寧夏地面氣象資料質量控制體系及發展方向

馮瑞萍 黃艷紅 周 紅

(寧夏氣象信息中心，寧夏銀川 750002)

隨著現代氣象業務的發展，科技工作者對氣象資料質量的要求越來越高，氣象資料質量的好壞直接影響氣象業務和氣象研究的應用效果。但是，氣象資料在提供氣象服務前，經歷了儀器采集、編碼、記錄、傳輸等環節，各個環節均有可能引起數據錯誤，尤其是各種非氣象因素對氣象資料造成的影響更大，因此對氣象資料進行高效的質量控制是保證天氣預報、決策服務、氣候變化分析及氣象應用研究正確性的基礎。

氣象資料質量控制的目的是確定正確資料，發現缺測資料、錯誤資料、可疑資料，并對存在誤差的資料進行訂正和標識，使氣象資料具有更好的代表性、準確性、比較性。如何對氣象資料進行質量控制，采用的質量控制方法及如何對質量控制進行標識一直是氣象資料質量控制的重要問題。國內外針對地面氣象資料質量控制技術已進行了較系統的研究與應用［1-8］。從20世紀90年代開始，我國地面氣象觀測數據質量控制QC工作開始在地面氣象資料處理業務工作中應用。質量控制對象為歷史地面氣象資料。21世紀后，隨著地面氣象自動站觀測系統的覆蓋范圍及空間密度的逐步加強，自動氣象觀測逐步取代了人工觀測。由于觀測方法、資料密度、數據格式、數據處理流程、數據傳輸流程以及資料的存儲管理均發生了很大變化，以實時傳輸的報文數據為質量控制對象的質量控制QC方法逐步在全國開展，為氣象業務、科學研究和氣象服務提供較高質量的數據支持。

寧夏氣象資料的質量控制主要包括地面、輻射、高空、農氣等氣象資料。高空資料的質量控制以人工質量控制為主，計算機只是對高空月數據G文件進行格式檢查和初步的質量控制。農業氣象資料質量控制采用人工質量控制，2013年12月初開始對農業氣象資料進行電子農業氣象觀測記錄年報表模式數據文件的合成及傳輸試驗工作;地面氣象資料質量控制以計算機自動質量控制為主，人工判斷相結合的方式，對地面氣象資料質量進行邏輯檢查、格式檢查和質量檢查。采取這些質量控制措施后，地面氣象資料的質量有較高的保證。

1 寧夏地面氣象資料質量控制現狀

寧夏現有27個國家級地面氣象觀測站，804個區域氣象觀測站，初步形成了分布密集的地面自動站觀測網。地面氣象資料質量控制對象包括歷史地面氣象資料和實時地面氣象資料，質量控制以計算機為主，采用人機結合的質量控制方法。

1.1 寧夏地面氣象觀測資料質量控制流程

1)歷史地面氣象資料質量控制流程:歷史地面氣象資料包括以逐分鐘、逐小時、逐日資料形成的月數據A文件、J文件和年報數據Y文件。如圖1所示，對于歷史地面氣象資料寧夏已建立了完善的臺站、省、國家3級質量控制業務流程，建立寧夏27個國家級臺站參數，對地面氣象資料審核規則庫本地化，實行臺站、省、國家3級質量控制，并對質控后的數據進行質控標識。對于歷史地面氣象資料，可以利用相鄰時次及鄰近臺站的資料對缺測資料、錯誤資料進行插補、修改或訂正，經3級質量控制的歷史地面氣象資料有較高的質量保證，信息反饋以人工為主。

圖1 寧夏歷史地面氣象資料質量控制流程

2)實時地面氣象資料質量控制流程:實時地面氣象資料包括正點(加密)地面氣象觀測數據文件、應急加密文件和報文文件等三類，以逐小時自動觀測氣壓、氣溫、降水量、相對濕度、風向、風速等氣象要素的數據文件為質量控制對象。如圖2所示，對于實時地面氣象資料寧夏建立了臺站級、省級、國家級三級質控業務流程，實行3級質量控制:對于實時地面氣象資料，質量控制主要是針對報文代碼進行格式檢查、內部一致性檢查、極值檢查和完整性檢查，信息反饋均以人工為主。

1.2 地面氣象觀測資料質量控制方法

圖2 寧夏實時地面氣象資料質量控制流程

地面氣象資料質量控制方法涉及到以下幾個方面，用于觀測臺站、數據傳輸部門、數據處理部門對歷史資料進行質量控制。

1)傳統的氣象資料質量控制方法仍是主要的質控工具:傳統的氣象資料質量控制方法主要是根據氣象學、天氣學、氣候學原理，以氣象要素的時間、空間變化規律、各要素間相互聯系的規律以及觀測記錄必須符合的關系，分析氣象資料的合理性。我國現行采用的地面氣象資料質量控制方法和國外的質量控制結果表明，無論是人工觀測資料還是自動觀測資料，仍以邏輯檢查、格式檢查、氣候界限值或要素允許值檢查、氣候極值檢查、內部一致性檢查、時變檢查、持續性檢查、空間一致性檢查等傳統的質量控制方法為主要的質量控制工具。對于邏輯檢查必須符合如低云量≤總云量≤10成、相對濕度≤100%、各時日照時數≤1.0 h、電線積冰厚度≤直徑等關系，否則為錯誤記錄。對于內部一致性檢查分為兩種情況:a.同類要素之間，如:日最低氣溫≤當日各定時氣溫≤日最高氣溫;極大風速≥最大風速≥10 min平均風速;當風向為“C”時，風速≤0.2 m/s等，若不符合時，其中至少有一方為錯誤值。b.不同類要素之間。如露點溫度、水汽壓、海平面氣壓3個要素采用本站氣壓、氣溫、相對濕度直接計算來進行質量控制。對于氣候界限值或要素允許值檢查，地面氣象資料質量控制體系中規定的部分要素允許值范圍如表1所示，超出此范圍為錯誤記錄。

表1 各要素允許范圍表

2)人機交互質量控制技術的結合:地面氣象觀測記錄之間的相互關聯是十分復雜的，對不符合氣候極值檢查、內部一致性檢查、時間一致性檢查等的數據;要素之間不配合的數據如降水與天氣現象、視程障礙現象與能見度、日照、輻射與地溫等，特別是對于一些特殊天氣事件如大幅度降溫、高溫、高濕、等溫事件及有積雪時地溫的變化等問題的判斷還要人工進一步判斷，因此，必須采取計算機自動質量控制和人工判斷相結合的方式。在各級質量控制中，以計算機質量控制為主，以人工判斷為輔，才能保證完整的質量控制。

3)利用歷史資料和統計檢驗相結合:利用計算機使用大量的歷史地面氣象資料，用統計檢驗的方法，對異常地面氣象資料和因儀器漂移而造成的錯誤記錄及非均一性地面氣象記錄的判斷也是一種較好的質量控制方法。

2 寧夏質量控制體系的發展方向

布局科學合理的地面氣象資料質量控制體系是保證地面氣象資料質量的基礎，不斷研究、引進適當應用質量控制的新方法，建立適用于寧夏地面自動站實時氣象資料質量控制、歷史地面氣象資料質量控制系統及信息反饋業務流程，是提高地面氣象資料質量的科學途徑。

2.1 建立寧夏自動站實時數據質量控制系統

以“省級自動站實時數據質量控制系統”為基礎，搭建“寧夏地面自動站實時數據質量控制系統”，對寧夏所屬的國家級地面觀測自動站及區域自動站實時觀測資料進行質量控制。通過WEB平臺提供寧夏地面自動站實時觀測資料的質量控制結果及臺站疑誤數據反饋結果的查詢，生成自動站疑誤數據有效反饋率統計報表。并根據質量控制結果，結合氣象業務及不同用戶的應用需求，分別建立未經質量控制的自動站要素庫、帶有質量控制碼的自動站要素庫及高可靠的自動站要素庫等不同質量控制級別的應用數據庫。通過WEB平臺提供不同級別質量控制后的全區自動站質量控制數據服務和數據查詢。

2.2 開展寧夏實時和歷史資料一體化業務

現代氣象業務對氣象資料時效性和質量的要求越來越高，實時與歷史地面氣象資料同步是地面氣象資料業務發展的必然趨勢，因此，建立完善的地面氣象資料質量控制體系尤為重要。依托中國氣象局下發的“氣象資料業務系統(MDOS)”，建立寧夏實時與歷史資料一體化質量控制系統及信息反饋機制，結合質量控制業務中使用的質量控制方法，參考天氣因素及其特殊天氣事件的影響、氣象要素日變化和地理條件對數據質量標注的影響，建立寧夏26個國家級臺站地面質量控制參數規則庫，實時滾動地對分鐘數據、小時數據進行質量控制，疑誤信息人機交互處理，確保地面氣象觀測數據的質量，實現臺站、省、國家三級資料同步一致，逐步消除實時和歷史地面氣象資料的界限，以“時效和質量協調并重”為原則，充分發揮寧夏地面自動站觀測網的作用，滿足研究城市局地氣候、分析局地小氣候規律、做好中小尺度災害性天氣預報、精細化天氣預報等應用時效的現代氣象業務工作需求。

2.3 開發寧夏自動站觀測數據質量評估業務軟件

在寧夏現有的3級氣象資料質量控制的基礎上，以氣象資料質量評估技術指標與方法為基礎，研究和開發適合寧夏特點的自動站觀測資料質量評估業務系統，以全區26個國家級地面氣象站觀測數據為參考，確定寧夏自動站觀測要素的錯誤數據、疑誤數據判定標準，利用氣候界限值或允許值范圍檢查、要素內部一致性檢查、要素空間一致性檢查等方法對寧夏任一地域范圍、任一時段自動站觀測數據進行錯誤率、疑誤率、缺測率、正確率的質量評估，實現寧夏自動站地面氣象觀測數據質量評估的高效、客觀、準確。

3 結語

氣象資料在氣象業務應用中的可靠和準確主要取決于氣象資料的質量，而氣象資料的質量控制是氣象資料質量的保證，是氣象資料處理業務中最重要的基礎性工作之一。只有建立科學合理的氣象資料質量控制體系，研究引進適合的氣象資料新的質量控制方法，并且逐步應用到氣象資料質量控制業務中，才能保證氣象觀測資料的質量，進而滿足現代氣象業務工作對氣象資料的需求。

［1］熊安元.北歐氣象觀測資料的質量控制［J］.氣象科技，2003，31(5):314-320.

［2］劉小寧，任芝花.地面氣象資料質量控制方法研究概述［J］.氣象科技，2005，33(3):199-203.

［3］任芝花，熊安元.地面自動站觀測資料三級質量控制業務系統的研制［J］.氣象，2007，33(1):19-24.

［4］任芝花，熊安元，鄒風玲.中國地面月氣候資料質量控制方法的研究［J］.應用氣象學報，2007，18(4):516-523.

［5］徐芝芳，陳小菊，王 軼.新型地面氣象自動站資料質量控制方法設計［J］.氣象科學，2013，33(1):26-36.

［6］任芝花，許 松，孫化南，等.全球地面天氣報歷史資料質量檢查與分析［J］.應用氣象學報，2006，17(4):412-420.

［7］陶士偉，仲躋芹，徐枝芳，等.地面自動站資料質量控制方案及應用［J］.高原氣象，2009，28(5):1202-1209.

［8］王海軍，楊志彪，楊代才，等.自動氣象站實時資料自動質量控制方法及其應用［J］.氣象，2007，33(10):102-106.

［9］QX/T 118-2010，地面氣象觀測資料質量控制［S］.