南極氣象資料處理查詢與統(tǒng)計系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

劉志剛 許淙 吳麗俠 張潔 逯昌貴 李松

（1河北省青龍縣氣象局，河北秦皇島066599；2國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；3中國極地研究中心，上海200136；4中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

0 引言

南極是全球氣候變化的重要組成部分，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的依據(jù)。1985年中國南極長城站開始現(xiàn)場觀測氣象數(shù)據(jù)，并成為世界氣象組織觀測網(wǎng)的主體臺站，至今已積累了近30年完整的地面氣象資料。由于南極長城站位于地球另一端，資料審核周期長，出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確、格式不規(guī)范等現(xiàn)象，而且查詢統(tǒng)計極為不便，這些現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的真實性和使用價值。同時大部分南極氣象科考隊員都是一次性短期考察，無法積累預(yù)報南極天氣的經(jīng)驗，長城站歷史氣象資料的統(tǒng)計結(jié)果在制作天氣預(yù)報中具有很大的參考價值。為了保證南極氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，方便應(yīng)用和共享，使寶貴的資料發(fā)揮更大作用，我們建立了這套南極氣象資料處理查詢與統(tǒng)計系統(tǒng)，并按照中國氣象局資料處理規(guī)范［1］對南極長城站的歷史資料進(jìn)行了審核糾錯，從而建立了數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)南極長城站氣象數(shù)據(jù)全部通過審核，以統(tǒng)一格式存放于數(shù)據(jù)庫中，可進(jìn)行多種查詢及統(tǒng)計計算。

1 南極氣象資料處理查詢與統(tǒng)計系統(tǒng)

南極氣象資料處理查詢與統(tǒng)計系統(tǒng)用Delphi7［2-3］編程軟件編寫，由審核糾錯、數(shù)據(jù)導(dǎo)入和查詢統(tǒng)計輸出3個可獨立使用的子系統(tǒng)集合而成（圖1）。數(shù)據(jù)導(dǎo)入與站上使用的全國統(tǒng)一地面測報業(yè)務(wù)軟件連接讀取相關(guān)數(shù)據(jù)文件；查詢統(tǒng)計一鍵輸出，方便快捷。系統(tǒng)備有遠(yuǎn)程通信功能，可將查詢結(jié)果輸出共享。

2 南極長城站氣象資料的審核糾錯

2.1 南極長城站氣象觀測和數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

南極長城站屬于國家基本氣象站，站號為“89058”［4］，每天4次定時觀測，使用全國統(tǒng)一的地面測報業(yè)務(wù)軟件。南極長城站觀測項目：云、能見度、天氣現(xiàn)象、氣壓、空氣的溫度和濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、降水、日照、地面溫度、淺層和深層地溫、輻射。其中實現(xiàn)自動采集的有氣壓、空氣的溫度和濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、日照、輻射。

圖1 南極氣象資料處理查詢統(tǒng)計系統(tǒng)功能流程圖Fig.1.Technological process of the meteorological data system of the GreatWall Station

站內(nèi)近30年的觀測數(shù)據(jù)以A文件月報和Y文件年報［5］格式形式存放。

2.2 審核及錯誤更正

按照審核糾錯子系統(tǒng)流程（圖2）對長城站建站以來的336個月的月報表和28份年報表進(jìn)行逐個審核和錯誤更正，最終形成完整無錯的報表數(shù)據(jù)。

圖2 審核糾錯系統(tǒng)功能流程Fig.2.Technological process of the examining and verifying unit

審核系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐條審核，發(fā)現(xiàn)錯誤進(jìn)行提示并顯示錯誤類別。如顯示系統(tǒng)性錯誤（臺站參數(shù)設(shè)置錯、反查計算錯、降水量和降水現(xiàn)象配合錯等），即可使用審核程序進(jìn)行更正，若顯示邏輯分析性錯誤（天氣現(xiàn)象和其他要素搭配錯誤、云量云狀搭配錯誤、定時風(fēng)和大風(fēng)數(shù)據(jù)錯誤等），則需要人工進(jìn)行判斷修改，最終形成完整無誤的觀測資料。

經(jīng)系統(tǒng)審核并與原始報表校對，長城站氣象資料存在的主要錯誤有：（1）參數(shù)設(shè)置、封底封面、數(shù)據(jù)格式和指示碼等錯誤；（2）天氣現(xiàn)象和其他要素搭配錯誤，天氣現(xiàn)象記錄起止時間錯誤；（3）降水現(xiàn)象與降水量配合錯誤；（4）云狀、云量錯誤，包括云狀順序排列，總低云量和云狀配合，云狀和天氣現(xiàn)象配合等錯誤；（5）風(fēng)向超出360°及出現(xiàn) M、Z、Q等風(fēng)向，風(fēng)速錯位，最大風(fēng)速與十分鐘風(fēng)速矛盾等；（6）氣象要素日極值與定時值矛盾，數(shù)據(jù)臨近時次變化異常；（7）計算和反查要素結(jié)果錯誤（計算海平面氣壓、反查露點溫度和水汽壓）；（8）日照時間超出真太陽時［6］，時日照大于 1.0；（9）蒸發(fā)量反常。

3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理

將完整無誤的月報表按年導(dǎo)入Access數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫命名原則“BIIiii.YYYY”，其中 IIiii是臺站號，YYYY是年份，該文件每站每年一個。將定時數(shù)據(jù)存入hourdata表，日數(shù)據(jù)存入daydata表，參數(shù)和其他數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)文件“Set＿Serve＿System.ini”和“BYIIiii.INI”中，為查詢統(tǒng)計建立原始數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理流程Fig.3.Technological process of the data input

hourdata表由59個字符型字段記錄每天24個正點數(shù)據(jù)，daydata表由65個字符型字段存儲日平均、日極值、日總量值和天氣現(xiàn)象等逐日數(shù)據(jù)，每個字段長度分配科學(xué)，數(shù)據(jù)均不帶小數(shù)點存入。

4 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計

數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計按照《地面氣候資料30年整編常規(guī)項目及其統(tǒng)計方法（國標(biāo)）QX／T22—2004》標(biāo)準(zhǔn)和氣象行業(yè)規(guī)范［5-6］的要求，根據(jù)用戶需要，運用SQL語句［7］和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對本地數(shù)據(jù)庫或遠(yuǎn)程自動站數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計計算等操作（圖4），其結(jié)果可以通過“數(shù)據(jù)顯示”窗口顯示，也可以傳送到服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，或根據(jù)“系統(tǒng)輸出設(shè)置（圖5）”查詢統(tǒng)計氣象要素范圍，選擇輸出為TXT文本文件、Excel文件或BMP圖片文件。

圖4 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計方案圖Fig.4.Technological design plans of the data query system

數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計的主要功能和技術(shù)要點：

（1）選擇日期和時次查詢。選擇日期和時次可查詢當(dāng)日的實時數(shù)據(jù)、定時數(shù)據(jù)和該日統(tǒng)計數(shù)據(jù)等；也可利用通信功能直接讀取自動站業(yè)務(wù)軟件的實時ZZ文件、大風(fēng)FJ文件、正點Z文件、日數(shù)據(jù)B文件和降水R文件［8］等。選擇此類查詢，系統(tǒng)按照本地數(shù)據(jù)庫、本地自動站文件和遠(yuǎn)程自動站文件的先后順序進(jìn)行搜索訪問，并在查詢結(jié)果中注明數(shù)據(jù)來源；

（2）選擇不同氣象要素查詢。基于SQL語句查詢統(tǒng)計功能，輸入要素查詢的條件（如：最低氣溫＜－5.0℃ and極大風(fēng)速≥17.0 m·s－1or天氣現(xiàn)象＝雪暴……），界定時間區(qū)間（如：1991—2010年……），在本地數(shù)據(jù)庫中檢索符合條件的所有數(shù)據(jù)；

（3）基本氣象要素統(tǒng)計。選擇相應(yīng)的氣象要素和日期時次，利用本地數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計該要素的時、日、旬、月、年平均值、極值或合計值，也可顯示該要素在輸入時間范圍內(nèi)的變化曲線圖；歷史再現(xiàn)該日各氣象要素特征；逐年或多年統(tǒng)計各氣象要素的平均、合計和極值等；通過數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出到Excel，形成定時風(fēng)向頻率、平均風(fēng)速和最大風(fēng)速的統(tǒng)計表，并自動繪制逐月、季度和全年的風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖；根據(jù)氣候?qū)W要求統(tǒng)計氣溫年較差［1］、標(biāo)準(zhǔn)差［9］和晝夜溫差等；

（4）現(xiàn)象日數(shù)統(tǒng)計。根據(jù)逐日天氣現(xiàn)象記錄，統(tǒng)計多年（或單年）逐年（或逐月）各種天氣現(xiàn)象日數(shù)（包括大風(fēng)、吹雪、大霧、降水等近40種單一或混合現(xiàn)象）；由日降水量統(tǒng)計不同降水量等級日數(shù)和連續(xù)有（無）降水日數(shù)；利用4次定時能見度和視程障礙天氣現(xiàn)象統(tǒng)計不同能見度等級日數(shù)；根據(jù)日極大風(fēng)速或日最大風(fēng)速統(tǒng)計不同大風(fēng)等級（5—11級）日數(shù)；利用總云量統(tǒng)計天氣狀況（陰天、多云或晴朗）日數(shù)；

圖5 系統(tǒng)輸出設(shè)置Fig.5.Output system

圖6 數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)主界面Fig.6.Themain interface of the data query system

（5）其他對比統(tǒng)計。選擇不同臺站之間時、日、旬、月相同氣象要素進(jìn)行對比統(tǒng)計；保存年報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計多年各時段最大降水量、最長連續(xù)降水日數(shù)、最長連續(xù)無降水日數(shù)和日照時數(shù)旬月年統(tǒng)計。

查詢統(tǒng)計結(jié)果分為文本和表格2種，根據(jù)所需可導(dǎo)出為TXT文本文件或Excel文件。圖6是數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)主界面。

5 結(jié)語

（1）氣象資料處理查詢與統(tǒng)計系統(tǒng)利用全國統(tǒng)一使用的地面測報業(yè)務(wù)軟件A或B文件形成數(shù)據(jù)庫，具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源，可對南極中山站、昆侖站的氣象資料進(jìn)行上述處理，也可在國內(nèi)任意臺站推廣使用。通過增加臺站信息參數(shù)，實現(xiàn)更多臺站數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計對比。

（2）本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)審核糾錯，數(shù)據(jù)庫存檔和查詢統(tǒng)計等多項功能，使用靈活，可視化界面操作簡便。數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出能與現(xiàn)用的氣象測報系統(tǒng)相接，輸出端形式多樣，實現(xiàn)了南極氣象資料的共享。

（3）利用該系統(tǒng)，對南極長城站近30年的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理審核，并糾正錯誤，存入數(shù)據(jù)庫。保證了南極氣象觀測資料具有代表性、準(zhǔn)確性、比較性［6］。通過對數(shù)據(jù)錯誤的歸納分類，有助于今后觀測設(shè)備和觀測技術(shù)的改進(jìn)。

1 中國氣象局.地面氣候資料30年整編常規(guī)項目及其統(tǒng)計方法（國標(biāo)）QX／T 22-2004.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

2 曹蕾，李光明，傅蓉，等.Delphi7程序設(shè)計與上機指導(dǎo).北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

3 Cantu M.Mastering Delphi7.USA：John Wiley and Sons，2003.

4 陳善敏.中國南極長城站的氣象科學(xué)考察.北京：氣象出版社，1985.

5 中國氣象局.地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件和記錄簿表格式.北京：氣象出版社，2005.

6 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范.北京：氣象出版社，2003.

7 Stephens R，Plew R，Jones A D，et al.SQL入門經(jīng)典（第5版）.北京：人民郵電出版社，2011.

8 中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.地面氣象測報業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件操作手冊.北京：氣象出版社，2005.

9 國家氣象局.陸地測站地面天氣報告電碼.北京：氣象出版社，1991.