调优站网布局融合乡村振兴提升气象服务精细的思考

曹久才，吴 辉，杨经博，刘建忠

（1门头沟区气象局，北京102300；2北京市气象局，北京100081）

0 引言

随着国内大气探测业务的飞速发展，大气监测自动化系统建设进入了新的发展阶段。区域自动气象站是国内综合气象观测系统的重要组成部分，学者们对区域自动气象站做了一定研究。夏泽雄等[1]针对区域自动气象站建设过程中的站址选择、现场施工、雷电防护以及日常维护等方面进行了总结性阐述；李雁等[2]从主要技术路线、实现的主要功能以及建设中所采用的关键技术等方面介绍了中国区域自动气象站运行监控系统的建设情况。利用区域自动站丰富的气象要素资料，可分析各站点雨量差异以及不同季节和天气状况下各站点气象要素的变化规律。张立杰等[3]利用深圳市103个自动站气温观测资料研究城市热岛现象；刘伟东等[4]利用北京地区自动站的降水观测资料聚类分析北京地区降水特征，研究发现北京西部降水集中出现在6月逐日18—20时、7月逐日23时—次日03时，降水小时数最多，降水强度不大，降水量不大。区域自动气象站具有分布面积广、资料获取准确度高、时空分辨率高、传输及时、并能获取空白区域资料的特点，使国内地面观测网对天气系统特别是中小尺度天气系统和灾害性天气系统的监测能力大大加强，在气象服务中也得到广泛应用。龚佃利等[5]、李欣等[6]采用Barnes逐步订正客观分析、带通滤波等方法建立了基于自动气象站高时空分辨率实时观测资料的精细天气分析和业务应用系统；丁立善等[7]、赵建军[8]、宋歌[9]利用区域自动站资料作短时临近预报预警方面进行了研究；山义昌等[10]利用自动气象观测站资料从中小尺度天气系统的识别、人工影响天气作业时机的选择、人工增雨作业效果评估3个方面总结了其在人工影响天气作业中的应用；江海生等[11]研究了2006—2008年区域气象观测降水与地质灾害发生情况的关系，并提出了有针对性防范山洪地质灾害的方案和流程；张万东等[12]利用天柱县区域自动气象站在实际天气个例中的应用分析，探索区域自动气象站在防灾减灾中的运用；陆霞等[13]总结认为，区域自动站观测资料的应用提高了定点、定时、定量预报的准确率，提高了农业灾害监测能力；巫志刚[14]认为利用随时监测到实时的气象要素资料，实行科技农业，对各农事有着很好的指导作用。很多学者对区域自动气象站的建设、观测资料的分析以及在气象服务中的应用研究较多，但在区域自动站调优方面研究较少，尤其是对北京西部生态涵养区的门头沟区研究更少。何光碧等[15]利用西南区域自动站资料进行区域模式预报影响的同化试验分析，总结同化自动站资料对不同个例改善程度不同，认为其对极端强降水事件改善最为显著。门头沟区地处北京市西部，是与河北交界的山区，有着独特的地理环境，地形复杂，沟壑多，局地性强对流天气多发。2017年6月18日门头沟区与河北交界山区出现强降水，形成局地山洪，引发灾情。但京冀两地气象部门观测站监测到的雨量均在10 mm左右，凸显京冀交界区、山洪沟等隐患点灾害性天气监测能力不足。因此，亟需在京冀交界山区门头沟区加密布设自动气象站，对门头沟区山洪、泥石流易发区等重点区域的进行有效探测，为当地政府部门提供精细化气象服务，达到防灾减灾的目的，融入乡村振兴战略中。

笔者针对北京西部生态涵养区门头沟区防灾减灾需求，聚焦门头沟重点山洪沟、泥石流等隐患重点区，分析了门头沟区2018年区域气象站调优情况以及调优前后不同地形的降雨分布特点，并结合实例分析区域气象站调优在乡村振兴和精细化气象服务中发挥的效果，并提出相关建议，提升对门头沟重点山洪沟、泥石流等隐患重点区的气象监测能力，为提升应对门头沟区灾害性天气的防灾减灾能力和应急响应能力提供基础数据支撑。

1 门头沟区自动气象站布局情况

1.1 2017年自动气象站网整体布局

2017年门头沟区共有33个气象观测站（或点），其中，2个国家一般气象观测站分别在门头沟城区和斋堂镇；其他31个区域自动气象站（六要素站14个、温雨站7个、单雨量站10个）分布在门头沟区九镇四街。从图1可以看出，东部平原地区自动气象站相对密集，10 km左右1套；西部深山区自动气象站相对稀疏，最远相距21 km；门头沟区北部与河北交界处自动气象站分布更稀疏，不利于边界处雨情信息收集。

图1 2017年门头沟区自动气象站网分布图

1.2 2018年自动气象站网整体布局

1.2.1 2018年自动气象站建设情况 2018年北京市气象局依托“十三五”工程项目，以京冀两地实际需求为牵引、以防灾减灾为目的，在京冀交界的门头沟区山洪泥石流易发区等隐患重点区的监测能力薄弱环节加密布设自动气象站。按照门头沟区气象灾害风险评估与区划[16]，2018—2019年门头沟区新建六要素气象站4个、温雨气象站22个，合理兼顾了重点村、人口密集区、流域和山区地质灾害易发区等重点区。

从图2可以看出，2018—2019年门头沟区自动气象站数量达59个，平均7 km左右1个，分布广泛、布局较合理，尤其是与河北交界处新增自动气象站，实时观测上游天气情况和“客水”来源、降水量，及时准确了解上游地区降水等气象资料，提高灾害性天气监测预警联防能力，为地方气象防灾减灾服务打下坚实基础，减少因气象灾害引发的人员伤亡和财产损失。

图2 2019年门头沟区区域自动气象站网分布图

1.2.2 2018年自动气象站地理分布 门头沟区根据地理位置分为门城区（平原）、浅山区、深山区。门城区有3个镇、3个街道办事处，土地面积少，却集中了全区60%以上的人口；浅山区有3个镇、1个街道办事处，为全区特色林果特别是鲜果的主要产区；深山区有3个镇，占地面积大，以干果为主的特色林果，产量在全区占有重要的地位。从不同海拔高度地区自动气象站分布情况（图3）可以看出，自动气象站在门城区（平原）、浅山区、深山区均有分布，分别为6、16、37个。其中，海拔最高的自动气象站为灵山站，海拔高度1669 m；其次为向阳水站，海拔高度1475 m；永定站海拔最低，海拔仅96 m。许显花等[17]研究同仁地区精细化降水分布特征，可掌握降水量分布情况，可直接服务于乡镇级预报预警服务。所以不同海拔高度上均有自动气象站的分布，实时监测雨情等气象信息，可以为研究不同海拔高度地区小气候特征提供数据支撑，有利于防灾减灾，同时对指导农业生产也起到良好的作用，

图3 门头沟区不同海拔高度地区自动气象站分布情况

2 门头沟区汛期降雨情况

2.1 2006—2017年汛期降水量分布

对不同海拔高度汛期平均降水量的分布情况进行分析，有利于提高强对流天气预报预警服务针对性、有效性。分析2006—2017年不同海拔高度地区的自动气象站汛期平均降水量分布情况（图4），汛期平均降水量最小值出现在向阳口站，最大值出现在东山村站，且海拔高度低的门城区汛期平均降水量(456.5 mm)多于中、高海拔的山区（分别为382.9、390.0 mm），说明不同海拔高度地区的汛期平均降水量存在明显的地域性差异。段志方等[18]也发现不同海拔高度降水分布存在很大差异，同一纬度、同一迎风面上，海拔越高，降水量就越大；孔玲[19]对张家口市区到张北县狼窝沟30 km不同海拔高程的降水特性的差异进行了研究，同样发现降水量随地势的不同差异显著，坝头一带降水量偏大，其余2处差异不显著。

图4 2006—2017年不同海拔高度地区自动气象站汛期平均降水量分布情况

2.2 2018年汛期降水量分布

优化自动气象站网分布之后，2018年不同海拔高度地区的自动气象站降水量（7—9月）分布情况如图5所示。中、高海拔地区新建自动气象站的降水量较大，平均降水量分别为382.8、423.3 mm，大于低海拔的门城区平均降水量(335.7 mm)，与优化自动气象站网分布之前的汛期平均降水量规律有所差异。说明自动气象站优化加密之后，雨量信息遗漏较少，能更全面地反映门头沟区实际降雨情况，更准确地提供精细化的雨情气象信息，有利于进一步完善预报、预警服务体系，为决策服务和公众服务提供保障支撑。

图5 2018年7—9月不同海拔高度地区自动气象站降水量分布

3 自动气象站实际效果检验

2018年门头沟区自动气象站网不断完善，大大提高了对暴雨、局地强对流天气实况的监测能力，准确及时反映局地突发性灾害天气实况。结合本区经济社会发展特点，全面开展防灾减灾气象服务，有效发挥了自动气象站网的作用。2018年新建的清水镇小龙门、洪水口等站点在7月2—3日发生强降雨天气过程中发挥实效，弥补了山区复杂地形的自动气象站的空缺，如图6所示。通过实时监测局地强降雨变化情况，结合雷达、卫星云图等资料分析天气情况，及时、精准地发布实时服务信息和预警信息，为领导决策、乡村人员转移提供了科学支撑。整个过程监测到雨量小龙门137.9 mm、洪水口114.5 mm，达到暴雨量级，清水镇共完成小龙门村4户7人、洪水口村1户1人的转移工作，成功解除了强降雨带来的人员生命财产的损失，服务效果受到当地政府的肯定。

图6 2018年7月2日13时—3日09时降水分布情况

4 思考与探讨

气象数据资料要素场变化规律对于系统性的天气预报预警能够起到较好的指示作用，但对于局地性较强的强对流来说，不易寻找规律，较难在灾害性天气出现前做出判断，是临近预报预警的另一个难点。区域自动气象站具有分布面积广、获取的气象资料准确度高、时空分辨率强、传输及时等特点，并且减少了复杂地形下人类无法进行连续观测的盲区，在大气探测领域发挥了越来越重要的作用，在气象服务中得到广泛应用[20]。而区域自动气象站网的优化建设，又大大增加了气象资料的空间、时间密度，实现了对短时突发性和局地性灾害天气的实时、连续监测，提高了气象部门对灾害性天气的监测能力和突发事件应急救援气象保障服务能力，为各级党政领导能够随时掌握各乡镇的实时气象信息情况，做好防灾减灾决策提供科学决策依据。

区域自动气象站网的优化建设，不是一劳永逸的，而是一个不断升级改进的过程；区域自动气象站网的优化建设，并不只是简单的设备安装，而是后续的维护使用，并协助气象部门不断提升气象预报预警服务水平[21-22]。门头沟区目前的区域自动气象站网的优化建设取得了一定成效，但更应该思考如何更高效、更合理化进行后续区域自动气象站网的优化建设和管理，进一步高效发挥精密监测能力，从而将基层气象部门的精细化气象服务融入门头沟区政府乡村振兴战略之中，在全国气象部门形成良好的示范作用。

4.1 加强现有气象站网管理

加强设备的升级改造。要保证数据的准确性，就必须保证仪器的正常运转，日常维护区域自动气象站不容忽视，应进一步利用好现有场地进行设备的智能化观测升级；对于通讯网络没有覆盖或较差的地区，且选址位置又是关键的地方，采集器设备能否升级为双卡双待；无线通迅设施的建设还需地方政府的进一步协调沟通，解决一些深山区关键沟域无线网络信号的问题，以保证数据传输的正常。尤其汛期对于易发生山洪、距离较长的沟域上游，要加强设备的巡视力度，避免灾害性天气发生设备故障带来的隐患。建立长效机制，应明确专门人员进行装备保障工作，加强监管。

4.2 加密建设气象站网

在开展防灾减灾工作时，继续优化完善重点区域气象灾害监测能力，在气象灾害高影响区和高海拔区域、流域等气象观测空白区，进一步增加区域自动气象站的建设，可从均匀向不均匀调优站网布局。在群众活动密集区、经济社会发展关键区、国家重要基础设施区、生态易灾脆弱区、偏远和人口稀疏区，因地制宜地完善气象灾害加密监测站网并升级智能化观测设备[23-24]。

4.3 加强多种气象方式融合应用

区域自动气象站网的优化建设和使用对汛期暴雨的实时监测很重要，能够及时监测局地雨量的变化情况、雨强大小、时间的持续性等。结合天气图、数据预报产品、X波段雷达、卫星云图、云雷达的情况分析，可以方便、准确、及时地进行短时临近暴雨预报预警[25-27]；此外，结合定量化的气象灾害风险评估方法，推进气象灾害风险的实时动态研判和分析，发挥气象服务精细手段，为地方政府领导决策提供科学依据。

4.4 完善气象监测体系机制

区域自动气象站观测站网较广泛的覆盖范围和较强的时空分辨率以及信息传输能力，能够更精准地收集小尺度范围内的气象信息，及时监测地形复杂地区的天气实况，提前预测灾害性天气的发生，有利于促进开展区域防灾减灾工作。针对农业、生态、交通、旅游等重点服务领域，加强与相关部委、企业和用户团体的合作，鼓励社会力量积极参与气象站网建设，大力提升满足服务对象个性化需求的专业气象观测能力[28-29]。在更大程度上提高区域灾害性天气精密监测和精细化预报预警能力，进而为防灾减灾工作的有效开展创造便利的条件。

5 结论

门头沟区地形复杂、局地性强对流天气频发、多发，给当地人民群众生命财产安全造成了极大威胁。优化建设区域自动气象站网，大大增加了气象资料的空间、时间密度，实现了对短时突发性和局地性灾害天气的实时、连续监测，提高了气象部门对灾害性天气的监测能力和突发事件应急救援气象保障服务能力，并在实际强降雨过程中发挥实效，为各级党政领导能够随时掌握各乡镇的实时气象信息情况，做好防灾减灾决策提供科学决策依据。进一步高效、合理进行区域自动气象站网的优化建设和管理尤为重要，可从加强现有气象站网管理、加密建设气象站网、加强多种气象方式融合应用、完善气象监测体系机制4个方面入手，高效发挥自动气象站监测精密能力，将基层气象部门的精细化气象服务融入门头沟区乡村振兴战略之中，在全国气象部门形成良好的示范作用。