基于自動化下的地面氣象觀測工作探析

張立清,張洪衛

(山東省東營市氣象局,山東 東營 257091)

0 引言

氣象觀測是氣象工作的基礎。地面氣象觀測是氣象觀測的重要組成部分,它是對地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程進行系統地、連續地觀察和測定,為天氣預報、氣象信息、氣候分析、科學研究和氣象服務提供重要的依據[1]。自新中國第一個地面氣象觀測站建立至今已有百余年的歷史,期間地面氣象觀測從人工觀測到自動觀測,再到全面實現地面氣象觀測自動化,積累了大量的觀測數據,也凝聚了氣象工作者許多艱辛和智慧。當今,隨著地面氣象觀測儀器的轉型,如何做好地面氣象觀測工作,是氣象觀測人員需要認真思考的問題。氣象觀測自動化對業務人員的綜合素質要求更高,對數據的準確性和及時性要求也更高,更加考驗值班員對突發狀況的應急處理能力。業務人員不僅要有豐富的經驗以及時發現觀測儀器和數據的異常,還要能更好更快地維護維修儀器,同時還應具備對大量數據進行整合處理所需的計算機的知識。人才支撐加上先進的自動化設備,才能使我國的地面氣象觀測事業得到良好的發展。為更好地開展地面氣象觀測,本文通過調查各臺站情況,結合多年的工作積累分析整理了目前需要做好的幾項重點工作[2-6],供同行參考。

1 異常數據實例分析

無論是人工觀測時代還是自動觀測時代,氣象觀測數據的準確性和及時性都是至關重要的。因此,定期和不定期地監控觀測數據仍然是地面氣象觀測的一項重要工作,即便是實現自動化后不要求24 h值守班,也要加強責任心,及時查看數據采集界面快速發現數據異常,保證數據的連續采集和按時傳輸,為天氣預報和氣象服務提供準確的數據支撐。要做到省局信息中心軟件自動監控和臺站工作人員人工監控相結合,及早發現問題;還應做好備份站、鄰近站的數據對比,及時發現異常;時常查看采集軟件頁面的質控警告和報警信息,根據提示信息區分正常數據和異常值[7]。明顯的數據異常比較容易發現,而那些系統性、循序漸進出現的異常數據則需要分析判斷,通過定期對數據進行檢查,掌握其規律;查看前后時次數據情況,與其它儀器同步數據進行橫向和縱向比較才能判斷出數據的正確與否。有時發現的異常也不一定就是錯誤數據,還應結合當時天氣情況分析判斷。例如:天氣靜穩的情況下,風速會持續偏小數小時,甚至為靜風,尤其是春末夏初的早晨這種情況容易出現,長時間出現這種情況省局MDOS平臺會給出提醒信息,建議臺站查詢反饋(圖1)。這種情況通過值班員分析天氣形勢,觀察室外風速狀況,發現樹枝無搖動,兩套風杯都不轉,再和備份站數據比較,基本可以確定為正常記錄。下面主要列舉幾種日常工作中發現的數據異常情況和處理方法。

圖1 逐小時風速數據(a),風速變化曲線(b))風速故障圖Fig.1 Wind speed fault diagram (hourly wind speed data diagram(a),wind speed change curve diagram(b))

1.1 持續的系統性的異常問題

1.1.1 風杯凍住致使風速為零 冬季,雨雪天氣來臨時,如果氣溫相對較高,雪下落過程中在空中溶化或者下的是濕雪(半融化的雪或雨夾雪),風速較小,很容易使雪花進入風杯后,造成風杯轉速越來越慢,直至風速為0 m·s-1。這種情況如果臺站安裝了風傳感器加熱裝置,應在降雪前打開加熱裝置開關。如果臺站沒有安裝加熱裝置,應在傳感器開始出現凍結時,立即更換新的風速傳感器,從而避免更多數據的缺測。

另一種造成風速異常的情況是當風速較小時,如果氣溫低、濕度大,風杯也容易被凍住[8-9],此種氣象條件下,風杯由于轉速較小加之濕度大水汽充足,在溫度較低的情況下風杯也容易凍住使轉速越來越慢,最終風速一直顯示0 m·s-1。由于風傳感器自身設計原因,此類情況在冬季出現的幾率較大,因此,雨雪天氣過程中應加強巡視,出現問題及時發現、處理。風速數據異常期間的各小時正點數據用備份站數據代替,期間的分鐘數據按缺測處理,如果備份站風速傳感器也被凍住,沒有可代替的數據時,除定時觀測時次2 min風向風速目測外,其他相應的數據按缺測處理,并做好相關情況的備注。

1.1.2 風向傳感器故障造成某方位風向缺失 地面綜合業務采集軟件的數據采集界面所顯示的風向有數據,但是多日以來風向一直顯示偏向一個方位,此種情況多是風向傳感器格雷碼盤故障造成的數據錯誤,例如圖2a一直顯示風向為0°(正北方向);圖2b一直顯示偏南和偏北方向的風向;圖2c偏南方向的風向缺失。出現這些情況的原因都是風向傳感器故障[10],造成數據不可用。這種由儀器系統型偏差造成的風向缺失,致使月數據可用率非常低,月數據統計值也異常,直接影響臺站的觀測業務質量。應立即更換風向風速傳感器,各時異常風向數據用備份站相應時次數據代替,故障期間的分鐘數據按缺測處理。

圖2 石墻站(a)、向城鎮鎮政府(b)、張范站(c)和歷城二中(d)風向故障圖Fig.2 Wind direction fault diagram of Shiqiang station(a),Xiangcheng Town government(b),Zhangfan station(c) and Licheng No.2 middle school(d)

1.1.3 降水現象儀屏幕結冰 降水現象儀因降濕雪或者半融化的雪,加之氣溫較低,雪花在降水現象傳感器的接收屏和發射屏上凝結了一層薄冰,使降水現象儀無法感應到降水現象(表1)。某站人工觀測當時的天氣實況為雪,而因上述原因造成采集軟件顯示的降水天氣現象為無降水,但是稱重降水傳感器依然能觀測到降水量。值班員發現問題后,立即用鏡頭布蘸酒精擦拭降水現象儀的接收端和發射端屏幕上面的薄冰,擦拭干凈后,采集軟件降水天氣現象一欄顯示有雪出現,儀器恢復正常采集數據。冬季有降雪天氣時比較容易出現這種問題,因此,如果本站出現類似天氣過程時,應注意加強巡視降水天氣現象儀,并經常查看監控軟件采集的數據是否正常,確保觀測數據的準確。

表1 2020年12月13 日07時15—20分東營站降水現象與降水量對照表(單位:mm)Tab.1 Precipitation phenomenon at Dongying Station from 7∶15 to 7∶20 on December 13, 2020 comparison table of precipitation (unit: mm)

1.1.4 外界因素影響地溫傳感器數據 鉑電阻地溫傳感器長期與土壤接觸,受土壤中水分影響和化學元素的腐蝕,鉑電阻自身性能很容易發生變化,造成采集數據有偏差;夏季降暴雨或者冬季溫度持續偏低,都會對鉑電阻地溫傳感器的性能造成一定影響,使數據持續偏高或者偏低。因此在大的降水過程來臨前要加強儀器維護,降水過程中加強對儀器的巡視和數據的監控,及時發現問題并處理。

1.2 偶然發生的數據異常

有時會不明原因地出現一個氣象要素或全部氣象要素短時間的數據缺測或異常,分為以下2種情況。

1.2.1 某分鐘單要素數據缺測 日常工作中發現最容易出現的就是1 min能見度數據缺測,這種情況一般缺測數據是補調不回來的,數據只能按缺測處理,小時極值從實有記錄中挑取,不影響其它數據。臺站人員很難發現這個問題,一般是省局MDOS平臺提出查詢信息(圖3)通知臺站查看才發現,因此要及時關注省局查詢信息,查找原因,并做好缺測數據處理情況的備注。

圖3 能見度數據異常查詢圖表Fig.3 Visibility data exception query chart

1.2.2 某分鐘所有要素數據缺測 分2種情況,一種是雖然該分鐘數據缺測,但通過數據下載按鈕,能把數據重新獲取回來,時間選中缺測時間,點擊開始下載,下載的同時也成功上傳該分鐘數據文件,不會造成數據的缺測。

另一種情況是數據本來已經正常卸載,但是沒有上傳成功,如果在正常文件夾中能找到該分鐘數據文件,則復制文件到省局文件目錄,即能完成數據的成功上傳;如果在正常的數據文件夾中也找不到該分鐘數據文件,則很可能是數據在生成的過程中判別為不能識別的文件,放到了另外的文件夾中,查找此文件的目錄是ISOS/bin/send/unknown,在這里面找到該分鐘數據文件,復制到ISOS/bin/send/data目錄,即完成此數據文件的上傳。

2 儀器的維護保養和定期更換

地面氣象觀測自動化以后,氣象觀測儀器的維護保養是觀測工作的重中之重。因為地面氣象觀測涉及到觀測氣溫、濕度、氣壓、風向、風速、地溫、降水、日照、能見度等多種觀測儀器,每種儀器基本都是2套同時運行。所有儀器大部分放置在觀測場露天環境中,風吹日曬雨淋,加之儀器自身的特性難免會出現故障,因此做好儀器的保管、定期或不定期的維護已經成為地面氣象觀測的一項常規工作。儀器維護好了才能保證其平穩運行,少出或不出故障,減少維修和更換次數,有效地保證數據的連續。維護主要分為日維護、周維護和月維護等。

2.1 日維護和周維護

值班員最好每天巡視一遍觀測場,對所有儀器做好清潔;儀器有高度和水平要求的目測檢有無大的變動;清除外露儀器上雜草、樹葉和鳥屎等;檢查地溫場狀況和地溫傳感器的埋置狀況,保證地面溫度傳感器一半露出地面,一半埋入土中;巡視能見度儀和降水現象儀感應部分是否有蜘蛛網,如有應及時清除;檢查翻斗雨量傳感器盛水口有無異物以保持清潔;冬季注意觀察視頻智能傳感器的蒸發皿里面的水量,及時添加。

2.2 月維護

每月用水平尺和刻度尺逐一測量觀測場內各類相關儀器的水平和高度,超出范圍的應進行調整;檢查能見度儀和降水現象儀的感應部分,用軟布蘸酒精擦拭干凈;及時維護耙松地溫場,清潔百葉箱并檢查內部儀器安裝狀況;檢查日照傳感器的緯度刻度盤是否對準當地緯度,檢查水平泡狀況;拆開翻斗式雨量傳感器的外筒檢查翻斗和漏斗有無堵塞等,另可視情況增加其他維護項目,這里不再一一列舉。

2.3 不定期維護

天氣過程前和過程后對相關儀器進行維護,出現強降水過程、冰雹、沙塵、大風等惡劣天氣前或后應適當增加對儀器設備的維護和巡視次數,遇有故障及時處理。儀器設備維護和故障維修情況應在天元系統中填報。及時維護稱重式降水傳感器加防凍液和抑制蒸發油,冬季降雪天氣過程中和過程后,檢查降水現象儀的感應部分是否被雪花覆蓋住,及時清除稱重降水傳感器口緣內側附著的積雪,防止出現滯后降水。

2.4 定期更換儀器

保證各類儀器在有效期內使用,到期更換,避免使用超檢儀器,氣溫、地溫、草溫、風向、風速等傳感器的有效期為2 a,氣壓、濕度等傳感器有效期為1 a;能見度傳感器為現場檢定,1 a 2次[11];稱重降水傳感器和降水現象儀現場檢定,2 a 1次[12-13];日照傳感器2 a校準1次;翻斗式雨量傳感器每年4月1日—10月31日使用,非使用期拆回室內,待第二年使用前重新檢定合格后安裝使用[14];凍土自動觀測儀每2 a校準1次,且必須在凍土期開始觀測前1個月安裝完成[15]。所有儀器必須做到按時更換,以保證儀器性能穩定運行。建立現用儀器和備用儀器臺賬,便于關注儀器的到期時間,也可以設置報警提醒功能。

3 特殊天氣和重要天氣的觀測

氣象儀器保證定期維護和更換,且儀器在穩定的天氣條件下運行出現故障的幾率相對較小,故障一般出現在惡劣天氣或轉折天氣過程中。因此,在突發天氣和重大天氣過程前一定要增加儀器的維護頻次,加強巡視和保養,并關注數據的采集情況。地面氣象觀測自動化以后,隨著工作重點的轉移,值班員的觀測能力會有所下降,面對突發天氣需要人工處理記錄時不熟練,要加強練習、勤思考,熟記規定,并關注本地天氣過程,在天氣過程來臨前提前預判,做好應對突發天氣的準備。

3.1 做好各類加密觀測

冬季有大的降雪天氣過程來臨時,接到上級業務主管部門的加密報指令,要做好編發降雪加密報的各項準備工作。如遇連續性特大降水過程,也可能啟動加密觀測。根據上級指令要求,明確觀測時次和觀測要素,設置加密報參數,按時觀測和傳輸相關數據;同時保證人員充足,合理安排班次,按時保質保量完成加密觀測任務。

3.2 夏季做好冰雹天氣的監測發報

夏季對流天氣旺盛,極易出現冰雹天氣,要做好值守班工作,時刻監控采集數據和天氣實況,根據實際情況觀測冰雹天氣現象和冰雹尺寸,通過地面氣象觀測業務軟件編發冰雹重要天氣報。降水強度較大時,降水現象觀測儀會判斷有冰雹天氣,實際為強降水所致,也應根據天氣實況人工質控降水現象,把冰雹訂正為雨,把處理情況做好備注保存上傳省局MDOS平臺。

3.3 人工訂正視程障礙現象

春季風大濕度低,比較容易出現浮塵和揚沙天氣,因地面氣象觀測軟件的判識能力還不是很完善,加之一些客觀因素的影響,浮塵和揚沙天氣出現時軟件自動判別為霾,根據人工分析和各氣象要素的變化情況以及上游天氣背景及周圍臺站的情況,人工訂正視程障礙現象并備注訂正情況。

4 觀測應急預案的實施

自動化后測報工作重心向裝備維護和儀器保障傾斜,業務人員在觀測或軟件、微機操作等方面有所弱化;另外,近幾年地面測報隊伍新進人員較多,沒有經歷手工觀測編報對業務規定不熟悉,遇有突發情況不能很好地補救數據。因此,制定應急預案能更好地保證地面氣象觀測數據的完整性和準確性,在自動觀測系統和地面微機觀測系統、傳輸網絡等發生故障的情況下,保證各項工作順利進行。

有突發事件發生時應立即進入應急工作狀態,及時采取相應的應急工作措施,特別要注意多種突發事件同時發生時的綜合處理。在緊急情況下,值班員應當機立斷,靈活執行預案,保障業務工作,杜絕責任性事故。要注意預見和防范突發性災害天氣,如雷暴、冰雹、大風、短時強降水等;對環境儀器安全、供電、通信保障等方面可能發生的異常及其影響范圍有所預見,必要時可要求安排副班協助。如出現雷擊、火災等事故,須在保證人員安全前提下,分別采取應急措施,優先保障業務運行,再采取措施保障儀器設備、供電安全等。

4.1 值班室停電

遇有停電,UPS無法工作,且市電短時間不能恢復,應立即通過發電機供電恢復業務運行,平時網絡管理員應做好UPS電源、發電機等設備的日常維護,對UPS進行定時放電,不定時測試其電池儲電性能。為了保證停電時能快速恢復用電,每個值班員應了解一些發電知識,必要時輔助發電人員及時恢復供電,供電恢復后人工下載停電期間的數據并上傳。

4.2 雷擊造成采集器故障

夏季強對流天氣來臨時,如果采集器被雷擊[16-17],停止采集數據,首先應重啟采集器,如采集器不能恢復正常,立即打電話通知通信和保障人員到場,共同排查,如果正遇整點時次,采集器不能及時恢復,立即啟用備份站,先上傳數據,待采集器數據恢復正常后,查看故障時段數據是否能夠恢復,如果能恢復,用恢復后的數據代替備份站數據;若數據不能恢復,則故障時次的數據仍用備份站數據代替,并做好數據處理情況的備注。

4.3 網絡通信故障

氣象部門觀測數據傳輸規則是 :市、縣兩級收集到的觀測數據在規定時間內傳至省局,省局統一打包傳至國家局。隨著地面氣象觀測業務自動化進程的加深,過去網絡故障通過打電話報數據的處理方式已經不再適用,觀測數據只能以報文的形式在規定時間內通過網絡上傳至省局入庫。因此,傳輸網絡的穩定運行是當前數據傳輸質量的基本保障。發現上傳數據在發送隊列中堆積,或者bufr數據發送界面數據發送按鈕顯示為紅色,說明網絡不通。立即啟用備份線路先將數據及時上傳,再檢查具體情況,待數據上傳后重新啟動計算機,如果不能恢復,采取由內而外逐步排查的方法,首先應檢查本機是否與局域網正常連接,有時也有出現局域網顯示正常,但實際不通的情況,也可以先重啟微機,看能否解決。如果局域網正常,則ping 地址看有無通暢,如不通,說明路由器故障,可嘗試重啟,重啟后還不正常,及時通知網管員更換備份路由器。

5 結論

地面氣象觀測是提升氣象業務能力的基礎,也是關系國計民生的一項非常重要的工作。氣象觀測能力水平決定著氣象科學和事業的發展水平,是實現氣象現代化的基礎。因此,觀測業務人員必須以高度的責任感和強烈的事業心來對待這項工作,要有嚴謹認真的工作態度和勤奮刻苦的工作作風,還要有過硬的業務技術本領,時刻把取準取全觀測數據放在首位。各級業務主管機構也應做好技術指導、業務培訓和組織管理,整合一支業務熟練的觀測隊伍,特別是在當前業務轉型期,做好現有觀測隊伍和裝備保障人員的無縫銜接,爭取工作上不出紕漏,在數據異常和儀器故障時能快速反應,及時采取有效措施快速恢復數據正常,充分保證氣象觀測數據的及時性、準確性和連續性,以便更好地為人民群眾提供服務,充分發揮氣象在社會日常生產經營活動中的重要作用。