一種區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣象資料質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種區(qū)域自動雨量站小時降水 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動雨量站資料是準確反映實時降水量的重要依據(jù)，我國自2004年以來共建成 約3萬個自動雨量站用于業(yè)務(wù)觀測。然而我國自動雨量站也存在著一定的問題，比如：分布 密度不均、東部密集西部稀疏；部分雨量站根據(jù)需要迀站導(dǎo)致其地理位置信息不準確；雨 量的測量受風(fēng)場影響很大，尤其是翻斗式雨量計在大雨情況下由于翻斗來不及翻動造成雨 量流失而使得觀測值有較大誤差；樹葉污泥等遮擋、雜物堵塞、人為澆水、破壞以及維護不 當?shù)纫蛩鼐梢栽斐捎炅繙y量的誤差（黃玲，2006)。因此自動雨量站的質(zhì)量控制問題是氣 象資料工作者一直以來需要關(guān)注的問題。
[0003]國外在提高自動雨量計數(shù)據(jù)質(zhì)量方面最具有代表性的是美國和北歐。美國針對水 文數(shù)據(jù)系統(tǒng)（HADS)、河流預(yù)報中心（RFCS)以及天氣預(yù)報中心（WFOS)等不同部門對數(shù)據(jù)應(yīng) 用需求的不同分別研發(fā)了三套具有代表性的自動站質(zhì)量控制技術(shù)：（1)美國國家氣候中心 (NCDC)依據(jù)站點的位置和降水的時空連續(xù)性（空間相關(guān)：0. 5°，時間相關(guān)：lh)研發(fā)了一 套去除極端降水值的方法（Kim et al.，2008)。但是該方法容易誤除一些重要的真實強降 水值；(2)地球系統(tǒng)研究實驗室（ESRL)從日值和月值的氣候統(tǒng)計需求角度出發(fā)，專門對日 降水量進行控制（Tollerud et al.，2005) ; (3)美國強風(fēng)暴實驗室（NSSL)將其Q2系統(tǒng)下 基于雷達、衛(wèi)星等多源融合全國降水拼圖產(chǎn)品（QPE)應(yīng)用于自動站小時降水數(shù)據(jù)的質(zhì)量控 制，該方法綜合考慮了降水時空相關(guān)性以及降水產(chǎn)品格點與自動站距離的權(quán)重（Vasiloff et al.，2007)。北歐5國（丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典）分別從單站和空間兩方面對自動 站資料控制流程分為4級：臺站級資料質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)入庫前實時質(zhì)量控制、歷史數(shù)據(jù)質(zhì)量 控制、人工交互檢查（Rissanen et al.，2000 ;Vejen F et al.，2002);其所用到的方法基 本都是建立在認為某一空間范圍內(nèi)要素的分布均一的假設(shè)之上，這較適合于對風(fēng)、溫度、壓 強、濕度要素的質(zhì)量控制，而對于降水則有很大的局限性。
[0004] 中國3萬個自動雨量站中有約92%的站點無人值守，至2009年由國家氣象信息中 心牽頭實現(xiàn)了由氣象臺站到省級、國家級資料部門的地面自動站觀測資料三級質(zhì)量控制業(yè) 務(wù)系統(tǒng)，各級質(zhì)量控制方法以傳統(tǒng)方法為主，包括：數(shù)據(jù)格式檢查、極值檢查、數(shù)據(jù)內(nèi)部一致 性檢查、時空一致性檢查、人機交互檢查（任芝花等，2007, 2010)。中國氣象局氣象探測中 心利用天氣雷達配合監(jiān)測自動雨量計的儀器故障，該工作側(cè)重于關(guān)注儀器的硬件性能及其 運行穩(wěn)定性。此外，研究人員也根據(jù)需求對歷史資料進行質(zhì)量控制方法的探索，例如：利用 雷達反演的降水量與地面站觀測降水分布之間的相似離度關(guān)系，進行了將雷達資料應(yīng)用于 自動站降水數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制的試驗性研究（叢芳等，2011)，由于其分析的樣本數(shù)只有480 個雷達完整體掃數(shù)據(jù)（雷達每6分鐘完成一次體掃描），不足以客觀評估方法本身，此外該 方法只適合用于雷達觀測資料連續(xù)、完整情況下的理想分析，沒有考慮實時業(yè)務(wù)環(huán)境中常 出現(xiàn)的雷達資料缺失、時效性等需求，暫時不能達到業(yè)務(wù)實時質(zhì)量控制應(yīng)用的要求。
[0005]目前中國業(yè)務(wù)運行的自動站雨量資料的實時質(zhì)量控制結(jié)果主要提供"可信"、"可 疑"、"錯誤"三類數(shù)據(jù)質(zhì)量標識，然而根據(jù)實際情況發(fā)現(xiàn)有時"可信"資料不可信，"可疑"有 可能正確，"錯誤"資料可能正確，這使得預(yù)報員對降水信息提取、判斷的工作有一定的難 度。省級及國家級預(yù)報員整理了 2010-2011年兩年5-9月期間因為現(xiàn)有業(yè)務(wù)自動站降水資 料質(zhì)量控制系統(tǒng)誤判而造成的多起強降水災(zāi)害預(yù)警失誤事件（《國家氣象中心2010-2011 年自動站降水資料發(fā)現(xiàn)問題事例》），誤判主要分為以下七個方面：（1)在實況無降水情況 下，出現(xiàn)大范圍虛假弱降水站點；（2)在實況有降水情況下，大范圍真實降水信息被濾除； (3)在實況區(qū)域降水整體偏弱時，真實的強降水中心被濾；(4)在實況區(qū)域降水無強降水 時，虛假的強降水漏判；（5)日降水累積量偏小；(6)地面站資料缺失；（7)地面站資料的時 效性影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對以上問題，本發(fā)明提供了一種構(gòu)思巧妙、合理，可準確捕捉降水的面上形態(tài)， 在汛期可以幫助防災(zāi)減災(zāi)的預(yù)警和監(jiān)測，減少洪水事件空報、漏報引發(fā)的人員傷害和經(jīng)濟 損失的區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 上述的區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)，其特征在于：所述控制系統(tǒng) 包括雷達基數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、輸入單元、質(zhì)量流程主單元、輸出單元、結(jié)果文件畫圖單元和 結(jié)果文件輸出參數(shù)單元；所述雷達基數(shù)據(jù)預(yù)處理單元用于保證天氣雷達資料的數(shù)據(jù)質(zhì)量、 格式統(tǒng)一，其與所述輸入單元連接；所述輸入單元與所述質(zhì)量流程主單元連接，其用于接收 所述雷達基數(shù)據(jù)預(yù)處理單元傳來的數(shù)據(jù)并接收全國地面站小時降水數(shù)據(jù)；所述質(zhì)量流程主 單元用于形成最初的地面雨量計小時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制結(jié)果，其是由降水估算模塊、匹配模塊 和質(zhì)控模塊組成；所述降水估算模塊用于統(tǒng)一地面雨量站與天氣雷達的對比參數(shù)；所述匹 配模塊用于配對地面雨量站與天氣雷達經(jīng)煒度位置最小化的誤差；所述質(zhì)控模塊用于控制 利用天氣雷達幫助地面雨量站小時降水量的參數(shù)質(zhì)量；所述輸出單元一端連接所述匹配模 塊，另一端分別連接所述結(jié)果文件畫圖單元和結(jié)果文件輸出參數(shù)單元，用于將前期的數(shù)據(jù)、 方法和初步結(jié)果以最直觀的方式呈現(xiàn)給預(yù)報員，同時輸出文件數(shù)據(jù)，為研究人員進一步分 析結(jié)果并存儲信息。
[0009] -種區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其包括以下步驟：（1)首先選 擇根據(jù)距離雷達遠近不同，采用不同高度層的反射率因子形成"雷達混合掃描強度"，然后 將雷達回波簡單分類后，利用不同云類型對應(yīng)的雷達反射率估算降水強度的公式關(guān)系得到 每6min -次的雷達估測降水值Iradarn，最后將每小時內(nèi)得到的多個雷達估測降水值進行 累積平均形成雷達估測降水量U (2)選取以自動站為中心的上空3kmX 3km八個方位共9 個點，按照最鄰近法將其匹配到雷達三維網(wǎng)格點，綜合應(yīng)用9個格點上雷達反射率強度和 雷達估測降水量的最大值、最小值、區(qū)域平均值以及區(qū)域降水率信息；(3)將上述步驟（1) 獲取的業(yè)務(wù)雷達觀測體掃數(shù)據(jù)和上述步驟（2)獲取自動站小時降水數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，來 對該區(qū)域的降水數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢查并將檢查后的數(shù)據(jù)質(zhì)量輸出。
[0010] 所述區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其中：所述步驟（1)中當每小 時雷達體掃數(shù)據(jù)小于4個時，取雷達估測降水值Iradarn中的最大值作為平均值進行小時 累積。
[0011]所述區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其中，所述步驟（3)對該區(qū)域 的降水數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢查具體包括：（3. 1)先判斷該區(qū)域有無雷達覆蓋，若判斷結(jié)果顯示 沒有被雷達覆蓋，則將數(shù)據(jù)質(zhì)量輸出；若判斷結(jié)果顯示有雷達覆蓋，再接著判斷地面站是否 缺測；（3. 2)若判斷結(jié)果顯示地面站是缺測了，則輸出錯誤的數(shù)據(jù)質(zhì)量；若判斷結(jié)果顯示地 面站沒有缺測，則輸出各情況下的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0012] 所述區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其中，所述步驟（3. 2)中若判 斷結(jié)果顯示地面站沒有缺測，則會出現(xiàn)情況包括：a)地面站無降水，且上方雷達無降水；b) 地面站無降水，但上方雷達有降水；c)地面站有降水，但上方雷達無降水；d)地面站有降 水，且上方雷達有降水。
[0013]所述區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其中：針對所述情況a)，則將 正確的數(shù)據(jù)質(zhì)量輸出；針對上述b)、c)、d)情況則再分級別根據(jù)自動站觀測小時降水與區(qū) 域最接近雷達估測降水的差值A(chǔ) I、以自動站為中心3kmX3km內(nèi)雷達估測降水最大值1_ radar_、以自動站為中心3kmX3km內(nèi)雷達估測降水最小值I_radar min對參數(shù)判斷，若符合 判據(jù)，則輸出正確的數(shù)據(jù)質(zhì)量；若不符合判據(jù)，則輸出錯誤的數(shù)據(jù)質(zhì)量；若不確定是否符合 判據(jù)，則輸出可疑的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0014]所述區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，其中：所述控制方法在質(zhì)量控 制過程中需綜合判斷雷達與自動站雨量差值、自動站上方區(qū)域內(nèi)雷達估測降水最大值、最 小值、區(qū)域降水率這幾個參數(shù)。
[0015]本發(fā)明區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，運行可 靠、穩(wěn)定，可有效控制自動雨量計的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以幫助防災(zāi)減災(zāi)的預(yù)警和監(jiān)測，減少洪水 事件空報、漏報引發(fā)的人員傷害和經(jīng)濟損失。
[0016]本發(fā)明區(qū)域自動雨量站小時降水數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法是針對現(xiàn)有業(yè)務(wù)采用的技術(shù) 原則弊端引入雷達資料，能很準確的捕捉降水的"面上形態(tài)";此外，經(jīng)過長時間歷史數(shù)據(jù)回 算發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明引入雷達資料后可以有效幫