高空氣象探測數據質量控制方法探討

夏明 樊軍武 張言偉

摘要：指出了高空氣象探測數據在天氣預報、氣候分析、氣象服務、科學研究等方面作用重大，對高空氣象探測數據進行質量控制，為使用者提供相對準確的數據資料是新時代氣象科技發展的要求。闡述了質量控制的內涵，分析了影響高空氣象探測數據質量的因素，探討了高空氣象探測數據質量控制的方法。

關鍵詞：高空氣象探測數據;質量控制

中圖分類號：P412

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0232-02

1引言

氣象數據為天氣預報、氣候分析、氣象服務、科學研究等工作提供重要依據。在氣象觀測領域，高空氣象探測所獲得的第一手數據，揭示了各類天氣現象產生的原因及其發生、發展的內在規律，因此常規高空氣象探測數據非常重要。高空氣象探測數據是通過每天施放無線電探空儀獲取的，數據質量受到無線電探空儀、地理環境、無線電下擾、設備性能和各類異常天氣的影響，探測結果與真實情況有一定的差異。隨著氣象科學事業的發展，科技工作者需要更高質量的觀測數據。因此，對高空氣象探測數據進行一定的質量控制，給使用者提供相對準確的數據資料，是高空氣象探測人員必須思考和研究的課題。

2質量控制

質量控制是指為了達到質量要求，而采取的作業技術和活動。具體而言，質量控制是為了通過監視質量形成過程，消除質量環上所有階段引起不合格或不滿意效果的因素，以達到質量要求，獲取經濟效益，而采用的各種作業技術和活動。高空氣象探測數據質量控制是指對觀測數據質量進行檢查以判斷是否達到一定要求的過程，目的是對數據進行合理性檢驗，找出缺測的、錯誤的、可疑的數據，進行標記或通過數據內差等計算進行修正，確保提供的數據符合質量要求。

原始數據的質量對各項氣候統計結果的可靠性和正確性產生直接影響，因此，質量控制是高空氣象探測數據庫建設非常重要的內容。一般而言，數據質量控制有以下兩種方式：一是對原始探測數據在統計前進行質量檢查;二是探測數據在完成信息化后對其重點進行質量控制。高空氣象探測數據質量控制分為自動和人工兩種，自動質量控制是根據溫度、濕度、氣壓等曲線正常趨勢，刪除明顯錯誤值后，通過最小二乘法多項式曲線擬合進行平滑。人工質量控制是操作員實時監控，通過歷史數據資料庫、數據變化趨勢等對觀測數據進行對比分析，刪除明顯錯誤值。

3影響高空氣象探測數據質量的因素

高空氣象探測數據質量受儀器精度、觀測環境、人為操作的影響，因此，質量控制貫穿于整個觀測活動。

目前使用的L波段高空氣象探測系統主要由GFE（ L）1型二次測風雷達、GTS1型數字式電子探空儀和數據處理計算機系統組成。地面設備包括：GFE（L）1型二次測風雷達、JKZ1型探空儀檢測箱、地面氣象要素觀測設備、數據處理計算機、LTPS不間斷電源。升空設備由GTS1型數字式電子探空儀、攜帶探空儀的氫氣球組成。探測過程是由氫氣球攜帶探空儀自由升空，測量3萬多m以下高空范圍內，不同高度層次的溫度、濕度、氣壓、風向、風速等要素，通過無線電方式實時發送到地面的接收設備。

高空氣象探測整個工作流程會因受到無線電探空儀、無線電干擾、沒備性能的影響，造成探測數據有偏差。

不同的地理環境，地形、土壤、氣候、水系、礦藏、動物、植物以及其他生態條件等不同，高空氣象探測數據也不同。

天氣狀況，晴天、陰雨、雷暴、大風等，對于氣球升空的高度和速度產生影響，探測儀會采集到不同的數據。

高空氣象探測人員技術水平及綜合素質會影響探測數據的準確性，如業務人員不熟悉常規高空氣象觀測業務規范，出現重放球和丟球現象，都會影響數據質量。

4高空氣象探測數據質量控制方法

高空氣象探測數據的質量直接影響天氣預報、氣候分析、氣象服務的準確性。高空氣象探測主要是L波段探空系統，觀測氣象要素為高空溫度、濕度、氣壓、風向和風速。因此，本文主要對這5個氣象要素所進行的質量控制進行闡述。

4.1 與歷史數據進行對比分析

高空氣象探測數據會受到地物、地形、人類活動、城市熱島效應等的影響，隨著探空高度的升高，影響就越小，氣象要素的變化越穩定。在短期內僅隨天氣系統影響而變化，但從長期來看，受季節變化和氣候變化影響大，不同的季節各等壓面的高度和溫度都有不同程度的變化，可以將探測到的數據與歷史上相應月份的數據進行比較分析，當超出歷史極值時進行標注。

4.2 比照氣象要素測量極值

由電子探空儀的溫度、氣壓和濕度等傳感器感應到的電流、電壓、電阻等模擬信號轉換成數字信號，通過發射裝置發射回地面的雷達。如探空儀設備故障或工作不穩定、受無線電干擾等，地面接收的數據可能是錯誤的數據。不同的傳感器，測量范圍不同，因此，從傳感器性能來看，氣象要素有一個測量的極值。如果接收到的數據超過這個極值，則該數據明顯為錯誤數據，直接剔除處理。

4.3檢查氣象要素數據的一致性

高空氣象探測各個要素之間存在關聯性，而關聯性最高的數據探空高度與測風高度，兩者存在高度的一致性。對兩者的高度取差值，尋找該差值的變化規律。當探測數據兩者差異超出預設值時，進行預警提示，檢查分析原因。

4.4檢查是否符合空間變化規律

內置溫度、氣壓和濕度感應器的探空儀在升空的過程中，實時將氣象要素每1.2 s一組發回地面的接收設備。氣象要素具有連續性變化的規律。每個等壓面的風向和風速通過采集到的仰角、方位角和斜距計算出來，而氫氣球升空過程由于受高空風的作用，并非垂直上升。通過測量探空儀每分鐘的仰角、方位角和斜距，可以確定探空儀每分鐘位置的變化情況，而通過每分鐘位置變化又可以測算出每個高度的風速和風向。仰角、方位角和斜距每秒的變化是在一定的幅度內連續變化的，在近地面高仰角時，仰角和方位數據變化較大，在高空低仰角時，仰角與方位的數據變化較小。如果探測得到的數據不符合變化規律，則需要進行預警提示。

4.5設定較寬的時間檢驗范圍

在高空氣象探測中，無法做到各高度上連續獲取探測數據，但是按中國氣象局高空氣象探測規范要求，探空站每天需進行兩次探測，分別是07時15分和19時15分，間隔12 h。因受各種因素影響，在近地面，每次間隔12小時的探測數據變化較大可從時間的連續性上，設定較寬的檢驗范圍進行比較分析，對不同等壓面上的數據進行正確性判斷。

4.6對特殊記錄的處理方法

對探空站特殊記錄分析發現，對記錄影響最多的問題是由于干擾造成的記錄不完整，以及探測終止。干擾出現，探空信號飛點增多，測風觀測示波器四條亮線變差，出現上下閃動，而且測風秒數據連線左右擺動。嚴重時計算出的風向風速數據異常，甚至無法使用，造成數據缺測或者測風觀測終止。干擾可能來自外來無線電信弓、探空儀、雷達等，處置方法：飛點少，較容易判斷;飛點較多，仔細的判斷，通過上下正常記錄點之間連線，檢查中間飛點是否在連線之上，來進行取舍。測風記錄的影響往往在記錄的后期，可根據實際情況并結合前后時次的記錄，比較分析后進行取舍。

探測過程出現雷達故障時，對探測接收到數據進行嚴格檢查，判斷數據是否正確。情況嚴重時，啟用L波段備份接收機來進行數據接收，使用光學經緯儀進行測風數據的觀測。

探空氣球遇到強下沉氣流時，會出現一定程度的下降，在記錄時要將下沉階段的記錄進行刪除處理。刪除時根據氣壓的變化情況，做好上下氣壓點之問的銜接。因下沉記錄刪除后將無法恢復，需要仔細進行判斷。

探空觀測中因探空儀故障或電池等原因，探空儀的無線電信號突然消失。在這種情況下記錄終止。

5結語

高空氣象探測數據在天氣預報、氣候分析、氣象服務、氣象科研等工作中起重要作用，資料的真實性、及時性和可用性及其關鍵。高空氣象觀測必須對采集到的數據進行非常嚴格的質量檢查和處理，才能通過數據的分析，揭示出真實的大氣特征與規律。高空氣象探測數據多，分析量大，相似性高，需要排除特異點，設計一套質量控制軟件，用自動化質量控制來代替人工質量控制，很有必要。實現自動質量控制可以避免人為原因帶來的數據差異，便于對高空氣象探測數據進行質量可靠性標注，并盡可能地保留原始數據，為其他工作和研究提供可靠的數據。