一次寒潮冰冻天气自动站维护和异常数据的处理

哈艳丽，黄本峰，袁海豹

(山东省烟台市气象局，山东 烟台 264003)

一次寒潮冰冻天气自动站维护和异常数据的处理

哈艳丽，黄本峰，袁海豹

(山东省烟台市气象局，山东 烟台 264003)

2016年2月12—14日，烟台市出现寒潮、大风、降温、冰冻天气，其中出现的雨转雪天气和急速降温对当地部分站点的风和能见度等要素的观测带来了很大影响。该文从风、能见度传感装置在设备维护，数据的记录、极值及异常值的处理等方面进行了分析，对提高数据的完整性和可用度以及设备的完善等方面给出了建议。

寒潮冰冻天气；自动站维护；异常数据处理

Abstract：A cold snap, with strong wind, cooling down and ice freezing, occurred in Yantai, on Feb.12 to 14, 2016. During the process, there were great influences on the measurement for wind and visibility using automatic weather station by the rain to snow weather and the rapid cooling down. In this study, based on the analysis on equipment maintenance, data recording, and extreme and abnormal value processing from the wind and visibility sensing devices, we gave some suggestions about the integrity and availability of measure data and the improvement of equipment.

Keywords：cold snap；maintenance for automatic weather station；processing on abnormal data

1 引言

低温雨雪冰冻天气往往会给气象观测带来较大影响，若自动观测设备未能采取预防措施，在低温、静风条件下会经常造成风速风向传感器失灵，使气象观测记录缺失。2008年1—2月我国南方地区发生历史罕见的低温雨雪冰冻灾害, 对交通运输、能源供应、电力传输、农业及人民群众生活造成了严重影响，同时地严重影响遍布各地的气象观测仪器，特别是测风仪器，影响最为严重[1]。2016年2月12—14日，山东境内出现一次强冷空气过程，伴随出现的大范围降水、降温、大风天气，对风和能见度观测也造成不同程度的影响，其中尤以烟台市最重。本文针对烟台市在此次天气过程中，对气象观测所带来的一系列情况进行了分析。

2 整体影响情况

受寒潮天气影响，2016年2月12日夜间开始，烟台市自西向东出现明显降水天气，13日凌晨到上午以雨为主，13日中午前后，陆续转为降雪。13日20时，全市主要降雪结束，13日夜间—14日，除烟台市区出现阵性降雪外，其他地区均无降水。截止14日16时降水结束，全市平均降水量为32.2 mm，最大出现在福山区，为43.2 mm。烟台日降水量打破建站以来2月份单日降水量历史纪录。12日下午开始，烟台全市气温明显下降，此次寒潮过程的最低气温出现在栖霞，为-8.3 ℃，其他各站气温均低于-4 ℃；海岛站观测到的海面最大风力为10级，阵风11级，陆地观测最大风力为8级，阵风10级，均出现在13日夜间。

此次天气过程出现了降水、大风、降温、大雾等天气，对部分自动观测仪器及记录造成很大影响，其中13日降水从雨到雨夹雪再到雪，气温下降再结合当时的降水形成冻结，造成自西向东先后有多个国家级自动站和区域站出现风传感器冻结现象，最多时全市有72个站点的风向、风速自动传感器被冻结，占全部站点的39.6%(表1、图1)，而强的降雪对部分台站能见度观测也造成了一定的影响。部分数据的缺失给气象极值的确定、数据的连续性、资料的应用等都带来很大的问题。下面就此次复杂天气过程的仪器维护及异常记录处理应对等进行分析。

表1 烟台辖区有人值守站(国家级自动站)因寒潮冰冻天气造成的影响Tab.1 Effects of cold wave and freezing weather on manned stations (national level automatic stations) in Yantai area

图1 烟台辖区自动观测站因风传感器冻结影响的站点数Fig.1 Number of stations affected by wind sensor freezing at automatic observation station in Yantai area

3 对风传感器的影响

目前烟台辖区风向风速传感器主要有两种型号：一种是无锡的ZQZ-TF、一种是天津的EL15-2D(1A)。这两种传感器均为单翼风向传感器和风杯式风速传感器，风向标和风杯转动带动内部格雷码盘或磁棒旋转而产生电压、电流或脉冲信号，进而感应出风向和风速，此次过程前期为降雨，而后气温迅速下降，快速转为雨夹雪或雪，降水和快速降温结合造成风向标和风杯冻结无法旋转，从而长时间无风记录。此次国家级自动站风要素最长的缺测时间长达23 h，对记录的连续性产生了很大影响。

3.1 风传感器的维护

①从此次过程的国家级自动站数据来看，风传感器冻结的4个国家级自动站中的3个为雨夹雪冻结导致，一个为雨伴随雨凇导致，冻结时气温为0℃～-1℃(图2)，最大风均降至4级及以下(图3)，而统计未出现冻结的其余7个国家级自动站气温降至0℃以下的情况则是最大平均风力均在5级，所以当气温在0 ℃或以下出现雨或雨夹雪，平均风力在4级或以下时，值班员就要重点观察风杯或风向标转动情况，及时用长杆轻轻拨动，防止冻结；已出现冻结时，需要人员爬上风塔进行转动维护，转不动情况下要对轴承外部加热。周晓倩等还提出采用放倒风杆，用小锤轻敲外部冰层，将传感器拆下，清除内部冰渣，擦拭干净，重新安装好，使其能自由转动，立起风杆，固定好拉线的方法[2]，可以根据情况尝试。

②常年易出现冻结的台站(如海岛站)可以考虑更换传感器型号，目前超声波风传感器可以不受冻结影响[1]，还有一种是尹宪志[3]、孙文良[4]等对风杯风向标传感器轴承内部添加加热元件使整个轴承在寒冷的天气运行进行过研究，并得出了自动站风传感器防冻加热保护装置能有效防御雨凇、雾凇和冰冻等冻害，确保观测资料的连续性和自动站正常运行的结论。

图2 风传感器冻结前的气温实况Fig.2 Temperature before the wind sensor is frozen

图3 蓬莱(a)、莱州(b)、长岛(c)、栖霞(d)站风传感器冻结前的风力实况(下线为正点平均风力，上线为阵风风力)Fig.3 Wind power before freezing sensor in Penglai (a), Laizhou (b), ChangDao (c) and Qixia (d) station(the line below is the average wind. The wind blowing is the Gusts of wind.)

3.2 风传感器异常时的记录处理

3.2.1 正点记录的处理 对正点时次风向、风速异常记录的处理，首先观察正点前、后10 min记录是否正常，正常的话用其代替；正点前后10 min记录均异常，双套自动站情况下，正点的风向风速记录用备用站记录代替，编发长Z文件发更正报。若两套自动站全部冻结，仅定时观测时次记录用人工目测代替(如08时、14时、20时)，风向按8方位、风速按13级风力等级进行观测，并记录其相应风速的中数值，记入2 min风向、风速记录中，其它时次记录按缺测处理。

3.2.2 分钟记录的处理 目前新型站分钟记录每日20时05分形成上传MDOS省局一体化平台，MDOS系统对日常反馈和疑误信息处理上都有明确的要求[5]，冻结时段内的风向风速分钟记录按缺测处理，修改分钟记录可以从两种渠道进行:一是找到本地原文件，在smodatase山东IIiiiAWS新型自动站质控Minute下，文件名AWS_M_Z_IIiii_YYYYMMDDHH.txt，打开原文件，找到对应的时间所在的行，小时分钟4个字节后依次为2 min、10 min、瞬时的风向风速，各占8个字节，修改保存后上传省局(图4)；二是20时05分后直接登陆MDOS平台调出冻结时间的数据依次缺测，提交平台，其处理方法黄敏堂在相应数据处理时也有提及[6]。

图4 分钟数据文件格式Fig.4 Minutes data file format

3.2.3 极值处理 正点数据中风向、风速小时极值缺测或异常时，从本时次实有记录中挑取。正点数据用正点后10 min或备份站代替时，若该值挑为小时极值，出现时间记为正点00分。

4 能见度传感器

目前烟台市能见度传感器是由华云升达气象科技有限公司生产的前向散射能见度仪，测量范围为10 m～30 km，传感器部分包括接收器、发射器和控制处理器等；前向散射能见度仪的发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两处。强降雪会遮住能见度传感器的接收器或发射器造成数据缺测，或能见度剧烈下降导致新型站软件误判断为大雾。此次过程共有2个台站出现了能见度的缺测。

4.1 能见度传感器维护

在强降雪天气下，出现大雪应及时清洁能见度传感器透镜，切忌长时间直视发射端镜头。

4.2 能见度异常记录处理

①当能见度设备故障或数据异常时，非定时观测时次的正点数据中所有能见度数据均按缺测处理；定时观测时次进行人工补测，人工观测值存入Z文件CW段能见度和VV段10 min平均能见度，其他VV段自动能见度数据按缺测处理，图5是软件操作界面。

图5 Z文件CW段能见度和VV段输入位置Fig.5 Z file CW segment visibility and VV segment input position

②强降雪造成能见度剧烈下降新型站软件误判断为大雾，人工删除大雾天气现象，在一体化平台的备注栏中03项备注。

5 小结

①当气温下降到0 ℃或以下出现雨或雨夹雪，平均风力在4级或以下时，值班员要重点做好风杯或风向标维护，提前预防冻结。

②超声波风传感器和一种在轴承部位添加加热装置的风向风速传感器，可以解决冻结的发生。

③风向、风速正点数据有缺失时按照先正点前、后10 min，再备用站，最后人工的顺序补救。

④能见度传感器在降雪天气应注意及时清洁透镜，以防缺测的发生。

[1] 周晓香，黄少平，刘冬梅.测风仪器抗御雨雪冰冻天气的对策分析[J]. 气象水文海洋仪器，2008(3)：32-33.

[2] 周晓倩，王喜华，金淑博.自动气象站常见故障及排除方法[J].山东气象，2014，34(4):91-92.

[3] 尹宪志，张强，胡文超，等.自动气象站风传感器雨雾凇冻害研究[J].高原气象，2011，30(3)：287-292.

[4] 孙文良，孙丘宁，任德发，等.自动气象站风传感器加热器的研制与实现[J].气象水文海洋仪器，2009(1):34-36.

[5] 韩艳君，王阔，韩春贤.台站级MDOS系统的日常反馈及疑误信息处理[J].贵州气象，2015，39(6):78-80.

[6] 黄敏堂.上思站一次自动站仪器故障的诊断、排除及数据处理[J].贵州气象，2012，36(3):52-54.

Themaintenanceofautomaticweatherstationandtheprocessingonabnormaldataduringacoldsnapwithfreezing

HA Yanli，HUANG Benfeng，YUAN Haibao

(Yantai Meteorological Bureau of Shandong Province, Yantai 264003, China)

P415.1+2

B

1003-6598(2017)04-0081-04

2017-07-10

哈艳丽(1979-)，女，工程师，主要从事气象观测工作，E-mail：pdfz75@126.com。