨桂站主站觀測值60.3 m/s、備站觀測值59.5 m/s比真實(shí)風(fēng)速要偏大，主用站觀測值(60.3 m/s)偏差程度更嚴(yán)重。

表2 風(fēng)速傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù) m/s

風(fēng)速傳感器出廠風(fēng)速與頻率的線性公式是Vs=0.049f+0.3(Vs為風(fēng)速，f為傳感器輸出頻率)。在分析風(fēng)速傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主用站、備用站的風(fēng)速傳感器的頻率值與風(fēng)速值仍有非常好的線性關(guān)系(圖4)，線性相關(guān)系數(shù)R2=1，因而得出主用站和備用站風(fēng)速傳感器風(fēng)杯受損后新的線性公式，主用站Vs=0.0452f+0.6078，備用站Vs=0.0466f+0.4632。通過出廠線性公式反推出極大風(fēng)速出現(xiàn)時風(fēng)速傳感器的頻率值，根據(jù)新的線性公式，可以訂正出比較接近真實(shí)的風(fēng)速值，訂正結(jié)果是：主用站自動站觀測出的極大風(fēng)速值60.3 m/s訂正為55.95 m/s，備用站自動站觀測出的極大風(fēng)速值59.5 m/s訂正為56.76 m/s，訂正后主用站與備用站風(fēng)速值相差-0.81 m/s，數(shù)值相近。

圖4 臨桂站主站(a)、備用站(b)風(fēng)速傳感器頻率與風(fēng)速線性關(guān)系

3 結(jié)論與討論

臨桂站2019年3月21日21:13觀測到60.3 m/s極端大風(fēng)，極大風(fēng)速值出現(xiàn)后2 min內(nèi)風(fēng)速急速下降，內(nèi)陸出現(xiàn)如此極端的大風(fēng)，實(shí)屬罕見。為了確認(rèn)臨桂站觀測到的60.3 m/s極大風(fēng)速值的真實(shí)性，利用臨桂站觀測場內(nèi)主用、備用自動氣象站觀測資料進(jìn)行對比分析，撤換風(fēng)傳感器并送到國家氣象計(jì)量站校準(zhǔn)檢查觀測設(shè)備性能，從觀測資料角度和設(shè)備性能角度進(jìn)行綜合分析。得出如下結(jié)論:

(1)臨桂站極端大風(fēng)值出現(xiàn)前主、備自動站觀測資料變化趨勢一致，誤差小，缺測情況一致，觀測資料變化符合要素間的邏輯關(guān)系，結(jié)合觀測場設(shè)備受損情況，說明3月21日晚臨桂出現(xiàn)非常罕見的極端大風(fēng)，臨桂站的觀測資料是可信的。

(2)檢定結(jié)果說明臨桂站風(fēng)速傳感器風(fēng)杯受到一定程度損壞后頻率值與風(fēng)速仍然存在很好的線性關(guān)系，根據(jù)新的線性關(guān)系訂正出風(fēng)速值55.95 m/s，訂正值更接近臨桂站2019年3月21日21:13的極端風(fēng)速的真實(shí)值。

根據(jù)臨桂站極大風(fēng)速觀測值的真實(shí)性分析和處理過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和不足，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測數(shù)據(jù)極值認(rèn)定及訂正應(yīng)用、設(shè)備運(yùn)維措施等3個方面提出了思考和建議：

(1)現(xiàn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對本站氣壓要素的設(shè)備端質(zhì)量控制要求是，有效采樣樣本允許最大變化值是0.3 hPa，在前文的分析中可知臨桂站2019年3月21日21:13本站氣壓缺失證明了某些極端天氣下氣壓的突變是有可能出現(xiàn)相鄰氣壓采樣樣本變化值超過0.3 hPa，建議對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法特別是設(shè)備端的質(zhì)控方法做進(jìn)一步研究和修改。

(2)臨桂站觀測出60.3 m/s極端大風(fēng)，超過了2014年超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”在廣西潿洲島創(chuàng)下的極大風(fēng)速記錄59.4 m/s，事后對風(fēng)速傳感器檢查和檢定發(fā)現(xiàn)，傳感器受到一定的損壞但采集信號和風(fēng)速值仍有很好的線性關(guān)系，意味著還可以訂正出比較接近極端大風(fēng)的真實(shí)風(fēng)速，最后訂正出55.95 m/s，因?yàn)闆]有相關(guān)規(guī)定和要求，目前訂正值僅僅是作為設(shè)備性能的參考。極端天氣過程往往會產(chǎn)生一些容易質(zhì)疑的觀測數(shù)據(jù)，特別是有可能產(chǎn)生某一個區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)極值，對這類數(shù)據(jù)如何認(rèn)定和應(yīng)用，建議制定統(tǒng)一處理規(guī)范。

(3)極端天氣出現(xiàn)的過程中不一定會對觀測設(shè)備帶來致命損壞，但有可能對觀測設(shè)備性能造成一定的漂移。臨桂站極端天氣發(fā)生后，因問題主要聚焦在極大風(fēng)速觀測值的真實(shí)性上的討論分析上，除了對已經(jīng)造成損壞的溫度濕度傳感器進(jìn)行檢查和修復(fù)外，沒有及時對風(fēng)向風(fēng)速傳感器之外的觀測設(shè)備進(jìn)行必要的質(zhì)量檢查或核查甚至撤換，無法保證極端天氣過后所有觀測設(shè)備保持原來的性能。建立和執(zhí)行極端天氣過后設(shè)備運(yùn)維措施是非常必要的。