雷达监测在海南自动站降水质控中的应用方法初探

朱文婷++姜小云++吴俞

摘 要：利用海口雷达定量估测降水的格点数据与海南岛自动站实际观测到的降水数据的比值构建了折算系数，发现其折算系数服从正态分布。以折算系数的多倍标准差质控空间为检验实况观测降水的可信程度，结果表明，雷达定量估测降水对自动站实际观测降水有良好的质控效果，尤其适用于热带地区局地强降水的质量检验。

关键词：自动站；雷达估测降水；折算系数；质控区间

中图分类号：P458.1+21 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.134

根据气象现代化观测体系建设的需要，近10年来，海南省部署、建设了大量的区域自动气象站。这些测站分布在海南岛和所辖海域的岛礁上，形成了密度较高的区域观测自动站网。研究表明，高密度雨量计组网可以降低降雨测量时间和空间上的不确定性。在强降水预报、中小河流域山洪和地质灾害风险评估等中，这些区域自动气象站观测到的降水数据都得到了广泛的应用。由于仪器故障、异物误入、维护程度等原因，区域自动站的降水量时而会出现疑误值，因此，需要对观测数据进行质量控制。

海南岛地处低纬热带地区，对流性降水频繁，尤其在夏季，阵性降雨量大，持续时间短，降水区域小。由于降水的复杂性，利用常规的格式检查、极值检查、空间一致性检查等方法对其进行质量控制效果有限，因此本文尝试对比分析雷达小时估测降水与自动测站降水，检验自动站降水的可信度。

1 资料与方法

1.1 资料

所用数据为海口雷达小时估测降水数据和海南岛390个自动站降水数据。雷达小时估测降水产品数据分辨率为2 km，海南岛自动站平均覆盖密度为6～7 km。

1.2 方法

以自动测站的经纬度为中心点，以固定的半径画圆周，计算落在该圆周内所有雷达小时估测降水网格点的算术平均值，即得到该站的雷达估测小时降水量P：

. （1）

式（1）中：Gi为落入计算半径圆周内的第i个格点值。

雷达小时估测降水数据的分辨率是2 km，所以计算半径应为2 km或2 km的倍数。考虑到海南岛自动站的平均覆盖密度为6～7 km，因此圆周的直径应小于6 km，计算半径为2 km。以自动站实测小时降水量为数据序列A，以同一时次的雷达估测的小时降水量为数据序列B，分别计算各站的折算系数di，得到数据序列C.折算系数di为：

di=Pi﹡/Pi. （2）

式（2）中：Pi﹡为第i个自动站雷达估测降水量；Pi为第i个自动站实测降水量。

以2015-07-11—20自动站实测降水数据和雷达1 h降水数据为例，分析A，B和C三组数据序列，发现数据序列C整体上较好地服从正态分布。用公式（3）计算数据序列C的标准差S，并以3倍标准差划分质控区间，系数di落在区间[-3S，+3S]为正常数据，落在区间外的为疑误数据。序列C的标准差S为：

. （3）

式（3）中：S为样本标准差；N为总自动站数，是di的平均值。

2 检验结果与分析

以2015-07-18—19影响海南岛的强降水过程为例，降水数据选取的时间段为2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00，选取的区域为海南省临高县辖区。临高县内的自动站总个数N为20，其中发生降雨的有16个。根据公式（2）计算可得雷达估测降水折算系数d的平均值为1.2，由公式（3）可得标准差为0.18，则3倍标准差质控区间为[0.66，1.74]，折算系数d的分布整体上接近正态分布。落在3倍标准差质控区间[0.66，1.74]之外的视为可疑，小于0.3或大于2.1的基本可判定为错误。根据检验方法的统计结果，2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00临高县内自动站小时降水可疑总站次为33次，其中判为错误的站次为2次。

在16个发生降水的自动站中，有15个站累计降水折算系数都落在3倍标准差质控区间[0.66，1.74]内，仅有M1701站远低于平均值。M1701站位于临高县临城镇临高角，处于海陆交界处，对于此类受局地天气影响显著的测站，传统的一致性检验效果不佳。深入分析M1701站2015-07-18T08：00—2015-07-19T08：00的小时降水发现，主要的降水时段出现在2015-07-18T10：00—11：00，其中，11：00的降水量为101 mm，而该时段的雷达小时估测降水量仅为5.0 mm；10：00的降水量为26.9 mm，对应该时段的雷达小时估测降水量为3.0 mm。两个时次的折算系数均远远小于3倍标准差质控区间值，因此，降水的异常偏大极其不合理。后来据人工检查发现，该时段确有异物落入雨量筒，导致测量出现异常。

3 讨论

对于热带地区局地特征显著的对流性降水过程而言，利用雷达定量降水估测对实况观测降水进行质控检验不同于业务中使用的传统质量控制方法，如果能在业务中引进，可以弥补原有质控方法的不足，特别是对仪器故障导致的降水异常偏大现象有较好的检验效果。

选取折算系数d的3倍和5倍标准差质控区间作为判定观测数据是否存疑或错误的依据主要是基于经验。临界值的界定仍需要时间更长、涵盖空间更广的样本数进行回归统计，才能接近合理值域。

2015-07-18—19影响海南岛的强降水主要为急流降水，系统较为稳定，因此过程雷达估测降水与自动站实测降水的拟合率较好。至于其他类型降水，比如台风，夏季热对流降水的拟合率尚未明了。因此，未来需要加强对不同类型降水的检验，以修正该方法的不足。

参考文献

[1]东高红，刘黎平.雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析[J].应用气象学报，2012，23（1）：30-39.

[2]吴书成，魏爽，吴京生.雷达估测降水在区域站降水质控中的应用[J].气象科技，2015，43（1）：49-52.

〔编辑：王霞〕