风速监测系统在中小尺度灾害性天气中的应用

王鑫 许长义 卜清军 （天津市滨海新区气象局 天津300457）

风速监测系统在中小尺度灾害性天气中的应用

王鑫 许长义 卜清军 （天津市滨海新区气象局 天津300457）

简述了天津港实时风速监测系统建设的必要性和系统的结构、功能、应用等方面的概况。该系统将实现风速、风向、温度、湿度、降水量等监测参数在无人值守情况下的连续、自动观测和与计算机网络系统的实时接入与发布。它的建立一方面可为天津港作业部门提供实时的监测信息，另一方面也可为气象业务部门提供高时空分辨率的近地面观测资料，对天津港中小尺度灾害性天气及海洋气象服务有着重要的理论价值和实际意义。

风速监测系统 中小尺度灾害性天气 海洋气象 天津港

0 引言

近年来自动气象站技术发展迅速，探测能力显著增强，观测自动化水平迅速提高。观测仪器向系统化、高精度、自动化、多功能与小型化方向发展。自动气象站观测资料在国外早已应用到一些中尺度气象研究计划中，并建立了一套基于自动地面观测系统（ASOS）资料的中尺度分析和业务利用方法。如美国1992年实施的STORM-FEST计划，地面观测资料主要由ASOS提供，并与多普勒雷达、数值模式结合，分析中尺度重力波等中尺度现象。[1]美国国家海洋大气局（NOAA）强风暴实验室（FSL），利用ASOS网提供的5分钟一次观测资料，经过质量控制、带通滤波和时空转换分析，建立了一套中尺度自动分析系统。[2]近年来FSL又建立了时空中尺度分析系统（STMAS，Space-Time Mesoscale Analysis System），实现对雷暴、阵风锋等小尺度系统的分析。2004年5月开始，STMAS实时提供全美5 km分辨率，15 min一次的分析产品。此外，俄克拉荷马州立大学风暴分析预报中心（CAPS）发展的ADAS数据分析系统，针对美国西部复杂地形条件，进行高时空分辨率实时中尺度分析。这些分析工具为预报员提供了大量地面要素和物理量数值分析结果，清楚地揭示了大气边界层的大气运动特征，是制作短时天气预报的重要分析资料。

天津港是我国北方的重要工业和港口城市，近年来，中小尺度灾害性天气如暴雨、雷暴、大风等和高潮位、强风暴潮、海冰等海洋灾害天气的频率明显增加，造成的经济损失日渐加重。由于港口开发作业对海洋风和海浪的预报提出越来越高的要求，而海浪、风暴潮等海洋水文要素的数值计算和预报迫切需要解决港口及海洋上风场的精确计算。但是，复杂的海面结构、大气稳定度和影响以及风、浪之间动量的交换等，使海上风的理论计算遇到很多困难，至今大部分工作还是依靠统计方法。即利用天气预报的形势场计算地转风和梯度风，及其与海面摩擦、大气稳定度的经验订正关系，但计算结果与实测风比较不能令人满意。为了得到合理和准确的风场，必须具有港口近地层的详细观测资料，以便取得合理的中小尺度风场分布，再与大尺度数值天气预报模式结合起来，便可得到较为准确合理的港口风的预报场，为天津港实际业务提供重要信息。技术进步与革新的最终目的是将探测数据转化为资源，应用于现代化气象业务、气象科研与气象科技服务中去。在气象科技服务中根据地区特点，利用先进的探测仪器与手段，将取得的数据通过切实可行的通讯方式传输给不同的对象，对数据进行深度分析与二次开发形成新的气象产品，并将其应用到现代化气象业务与气象科研中去，最终形成气象科技服务与气象业务、科研相互推动，相互促进与发展的有益循环。天津港风速监测系统是针对港口安全作业需求开发的气象科技服务产品，在国内针对港口服务的同类产品尚属空白。经过十多年的发展已具备一定规模并出色完成了保障安全生产的任务。随着气象现代化建设的发展，风速监测系统也应不断完善，发挥其在回传现场数据、港口中小尺度天气分析以及海岸气象分析中继续发挥中重要作用。

1 风速监测系统简介及功能

1.1 风速监测系统及其构成

风速监测系统是专门对风向、风速有实时观测需求的用户量身定制的系统，本系统针对风速、风向和温度进行实时观测，提供多种显示风格和统计数据，支持局域网络数据共享，可以多点进行实时监控，支持实时报警功能，可以存储定时气象数据用于历史查询和报表曲线制作。2001年研发并投入使用的实时港口风数据监测系统，为港口生产作业与安全监管提供及时的气象数据。港口调度依据系统提供的实时风数据指导大型设备作业，码头货物装卸，指挥进出港船舶行驶；安全监察部门依据系统提供的数据对整个港口的作业进行安全监督，防止因大风引起安全事故。

风速监测系统开发语言使用VC 6.0系统，后台数据库使用SQLServer 2000系统。2010年基于既有系统的基础上，利用SQLServer数据库语言对该系统进行全面升级。风速监测系统主要由传感器、核心采集器、通信、防雷和电源等5部分组成（见图1）。在硬件方面新型风速监测系统与现有区域自动站技术结合，将供电方式由野外区域自动站的太阳能供电改为更加稳定可靠的市电供电。220 V交流电首先转换为12 V直流电对蓄电池进行充电，蓄电池为整套系统供电。这样可以防止电流不稳以及短时停电对整套系统造成的影响。通过更改采集器ROM程序将采集频率由1分钟变为5秒，便于实时监测气象资料，有利于现场指挥；在接口技术上采用485接口，该接口技术成熟，数据传输稳定；除本地串口有线传输数据外，新型系统增加GPRS与3G传输模块，可实现远程无线传输。如图2是该系统的用户使用界面。在软件方面新型风速监测系统界面简洁，主题明确，方便了不具备气象专业知识的用户使用；用户可根据自身需要对系统进行设定，实现系统对风速值进行分级报警；系统可以保存本地历史数据，并生成Excel表格，方便查询和统计。新型风速监测系统可以通过升级，扩展增加温度、湿度、雨量以及气压等观测项目和预警短信发送端口，使得此系统不再仅限于本地风向和风速的观测与预警，从而发挥其在港口中小尺度气象与海洋气象方面的研发优势与远程报警的功能。

1.2 风速监测系统的组网与数据质量控制

从图3中可以看出，目前在天津港范围内共有风速观测点18个，自动气象站4个，其中两要素（风向、风速）自动气象站1个，7要素（温度、气压、风向、风速、湿度、降水、能见度）自动气象站3个，4个自动站数据传输时间间隔均为5 min。将现有风速观测点与港区内与周边区域自动站进行组网，并将取得数据通过GPRS模块回传至中心站（位于滨海气象预警中心）。传输频率可根据需要设定，与实时监测的要求区别对待。

对于中尺度自动气象站资料，在原始自动站数据中可能会存在一些随机性或系统性误差，因此需要对原始自动站要素进行一定的质量控制，以免某些误差过大的站点影响了实况要素场。自动气象站数据质量控制一直是影响自动站数据应用的一个大问题。质量控制的目的是确保提供应用的资料符合各种要求（包括不确定性、分辨率、连续性、均一性、代表性、时限、格式等）。好的资料无需特别出色，重要的是其质量应该是已知的和可证实的。[3]与一般的质量控制原理的主要思路一致：根据气象学、天气学及气候学原理，依据《地面气象观测规范》[4]和数据文件格式的规定，进行气象观测数据序列的技术性、合理性检验。同时结合天津滨海新区的气候背景，由程序自动对观测数据进行检查，找出不合理、不正常的错误或可疑记录，达到质量控制的目的，[5]进而确保该系统数据的可靠性。对于天津港的风速监测系统和4部自动站观测数据可采用简单逻辑性检查、时间连续性和空间一致性检查来对其数据进行质量控制。

1.2.1 逻辑性检查 对于采集到的原始数据进行逻辑性判断，即排除明显无气象意义的错误资料。它主要包括采集时间检误和资料检误。

1.2.2 时间连续性检查 所谓的时间连续性检查，即利用一定时间范围内气象要素与时间具有良好的一致性来识别出不太理想的要素突变站点。当要素资料超出一定时间内的变化范围，则该数据视为可疑点。如果在某个时次检验出某个可疑点后，再对该可疑站点要素与周围最近距离的若干个站点要素的平均值进行比较。如该站点与周围站点要素的平均值也超过了相应阈值，则剔除该站点。

1.2.3 空间连续性检查 由于一些误差不能被时间连续性检验排除掉，因此，在时间连续性检查后还需要对自动站数据进行空间连续性检查。所谓的空间连续性检查，即利用临近自动站空间相关性原理来检查某一站点与周围站点是否存在过大的差异。由于研究区域包含海岸线，其测站观测到的要素值可能会和周围测站的要素值有较大差异，对于筛选出来的可疑站点可与塘沽基本气象站数据进行比较，进而决定其站点数据是否要被剔除。

1.3 数据的二次开发及分发服务网络

现有区域自动气象站在分布密度上无法达到天津港风速观测点的密度，新的自动气象站在安装及选址上也会遇到诸多困难。利用现有已建成的风速观测网点，对系统观测项目进行扩展升级，增加温度、湿度及气压观测即可成为一个小尺度气象观测系统。根据Micaps数据格式特点，通过计算机编程将经过质量控制的数据保存为能被Micaps系统调阅的数据格式文件，加入各站的经纬度、海拔，利用Micaps预报平台，这些第一类数据格式（全要素填图）或第三类数据格式（单要素填图）文件可方便地被业务人员调阅参考，为天气分析预报业务中的地面气象要素加密观测要求提供数据支持。

风速监测系统的后台数据库SQL Server 2000使用方便，适合中小型数据库。服务器可能有成千上万的用户同时连接到SQLServer 2000实例。SQLServer 2000为这些环境提供了全面的保护，具有防止问题发生的安全措施，例如，可以防止多个用户试图同时更新相同的数据。SQLServer 2000还在多个用户之间有效地分配可用资源，比如内存、网络带宽和磁盘I/O。超大型Internet站点可将其数据分开存放在多台服务器上，从而使处理负荷分散到多台计算机上，使站点能为成千上万的并发用户提供服务。采用Web技术构建局域网，实现数据的采集、分析、处理及信息的发布，提供网络接入服务。提供方便的网络数据库接口，可以通过多种方式对数据进行二次开发，适应各个方面的数据应用。一方面将实时监测数据发布到天津港各个作业和指挥部门；另一方面，将取到的高时空分辨率的观测数据加以质量控制，为研究天津地区以至整个华北区域的中小尺度系统发生、发展及其机制提供宝贵的近地面数据来源。

1.4 风速监测系统现状及其主要功能

目前已有天津港集团下属的18家二级公司与单位在调度与安监部门安装了风速监测系统28套，其中2010年后投入使用的新型风速监测系统16套，共有观测点18个。这套系统使得单一的气象数据直观的、有针对性的通过人性化的界面显示出来，并具备预警与查询功能，为安全生产提供了强有力的保证，是现代化气象科技服务的一个成功实例。应用十余年来，风速监测系统的观测点已经分布在整个港区，大多位于码头沿岸，区域自动气象站观测监测无法覆盖的海陆相接处，运行以来积累了大量的第一手港口海岸气象数据，其数据可以填补天津港地区沿海气象数据的空白，并可为港口气象、中小尺度灾害性天气、海洋气象等研究提供有力支持。其主要功能主要有以下几点：

①各个监测站均在无人值守情况下连续工作，自动完成风速、风向等参数的自动测量，并在主站控制下进行数据传输。

②实现数据的组网，提供良好的数据接口以便于开发二次产品。

③系统具有良好的用户交互界面，可向滨海气象预警中心提供实时监测数据。

④通过网站，实现对外发布实时的地面气象观测要素信息。

但目前各个系统之间保持独立并未建立通讯链接，所以数据无法及时汇总，使得宝贵的数据无法得到有效的利用。另外，此系统是有针对性的气象服务产品，所以目前其观测项目只限于风向、风速观测，使得观测数据过于单一。及时取得观测数据和增加观测项目是利用好沿岸观测点与这套系统的关键，这也是风速监测系统在港口气象和海洋气象研究中发展的瓶颈。

2 风速监测系统在天津港气象中的应用

随着地区经济与气象技术的飞速发展，中小尺度气象和海洋气象已成为气象发展的一个重点方向，如何利用现有的天津港风速监测网络，完善对港口及海岸的气象监测手段，取得第一手资料并进行二次开发及研究，最终将研究成果应用至港口与沿海的建设和发展中，将风速监测系统升级为港口及沿岸小尺度气象监测系统，是目前天津港风速监测系统的发展方向。

2.1 天津港及其所在地区气候特点

天津港位于天津滨海新区最东部，是我国最大的人工海港，是我国对外贸易的重要口岸。现有水陆域面积近260 km2，陆域面积72 km2，规划到2010年港口陆域总面积达100 km2。天津港主要分为北疆、南疆、东疆、海河四大港区，岸线长度21.5 km。东疆港区为天津港的一个新港区，规划面积为30 km2。由于天津港地处渤海湾湾顶，滨海之地，常有风暴潮之忧，其气候主要受季风环流支配，属大陆性季风气候，因东临渤海，受其影响又具有海洋性气候特点。半湿润半干旱的季风性大陆性气候导致冷暖空气交换频繁，同时半封闭的海岸带特殊地形，使得该地区的气象条件更加复杂，独特的地理位置和基本气候特征，决定了天津港所在地区既有陆地气象灾害又有海洋气象灾害，这凸显了气象在其生产与发展中的重要作用。

2.2 中小尺度灾害性天气对风速监测资料的需求

目前我国已经建立起一个在空间分布与探测时间密度都较为合理的、现代化程度高的地面气象观测网，具备较高的业务水平。但是目前在城市周边地区尤其是重要的港口地区中小尺度探测系统能力相对较弱，如天津港地区不能满足监测预报预警需求。为提高港口中小尺度天气的监测预警能力，研究城市局地小气候规律，建立适当规模的港口自动气象站是十分必要并极具重要意义的。

中尺度灾害性天气预报的成功依赖于很多方面，包括中尺度气象探测网的建设、资料分析处理和通讯服务系统的完善以及中尺度预报工具和方法的改进。其中，在观测资料时空密度要求上，以中尺度天气为主要预报对象的临近预报和甚短期预报方法，与常规的短期天气预报有很多不同，其资料主要来源于常规和加密地面、高空实测资料以及各种遥感、遥测资料（包括自动气象站网、闪电探测网、廓线仪、卫星和雷达探测资料等）。线性外推法是假定天气系统保持其过去的演变趋势，可按过去的演变情况推论它的未来（位置和强度）。这种方法并不适用与任何期限，而只是在一定的期限内有效。这个期限叫做“有效现行外推期”，它表示预报值对实况的误差保持在可以允许的范围之内的时段。而超出这个时段，线性外推法因误差太大而不再有效。有效线性外推期的长短取决于不同的天气现象和天气系统。大尺度系统有较长的有效线性外推期，但中小尺度系统的有效线性外推期却很短，一般都在0～2 h之内。因此，需要自动气象站提供高时空分辨率的地面观测资料。

天津港地区受中小尺度局地性灾害天气影响较大，如暴雨、雷暴、大风、大雾等，这些中尺度天气系统水平尺度仅有几公里到几十公里，有的生命史只有几分钟到几小时；而我国常规地面观测平均站距为近百公里，高空站距为几百公里，常规观测时间分辨率为6小时以上；无论是时间分辨率还是空间分辨率，目前的常规观测站网远不能有效地捕捉到中尺度灾害性天气系统的发生发展。多种高新技术在气象领域中的广泛应用，为更准确监测、分析和预报中尺度灾害性天气提供了可能。可提供高时空分辨率中尺度气象信息的多普勒天气雷达、气象卫星、风廓线雷达、闪电定位仪、地面自动气象站，制作中尺度天气预报的高分辨率数值模式，高速的现代化通讯网络等都为中尺度灾害性天气监测预警系统的建设和发展提供了良好的技术基础。

2.3 海洋气象对风速监测资料的需求

天津港目前的防潮标准警戒水位为490 cm，以往以470 cm作为标准是由于沿海地区如天津港客运码头及港口的一些企业单位地处低洼，潮位达到470 cm时已经淹泡，并且风暴潮出现的同时一般会伴有大风和大浪，也会造成一定的灾害。渤海湾平均水深约18 m，是典型的半封闭浅海。冯士筰院士在《风暴潮导论》中指出，[6]浅水风暴潮的一个重要特征是：与气压变化相比，风应力是风暴潮的主要强迫力。按照天文潮看，天津港最高潮位与警戒潮位相差80 cm左右，不会产生风暴潮灾害。但是，当有利于形成风暴潮的天气系统与天文大潮叠加时，可能会引发风暴潮灾害。特别是风暴潮的发生与风向风速密切相关，对天津港而言，一般情况下风暴潮发生时都有偏东风分量，潮位较高时风速较大，而风速较小时潮位较低。对1980—2005年的风暴潮统计个例表明，[7]天津港大于500 cm的严重风暴潮灾均发生在东到东北向岸风影响下，且海上风速大于16.3 m/s。因此，天津港风速监测系统取得的高时空分辨率风向风速数据对于监测预警风暴潮灾害，减小天津港损失是十分重要的。

3 结论

本文立足于天津港中小尺度灾害性天气和风暴潮海洋灾害性天气的加密地面气象要素观测需求特点，提出应用天津港风速监测系统资料收集处理系统，该系统是21世纪初针对港口服务而开发的气象科技服务产品。随着经济与气象探测技术的发展，特别是区域自动站技术成熟后，将现有系统进行升级与完善，利用现有网点的分布适当增加观测要素，并将观测数据回传进行处理，使其成为天津港小尺度气象监测系统是具有重大意义的。将其取得数据应用于业务开发研究中，并将数据进行二次开发，形成针对港口与沿海的气象服务产品，从而在港口中避免小尺度灾害性天气和海洋气象，填补港口近地面加密观测资料的空白，形成气象科技服务与气象科研相互促进，相互推动的良性循环。■

[1]K och S.E.，O’H andley C..O perationalforecasting and detection of mesoscale gravity w ave[J].W ea.Forcasting，1997，12（2）：253-281.

[2]K och S.E.， Y uanfu X ie， John A.， M cG inley J.A.，etal.N ow casting applications ofthe space-time mesoscale analysis system [EB/O L]. （http://w w w-frd.fsl.noaa.gov/pub/papers/K och2005a/p.pdf）.

[3]刘小宁，任芝花.地面气象资料质量控制方法[J].气象科技，2005，33（3）:199-203.

[4]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社，2003:133-134，137-138.

[5]王新华，罗四维，刘小宁，等.国家级地面自动站A文件质量控制方法及软件开发[J].气象，2006，32（3）:107-112.

[6]冯士筰.风暴潮导论[M].北京：科学出版社，1982:241.

[7]徐灵芝，赵玉洁，宋国辉，等.离岸风背景下风暴潮异常增水特征分析[J]. 气象，2010，36（5）:56-63.

2012-05-06