西汉和机场高速公路气象站资料质量评估

王　丹，高红燕，马　磊，黄少妮

(1.陕西省气象服务中心，西安　710014；2.陕西省气象台，西安　710014)



西汉和机场高速公路气象站资料质量评估

王丹1，高红燕1，马磊1，黄少妮2

(1.陕西省气象服务中心，西安710014；2.陕西省气象台，西安710014)

摘要：从缺测、错误和可疑三个方面对2013年7月2日—2015年4月17日陕西省西汉和机场高速公路6个交通气象站的风向、风速、降水、气温、地表温度、相对湿度和能见度的逐小时资料进行质量评估。结果表明：该套资料的完整性较好，没有超过1个月以上的重度连续型缺测，各气象要素(不包括降水)资料的最高缺测率约为17%，最低缺测率约为2%；1 h降水量的缺测率约为0.2%，明显低于其它气象要素。该套资料的错误和可疑数据少，具有一定的准确性和可靠性，比较而言，相对湿度的错误和可疑数据最多，地表温度次之，风向、风速没有错误和可疑数据。

关键词：高速公路；交通气象站；逐小时资料；质量评估；陕西

近年来，我国气象部门通过与政府、交通部门合作，在高速公路沿线建立自动气象监测站[1]，实时采集气象资料，为开展公路气象灾害实时监测和预报方法研究奠定了基础。为了使气象站资料得到广泛、深入的应用，必须对数据质量进行评估[2-6]。2013年7月，陕西省气象局在西汉和机场高速公路各建成3个交通气象站，可以对气温、降水、风向、风速、相对湿度、能见度、地面温度等气象要素进行逐小时观测，填补了陕西省高速公路专业交通气象监测空白。目前，关于西汉和机场高速公路6个交通气象监测站数据的质量分析还未见报道，因此对2013年7月2日—2015年4月17日6个交通气象站的监测数据质量进行评估，以便为交通气象服务和科研工作者合理使用该套资料提供参考。

1资料与方法

1.1资料

所用资料有两类，一类为2013年7月2日19时—2015年4月17日18时机场和西汉高速公路6个交通气象站的风向、风速、降水、气温、地表温度、相对湿度和能见度的逐小时资料(即本次质量分析的研究对象)，共15 695组数据，6个交通气象站的名称、位置和海拔高度信息见表1。另一类为6个交通气象站50 km范围内区(县)级气象站1976年1月1日—2006年12月30日日最高(低)气温、日最高(低)地表温度、日最大风速的逐日资料和2010年1月1日—2014年12月31日气温、地表温度、相对湿度、降水量的逐小时资料。

1.2方法

参考文献[2-3]的质量评估方法，从缺测、错误和可疑三个方面对西汉和机场高速公路6个交通气象站监测资料的完整性、准确性和可靠性进行评估。缺测数据的检查，根据连续缺测值的数量(C)，将缺测数据类型分为离散型(C<2)、轻度离散型(2≤C≤24)、中度离散型(24720)4类。错误和可疑数据的检查包括气候极值检查、时间一致性检查、空间一致性检查[7]和内部一致性检查。

表1　机场和西汉高速公路6个交通气象站信息

气候极值检查是基于气候极端事件发生的可能性，将超过阈值的监测数据定义为可疑数据。气温、地表温度、风速和1 h降水量的阈值通过对6个交通气象站50 km范围内区(县)级气象站历史资料的气候极值统计确定，相对湿度、风向、能见度的阈值参考资料处理的普适标准和高速公路交通气象站测量范围标准确定(表2)。

表2　各气象要素逐季气候阈值统计表

时间一致性检查只对气温、地表温度、相对湿度和能见度做分析。气温和地表温度在连续6~11个(12个以上)非缺测数据保持定值或者在相邻两小时变化大于8 ℃(变化大于8 ℃且反位相变化)时定义为可疑(错误)数据。相对湿度在连续24~47个(48个以上)非缺测数据保持定值或者在相邻两小时变化大于50%(大于50%且反位相变化)时定义为可疑(错误)数据。能见度在连续6个以上非缺测数据保持低值(能见度小于1 km)状态时定义为可疑数据。

为了进一步判断可疑数据的正确与否，对可疑数据进行空间和内部一致性检查。空间一致性检查针对气温、地表温度和相对湿度，利用交通气象站50 km范围内区(县)级气象站的监测资料，通过距离平方反比空间插值方法，计算被检测数据的估计值，比较被检测数据与估计值的差值，气温和地表温度的阈值为3 ℃[2]，相对湿度的阈值为20 %[3]，差值的绝对值大于阈值则判定为错误数据，否则为正确数据。内部一致性检查是检查能见度与相对湿度、风速、降水等气象要素的一致性[8]。对于能见度的可疑数据，参考文献[9-11]能见度与相对湿度、风速和降雨强度的统计分析结果，定义当相对湿度在80%以上、最大风速小于4.8 m/s，或者1 h降水量在5 mm以上时，判定为正确数据，否则为错误数据。

2结果分析

2.1缺测数据的统计

从缺测数据的统计结果(表3)来看，机场和西汉高速公路6个交通气象站的风向、风速、降水、气温、地表温度、相对湿度和能见度逐小时资料的完整性较好，各交通气象站缺测数据的离散型缺测均小于30次，较其它缺测类型略偏多，轻度和中度连续型缺测较少，没有重度连续型缺测。与其它气象要素相比，1 h降水量的资料完整性最好，缺测数据只有离散型和轻度连续型两类，数据缺测率约为0.2%。比较而言，户县安检站的数据完整性较差，各气象要素(不包括降水)的中度连续型缺测为21次，数据缺测率约为17%，其次为宁陕站，各气象要素(不包括降水)的轻度和中度连续型缺测分别为17次和14次，缺测率约为10%。秦岭隧道站的数据完整性较好，各气象要素(不包括降水)的中度连续型缺测仅1次，数据缺测率约为2%。

表3　机场和西汉高速公路各站缺测类型统计　次

2.2可疑数据的统计

从可疑数据的统计结果(表4)来看，相对湿度的可疑数据多于其它气象要素，并且，机场收费站的相对湿度可疑数据最多，有423个，约占有效监测数据的3%。气温、能见度和1 h降水量的可疑数据较少，其中，1 h降水量的可疑数据仅1个，风速、风向无可疑数据。整体上讲，6个交通气象站监测资料的可疑数据比例小，数据可靠性好。通过空间和内部一致性检查对可疑数据做进一步判断，相对湿度、地表温度、气温、能见度和1 h降水量的可疑数据判断为错误数据的比例分别为68%、50%、59%、41%和100%。

表4　机场和西汉高速公路各站可疑数据统计　个

注： “—”表示无可疑数据；风向、风速均无可疑数据。

2.3错误数据的统计

从错误数据的统计结果(表5)来看，相对湿度的错误数据最多，其次是地表温度，气温、能见度和降水的错误数据较少，风向、风速无错误数据。机场高速公路3个交通气象站的相对湿度错误数据多于西汉高速公路3个交通气象站，其中，机场收费站的相对湿度错误数据最多，有316个，错误率约为2%。汉城收费站和秦岭隧道站地表温度的错误数据较多，分别为54和66个，错误率分别约为0.3%和0.4%。整体上讲，6个交通气象站监测数据的错误率小，数据准确性较好。

表5　机场和西汉高速公路各站错误数据统计　个

注： “—”表示无错误数据；风向/风速均无错误数据。

3结论

(1)6个交通气象站监测资料没有超过1个月以上的重度连续型缺测，1 h降水量的数据缺测率明显小于与其它气象要素，约为0.2%。比较而言，户县安检站的数据缺测率较高，约为17%；秦岭隧道站的数据缺测率较低，约为2%。

(2)6个交通气象站监测资料的可疑数据较少，其中，机场收费站的相对湿度可疑数据最多，约占有效监测数据的3%。另外，相对湿度、地表温度、气温、能见度和1 h降水量的可疑数据判断为错误数据的比例分别为68%、50%、59%、41%和100%。

(3)6个交通气象站监测资料的错误数据较少，比较而言，相对湿度的错误数据最多，地表温度次之，风向、风速没有错误数据。

(4)整体上讲，该套资料的完整性较好，具有一定的准确性和可靠性，可以用于交通气象服务和科研工作。为了提高该套资料的数据质量，建议用户使用前对原始数据进行订正，例如，将跳跃型的错误数据替换为该数据前后相邻时刻观测值的平均值，通过距离平方反比空间插值方法将相邻区(县)气象站资料插值到缺测交通气象站上等。

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基金项目：国家自然科学基金项目(41075025)，江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

作者简介：包佳渺(1986—)，男，汉族，江苏无锡人，在读硕士研究生，工程师，从事雷电过电压防护技术与气象预报研究。

收稿日期：2015-06-17

文章编号：1006-4354(2015)06-0022-04

中图分类号：P416

文献标识码：A