临桂站极大风速观测值可靠性分析

李艳萍 黎锦雷 陶伟 杨丽丽 毛寿兴

(1 广西壮族自治区气象技术装备中心，南宁 530022； 2 广西壮族自治区梧州市气象局，梧州 543002)

引言

2019年3月21日21:13，临桂国家气象观测站(以下简称临桂站)观测到分钟内最大瞬时风速是60.3 m/s，根据风力等级表[1]，平地10 m高处的风速范围56.1～61.2 m/s的风力等级是17级(12级是飓风)，超过了2014年超强台风“威马逊”在广西涠洲岛创下的极大风速记录59.4 m/s。临桂站位于广西桂林市临桂区，地处内陆，出现如此极端的大风，实属罕见，当即有数据使用单位对临桂站观测到的60.3 m/s极大风速值的真实性提出质疑，同时对观测设备性能是否还可靠也提出了疑问。省级保障部门通过对临桂站观测场内主用、备用双套自动气象站观测资料进行分析，检查观测设备性能，撤换风传感器并送到国家气象计量站校准等，分析了临桂站极端大风观测值的真实性和观测设备性能可靠性。

国内有学者研究中国强风区分布、强雷暴大风特点、台风极端大风的变化等，认为西部内陆地区强风主要出现在春夏两季，气压梯度力是形成西部内陆地区强风的根本动力，强风分布和地形有很大关系[2-4]。地面气象资料质量控制方法的研究，国内已经开展了一些工作并应用到业务工作中[5-8]，对自动气象站实时观测资料(包括风观测资料)的质量控制方法和流程的研究有了一定的进展，质量控制方法主要采用格式检查、缺测检查、极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查、空间一致性检查、综合判断检查等，还有学者从计量角度提出还应对仪器传感器失效、长期漂移进行评估[9-11]。针对大风特别是极端大风，很多研究工作[12-16]主要是从大气背景去分析大风形成机制，鲜有从观测设备性能可靠性去分析数据的准确性。针对临桂站极端大风观测值的真实性和观测设备性能可靠性的分析过程和结果，对地面气象资料质量控制研究工作和极端天气过后设备运维措施有重要参考意义。

1 极端大风观测值出现过程和观测资料分析

1.1 极端大风观测值出现过程

2019年3月21日21:13，临桂站观测到分钟内最大瞬时风速达60.3 m/s，随后急速下降；同时本站气压缺测1 min，市电开始停电，观测场启用UPS供电；21:22开始因百叶箱被吹倒传感器损坏造成气温、相对湿度缺测。观测场内安装有另一套实时运行的备用自动站设备，数据上传主要以主用自动站数据为主。翟丽萍等[16]对本次临桂站极端大风的发展演变和成因进行了分析，结果表明此极端大风是由线状对流系统中超级单体风暴产生的湿下击暴流造成，极端大风是发生在有利的天气形势下，高空槽提供了很好的动力背景，上干冷下暖湿的不稳定层结显著，有利于雷暴大风等强对流天气的产生和发展；临桂上空具有很好的产生雷暴大风的环境条件及发展成超级单体风暴的潜势；地面冷空气适时抵达利于斜压性增大和低层中气旋的形成及加强，从而利于下击暴流的增强，是形成极端大风的重要因素。

1.2 自动站观测资料分析

通过对比分析在极大风速出现前后的主用、备用自动站观测资料的变化情况来从观测数据的角度判断临桂站极大风速值的真实性。从主、备自动站的风向、风速、本站气压逐分钟变化曲线(图1)来看，2019年3月21日20:54开始，2套自动站的风向均出现由东南风转东北风再转西北风的逆时针转向，风速也随之逐渐增大，21:08开始风速急增，21:13达到最大值，主用站分钟内瞬时风速60.3 m/s，备用站分钟内瞬时风速59.5 m/s，主用站与备用站的风速值相差0.8 m/s，数值相近，随后2 min风速急速下降，主用站降幅52.6 m/s，备用站降幅52 m/s；2套自动站的本站气压变化趋势和缺测情况也很一致，21:10—21:12本站气压陡降(主用站降幅2.9 hPa，备用站降幅3.0 hPa)，21:12—21:14本站气压陡升(主用站升幅6.4 hPa，备用站升幅6.5 hPa), 2套自动站在21:13同时出现本站气压缺测，根据《自动气候站数据采样算法和质量控制》[17]的规定，本站气压的采样频率30次/min，有效采样样本允许最大变化值是0.3 hPa，采集器对采样值变化速率检查，当2个采样值的差异大于允许最大变化值时，当前采样值被标记为无效(不可信)，计算瞬时气象值要求有效样本比例大于66%，临桂站21:13本站气压缺测，说明当时气压陡升，有超过20 s连续陡升幅度过大，升幅超出了现有质量控制规则范围，采集器记录的有效样本值比例少，导致本站气压记为缺测。

图1 2019年3月21日20:30—21:55临桂站主站(a)、备用站(b)分钟内最大瞬时风速及风向、本站气压逐分钟曲线

从主、备自动站降水、气温、相对湿度逐分钟变化曲线(图2)来看，2套自动站均显示从2019年3月21日20:59开始出现降水，雨强逐渐增大，21:14分钟降水量达到最大值，主用站6.6 mm，备用站6.7 mm，均超出雨量传感器的测量降水强度范围(SL3-1型雨量传感器，测量降水强度4 mm/min以内)，主用站小时降水量48.1 mm，备用站小时降水量47.2 mm；气温逐渐下降，相对湿度逐渐上升，21:14备用站相对湿度开始缺测，21:22主用站气温、相对湿度缺测。临桂站保障人员事后对观测场设备检查时，发现百叶箱被风吹倒损坏，并向东南向移动1 m左右，百叶箱吹倒移动过程温湿度传感器及线缆受到不同程度的损坏，是造成主、备自动站气温、相对湿度在不同时间出现缺测的原因。

图2 2019年3月21日20:50—22:55临桂站主备用站降水(a)、气温(b)、相对湿度(c)逐分钟变化曲线

根据以上对主、备自动站观测资料的对比分析，2套自动站的观测资料变化趋势一致，误差小，缺测情况一致，观测资料变化符合要素间的逻辑关系，结合观测场百叶箱受损情况，可认为临桂站的观测资料的可信程度很高。

2 风速传感器撤换检查和检定

临桂站的主用和备用自动站的风速传感器均为同一型号(表1)，测量范围0.3～60 m/s，抗风强度75 m/s，均在计量检定周期内，其中主用站的风传感器比较接近有效期。2019年3月21日晚临桂站观测到的极大风速值，其中主用站60.3 m/s已经超出了传感器的测量范围，备用站59.5 m/s很接近测量范围的界限。通过撤换风速传感器进行外观检查和检定来确认风速传感器的性能是否可靠，从设备性能角度进一步分析极大风速值的准确度。临桂站同时撤换了主用和备用自动站的风速传感器，并将撤换下来的风速传感器做好标识寄回省级计量所进行检查、检定。

表1 临桂站主、备自动站风速传感器基本信息表

2.1 风速传感器外观检查

撤换下来的主用站、备用站2套风速传感器的风杯表面都存在不同程度的凹陷(图3)， 主用站传感器较之备用站传感器甚为严重，主用站风杯表面共16处凹陷，备用站风杯表面共4处凹陷，凹陷边缘均匀(图3中方框处)，根据风杯表面的凹陷数量和形状特点，可以排除因撤换或运输过程外力导致。据临桂站保障人员反馈，22日对观测场进行全面检查和设备修复时发现，有一块长约1 m、重约2000 g的铁皮被风吹到风塔上并悬挂在2.5 m高处，可见当时风力和上扬力度是非常强的。因极大风速出现时间是夜间，观测场的实景监控系统无法观察到真实场景，根据临桂站数据资料分析结果和观测场周边情况可推断，风杯表面的凹陷应该是在极端大风出现时被大风扬起的沙砾快速冲击而导致的。

图3 临桂站主备站风速传感器风杯受损(红色方框显示凹陷处)

2.2 风速传感器检定结果

主用站、备用站的风速传感器已经出现不同程度的损坏，传感器性能是否还可靠，观测出来的风速值偏差是否还能使用，需要送到风洞实验室检定进一步确认。广西省级计量所仅有40 m/s实验室，无法满足传感器检定要求，最后将撤换下来的2套风速传感器送到国家气象计量站进行检定，考虑到全面检查风速传感器性能， 同时也从省级库房选了一个同型号、全新的风速传感器一起送检。表2是风速传感器的校准数据，风速传感器的最大允差是±(0.5+0.03V) m/s[18]，表中加粗的数据是属于超差的。主用站、备用站的风速传感器在各校准点的风速均表现偏大，其中，主站风速传感器在启动风速、20～60 m/s校准点不符合检定规程要求，超差严重，9个校准点仅有3个合格，应该是与风杯表面的多处凹陷有很大的关系；备站风传感器和新风传感器在60 m/s校准点不符合检定规程要求，超差程度相近，备站风速传感器虽然风杯也有少量凹陷点，但大部分校准点都合格，性能和新风速传感器接近。从检定结果来看，2019年3月21日21:13临桂站主站观测值60.3 m/s、备站观测值59.5 m/s比真实风速要偏大，主用站观测值(60.3 m/s)偏差程度更严重。

表2 风速传感器校准数据 m/s

风速传感器出厂风速与频率的线性公式是Vs=0.049f+0.3(Vs为风速，f为传感器输出频率)。在分析风速传感器校准数据发现，主用站、备用站的风速传感器的频率值与风速值仍有非常好的线性关系(图4)，线性相关系数R2=1，因而得出主用站和备用站风速传感器风杯受损后新的线性公式，主用站Vs=0.0452f+0.6078，备用站Vs=0.0466f+0.4632。通过出厂线性公式反推出极大风速出现时风速传感器的频率值，根据新的线性公式，可以订正出比较接近真实的风速值，订正结果是：主用站自动站观测出的极大风速值60.3 m/s订正为55.95 m/s，备用站自动站观测出的极大风速值59.5 m/s订正为56.76 m/s，订正后主用站与备用站风速值相差-0.81 m/s，数值相近。

图4 临桂站主站(a)、备用站(b)风速传感器频率与风速线性关系

3 结论与讨论

临桂站2019年3月21日21:13观测到60.3 m/s极端大风，极大风速值出现后2 min内风速急速下降，内陆出现如此极端的大风，实属罕见。为了确认临桂站观测到的60.3 m/s极大风速值的真实性，利用临桂站观测场内主用、备用自动气象站观测资料进行对比分析，撤换风传感器并送到国家气象计量站校准检查观测设备性能，从观测资料角度和设备性能角度进行综合分析。得出如下结论:

(1)临桂站极端大风值出现前主、备自动站观测资料变化趋势一致，误差小，缺测情况一致，观测资料变化符合要素间的逻辑关系，结合观测场设备受损情况，说明3月21日晚临桂出现非常罕见的极端大风，临桂站的观测资料是可信的。

(2)检定结果说明临桂站风速传感器风杯受到一定程度损坏后频率值与风速仍然存在很好的线性关系，根据新的线性关系订正出风速值55.95 m/s，订正值更接近临桂站2019年3月21日21:13的极端风速的真实值。

根据临桂站极大风速观测值的真实性分析和处理过程中总结的经验和不足，在数据质量控制、观测数据极值认定及订正应用、设备运维措施等3个方面提出了思考和建议：

(1)现行数据质量控制方法对本站气压要素的设备端质量控制要求是，有效采样样本允许最大变化值是0.3 hPa，在前文的分析中可知临桂站2019年3月21日21:13本站气压缺失证明了某些极端天气下气压的突变是有可能出现相邻气压采样样本变化值超过0.3 hPa，建议对数据质量控制方法特别是设备端的质控方法做进一步研究和修改。

(2)临桂站观测出60.3 m/s极端大风，超过了2014年超强台风“威马逊”在广西涠洲岛创下的极大风速记录59.4 m/s，事后对风速传感器检查和检定发现，传感器受到一定的损坏但采集信号和风速值仍有很好的线性关系，意味着还可以订正出比较接近极端大风的真实风速，最后订正出55.95 m/s，因为没有相关规定和要求，目前订正值仅仅是作为设备性能的参考。极端天气过程往往会产生一些容易质疑的观测数据，特别是有可能产生某一个区域的观测数据极值，对这类数据如何认定和应用，建议制定统一处理规范。

(3)极端天气出现的过程中不一定会对观测设备带来致命损坏，但有可能对观测设备性能造成一定的漂移。临桂站极端天气发生后，因问题主要聚焦在极大风速观测值的真实性上的讨论分析上，除了对已经造成损坏的温度湿度传感器进行检查和修复外，没有及时对风向风速传感器之外的观测设备进行必要的质量检查或核查甚至撤换，无法保证极端天气过后所有观测设备保持原来的性能。建立和执行极端天气过后设备运维措施是非常必要的。