山洪雨量数据质量控制方式设计

　　1 引言

　　由于气象部门长年来使用的双翻斗雨量传感器，其自身结构、原理方法的局限性，存在着缺陷，使得降雨观测数据的质量倍受质疑。2011 年我省开展山洪雨量观测站点建设。

　　该设备采取 0.1mm、0.5mm 两种双翻斗雨量传感器同时观测。两种数据的形成结合临近站点数据，通过雨量数据的对比分析，以满足气象预报与综合观测业务需求为宗旨，设计具有本地特色的山洪雨量数据质量控制方法。

　　2 常用雨量数据质量控制方法

　　2.1 数据冗余检查

　　主要是统计时间段内所有站、时次数据的检查。这种方式针对数据缺测情况的判断，以判断设备通信以及硬件设备是否正常。

　　2.2 允许值、均值及气候极值的检查

　　从气候角度出发，不可能出现的气象要素临界值就是要素的气候临界值。超出允许范围、区域年均值及历史范围临界值的数据认定为错误数据进行实时修正。

　　2.3 空间一致性检查

　　根据气象要素具有一定的空间分布性进行的，它的有效性取决于区域内自动站的分布情况以及被检查数据与区域空间的相关性。

　　3 常用雨量数据质控方法的缺陷

　　传统的雨量数据质量控制通过上述方式，基本解决了数据缺测站点的检查，剔除了超出允许值、均值及气候极致的数据。但由于降水与区域空间相关性差，局地性降水更是如此，使得雨量数据的空间一致性检查效果一直不甚理想。

　　4 山洪雨量数据质量控制方法需求分析

　　以气象预报业务需求为导向，以气象综合观测业务需要为基础，结合福建省山洪雨量观测设备的特点，针对气象预报中急需解决的晴雨预报以及大雨预报的准确性问题。通过两种雨量数据的实时对比分析，剔除掉大部分可疑及错误雨量数据，提高雨量数据的检查效率；同时，深度挖掘可疑及错误数据间的潜在关系，大致判断雨量观测设备可能存在的相关问题，从而提高气象装备保障效率。

　　4.1 晴雨预报需求分析

　　晴雨预报即判断是否下雨的预报。作为气象观测来说即判断单位面积内降雨是否达到 0.1mm.如达到或超过 0.1mm界值判定为下雨。由于两种雨量传感器其中一种的最小计量单位为 0.5mm,因此用于晴雨判断的能力相对有限，只能通过质控层面筛选出部分可疑及错误数据，而更多的辨析则相对侧重气象综合观测仪器性能判断。

　　4.2 大雨预报需求分析

　　参考雨量等级划分，结合雨量传感器自身结构特性，以采集到莆田地区 2013 年、2014 年降雨数据作为样本，对小时降雨根据仪器对比分析体现的特性进行分级质控。分级质控对提升大雨情况下的雨量数据质量起到了关键作用。

　　4.3 综合气象观测需求分析

　　对于目前的雨量观测设备来说，降水的主要是两个方面：一是降水数据的准确性，该方面与 4.1、4.2 的需求一致；二是观测设备的可用性分析。该方面可以通过两种雨量传感器数据的深度分析挖掘，分析造成各种数据偏差的原因，从而提高设备维护维修能力。

　　5 山洪雨量数据质量控制方式设计

　　数据质量判断延用可信、可疑、错误三种状态，将可疑数据分为可疑数据可用、可疑数据不可用。判断方式以提升实时数据质量控制，提高数据质量控制效率为目的。吸取借鉴传统降水质量控制中极值等检查以及空间一致性检查的优秀方法，从基础业务需求出发，着重提高降雨过程中晴雨判断、大雨辨析、综合观测业务保障业务质控能力。设 0.1mm 雨量传感器探测数据为 a, 0.5mm 雨量传感器探测数据为 b.

　　5.1 评估数据的设计

　　基于 barnes 滤波原理，对站点预设初估值 F0,根据我省观测站网分布情况，以 20Km 动态范围内的站点数据作为估测数据，以 5km,5-10km,10-20km 作为权重函数区域。基于 barnes 滤波原理，并简化系统设计过程，经过运算得出权重系数 Wk 分别为 0.9,0.8,0.4.并通过 barnes 滤波原理，F0=∑WKFK/∑WK.

　　5.2 晴雨判断标准设计

　　晴雨判断方式借鉴数据空间一致性的方法，根据福建省气象观测站网分布特点为依据，以站点周边动态 20km 范围内的站点数据为判断依据，以保证判定站点个数为奇数。同时，以 0.1mm 雨量传感器探测数据作为判断参考。以偏多站点数出现的晴雨状况为准，并且晴雨站点数量差值至少大于 1.若 20km 范围内站点数据为 1,则以周边站点的判断参考数据为准。若 20km 范围内站点数据为 0,则不进行晴雨判断。

　　5.3 晴雨判断数据验证

　　5.3.1 若初始预估值为小于 1 或等于 0,即判定为参考晴天

    当 a=0∩b=0 时，设备正常；当不是 a=0∩b=0 时，设备异常 1 次，数据显示可疑，数据不可用，若频繁出现该现象，判定该站需要维修维护。

    无法进行晴雨判断的站点，以该站 0.1mm 雨量传感器探测数据为准。

　　5.3.2 若初始预估值为大于等于 1,即判定为参考雨天

    以 2013、2014 年的莆田市山洪雨量统计数据作为数据基础，对降雨数据根据其于实际情况以及设备特性进行分段质控设计。

　　E.通过 2013 年、2014 年莆田市山洪雨量探测数据的人工比对以及数据可靠性判定情况，对 a>45 时，采取比值归一的方法，即 a/b->1,确认为有效数据，依据统计数据将a/b 的取值范围确定为{0.8,1.25}.当 a/b 不在该取值范围内时，怀疑 a 或 b 故障，如 a≈F0 时，确定 a 值可信，否则确定 a 值错误，0.1mm 传感器故障。

　　6 降雨可靠性数据统计分析

　　以 2013-2014 年莆田市山洪雨量探测设备数据进行统计分析，根据上述质量控制方式，对 2013、2014 年采集到有效数据分别为 1872、6928 组雨量数据进行分析，筛选出异常数据分别为 74 组、269 组。数据可靠率达到 96%,96.2%.

　　7 结束语

　　通过上述阐述及相关数据的初步设计，对两种雨量传感器观测数据的初步应用设计，吸取了现阶段雨量数据质量控制的优点，结合现阶段雨量预报和观测保障的特点，设计具有本地特色的山洪雨量数据质量控制方法，使之更科学地提高雨量数据的质量，为预报业务数据更有效的应用，为大气探测技术保障业务进一步提高发现问题解决问题能力提供了进一步摸索的思路。

　　参考文献

　　[1] 中国气象局。地面气象观测规范[M].气象出版社，2003:54-55

　　[2] 毛文书，彭骏等。基于 Barnes 滤波原理的降水场客观分析及尺度分离[J].成都信息工程学院学报，2008.12 :668-672

　　[3] 王伯民。基本气象资料质量控制综合判别法的研究[J].应用气象学报，2004,12:131