基于自记观测和自动站观测的四川省降水数据集研究与应用.pdf
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1、139Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023 Special 专题基于自记观测和自动站观测的四川省 降水数据集研究与应用王凌1,3 鞠晓慧2 刘霄1,3 杜冰1,3(1 四川省气象探测数据中心,成都 610072;2 中国气象局国家气象信息中心,北京 100081;3 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,成都 610072)摘要:历史气象资料的数字化技术和科学研究不断发展和进步,通过对四川省国家级气象站近80万页降水自记纸迹线的数字化,并融合气象站升级自动观测系统后的降水观测数据,研制四川省序列
2、最长、时间密度最大的降水强度数据集,将四川省降水分钟数据提前到1951年;通过对数据集的完整性、规范性、数据约束等质量控制以及各相同时段降水过程总量最大值和对应时间过程等一致性对比分析,评估该数据集的适用性和准确性;广泛开展历史气象资料的拯救、数字化等研究活动,深度挖掘珍贵历史资料最大信息,为气象服务和科学研究提供更好的数据支撑,实现历史气象观测记录的科学价值。关键词:数字化,降水,质量评估及应用,四川省DOI:10.3969/j.issn.2095-1973.2023.04.023 Research and Application of Precipitation Dataset in Si
3、chuan Province Based on Self-recording Observation and Automatic Station ObservationWang Ling1,3,Ju Xiaohui2,Liu Xiao1,3,Du Bing1,3(1 Sichuan Meteorological Observation Data Center,Chengdu 610072;2 National Meteorological Information Center,Beijing 100081;3 Sichuan Provincial Key Laboratory of Heavy
4、 Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin,Chengdu 610072)Abstract:The digitization technology and scientific research of historical meteorological data have undergone continuous development.Through the digitization of nearly 800,000 pages of precipitation self-recording paper traces of
5、the national meteorological stations in Sichuan Province,and the integration of precipitation observation data after the upgrading of the automatic observation system of the meteorological stations,the precipitation intensity dataset with the longest sequence and the highest time density in Sichuan
6、Province was developed,and the precipitation minute data of Sichuan Province was advanced to 1951.The applicability and accuracy of the dataset was evaluated by the quality control of the dataset,including the completeness,normativity,and data constraints,and by comparing the consistency of the maxi
7、mum values of the total precipitation processes in the same time periods and the corresponding time processes.Extensive research activities such as the rescue and digitization of historical meteorological data are carried out to dig deep into the maximum information of precious historical data,provi
8、de better data application support for meteorological services and scientific research,and realize the scientific value of historical meteorological observation records.Keywords:digitalization,precipitation,quality assessment and application,Sichuan Province 收稿日期:2022年4月24日;修回日期:2022年9月9日第一作者:王凌(196
9、8),Email:wang_通信作者:鞠晓慧(1973),Email:。资助信息:中国气象局山洪地质灾害防治气象保障工程建设项目0引言0引言早期气象观测资料多以纸质记录为主,应用处理困难,而气象纸质历史资料有很高的科学研究价值和很重要的历史保留意义1-2。从20世纪70年代末至今,国内气象部门依靠“气候变化应对工程”“山洪地质灾害防治气象保障工程”等多个建设项目,开展历史纸质气象资料的数字化工作。数字化技术从早期的人工录入到现在的利用图像识别技术进行报表数据识别和自记纸的迹线提取。随着计算机和网络技术的发展,针对报表资料,韩瑞等2开发了基于DBnet和众筹策略的气象纸质表格快速数字化方法及系统
10、;针对自记迹线的数字化,中国气象局气象信息中心开发了基于深140Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023度学习模型的人工智能自动识别方法,实现自记迹线的高精度识别3。气象数据再分析技术(RA)和气候变化研究,催生抢救早期气象观测记录的国际合作项目,2019年11月,国际地球大气环流重建(ACRE)计划中国、东南亚和日本子计划联合学术研讨会召开,中国气象局积极参与了“ACRE CHINA”子计划项目,让我们有机会进一步认识早期气象观测记录的价值所在,持续对早期观测记录开展拯救、数字化和分析等研究活动4。
11、降水现象是常规地面气象观测业务的基本内容之一5。2000年前后,中国气象局开始在台站布设地面自动气象观测系统,逐步实现了人工观测向自动观测方式的转变6,使得气象观测数据直接以数字的方式呈现。早期的降水自记纸虽然记录了观测时段降水的全过程信息,但一般只是人工读取了自记纸的部分定时值,还远没有发掘出更多自记纸上气象观测数据的价值。本文将四川省有降水自记观测的151个气象站历史降水自记纸记录,通过技术方法实现数据化,整合自动站正式运行以来的降水数据,最终建立了四川省159 个国家级气象站自建站有降水观测以来的完整序列的降水强度数据集,使四川省最早的降水分钟数据从最早建立自动气象站的2004年提前到1
12、951年。1数据集概述1数据集概述1.1 数据集简介1.1 数据集简介四川省分钟降水数据集(SURF_CLI_SC_PRE_MIN)和小时降水数据集(SURF_CLI_SC_PRE_ HOR)包含了四川省区域内(98.10 108.03 E,26.5 33.58 N)159 个国家级地面气象站有降水自记观测(最早1951年)至2020年逐分钟和小时降水数据文件以及数据集说明、数据格式说明、台站信息表、异常处理情况登记表和元数据文档,其中包含了成都、内江、泸州3个已经撤销的国家站近50年的自记观测数据。数据集的站点(图1)涵盖了四川省各区(市、县),分布较为均匀,对于解析四川省盆地、山地、高原等
13、不同地形地貌降水特征,具有重要意义。1.2 数据研发1.2 数据研发1.2.1数据来源1.2.1数据来源数据来源于以下几部分:1)四川省151个国家级气象站(个别高原站无降水自记观测)建站有降水自记观测自动站正式观测前一年的自记纸迹线提取分钟、小时降水数据(R01和R60文件);2)四川省156 个国家级自动气象站运行以来分钟和小时地面要素月数据(J和A文件);3)个别站自动观测时J文件丢失而有相应降水自记纸,通过补充提取自记纸迹线而形成的分钟数据(R1文件)。1.2.2技术路线1.2.2技术路线通过对四川省历史降水自记纸扫描图像文件中降水迹线的数字化提取,形成降水分钟、小时数据文件,结合自动
14、观测以来的降水数据,形成有自记降水观测以来长序列、全时段省内国家地面气象站分钟、小时降水数据7。1.2.2.1降水自记记录的数字化提取1.2.2.1降水自记记录的数字化提取在历史气象资料拯救与数字化实施过程中,为保证资料安全及数字化质量、节约成本,需遵循安全性、真实性、内容选择、全程规范化管理等原则8。利用中国气象局推广的“降水自记纸数字化处理系统软件”,对四川省气象档案馆馆藏的70余万页降水自记纸迹线进行逐张跟踪提取。最终形成降水曲线文件(*.zjr)以及各站参数文件(*.lib)9。图2为提取示意图。利用“降水自记纸数字化成果质量检查和评估软件”,通过人工和软件相结合的方式,回放检查迹线跟
15、踪准确性,时间和异常处理是否正确,通过软件统计和挑取的小时数据、趋势、过程总量、年度最大降水、最长连续降水是否吻合等三级质量检查,确认提取迹线正确。图3为质量检查示意图10-11。结合降水曲线文件和参数文件完成数据转换,形成自记降水小时(R60)、分钟(R01)数据文件9。1.2.2.2自动站降水分钟数据的获取1.2.2.2自动站降水分钟数据的获取受早期自动站和质量控制技术的局限性影响,各时期对自动站地面观测分钟月数据文件(J文件)的质量检查把握尺度不一,与经过严格质量控制的小时月图1 四川省分钟、小时降水强度数据集站点分布 Fig.1 Station distribution in the
16、dataset of precipitation intensity per minute or hour in Sichuan Province国家站34 N 32 N 30 N 28 N 26 N98 E100 E102 E104 E106 E108 E141Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023 Special 专题数据文件(A文件)的降水数据存在差异或不匹配情况。数据研发过程中对四川省156个国家级气象站自动站正式运行后逐月降水数据进行了严格的检查和数据修正(包括格式、气候界限值、极值以及内
17、部一致性检查等)。1.2.2.3两类数据融合1.2.2.3两类数据融合降水自记纸迹线提取形成的R01、R60文件分别和J文件中的分钟降水数据、A文件中的小时降水数据进行格式转换、融合,分别形成四川省有自记降水观测以来完整序列的分钟降水记录和小时降水记录。根据降水数据集制作技术规范,编制数据集格式说明、台站信息等说明文档和元数据文档,建立四川省分钟、小时降水强度数据集11-12。2数据集的质量评估2数据集的质量评估对数据集的评估重点考虑数字化过程中人为或技术的漏、误等影响因素以及降水数据本身的属性,根据质检规则和数据约束,对数据进行单点极值阈值的质量控制并且对站点时间、空间数据进行比对分析,评估
18、数据的准确性和适用性。2.1 数据集质量控制2.1 数据集质量控制2.1.1完整性、规范性检查2.1.1完整性、规范性检查该数据集在中国气象局的评估结果中达到完成率100%,合格率100%。通过了中国气象局数据成果完整性、规范性、一致性检查。2.1.2数字化部分数据检查2.1.2数字化部分数据检查数字化过程中三级质检,通过软件统计核实降水定时、趋势、过程总量、最大降水、最长连续降水与已有人工观测记录的吻合情况,确认了数据正确性。为避免数字化过程中缺漏提取或自记纸缺失的问题,要检查自记纸数字化提取的降水数据的完整性。方法是利用数据集分钟降水数据计算日降水合计值,与同期人工观测雨量器日降水量R进行
19、比较,检查降水日数和降水量一致性。对超出误差范围的样本,计为数据不一致,判为疑误,进行核实修正。根据技术图2 降水自记纸迹线整张提取完成示意图 Fig.2 Complete extraction of self-recording precipitation traces图3 降水自记纸迹线提取质量检查示意图 Fig.3 Quality inspection for the extraction of self-recording precipitation traces142Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13
20、(4)-2023规定误差范围如下:雨量器日降水量R5.0 mm,绝对误差0.5 mm;雨量器日降水量R5.0 mm,绝对误差R10%。通过对该数据集151个站70多万页自记纸的一致性统计对比,共检测出超误差范围的样本数为5755个,约占总样本数的0.8%。经人工核实,其中包含有未提取的周记自记纸和部分历史原因批量虫蛀和损坏的自记纸,其它经核查,或确认与人工雨量器观测雨量存在误差,数字化提取数据无误,或进行了修正。2.1.3数据极值检查2.1.3数据极值检查降水要素的极值问题一直是研究暴雨过程的重要因素,保证数据的准确性尤为关键。选取分钟降水界限值为6 mm,针对数据集中分钟降水量6 mm的数据
21、提出疑误,进行人工核实。经查,该数据集中分钟降水量6 mm的记录仅为16条,全部进行了人工校对修正。2.2 数据适用性评估2.2 数据适用性评估自动站J文件的分钟降水数据经过了研发过程中的严格审核,数据集的数据适用性主要集中在对降水自记迹线数字化提取的分钟降水自记数据(以下简称自记提取)和同期人工读取自记迹线降水数据(以下简称人工记录)的一致性分析,来验证数字化提取的分钟降水数据的适用性,进而检验数据集的准确性13。以数据集中19802000年四川省盆地温江、德阳、蒲县、乐山、自贡、安岳6个国家站分钟降水数据为基础,用逐分钟滑动求和分别计算迹线提取的逐年逐5、10、15、20、30、45、60
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