邱曉暖，范紹佳

(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510275 2.廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東廣州 510030)

我國經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)基本上每隔5 km就有一個自動氣象站，大量數(shù)據(jù)目前主要用于天氣預(yù)報分析或應(yīng)用于數(shù)值模擬［1－4］，研究低能見度事件和霾日判定等［5－7］，總的數(shù)據(jù)利用率不高，缺少比較系統(tǒng)的自動氣象站資料分析處理方法。

海陸風(fēng)是沿海地區(qū)特有的由海陸熱力差異引起的局地環(huán)流。文獻(xiàn)［8－9］使用自動氣象站資料研究海陸風(fēng)，吳兌等［10］提出根據(jù)自動氣象站資料，計算“風(fēng)矢量和”來研究珠江三角洲區(qū)域擴散條件。發(fā)展建立一種有效使用自動氣象站資料的方法，研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流的特征，有重要應(yīng)用意義。

華南是我國海陸風(fēng)出現(xiàn)頻率較高地區(qū)［11－20］，珠江三角洲沿海海陸風(fēng)頻率達(dá)25%～35%，最強海風(fēng)出現(xiàn)在珠江喇叭口頸部［21－23］。珠江三角洲地區(qū)機場密集、航空管制嚴(yán)，難于實施野外放球的海陸風(fēng)觀測研究。利用珠江口西側(cè)廣州市南沙4個自動氣象站2001－2008逐時風(fēng)向風(fēng)速資料，本文建立了一套自動氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法、海陸風(fēng)等局地環(huán)流的分離與判定技術(shù)，并進行應(yīng)用驗證，取得良好的效果。

1 自動氣象站數(shù)據(jù)有效性判別與處理篩選方法

準(zhǔn) 差 (σ)， 小 時 風(fēng) 速 數(shù) 值 在(U－3σ，U+3σ)范圍外的，可認(rèn)為出現(xiàn)該時次的數(shù)據(jù)是小概率事件，是異常值，應(yīng)舍去。③數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判斷:剔除上述可判斷的故障值和異常值后，再考察數(shù)據(jù)的規(guī)律性，數(shù)據(jù)變化是否滿足氣象一般規(guī)律，去除不具氣象意義的數(shù)據(jù)。

下面以位于珠江口西側(cè)的廣州市南沙區(qū)圍墾公司站、南沙中學(xué)站、橫瀝水利會站、黃閣鎮(zhèn)政府站4個自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速資料為例，介紹自動氣象站數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選過程。其中圍墾公司站為2001－2008年逐時數(shù)據(jù)，其余3站為2007－2008年逐時數(shù)據(jù)。

首先利用①和②的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)有效性判別方法，過濾得到新的有效數(shù)組，計算得出數(shù)據(jù)的有效率。使用“3σ準(zhǔn)則”對風(fēng)速數(shù)據(jù)進行過濾后，對比過濾前后的風(fēng)速分布并無明顯差別，過濾掉的數(shù)據(jù)都為風(fēng)速相對較大的數(shù)據(jù)，但數(shù)目很少，對于總體風(fēng)速分布影響不大。然后對數(shù)據(jù)的總體情況進行考察。

由圖1可知，2001－2008年圍墾公司站平均靜風(fēng)頻率為14.9%，靜風(fēng)頻率差異較大，為0.8%～39.3%，其他各風(fēng)向在各年分布情況比較一致，SE-S所占比例最高，NNW-NE次之，SW-WNW出現(xiàn)的概率則很小。各年各風(fēng)向分布情況的一致性說明數(shù)據(jù)的整體有效性、正確性較高，同時也說明2001－2008年該地區(qū)氣候狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒有大

自動氣象站數(shù)據(jù)由儀器自動采集發(fā)送，由于儀器故障、維護等原因，原始數(shù)據(jù)可能存在部分錯誤值，因此，使用數(shù)據(jù)前需要對數(shù)據(jù)進行整理。為確保自動氣象站的數(shù)據(jù)有效，根據(jù)自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)滿足的一般規(guī)律，可采取下述方法進行數(shù)據(jù)有效性判別及處理篩選:① 風(fēng)向數(shù)據(jù)有效性:風(fēng)向數(shù)值是具體到1°的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)中連續(xù)3個或以上時次風(fēng)向角度不變，可認(rèn)為該時間段儀器出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)不可靠，應(yīng)舍去。②風(fēng)速數(shù)據(jù)有效性－“3σ準(zhǔn)則”:一般風(fēng)速數(shù)據(jù)為偏態(tài)分布，為最大限度保留數(shù)據(jù)的完整，考慮以月為基本數(shù)據(jù)集，由逐時風(fēng)速計算得到月平均風(fēng)速 (U)和標(biāo)的異常情況出現(xiàn)。

圖1 圍墾公司站各年各風(fēng)向頻率Fig.1 Frequency of annual wind direction in Weiken Company Staion

同樣方法分析2007、2008年黃閣鎮(zhèn)政府站、橫瀝水利會站、南沙中學(xué)站和圍墾公司站風(fēng)向頻率發(fā)現(xiàn):2007年黃閣鎮(zhèn)政府站偏北風(fēng)頻率與其它站差異較大，2007和2008年南沙中學(xué)站、橫瀝水利會站偏南風(fēng)頻率與其它站差異較大。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，造成不同站點風(fēng)向頻率差異的原因是多方面的:2007和2008年南沙中學(xué)站的風(fēng)向分布情況與其它站差異較大，與南沙中學(xué)站7、8月的數(shù)據(jù)集中性缺值有關(guān);黃閣鎮(zhèn)政府站2007年1－6月W-S-E風(fēng)向在風(fēng)玫瑰圖中幾乎不出現(xiàn)，7月偏北風(fēng)亦明顯比偏南風(fēng)多，1－6月W-S-E風(fēng)向幾乎不出現(xiàn)很可能是由于儀器故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，7月偏北風(fēng)比偏南風(fēng)多，數(shù)據(jù)正確性也偏低;橫瀝水利會站2007和2008年SE-S風(fēng)向頻率分布規(guī)律較一致，SSW-SW在2008年9、10月出現(xiàn)異常高值。

綜上分析，圍墾公司站數(shù)據(jù)有效率高，正確率大，得到的結(jié)果是可信的;同時，該站數(shù)據(jù)一致性好，具有一定的代表性。而2007年黃閣鎮(zhèn)政府站，2008年橫瀝水利會站和2007－2008年南沙中學(xué)站均出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)異常的情況，數(shù)據(jù)正確率低。因此，選定圍墾公司站的數(shù)據(jù)作為代表進行分析，并以南沙 (圍墾站)表示。

綜上所述，處理自動氣象站的原始數(shù)據(jù)時，可依循以下步驟:①根據(jù)風(fēng)向數(shù)據(jù)有效性準(zhǔn)則，去掉風(fēng)向角度不變者;② 根據(jù)風(fēng)速“3σ準(zhǔn)則”，去掉風(fēng)速異常值;③考察站點本身及不同站點之間風(fēng)向差異性，去掉存在較大差異的數(shù)據(jù)，得到合理可用的數(shù)據(jù)。

2 海陸風(fēng)等局地環(huán)流分離與判定技術(shù)

研究表明，珠江口海陸風(fēng)頻率為25%～35%，夏季高于冬季［21－23］。在傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法中，文獻(xiàn) ［24－25］的方法較為適用于自動氣象站資料的海陸風(fēng)分析。以南沙 (圍墾站)為例，參考于恩洪的方法，可定義南沙海風(fēng)為E-S，陸風(fēng)為W-N;陸風(fēng)盛行時段為1∶00－8∶00時，海風(fēng)盛行時段為14∶00－21∶00時，其他時間為海風(fēng)、陸風(fēng)風(fēng)向轉(zhuǎn)換時間;實測風(fēng)在海風(fēng)盛行時段海風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，在陸風(fēng)盛行時段陸風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)大于等于4，且風(fēng)速均小于10 m/s，則該天為海陸風(fēng)日。按照上述定義得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率，2001－2005年不超過5%，2006－2008年不超過10%。用傳統(tǒng)方法統(tǒng)計自動氣象站實測風(fēng)得到的海陸風(fēng)頻率，年出現(xiàn)頻率非常低，與已有的關(guān)于珠三角海陸風(fēng)的研究結(jié)果相差很大，結(jié)果不合理。因此，傳統(tǒng)的海陸風(fēng)分析方法不適用于自動氣象站資料的局地環(huán)流分析，需要發(fā)展一套適用于自動氣象站資料的局地環(huán)流分析方法。

2.1 系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的分離方法

為便于研究，把風(fēng)分為實測風(fēng)、系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)。自動氣象站等測站所測的風(fēng)稱為實測風(fēng)，大范圍、大尺度的風(fēng)稱為系統(tǒng)風(fēng)，海陸風(fēng)等局地環(huán)流稱為局地風(fēng)，實測風(fēng)為系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)的疊加。

將自動氣象站每日逐時實測的風(fēng)矢量分解成u、v分量，分別取各時次u、v分量的平均得到日平均風(fēng)矢量的分量，合成得到日平均風(fēng)，為系統(tǒng)風(fēng)。

作實測風(fēng)與系統(tǒng)風(fēng)的矢量差，得到的風(fēng)矢量為去掉系統(tǒng)風(fēng)之后的局地風(fēng)。公式如下:

其中，UHO為每日第H個時次的實測風(fēng)矢量;UDS為每日系統(tǒng)風(fēng)矢量;UHL為每日第H個時次的局地風(fēng)矢量。

判斷海陸風(fēng)日，還需要考慮數(shù)據(jù)的有效性。一天中，有效的數(shù)據(jù)組數(shù)超過當(dāng)天應(yīng)有數(shù)據(jù)組數(shù)的2/3(即24 h至少有17 h的數(shù)據(jù))，定義為“有效天”。海陸風(fēng)日，必需為有效天。

2.2 風(fēng)向持續(xù)性統(tǒng)計法

海陸風(fēng)日的海陸風(fēng)持續(xù)性則是指海風(fēng) (陸風(fēng))開始到結(jié)束所用的時間。分析海陸風(fēng)的連續(xù)性及出現(xiàn)時間，需要將所有數(shù)據(jù)按時間順序作為一個有序的數(shù)據(jù)集，在該有序數(shù)據(jù)集中統(tǒng)計海風(fēng) (陸風(fēng))連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)及開始時間。

將自動氣象站資料以年為數(shù)據(jù)集進行海陸風(fēng)持續(xù)性統(tǒng)計，并以其結(jié)果作為判斷海風(fēng)、陸風(fēng)一般發(fā)生時間的依據(jù)。在這里需要區(qū)分一般發(fā)生時間和通常所講的盛行時間，一般發(fā)生時間是指海陸風(fēng)在所指時間內(nèi)可能發(fā)生，盛行時間是指海陸風(fēng)在所指時間內(nèi)發(fā)生的頻率很高。

2.3 海陸風(fēng)日判定標(biāo)準(zhǔn)

有效天條件下，局地風(fēng)中海風(fēng)在海風(fēng)一般發(fā)生時間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，陸風(fēng)在陸風(fēng)一般發(fā)生時間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)4個及以上時次，則判定該天為海陸風(fēng)日。

2.4 海陸風(fēng)分離與判定技術(shù)的應(yīng)用

利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，分析得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)日頻率結(jié)果見圖2。

圖2 2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)日頻率Fig.2 Frequency of sea-land breeze days in Nansha(Weiken Station)during 2001 to 2008

從圖2可見，利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率，和目前關(guān)于珠三角海陸風(fēng)研究認(rèn)為珠江口海陸風(fēng)頻率25% ～35%相一致。

2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)頻率季節(jié)變化研究結(jié)果 (圖略)，也和夏季高于冬季的一般結(jié)論相一致。

利用建立的自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、海陸風(fēng)環(huán)流分離方法和海陸風(fēng)判定方法，得到2001－2008年南沙 (圍墾站)海陸風(fēng)結(jié)果符合一般性，結(jié)果是可信的。

上述自動氣象站數(shù)據(jù)篩選方法、局地環(huán)流分離方法和判定方法，具有可程序化的特點，可以推廣到研究山谷風(fēng)、城市熱島環(huán)流等局地環(huán)流的特征。自動氣象站資料是研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流比較理想的資料。

3 結(jié)論

1)自動氣象站資料是研究海陸風(fēng)等局地環(huán)流比較理想的資料。

2)利用自動氣象站數(shù)據(jù)處理篩選方法和局地環(huán)流分離與判定技術(shù)，得到珠江口西側(cè)廣州市南沙區(qū)海陸風(fēng)的分析結(jié)果符合一般規(guī)律，結(jié)果是可信的。該方法能有效地利用自動氣象站數(shù)據(jù)對海陸風(fēng)等局地環(huán)流進行研究。

3)通過從實測風(fēng)中分離出系統(tǒng)風(fēng)和局地風(fēng)，得到局地風(fēng)的分離與判定技術(shù)，可用于自動氣象站數(shù)據(jù)的局地環(huán)流研究，有推廣應(yīng)用價值。

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