毛佩柱 毛智政 汪 俊 马士钦

秦皇岛市气象局 河北秦皇岛 066000

1 概述

气象观测是气象工作的基础,也是气象服务、气象决策的最重要的依据,关系到社会的经济发展、生产生活甚至人们的安全。气象观测(探测)工作十分重要。

台站取得的气象资料必须准确地代表一个地区的气象特点,气象资料应具有代表性、准确性和比较性,即观测资料的“三性”。

气象观测站是气象数据获取的业务部门,目前我国的气象站的类型,主要为有业务人员值守的国家级气象观测站,和无人值守的区域自动气象站。国家级气象观测站由气象观测员进行值守,观测的气象要素种类丰富,是我国气候资料的主要数据源。无人值守的区域自动气象站,观测的气象要素根据气象服务的需要,一般有单要素、2要素及多要素(4至7要素)。区域自动气象站数量巨大,分布广泛,是国家级气象观测站的补充,使气象服务人员获取空间上更加详细的气象观测资料,为气象决策和气象服务提供有力的数据支持。

区域自动气象站要取得区域性的气象观测资料,自动站必须广泛布设在一定的地理区域内,一般的情况下,合理的自动气象布设为每5～10平方千米架设一个自动气象站。

由于自动气象站分布范围广,而且对于地理环境复杂的地域,致使区域自动气象站的站址环境复杂,不仅对区域自动气象站的探测数据的代表性产生影响,有的甚至对区域自动气象站的运行安全产生影响,进而影响自动气象数据的准确及时,这些因素都是在区域自动气象站选址中必须重视的。

因建设中各种复杂原因的影响,区域自动气象站难以达到《地面气象观测规范》的观测环境条件,在数据的代表性上存在差距。在实际的选址中,由于站点附近土地权属问题,多数站点所在单位无法提供建站所需的理想探测环境。区域站站点受周边环境影响严重,区域站周边的山体、建筑、超高的树木以及观测场地外围超高的杂草等,对区域站的风向、风速、降水、温度等观测有很大影响。

2 区域站的场地周边环境对气象要素观测的影响

2.1 区域站周边植物的影响

区域站的定位为无人型自动观测,观测场地无法像有人值守的国家级气象台站一样达到对探测环境的维护严格要求。观测场地周边若为自然地貌时,杂草自然生长,超过观测规范要求,在植物生长季节,周边过高的杂草、灌木等,对气象数据将产生显著影响。

在日常工作中,区域自动站所在地周边的杂草一般超过100cm高,按观测规范要求,温度和湿度传感器的安装高度为距地面150cm。过高的植物使植物的枝叶,距离百叶箱内温度和湿度传感器的距离过近,对探测的温度和湿度造成影响。经过对比实验,发现当杂草超高时,对区域气象站的温度数据有明显的影响,特别是晴天天气条件下。当杂草高度超过50cm时,杂草场地的温度出现夜间低于标准场地,白天高于标准场地温度的特征。在晴天的夜间,草高在50cm时,低于标准场地平均0.2℃,草高在100cm时,低于标准场地平均0.3℃。在夏季晴天的白昼时段,草高在50cm时,高于标准场地平均0.6℃,草高在100cm时,高于标准场地平均0.8℃,最大的温差出现在14时时段内,最大温差为1.0℃。见图1。

图1 测站周边植物高度对温度数据的影响

2.2 区域站周边障碍物对风的观测的影响

为取得准确的气象观测数据,在《地面气象观测规范》中要求,国家气象观测站周围障碍物距离观测场的距离,应在障碍物高度的10倍距离以上。

通过障碍物对风速影响的实验,发现当风速在5.0m/s时,障碍物背风面方向上的风速衰减随距离增大而减小,在5倍障碍物高度距离处平均约衰减35%,在10倍障碍物高度距离处平均约衰减12%;风速大于5m/s时,背风面方向的风速衰减,在大约5倍障碍物高度的距离处衰减70%,10倍障碍物高度的距离处平均约衰减25%。

实验发现,当障碍物距离测站过近时,障碍物对迎风面方向的风速也会产生影响,经测试障碍物对风速的影响距离为迎风面上3倍建筑物高度。

障碍物的存在使测站的风向的观测受到影响,实验数据表明,当测站在障碍物的背风面方向上,当测站距障碍物距离为7倍建筑物高度;测站在障碍物的侧向方向上,当测站距障碍物距离为3倍建筑物高度;测站在障碍物的迎风面方向上,当测站距障碍物距离为1.5倍建筑物高度,测站观测的风向,与实际风向出现明显偏差。

由于区域站面积很小,秦皇岛市一般的区域站的标准约6米×6米,很多特殊地点无观测场地。由于较小的观测场地,区域站的运行极易受到外界环境因素影响。场地附近的高大树木、人为因素,以及供电情况影响,从而影响区域站的稳定运行。

3 特殊的站址环境对区域站安全性的影响

为更好地开展气象服务,很多气象站架设在海岛、海岸、河边、山地等地,这些特殊地段的环境,在恶劣天气出现时,可能对自动气象站的安全运行造成严重影响,甚至造成气象站的损毁。建立在山地的自动站因地势较高,接地电阻偏高的影响,在雷雨天气中,设备被雷击损坏的风险很大;建立在河流附近的自动站,在暴雨天气中,暴涨的河水可能造成设备的损坏;建立在海岸堤头的自动站,恶劣天气下海浪对气象站的威胁巨大。自动站的损坏,造成恶劣天气条件下气象数据的缺测,对防灾减灾等气象服务和决策的开展产生不利影响。因此在气象站选址时,应对区域站所处场所的安全性进行充分考虑,以避免区域站出现安全性事故而影响其运行。

3.1 区域站的损毁过程实例分析

在实际工作中,区域站受恶劣天气损坏的情况时有发生,在我市实际的运行情况中,总共发生较大的自动站安全问题3次,均造成了区域站设备的严重损毁,其中典型的为长城游船码头站的在气象和天文潮汐造成的恶劣天气条件下造成的损毁。

长城游船码头站建设在游船码头的堤头,位于堤头平台的东侧,测站环境特殊,环境测站东侧直面海洋,并缺乏防浪涌的冲击设施。见图2。2021年9月20日长城游船码头站在恶劣天气条件下被海浪损毁。从被摧毁的情况分析,区域站受到地形环境影响明显,在出现较强的东风及浪涌时,自动站承受的外界压力较大,是区域站被毁坏的主要原因。

图2 长城游船码头站测站环境

3.1.1 区域站损毁时段的天气背景

从2021年9月20日的850hpa天气实况中,秦皇岛地区位于低压气旋的北部,等高线密集,气压梯度大,是出现大风天气有利条件。见图3。当日为农历八月十四日,在天文上属于天文潮汐较强期,在天气条件的天文条件的效应叠加下,本地出现了持续的偏东大风,并出现风暴潮。

图3 2021年9月20日08时850hpa天气实况

3.1.2 区域站损毁时段的测站实况

在2021年9月20日的损毁中,秦皇岛沿海各区域站均出现长时间持续的偏东大风天气,各个站偏东风向稳定,持续时间超过20小时。从19日下午到长城游船站损毁时刻,沿海各区域站测得的风向均为稳定偏东风。秦皇岛海域沿岸的5个区域站2分钟平均风速长时间维持在10m/s以上,各测站的极大风速均大于20m/s,其中翡翠岛站极大风速达到30m/s。长城游船站自20日6时后到13时的损毁时刻,2分钟平均风速始终在15m/s以上。

由于受天文潮汐影响,长城游船站附近水位较高,海水水位超过平台高度,巨大海浪和浪涌剧烈冲击测站,且作用时间持续。长城游船站在恶劣灾害环境下损毁。

3.2 测站在灾害天气中损毁的影响

自秦皇岛建设区域站以来出现3次测站在灾害天气中损毁的案例,区域站在灾害天气中的损毁,不仅造成气象部门设备的损坏,但更为重要的是,测站损毁后,灾害天气下的气象数据的缺失,可能影响气候极值统计,同时恶劣的灾害天气,对公众的生活、工农业生产造成严重影响,缺失的气象数据,对于地方政府的防灾减灾决策影响巨大。

4 区域自动站选址中注意的问题

区域站的环境对获取准确的气象数据至关重要,区域站的安全对气象设备的保护和稳定运行非常重要,因此在区域气象站的站址选址时,一定要高度重视区域站站址环境,认真勘察,避免不利于区域站稳定运行的因素。

在可能的情况下,尽可能选择地势平坦开阔,具备一定代表性的站址。由于区域站站址均选址在地方政府所在地,一般都是在所在单位的边角地带建站,场地受外墙、建筑、树木的影响严重。在选址尽量选择地势开阔处,若十分不理想,可考虑在野外选择。

自动站选址时,特别是海岸、河边及低洼地段选址,要时刻对站址附近进行综合观察,避免影响自动站安全的外界因素,选择安全可靠的站址建站,避免自动站在灾害天气中的损失。常规地段,特别注意站址是否低洼,因低洼易积水地段,当水位达到雨量器翻斗位置时,雨量翻斗将不能翻动,造成仪器失效。

沿海地区在海岸堤头选址,尽量选择堤头内侧,不要在外侧直面海洋,避免直接受到海浪冲击,对于靠近海洋站区域站,应加固测站基础建设,并在迎海面建设防浪涌冲击设施。

对于建设在山地的区域站,建设时应建设闭合防雷接地网,接地电阻应小于4Ω,必要时应添加降阻剂,使接地电阻符合规范要求的标准,有效避免雷电的破坏。山地建设的区域站应选址在开阔地带,避免建设在山脚低洼地带,避免山体对测站风向风速的影响。

结语

区域自动气象站是对国家级气象站气象观测的补充,在我国经济建设服务和政府决策中提供了积极的参考依据。区域站的站址选择十分重要,不仅直接影响探测到的气象数据的准确性和代表性,而且特殊地带的环境,使区域站的安全稳定造成影响,增加测站的损毁风险。因此在日常的区域站站址选择时,加强对区域站周边环境的勘察,防范环境对区域站的不利影响。