自動站正點地面數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

譚金閃 駱炳蘭

摘要：自動站所獲取的正點地面數(shù)據(jù)的質(zhì)量對于氣象預(yù)報和氣象服務(wù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究工作有著舉足輕重的作用，因此面對大量的觀測資料，如何保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性以及代表性，是觀測資料應(yīng)用者急需解決的問題。文章在介紹自動氣象站、正點資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動氣象站一般數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法，提出了自動站正點數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法。

關(guān)鍵詞：自動站；正點資料；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；實時在線質(zhì)量控制

中圖分類號：P412文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0069-03

一、概述

自動氣象站是一種能自動收集、處理、存儲或傳輸氣象信息的裝置。自動氣象站的廣泛使用從根本上提高了我國大氣探測現(xiàn)代化的總體水平，減少了由人工觀測引起的誤差，提高了地面觀測資料的可靠性，也進(jìn)一步減輕了觀測人員的勞動強度。然而盡管在技術(shù)、業(yè)務(wù)與社會經(jīng)濟(jì)這三大因素的推動作用下，自動氣象站在技術(shù)上雖然成熟了許多，但它仍存在著不足之處，主要表現(xiàn)在：傳感器不夠成熟，測量準(zhǔn)確度不高；有些氣象要素沒有合適的傳感器，仍需要一部分人工觀測等。另外，自動氣象站具有分布密集、站點環(huán)境惡劣、站點所在地形差異大、資料實時性強、數(shù)據(jù)采集和傳輸自動化程度高以及中小尺度天氣現(xiàn)象明顯等特點，因此比人工觀測所得的數(shù)據(jù)更難控制。在這樣的情況下，完全依靠機器則無法保證觀測資料的準(zhǔn)確性或者使觀測值處于可接受范圍，因此，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

正點地面數(shù)據(jù)，即正點資料，它是指自動氣象站每小時采集一次的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)每個一小時進(jìn)行上傳。由于該數(shù)據(jù)同樣有誤差的存在，因此也需要對其進(jìn)行質(zhì)量控制。

二、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

（一）觀測站誤差類型

誤差的來源是在數(shù)據(jù)采集時一次或多次積累的結(jié)果，以及在傳輸過程中造成的，主要包括以下四種類型的誤差：（1）隨機誤差：測量結(jié)果與在重復(fù)條件下對同一被測量值進(jìn)行無限多次測量所得的平均值之差，這主要是由大量微小隨機因素的不確定性與它的無法估計性引起的；（2）系統(tǒng)誤差：在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，這主要是由測量儀器本身的局限性以及傳感器的長期漂移所引起的偏差；（3）粗大誤差：由于測量儀器出現(xiàn)異常及在數(shù)據(jù)的傳輸過程中所產(chǎn)生的誤差，該類誤差一般比較容易判斷，繼而剔除；（4）微氣象誤差：由于觀測系統(tǒng)時間或空間分辨率，小尺度天氣的擾動，不能被完整地觀察到，其觀測數(shù)據(jù)會被誤認(rèn)為是異常數(shù)據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的目的是，通過采用適當(dāng)?shù)挠布蛙浖胧┳畲笙薅鹊臏p少不準(zhǔn)確的觀測資料和缺測次數(shù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制應(yīng)貫徹在設(shè)計、選購、測試、安裝和運行的全過程中，在某種程度上，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的要求是針對儀器性能和環(huán)境條件提出來的。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程分為實時控制和非實時控制兩個階段。實時控制過程是采用一些基本的手段對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行排除，非實時控制階段使用一些更精密的評估與處理，從而對數(shù)據(jù)做出正確的判斷。

根據(jù)正點資料質(zhì)量控制的特點：（1）標(biāo)注需要明確；（2）執(zhí)行速度要快；（3）方法要實用有效；結(jié)合以上數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的兩個階段，可以將控制過程分為四層，如圖1所示：

三、正點地面數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

（一）觀測儀器的質(zhì)量控制

對于觀測儀器而言，首先應(yīng)當(dāng)選擇合理的站址和環(huán)境條件，這樣自動氣象站的很多誤差則可避免。其次，應(yīng)建立和使用完善的維護(hù)、維修和標(biāo)定規(guī)程。該階段的檢查其實貫穿在自動站運行的始終，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

1．自動氣象站的選用：市場上有很多各種類型、型號的自動氣象站，它們的各項技術(shù)指標(biāo)也不一樣，因此用戶應(yīng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)的需求來選定最適合自己的自動氣象站。

2．傳感器的內(nèi)部檢驗：每個傳感器在采樣過程中都會出現(xiàn)一些似是而非的樣本值，甚至出現(xiàn)明顯不合理的現(xiàn)象，例如氣溫已上升零度以上，突然出現(xiàn)一個樣本值為零下值；相鄰兩個樣本值之間的變化率不一致，例如每十秒鐘取一個樣本值，發(fā)現(xiàn)兩相鄰樣本值相差一度以上等。通過傳感器內(nèi)部檢驗程序，可發(fā)現(xiàn)以上不合理的樣本值。

3．硬件檢驗：在運行過程中，自動氣象站的性能會因硬件的老化、不適當(dāng)?shù)木S護(hù)以及儀器故障等原因而降低，因此要利用自動氣象站的內(nèi)置測試設(shè)備，結(jié)合定時的人工檢查，使自動氣象站的各種設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)中。

（二）實時在線質(zhì)量控制

在自動氣象站中，對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量實時控制，可以初步確定某個被測的量或被懷疑或存在誤差的原因，但這些有較大誤差的數(shù)據(jù)不能被輕易剔除，通過自動氣象站的內(nèi)置硬件對設(shè)備進(jìn)行自檢，進(jìn)一步確定這些數(shù)據(jù)是否是設(shè)備本身的原因造成的，然后這些被懷疑的數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備管理緩沖器中被傳送到中央網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)中。中心站中有多種數(shù)據(jù)質(zhì)量控制措施，如內(nèi)部一致性檢查、時間連續(xù)性檢查、氣候極

值等。

1．氣候極值檢查：極值檢查的目的是要檢驗所觀測的信息是否在界定范圍以及允許的要素極值范圍之內(nèi)。觀測要素的極值范圍取決于臺站要素的氣候極值，它與氣候特點、緯度帶、地形高度有關(guān)。

2．內(nèi)部一致性檢查：內(nèi)部一致性檢查是要根據(jù)氣象要素之間的邏輯關(guān)系，來確認(rèn)測量值的合理性。主要是對以下兩方面進(jìn)行檢查：

（1）日極值與正點值的比較檢查：

日最低氣壓≤正點氣壓≤日最高氣壓；

日最低氣溫≤正點氣溫≤日最高氣溫；

日地面最低溫度≤正點地面溫度≤日最高地面

溫度；

正點風(fēng)速≤日最大風(fēng)速；

日最小相對濕度≤正點相對濕度。

（2）要素間的相關(guān)檢查：正點溫度≥露點

溫度。

3．時間連續(xù)性檢查：正點數(shù)據(jù)在時間上應(yīng)該有良好的連續(xù)性，如果所測得的值隨著時間微小的變化而呈現(xiàn)跳躍式的轉(zhuǎn)變，就應(yīng)將其歸結(jié)為懷疑數(shù)據(jù)。例如，每一次測量完，將當(dāng)前的樣本與前幾個樣本進(jìn)行對比，得出兩兩之間的差值，差值超過界定值就可標(biāo)注當(dāng)前樣本缺失，而不應(yīng)將其歸入樣本中。

（三）非實時質(zhì)量控制

在實時質(zhì)量控制之后應(yīng)對數(shù)據(jù)執(zhí)行非實時質(zhì)量控制，這階段主要是將本站與鄰站的觀測值進(jìn)行比較，即進(jìn)行空間連續(xù)性檢驗。在檢驗時，一般假設(shè)鄰站與本站處于同一天氣系統(tǒng)中，然而由于中小尺度天氣的影響，往往導(dǎo)致兩站的觀測值出現(xiàn)較大的差異。因此在實際業(yè)務(wù)的應(yīng)用中，一方面要結(jié)合該地歷史氣候資料和地形特點，來檢驗觀測資料的有效性與真實性；另一方面要根據(jù)觀測時的天氣形勢，來判斷誤差的出現(xiàn)是否是由中小尺度天氣系統(tǒng)引起的。

（四）與人工站誤差對比

自動氣象站的觀測值與人工站所得數(shù)據(jù)一般情況下相差不大，對比結(jié)果如果相差太大，首先應(yīng)判斷是否取值時間不一致。而如果是變化不大的氣象因素，則應(yīng)可以判斷為機器故障，應(yīng)及時進(jìn)行檢查。在剔除異常數(shù)據(jù)后，可用多元線性回歸分析的方法對自動氣象站與人工站的誤差進(jìn)行分析，研究誤差因子與定量統(tǒng)計的關(guān)系，經(jīng)不斷調(diào)整，從而使兩者的觀測資料的擬合率最高。

四、注意事項

在進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時應(yīng)注意以下幾個事項：

1．巡視自動站，尤其是在雷雨過后或停電以后，應(yīng)及時檢查自動站各種設(shè)備是否正常運行。每隔一段時間還應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行一次大檢查，以防患于

未然。

2．對儀器故障要及時處理，盡量在最短時間內(nèi)恢復(fù)正常運行，盡可能減少正點數(shù)據(jù)的異常或

缺測；

3．應(yīng)配置備份電腦將重要數(shù)據(jù)及時進(jìn)行備份，以保證正點數(shù)據(jù)的完整卸載；其中各項參數(shù)要設(shè)置正確，如年月日的格式設(shè)置等。

4．保持自動站專用主控微機的正常運行，禁止安裝與業(yè)務(wù)無關(guān)的軟件等。

五、結(jié)語

由于自動氣象站的廣泛應(yīng)用以及觀測資料應(yīng)用者對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，需要觀測人員有較高的綜合素質(zhì)與較強的分析能力。本文分析了自動站測量值的可能出現(xiàn)的各種誤差以及正點數(shù)據(jù)的特點，在此基礎(chǔ)上提出了四層數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程的方案，即觀測儀器的質(zhì)量控制、實時在線質(zhì)量控制、非實時質(zhì)量控制、與人工站誤差對比。在實時在線質(zhì)量控制階段中，又提出了四種檢驗數(shù)據(jù)的方法，這四種方法相輔相成，相互補充。最后本文總結(jié)了幾點關(guān)于數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的注意事項，希望能給以后的研究者提供一些幫助。

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作者簡介：譚金閃（1982-），女，供職于廣西那坡縣氣象局，研究方向：地面測報；駱炳蘭（1981-），女，供職于廣西西林縣氣象局，研究方向：地面測報。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）