自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量人工控制淺析*

李紅英，李四清（新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆　石河子　832000）

自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量人工控制淺析*

李紅英，李四清
（新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆石河子832000）

新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站已運行十多年，業(yè)務(wù)軟件經(jīng)過專家多次升級優(yōu)化，功能較為完善。但自動站硬件方面不盡人意，遇到特殊情況時：如對自動站設(shè)備維護不當、或儀器設(shè)備出現(xiàn)故障等常導致自動站出現(xiàn)錯誤的觀測數(shù)據(jù)。本文針對自動站硬件設(shè)備方面存在的問題，結(jié)合工作經(jīng)驗，摸索出了一套“自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量”人工控制方法。該方法由業(yè)務(wù)學習、場地及儀器設(shè)備維護、數(shù)據(jù)質(zhì)量人工控制3個部分組成，其中儀器設(shè)備維護是重點。

自動站；設(shè)備維護；數(shù)據(jù)質(zhì)量；人工控制

2002年初，新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站安裝了1套CAWS600型自動氣象站，當年2月投入業(yè)務(wù)試運行，經(jīng)過2年平行觀測后，轉(zhuǎn)入單軌運行。至此，烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站地面氣象觀測這項基礎(chǔ)業(yè)務(wù)工作由繁瑣的人工觀測步入了自動化時代。自動氣象站從初始運行至今已超過10年，十多年來，自動站業(yè)務(wù)軟件經(jīng)過專家多次升級優(yōu)化，功能較為完善，正常情況下，完全能夠監(jiān)控自動站運行，并獲取準確的觀測數(shù)據(jù)。但自動站硬件方面不盡人意，如有時自動站設(shè)備沒有按時維護或維護不當，或傳感器出現(xiàn)故障，或其他非人為原因等常導致自動站的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。這時就需要觀測員對觀測數(shù)據(jù)進行人工分析、人工補測和人工干預，繼而保證自動站觀測數(shù)據(jù)準確可用。那么基層臺站如何操作才能監(jiān)控好自動站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而準確、及時地為上級天氣預報機構(gòu)及各行各業(yè)提供氣象觀測資料呢？作為基層臺站1名觀測員，監(jiān)控操作自動站多年，結(jié)合平時工作經(jīng)驗，摸索出一套“自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量”人工控制方法。該方法分為業(yè)務(wù)學習、場地及儀器設(shè)備維護、數(shù)據(jù)質(zhì)量人工控制3個部分。每個部分之間相互聯(lián)系，不可分割，構(gòu)成整體。現(xiàn)對各部分作詳細敘述：

1　加強業(yè)務(wù)學習，為監(jiān)控好自動站數(shù)據(jù)質(zhì)量夯實理論基礎(chǔ)

要做好自動站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控工作，必須堅持基礎(chǔ)理論知識的學習，繼而提高實際業(yè)務(wù)工作能力。為此，長期以來，本站堅持每周集體學習1次，學習內(nèi)容有2個方面：

1.1學習《地面氣象測報規(guī)范》及天氣學基礎(chǔ)知識

通過學習，業(yè)務(wù)人員懂得各種天氣現(xiàn)象的成因與特點，能夠準確判斷臺站出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象；了解各氣象要素的日常變化規(guī)律，能夠在自動站數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時迅速正確地處理疑誤記錄。

1.2學習自動站新裝備新業(yè)務(wù)技術(shù)知識

通過了解自動氣象站的基本工作原理、操作、維護和日常維修方法，能正確安裝、操作和一般維修。

2　保護好觀測環(huán)境、維護好自動站設(shè)備，確保自動站運行正常

自動站所獲取的氣象觀測數(shù)據(jù)正確與否，與觀測環(huán)境及自動站設(shè)備關(guān)系密切。只有保護好觀測環(huán)境、維護好自動站設(shè)備，使自動站處在良好的運行狀態(tài)之中，所獲取的觀測數(shù)據(jù)才能正確可靠。

2.1日常維護

每天上午由值班觀測員對自動站現(xiàn)用儀器設(shè)備做1次小清潔維護，掃除儀器表面的灰塵、雜物。尤其注意清除雨量傳感器承水漏斗中的堵塞物；保持地面溫度傳感器一半埋在土里，一半露出地面，不留縫隙；地溫場保持裸地及土質(zhì)疏松，雨后及時松土。

2.2月度維護

每月25日由站組長帶領(lǐng)大家對自動站所有的現(xiàn)用儀器設(shè)備進行1次全面檢查、清潔和維護。重點檢查各傳感器的安置和工作狀況及電纜完好與否。如風傳感器轉(zhuǎn)動是否靈活，雨量傳感器的翻斗翻轉(zhuǎn)是否正常，上中下各個漏斗有堵塞物否。溫濕度、地面溫度、淺層地溫傳感器易改變位置，檢查其安裝高度或深度是否符合要求，超過誤差范圍的傳感器重新安裝校正。查看暴露在外的電纜有無老化開裂和鼠咬，電纜插頭插座是否松動和生銹。電纜溝中的接線盒是否浸泡在水中，電纜溝出水口網(wǎng)罩有無銹爛和損壞。發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施處理。蓄電池、UPS不間斷電源每月放電1次。自動站數(shù)據(jù)處理微機專機專用，并按規(guī)定操作維護。依法保護觀測環(huán)境，保持觀測場整潔、淺草平鋪，4～9月期間，草高超過20 cm，觀測人員要及時剪割。

2.3搞好自動站設(shè)備防雷

自動氣象站是由多種高精密電子元件組成的能自動地觀測和存儲氣象要素數(shù)據(jù)的設(shè)備。在其運行過程中，如受強電流干擾易損壞部件或使程序紊亂而造成自動站不能正常工作［1］。因此，要保持自動站處于正常連續(xù)的運行狀態(tài)之中，免遭雷擊和強電流干擾，臺站必須構(gòu)建防雷設(shè)施，并且要符合有關(guān)防雷技術(shù)要求。本站每年在3月底之前認真監(jiān)測1次，確保防雷設(shè)施有效。

觀測場地和自動站設(shè)備維護好，防雷工作做到位，才能使自動站處于正常連續(xù)的運行狀態(tài)之中，才能取準取全第一手氣象要素數(shù)據(jù)。

3　按照自動站觀測程序工作，做好自動站數(shù)據(jù)質(zhì)量人工控制

依照自動站日常工作流程辦事，本站值班人員每日早晚巡視觀測場和值班室內(nèi)的自動站設(shè)備：查看各傳感器是否正常；雨量傳感器的漏斗有無堵塞；地溫傳感器的埋置是否正確，保持自動站設(shè)備處于正常連續(xù)的運行狀態(tài)。值班期間每小時正點前10 min查看計算機顯示的實時觀測數(shù)據(jù)是否正常，如數(shù)據(jù)異常，在正點前不能修復，則及時采取補救措施。每日20時后必須認真檢查當日數(shù)據(jù)有無缺漏，對缺漏數(shù)據(jù)能補則補，并做好當日數(shù)據(jù)文件的備份。盡管如此，特殊情況時自動站所測得的個別要素數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的現(xiàn)象依然發(fā)生，且業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件不能判斷正確與否，也就無法處理。加之有些日數(shù)據(jù)如天氣現(xiàn)象完全需要人工觀測和記錄。這就需要我們觀測員人工分析、人工觀測、人工干預來處理好這些氣象要素數(shù)據(jù)。特殊情況有如下幾種：

3.1自動站雨量數(shù)據(jù)錯誤

一般有2種情況：第1種情況在冬春季出現(xiàn)較多，當某日空氣濕度較大，從凌晨到上午有大霧出現(xiàn)，霧濃露水重，由于霧水、露水流經(jīng)雨量傳感器致使自動站出現(xiàn)0.1～0.2 mm的降水量；第2種情況是天空無降水，而是一些蟲蟻等鉆入雨量傳感器的計數(shù)翻斗，引起計數(shù)翻斗翻動使自動站有雨量出現(xiàn)。以上2種情況出現(xiàn)的降水為錯誤數(shù)據(jù)，值守班期間，只要在正點前10 min查看計算機顯示的自動站實時數(shù)據(jù)就能輕易發(fā)現(xiàn)。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即在正點后1～2 min內(nèi)進行定時數(shù)據(jù)維護、刪除錯誤雨量數(shù)據(jù)，使自動站的觀測數(shù)據(jù)正確無誤后，再形成正確上傳數(shù)據(jù)文件及時上傳。

3.2自動站空氣相對濕度數(shù)據(jù)錯誤

判斷自動站空氣相對濕度數(shù)據(jù)正確與否，需了解空氣相對濕度的日常變化規(guī)律。一般在正常情況下，空氣相對濕度的日變化規(guī)律非常明顯，其日變化規(guī)律不外乎2類：一類即在雨天和大霧天時，一日當中空氣的逐時相對濕度比較平穩(wěn)、變化小。另一類是晴好天氣，空氣相對濕度夜間大，白天小，以08時為分界線，08時后逐時減小至18時后又逐時增大，但緊鄰的時次數(shù)據(jù)沒有太大的突變。表1為本站2012 年7月17日和18日部分時段實時空氣相對濕度的觀測數(shù)據(jù)。

表1　2012年7月17日11～17時各時實時空氣相對濕度的觀測數(shù)據(jù)　％

當日11時45分至16時01分下雨，累計雨量15.1 mm。12～15時在降水時段內(nèi)，逐時相對濕度應(yīng)比較平穩(wěn)，且大于11時相對濕度值。但17日12～15時相對濕度原始數(shù)據(jù)起伏大，不平穩(wěn)，是錯誤數(shù)據(jù)。由于我們在正點前查看計算機顯示的自動站實時數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了相對濕度數(shù)據(jù)是錯誤的，隨即進行人工補測，并形成正確的上傳數(shù)據(jù)文件及時上傳。17 日12～15時各時相對濕度正確數(shù)據(jù)系正點后人工補測值。

表2　2012年7月18日8～14時各時實時空氣相對濕度的觀測數(shù)據(jù)　％

該日為晴天，日照時數(shù)8.0 h，是晴好天氣，空氣相對濕度數(shù)據(jù)值應(yīng)符合晴天的日變化規(guī)律。即夜間大，白天小，以8時為分界線，且相鄰的時次數(shù)據(jù)沒有太大的突變。但18日12時、13時相對濕度原始數(shù)據(jù)突變明顯（見表2），數(shù)據(jù)錯誤不可用。12時、13時在正點前發(fā)現(xiàn)錯誤，正點后及時進行人工補測，并形成正確的上傳數(shù)據(jù)文件。12時、13時正確數(shù)據(jù)系正點后人工補測值。

經(jīng)檢查，這2天部分時段相對濕度數(shù)據(jù)出錯，是電纜線路故障所致，溫濕度傳感器無故障。更換新電纜后，相對濕度恢復正常。

3.3自動站某層次地溫數(shù)據(jù)錯誤

地溫傳感器在長期使用過程中，所測得的地溫數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)時高時低不穩(wěn)定，有時會出現(xiàn)系統(tǒng)偏差［1］。發(fā)現(xiàn)異常后要及時更換傳感器。如淺層地溫分布規(guī)律：從0～20 cm其變化幅度越到深層越小；晴好天氣13時、14時、15時地溫越到深層越低，并且越往深層相鄰的2支地溫傳感器所測的數(shù)據(jù)相差越小。了解了地溫分布規(guī)律，就能輕易判斷出每個地溫傳感器所測的數(shù)據(jù)正確與否。若某個層次地溫值與0～20 cm整個層次地溫分布規(guī)律不符合，如所測的數(shù)據(jù)時高時低或出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，則某個層次地溫傳感器有故障。深層地溫分布規(guī)律性更強，在同一層次中逐時地溫數(shù)據(jù)值變化很小，任意相鄰2個時次地溫數(shù)據(jù)差一般≤0.3℃，超過0.3℃，或是傳感器進了水，或是傳感器有故障。為說明問題，現(xiàn)就淺層地溫舉例說明。

例如：本站2014年2月某日，天氣現(xiàn)象夜間有0.1 mm的小雪，出現(xiàn)結(jié)冰，白天8時至8時31分有微量雪，8時42分至11時18分有日照，11時18分后無日照，但不排除有太陽。當日11時至15時0～20 cm地溫傳感器所測的原始數(shù)據(jù)如下：

表3　2014年2月某日11時至15時0～20 cm地溫

從表3可以看出，0 cm地溫逐時數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、變化大，因該日11時18分后雖無日照，但測站上空時陰時晴，故有此變化，屬正常。5～15 cm地溫傳感器因埋在土中，受測站上空陰晴變化影響較小，其逐時地溫數(shù)據(jù)在平穩(wěn)中緩慢上升，也屬正常。20 cm地溫傳感器也埋在土中，受測站上空陰晴變化影響應(yīng)該更小，其逐時地溫數(shù)據(jù)更應(yīng)在平穩(wěn)變化中緩慢上升，才符合淺層地溫變化規(guī)律。而實際是12時4.1℃、13時2.2℃、14時5.1℃，相鄰3個時次地溫數(shù)據(jù)相差大，變幅不平穩(wěn)，不符合淺層地溫變化規(guī)律。從同一時次不同層次來看，13時0 cm地溫因受測站上空陰云影響，數(shù)據(jù)偏低，略高于5 cm地溫，5～15cm地溫逐層降低，且越往深處相鄰2支地溫傳感器所測的數(shù)據(jù)相差越小，符合淺層地溫分布規(guī)律；而20 cm地溫雖然低于15 cm地溫，但20 cm地溫與15cm地溫相差2.0℃，遠遠大于15 cm與10 cm 0.2℃的地溫差，故分析判斷13時20 cm地溫數(shù)據(jù)不正確，是錯誤數(shù)據(jù)。14時測站上空有太陽，0 cm地溫較高，0～15 cm地溫逐層降低，而20 cm地溫與15 cm地溫相比不但沒有降低，反而高出0.5℃。分析判斷14時20 cm地溫數(shù)據(jù)也不正確，是錯誤數(shù)據(jù)。在2月10日8時前，20 cm地溫數(shù)據(jù)也出現(xiàn)過時高時低。經(jīng)過進一步分析和測試，20 cm地溫傳感器出現(xiàn)了故障。及時更換地溫傳感器后，20 cm地溫數(shù)據(jù)恢復正常。

3.4漏記天氣現(xiàn)象

目前，自動站的天氣現(xiàn)象觀測和記錄完全靠人工方式來實現(xiàn)。《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定值班觀測員應(yīng)隨時觀測和記錄出現(xiàn)在視區(qū)內(nèi)的全部天氣現(xiàn)象；夜間不守班的氣象站，對夜間出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象應(yīng)盡量判斷記錄；凡與水平能見度有關(guān)的天氣現(xiàn)象，均以有效水平能見度為準。《規(guī)范》條文雖然很明確，但有些天氣現(xiàn)象仍然容易漏記。如晴朗微風的夜晚，且空氣濕度較大，一般當空氣相對濕度≥80％時夏秋季節(jié)有露；初春及冬天當空氣相對濕度≥80％，同時最低地面溫度≤0.5℃時有霜出現(xiàn)。空氣相對濕度≥65％時，或出現(xiàn)間斷降水，空氣相對濕度較大，而能見度＜10.0 km，一般有輕霧。 空氣相對濕度連續(xù)3 h或以上＜65％，且無降水，能見度小于10.0 km又無冷空氣過境一般有霾出現(xiàn)。上述觀測到的天氣現(xiàn)象或經(jīng)過判斷分析而來的天氣現(xiàn)象，都要輸入自動站計算機里的相應(yīng)欄目中，并形成完整日上傳數(shù)據(jù)文件及時上傳。

［1］姜新河，蔡洪梅，岳幫云.自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制［J］.北京農(nóng)業(yè)，2014（A01）：167-168.

2016—05—05

*本文由中國氣象局烏蘭烏蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)站資助。