自动气象站资料在海陆风等局地环流研究中的应用*

邱晓暖，范绍佳

(1.中山大学环境科学与工程学院，广东广州510275 2.广州市环境监测中心站，广东广州 510030)

我国经济发达地区基本上每隔5 km就有一个自动气象站，大量数据目前主要用于天气预报分析或应用于数值模拟［1－4］，研究低能见度事件和霾日判定等［5－7］，总的数据利用率不高，缺少比较系统的自动气象站资料分析处理方法。

海陆风是沿海地区特有的由海陆热力差异引起的局地环流。文献［8－9］使用自动气象站资料研究海陆风，吴兑等［10］提出根据自动气象站资料，计算“风矢量和”来研究珠江三角洲区域扩散条件。发展建立一种有效使用自动气象站资料的方法，研究海陆风等局地环流的特征，有重要应用意义。

华南是我国海陆风出现频率较高地区［11－20］，珠江三角洲沿海海陆风频率达25%～35%，最强海风出现在珠江喇叭口颈部［21－23］。珠江三角洲地区机场密集、航空管制严，难于实施野外放球的海陆风观测研究。利用珠江口西侧广州市南沙4个自动气象站2001－2008逐时风向风速资料，本文建立了一套自动气象站数据处理筛选方法、海陆风等局地环流的分离与判定技术，并进行应用验证，取得良好的效果。

1 自动气象站数据有效性判别与处理筛选方法

准 差 (σ)， 小 时 风 速 数 值 在(U－3σ，U+3σ)范围外的，可认为出现该时次的数据是小概率事件，是异常值，应舍去。③数据准确性判断:剔除上述可判断的故障值和异常值后，再考察数据的规律性，数据变化是否满足气象一般规律，去除不具气象意义的数据。

下面以位于珠江口西侧的广州市南沙区围垦公司站、南沙中学站、横沥水利会站、黄阁镇政府站4个自动气象站风向风速资料为例，介绍自动气象站数据有效性判别及处理筛选过程。其中围垦公司站为2001－2008年逐时数据，其余3站为2007－2008年逐时数据。

首先利用①和②的风向、风速数据有效性判别方法，过滤得到新的有效数组，计算得出数据的有效率。使用“3σ准则”对风速数据进行过滤后，对比过滤前后的风速分布并无明显差别，过滤掉的数据都为风速相对较大的数据，但数目很少，对于总体风速分布影响不大。然后对数据的总体情况进行考察。

由图1可知，2001－2008年围垦公司站平均静风频率为14.9%，静风频率差异较大，为0.8%～39.3%，其他各风向在各年分布情况比较一致，SE-S所占比例最高，NNW-NE次之，SW-WNW出现的概率则很小。各年各风向分布情况的一致性说明数据的整体有效性、正确性较高，同时也说明2001－2008年该地区气候状态比较稳定，没有大

自动气象站数据由仪器自动采集发送，由于仪器故障、维护等原因，原始数据可能存在部分错误值，因此，使用数据前需要对数据进行整理。为确保自动气象站的数据有效，根据自动气象站风向风速数据应满足的一般规律，可采取下述方法进行数据有效性判别及处理筛选:① 风向数据有效性:风向数值是具体到1°的数据，若数据中连续3个或以上时次风向角度不变，可认为该时间段仪器出现故障，数据不可靠，应舍去。②风速数据有效性－“3σ准则”:一般风速数据为偏态分布，为最大限度保留数据的完整，考虑以月为基本数据集，由逐时风速计算得到月平均风速 (U)和标的异常情况出现。

图1 围垦公司站各年各风向频率Fig.1 Frequency of annual wind direction in Weiken Company Staion

同样方法分析2007、2008年黄阁镇政府站、横沥水利会站、南沙中学站和围垦公司站风向频率发现:2007年黄阁镇政府站偏北风频率与其它站差异较大，2007和2008年南沙中学站、横沥水利会站偏南风频率与其它站差异较大。

进一步分析发现，造成不同站点风向频率差异的原因是多方面的:2007和2008年南沙中学站的风向分布情况与其它站差异较大，与南沙中学站7、8月的数据集中性缺值有关;黄阁镇政府站2007年1－6月W-S-E风向在风玫瑰图中几乎不出现，7月偏北风亦明显比偏南风多，1－6月W-S-E风向几乎不出现很可能是由于仪器故障，导致数据错误，7月偏北风比偏南风多，数据正确性也偏低;横沥水利会站2007和2008年SE-S风向频率分布规律较一致，SSW-SW在2008年9、10月出现异常高值。

综上分析，围垦公司站数据有效率高，正确率大，得到的结果是可信的;同时，该站数据一致性好，具有一定的代表性。而2007年黄阁镇政府站，2008年横沥水利会站和2007－2008年南沙中学站均出现不同程度的数据异常的情况，数据正确率低。因此，选定围垦公司站的数据作为代表进行分析，并以南沙 (围垦站)表示。

综上所述，处理自动气象站的原始数据时，可依循以下步骤:①根据风向数据有效性准则，去掉风向角度不变者;② 根据风速“3σ准则”，去掉风速异常值;③考察站点本身及不同站点之间风向差异性，去掉存在较大差异的数据，得到合理可用的数据。

2 海陆风等局地环流分离与判定技术

研究表明，珠江口海陆风频率为25%～35%，夏季高于冬季［21－23］。在传统的海陆风分析方法中，文献 ［24－25］的方法较为适用于自动气象站资料的海陆风分析。以南沙 (围垦站)为例，参考于恩洪的方法，可定义南沙海风为E-S，陆风为W-N;陆风盛行时段为1∶00－8∶00时，海风盛行时段为14∶00－21∶00时，其他时间为海风、陆风风向转换时间;实测风在海风盛行时段海风出现次数大于等于4，在陆风盛行时段陆风出现次数大于等于4，且风速均小于10 m/s，则该天为海陆风日。按照上述定义得到2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风频率，2001－2005年不超过5%，2006－2008年不超过10%。用传统方法统计自动气象站实测风得到的海陆风频率，年出现频率非常低，与已有的关于珠三角海陆风的研究结果相差很大，结果不合理。因此，传统的海陆风分析方法不适用于自动气象站资料的局地环流分析，需要发展一套适用于自动气象站资料的局地环流分析方法。

2.1 系统风和局地风的分离方法

为便于研究，把风分为实测风、系统风和局地风。自动气象站等测站所测的风称为实测风，大范围、大尺度的风称为系统风，海陆风等局地环流称为局地风，实测风为系统风和局地风的叠加。

将自动气象站每日逐时实测的风矢量分解成u、v分量，分别取各时次u、v分量的平均得到日平均风矢量的分量，合成得到日平均风，为系统风。

作实测风与系统风的矢量差，得到的风矢量为去掉系统风之后的局地风。公式如下:

其中，UHO为每日第H个时次的实测风矢量;UDS为每日系统风矢量;UHL为每日第H个时次的局地风矢量。

判断海陆风日，还需要考虑数据的有效性。一天中，有效的数据组数超过当天应有数据组数的2/3(即24 h至少有17 h的数据)，定义为“有效天”。海陆风日，必需为有效天。

2.2 风向持续性统计法

海陆风日的海陆风持续性则是指海风 (陆风)开始到结束所用的时间。分析海陆风的连续性及出现时间，需要将所有数据按时间顺序作为一个有序的数据集，在该有序数据集中统计海风 (陆风)连续出现的次数及开始时间。

将自动气象站资料以年为数据集进行海陆风持续性统计，并以其结果作为判断海风、陆风一般发生时间的依据。在这里需要区分一般发生时间和通常所讲的盛行时间，一般发生时间是指海陆风在所指时间内可能发生，盛行时间是指海陆风在所指时间内发生的频率很高。

2.3 海陆风日判定标准

有效天条件下，局地风中海风在海风一般发生时间内持续出现4个及以上时次，陆风在陆风一般发生时间内持续出现4个及以上时次，则判定该天为海陆风日。

2.4 海陆风分离与判定技术的应用

利用建立的自动气象站数据筛选方法、海陆风环流分离方法和海陆风判定方法，分析得到2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风日频率结果见图2。

图2 2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风日频率Fig.2 Frequency of sea-land breeze days in Nansha(Weiken Station)during 2001 to 2008

从图2可见，利用建立的自动气象站数据筛选方法、海陆风环流分离方法和海陆风判定方法，得到2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风频率，和目前关于珠三角海陆风研究认为珠江口海陆风频率25% ～35%相一致。

2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风频率季节变化研究结果 (图略)，也和夏季高于冬季的一般结论相一致。

利用建立的自动气象站数据筛选方法、海陆风环流分离方法和海陆风判定方法，得到2001－2008年南沙 (围垦站)海陆风结果符合一般性，结果是可信的。

上述自动气象站数据筛选方法、局地环流分离方法和判定方法，具有可程序化的特点，可以推广到研究山谷风、城市热岛环流等局地环流的特征。自动气象站资料是研究海陆风等局地环流比较理想的资料。

3 结论

1)自动气象站资料是研究海陆风等局地环流比较理想的资料。

2)利用自动气象站数据处理筛选方法和局地环流分离与判定技术，得到珠江口西侧广州市南沙区海陆风的分析结果符合一般规律，结果是可信的。该方法能有效地利用自动气象站数据对海陆风等局地环流进行研究。

3)通过从实测风中分离出系统风和局地风，得到局地风的分离与判定技术，可用于自动气象站数据的局地环流研究，有推广应用价值。

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