自動氣象站資料質(zhì)量控制方法淺析

李建明

（內(nèi)蒙古二連浩特市氣象局,內(nèi)蒙古 二連浩特 012600）

1 自動氣象站的功能

自動氣象站的功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。數(shù)據(jù)采集功能是指通過采集器采集需要觀測的氣象要素值。數(shù)據(jù)處理功能是將采集的氣象要素運(yùn)算處理后再轉(zhuǎn)換成氣象要素值。而接有計算機(jī)終端的自動站會將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給計算機(jī)終端，觀測數(shù)據(jù)會被計算機(jī)終端的地面測報業(yè)務(wù)軟件作進(jìn)一步的分析和處理。數(shù)據(jù)存儲功能就是將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得的各種氣象要素的采樣值及氣象要素的觀測值按規(guī)定的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式在存儲器內(nèi)進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)傳輸功能是將各種氣象要素觀測數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一規(guī)定的格式生成各種報文、各種數(shù)據(jù)文件后，通過采集器的通信接口直接將觀測數(shù)據(jù)傳輸給與之相連接的終端設(shè)備。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的功能是為了保證所獲取的觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在數(shù)據(jù)采集器中需對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯檢測及標(biāo)示工作。

2 自動氣象站實時資料質(zhì)量控制方法

自動氣象站實時資料質(zhì)量控制主要是對自動氣象站的采樣值和測量值進(jìn)行實時質(zhì)量控制，從而確保原始資料的正確。觀測資料質(zhì)量控制要求就是要確定正確的數(shù)據(jù)，找出缺測數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)、可疑數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識或者用盡可能準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來代替，消除異常數(shù)據(jù)。

2.1 采樣值的質(zhì)量控制

檢查每一個樣本值是否在其傳感器的測量范圍內(nèi)，若樣本值超出其測量范圍，則該樣本應(yīng)被舍去，并且該樣本不再參與后面的相關(guān)參量的計算。

采樣值的時間一致性檢查主要是針對要素值具有連續(xù)性變化的氣象要素。用于檢查要素采樣值之間的不真實跳躍，檢查當(dāng)前樣本與前一個樣本的差值是否大于相應(yīng)的閾值，前后兩者差值大于閾值，則將當(dāng)前樣本值視作可疑值，而且不能參加平均值的計算。

2.2 瞬時值的質(zhì)量控制

瞬時值是指1min的平均值或總量值，對于風(fēng)指的1min、2min或10min的平均值。瞬時數(shù)據(jù)主要包括氣溫、相對濕度、本站氣壓、地面溫度、淺層地溫、深層地溫，風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、日照、輻照度等。

合理性檢查主要是檢查各氣象要素的瞬時值是否在其合理界限范圍之內(nèi)，其合理界限值參考范圍如表1所示。

如果氣象要素的瞬時值超出以上允許的界限范圍，則該值標(biāo)記為錯誤數(shù)據(jù)。

2.3 瞬時值時間一致性檢查

時間一致性檢查主要是檢查氣象要素的當(dāng)前瞬時值與上一次瞬時值的差值是否超過給定的界限范圍，即是檢查要素瞬時值的變化率，檢測其不真實的尖峰或跳變值，或因傳感器故障引起的異常值。

若當(dāng)前的瞬時值與上一次瞬時值的差異大于錯誤界限值范圍，則該瞬時值應(yīng)作為錯誤記錄處理。若當(dāng)前的瞬時值與上一次瞬時值的差異大于可疑界限值范圍，則該瞬時值應(yīng)作為疑誤記錄處理。

3 自動氣象站非實時資料質(zhì)量控制方法

表1 自動氣象站瞬時值的合理界限值參考范圍

由于自動氣象站質(zhì)量控制包括實時質(zhì)量控制和非實時質(zhì)量控制，因此在對自動氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行實時質(zhì)量控制后還得對其進(jìn)行非實時質(zhì)量控制。自動氣象站的非實時資料的質(zhì)量控制是指對自動氣象觀測記錄以及其統(tǒng)計值的質(zhì)量控制，進(jìn)一步確保自動站資料質(zhì)量。非實時資料質(zhì)量控制包括氣候?qū)W合理界限值檢查、邏輯檢查、氣候歷史極值檢查、內(nèi)部一致性的檢查、時間一致性的檢查及綜合判別檢查等。

3.1 氣候?qū)W界限值檢查

每個氣象要素從氣候?qū)W的角度上講，都有其臨界值。氣候?qū)W檢查主要是檢查氣象要素值是否超出其臨界值范圍。超出其臨界值范圍的氣象要素值則視為錯誤的記錄，應(yīng)予以剔除。各氣象要素氣候?qū)W合理界限值如表2所示。

表2 各氣象要素氣候?qū)W合理界限值表

3.2 邏輯檢查

各氣象要素的觀測記錄均有一定的邏輯規(guī)律，邏輯檢查主要是檢查各氣象要素值是否符合一定的邏輯規(guī)律，若違背其邏輯規(guī)律的氣象記錄則視為錯誤記錄。各氣象要素觀測記錄的邏輯規(guī)律如下：

(1)各記錄及極值出現(xiàn)時間的小時及分鐘范圍：時間為 0≤h≤23，0≤min≤59；(2)相對濕度≤100%；(3)總云量、低云量≤10成；(4)凍土深度層除上限、下限值均為0cm外，其余的凍土深度層上限＜下限；(5)電線積冰的厚度≤直徑。

3.3 氣候極值檢查。

氣候極值是指在固定的氣象臺站歷史上曾出現(xiàn)過的氣象要素的最大值或最小值，或者是在一定時間范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率很小的氣象記錄。在進(jìn)行氣候極值檢查時，首先要計算出被檢查臺站不同月份的歷史氣候極值，再對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查是否超出歷史氣候極值。隨著極端天氣氣候事件的頻繁出現(xiàn)及氣候的變化，一些氣候歷史極值可能會被突破，這就需要進(jìn)行進(jìn)一步檢查判斷其正確與否。

3.4 內(nèi)部一致性檢查

由于同一時間的氣象要素之間的關(guān)系具有一定的物理聯(lián)系，所以，根據(jù)此特性，內(nèi)部一致性檢查主要是針對同一測站同一時間的同類氣象要素或不同氣象素觀測值之間的物理關(guān)系進(jìn)行檢查，從而判斷數(shù)據(jù)是否異常。

同一時間觀測的氣象要素記錄之間的關(guān)系應(yīng)符合一定物理聯(lián)系的檢查。各要素氣象觀測數(shù)據(jù)應(yīng)符合下列關(guān)系，不符合下列關(guān)系的數(shù)據(jù)中至少有一個視為錯誤記錄。

(1）各要素的正點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)小于或等于小時最大值，同時大于或等于小時最小值。

(2）極大風(fēng)速≥最大風(fēng)速，極大風(fēng)速≥瞬時風(fēng)速，極大風(fēng)風(fēng)速應(yīng)≥平均風(fēng)速，否則，極大風(fēng)風(fēng)速或平均風(fēng)速兩者或之一有疑誤。

3.5 時間一致性檢查

氣象要素變化的最大變率是指在一定的時間間隔，同一要素的前后波動應(yīng)在一定的范圍之內(nèi)，時間一致性最大變率檢查是檢查各氣象記錄是否超出一定時間內(nèi)的最大波動值范圍，若超出的記錄則標(biāo)記為錯誤的記錄。該檢查主要是針對在時間上的相關(guān)性較高的氣象要素進(jìn)行檢查。

4 小結(jié)

4.1 自動站實時資料的合理性檢查、時間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查等質(zhì)量控制方法，通過對自動傳感器探測的原始數(shù)據(jù)（即瞬時值）進(jìn)行質(zhì)量控制，有助于臺站值班人員在第一時間發(fā)現(xiàn)問題，防止錯誤數(shù)據(jù)上傳。

4.2 自動站小時數(shù)據(jù)的氣候?qū)W界限值檢查、邏輯檢查、氣候極值檢查、內(nèi)部一致性檢查、時間一致性檢查等質(zhì)量控制方法。同時通過地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件對其進(jìn)行機(jī)審，再進(jìn)行人工審核。確保自動氣象站非實時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。