自動氣象站數(shù)據(jù)文件格式錯誤診斷與統(tǒng)計分析

董德保, 錢 毅, 吳奇生, 竇煒明

(安徽省氣象局大氣探測技術保障中心,安徽合肥230031)

0 引言

隨著地面氣象觀測業(yè)務改革的推進,自動觀測逐步取代了人工觀測,觀測業(yè)務從以數(shù)據(jù)采集為主逐步向儀器設備運行保障、數(shù)據(jù)質量控制和數(shù)據(jù)處理分析為主的綜合觀測轉變。地面氣象觀測資料由自動氣象站自動采集、處理和上行傳輸,通過監(jiān)控分析上行傳輸數(shù)據(jù)文件(Z文件)的到報、文件格式解析和數(shù)據(jù)質量控制情況,可以評估自動氣象站運行穩(wěn)定性與可靠性。由于自動氣象站容易受到雷擊、電磁脈沖干擾、人為操作失誤以及頂層設計等因素影響[1-2],導致自動氣象站業(yè)務運行故障,自動觀測資料缺測,影響氣象資料的連續(xù)性、及時性、完整性。因此,提高自動氣象站業(yè)務運行的穩(wěn)定性與可靠性對于發(fā)揮觀測資料的應用效益具有重要的意義。

1 自動氣象站數(shù)據(jù)文件特征

自動氣象站觀測的數(shù)據(jù)每小時正點向中國氣象局以數(shù)據(jù)文件形式上行傳輸,對原始上傳數(shù)據(jù)文件進行解析,解析后的數(shù)據(jù)文件由4條記錄組成:

第1行(測站基本參數(shù)):包括區(qū)站號、經(jīng)度、緯度、觀測場海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、觀測方式共6組項目3個字,每組用一個半角字符分開。

第2行(器測項目):包括觀測時間、風速、風向、氣溫、地溫以及氣壓和能見度等共52個要素值262個字節(jié),每組用一個半角字符分開。

第3行(分鐘雨量):120個字節(jié),每分鐘2個字節(jié),即1～2位為第1分鐘的記錄,3～4位為第2分鐘的記錄……,如此類推,119～120位為第60分鐘的記錄;每分鐘內無降水時存入“00”,微量存入“,,”,降水量≥10mm時,一律存入99,缺測存入“//”。

第4行:共23個要素值,每組用1個半角空格分隔,無該條記錄內容時則省略,“=”加在分鐘降水量之后。文件最后一條記錄為NNNN,表示文件結束[3]。

2 自動氣象站運行效能指標分析

2.1 運行監(jiān)控概述

CAWS600型自動氣象站在中國氣象臺站已廣泛投入業(yè)務使用,由于頂層設計缺少數(shù)據(jù)采集器模塊、傳感器模塊以及通信網(wǎng)絡等硬件的監(jiān)視參數(shù),一般利用上傳數(shù)據(jù)文件到報監(jiān)視、格式解析、質量控制等方法進行遠程狀態(tài)監(jiān)控,對于上傳數(shù)據(jù)文件的診斷分析,可以方便自動氣象站故障報警,提高裝備保障的時效性?；凇熬C合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺”(Atmospheric Observiug System Operations and Monitoring,ASOM)和安徽省級監(jiān)控平臺,并結合自動氣象站業(yè)務運行特點,從上傳數(shù)據(jù)文件通信能力、設備運行能力、設備故障情況方面進行運行能力評估[4-5]。通過上傳每小時觀測數(shù)據(jù)文件(Z文件)時次與數(shù)據(jù)文件格式檢查,得出未到報時次與格式錯誤時次的文件,這些時次的數(shù)據(jù)文件將不能錄入數(shù)據(jù)庫;從數(shù)據(jù)存儲、查詢等管理角度來看,均視為無效數(shù)據(jù)文件,統(tǒng)計時用到報率指標評估。從時間一致性、空間一致性、氣候極值、內部一致性等檢查方法對數(shù)據(jù)文件中的觀測要素項進行質量控制[6-8],分析出數(shù)據(jù)錯誤時次文件,其可反映自動站觀測要素采集通道或傳感器運行能力;結合上述3種因素,用可用性指標(即:應觀測時次減去未到報時次、數(shù)據(jù)文件格式錯誤和數(shù)據(jù)錯誤再與應觀測時次之比)進行運行監(jiān)控評估。

2.2 運行效能指標分析

通過ASOM和安徽省級監(jiān)控平臺監(jiān)控2010～2011年安徽省國家級自動氣象站運行效能指標的統(tǒng)計分析,圖1為2010年、2011年自動氣象站運行效能指標逐月變化曲線,2011年運行效能指標優(yōu)于2010年,從圖中可以看出,2010年4月自動站運行效能指標較差,到報率和可用性僅為98.58%和98.45%,之后自動站運行效能指標呈迂回上升趨勢;從中可知到報率與可用性變化趨勢基本相同,具有一致性的特征且到報率(評估數(shù)據(jù)文件未到報時次和數(shù)據(jù)文件格式錯誤時次)是影響可用性高低的首要因素。

眾所周知,安徽省81套自動氣象站可分為3種站類,分別為基準站(3個)、基本站(21個)和一般站(57個);圖2為不同站類運行效能指標逐月變化,其中,2010年1～8月3種站類運行效能指標具有明顯的階梯性,一般站優(yōu)于基本站,基本站優(yōu)于基準站;到9月基準站的運行效能指標明顯上升,10～11月一般站和基準站運行較好,而基本站運行效能呈下降趨勢,到12月,3種站類運行效能指標均較高;2011年3種站類逐月運行效能指標均在99.85%以上,無明顯特征,自動氣象站業(yè)務運行相對穩(wěn)定。依照地面氣象觀測規(guī)范規(guī)定,基準站每天通過OSSMO2004地面測報軟件定時觀測人機交互操作24次,基本站8次,一般站3次;對于同種型號觀測儀器業(yè)務運行,2010年8月之前3種站類運行效能指標具有明顯的階梯性,可能與人機交互操作頻次高低有著密切關系。

針對影響自動氣象站運行效能指標的3個因素:未到報、數(shù)據(jù)文件格式錯誤和數(shù)據(jù)錯誤,以2010年11月省級監(jiān)控平臺監(jiān)控自動氣象站業(yè)務運行情況為例。圖3為自動氣象站運行故障逐日變化與類型分布,從圖3(a)知,出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件格式錯誤時次高于未到報時次與數(shù)據(jù)錯誤時次,三者逐日變化無明顯特征,伴有隨機性;從圖3(b)知,11月數(shù)據(jù)文件格式錯誤時次占故障頻次89.22%,未到報時次占故障頻次7.43%,數(shù)據(jù)錯誤時次占故障頻次3.35%;顯然,數(shù)據(jù)文件格式錯誤是影響自動站運行效能的主要因素。

3 數(shù)據(jù)文件格式錯誤分析

3.1 數(shù)據(jù)文件格式錯誤類型

根據(jù)上傳數(shù)據(jù)文件編碼特征,利用ASOM和省級監(jiān)控平臺監(jiān)視數(shù)據(jù)文件格式錯誤出現(xiàn)頻次較高的類型列舉如下:

(1)第二行記錄字符長度短于相應文件格式編碼長度,第三行分鐘雨量均為缺測記錄,如:

(2)第二行觀測要素字符長度少于相應字段文件格式編碼長度,主要是第52個觀測要素(最小能見度出現(xiàn)時間)缺少一個字節(jié),此類格式錯誤較高,如:

(3)第二行觀測記錄缺失的文件格式錯誤,如:

(4)第三行分鐘雨量觀測記錄缺失的文件格式錯誤,如:

3.2 文件格式錯誤診斷分析

地面氣象觀測場自動氣象站數(shù)據(jù)采集器至值班室業(yè)務計算機通信故障時,正點上傳數(shù)據(jù)文件格式錯誤為上述的第(1)類,做好自動氣象站運行監(jiān)控,及時排除故障,可避免相應文件格式錯誤的發(fā)生。重點分析影響后3類文件格式錯誤的因素,以58531、58428和58102測站為例。圖4為58531測站(基準站)2010年8～9月出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個字節(jié)格式錯誤時,對應的人機交互保存發(fā)送文件操作時間散點圖,圖中縱坐標為正點(00分00秒)之后的時間,不難看出,出現(xiàn)此類數(shù)據(jù)文件格式錯誤時次對應的人機交互操作時間均45s;此外,在8月下旬安徽省大氣探測中心以該測站進行試驗,規(guī)范該測站觀測員人機交互操作時間＞45s,9月較8月發(fā)生此類格式錯誤明顯減少,即基準站運行效能指標明顯上升的緣故。對于58428測站(一般站)其人機交互操作時間逐日變化如圖5所示,該測站人機交互保存發(fā)送文件操作時間均＞45s,上傳數(shù)據(jù)文件到報率和可用性均為100%,臺站2010年10～11月未出現(xiàn)此類格式錯誤時次。結合圖4～5分析,若定時觀測人機交互保存發(fā)送文件操作時間＞45s,測站上傳數(shù)據(jù)文件未出現(xiàn)第2類格式錯誤時次。

通過地面測報軟件OSSMO2004的監(jiān)控軟件(SAWSS)與數(shù)據(jù)采集器通信時間節(jié)點分析如圖6所示,58102站10～11月寫入定時觀測數(shù)據(jù)時間與自動彈出天氣、航空等定時觀測對話框時間近于30s左右,寫入定時數(shù)據(jù)時間基本上略早于啟動定時觀測時間,分鐘數(shù)據(jù)卸載時間主要在41～42s波動;人機交互輸入能見度等目測要素并保存發(fā)送操作時間(45s)與SAWSS數(shù)據(jù)流進程時間沖突,導致出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個字節(jié)格式錯誤。另外,從圖中推知,若自動氣象站受到電磁等干擾,寫入數(shù)據(jù)文件中第二行定時數(shù)據(jù)時間延遲于分鐘雨量數(shù)據(jù)卸載成功時間,上傳數(shù)據(jù)文件第二行記錄將缺失,即為(3)類文件格式錯誤;若分鐘數(shù)據(jù)卸載成功時間延遲于Z文件上傳時間,即為第三行記錄缺失的格式錯誤。由于自動氣象站為中國氣象局定型設備,需要廠家對軟件頂層設計優(yōu)化,如:在正點45s后自動彈出人機交互操作對話框,以及進行自動氣象站電磁干擾防護等優(yōu)化措施;或是業(yè)務管理部門規(guī)范各級測站正點45s之后進行人工交互操作;可減少相關數(shù)據(jù)文件格式錯誤發(fā)生的概率。

圖6 58102測站業(yè)務軟件與數(shù)據(jù)采集器通信時間節(jié)點逐日變化

4 結束語

通過ASOM和安徽省級監(jiān)控平臺監(jiān)控自動氣象站運行效能指標的統(tǒng)計分析,得出了影響自動氣象站業(yè)務運行的主要因素為數(shù)據(jù)文件格式錯誤。論述了不同類型文件格式錯誤的特點,依據(jù)地面觀測業(yè)務特點和人機交互輸入定時觀測數(shù)據(jù)的操作時間分析,得到了出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個字節(jié)的格式錯誤與人機交互操作時間45s的關系。為保障地面觀測資料的連續(xù)性和完整性,生產廠家需要優(yōu)化自動氣象站頂層設計,地面觀測業(yè)務管理部門需要規(guī)范觀測員恰當?shù)娜藱C交互操作時間,以達到提高自動氣象站運行穩(wěn)定性和可靠性的目標。

[1] 李偉,王柏林,李書嚴,等.自動氣象站觀測資料質量控制方法介紹[C].首屆儀表、自動化與先進集成技術大會論文集,2007:468-473.

[2] 宋軍,高磊,王秀萍,等.大連自動站與人工站觀測數(shù)據(jù)的差異對比分析[J].氣象與環(huán)境學報,2009,25(1):58-61.

[3] 中國氣象局.地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件和記錄簿表格式[M].北京:氣象出版社,2005:9-46.

[4] 李雁,裴羽中,孟昭林,等.全國自動站運行能力統(tǒng)計及其影響因素分析[J].儀器儀表用戶,2010,17(2):4-8.

[5] 李雁,梁海河,孟昭林,等.自動氣象站運行效能統(tǒng)計[J].應用氣象學報,2009,20(4):504-509.

[6] 王伯民.基本氣象資料質量控制綜合判別法的研究[J].應用氣象學報,2004,15(B12):50-59.

[7] 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應用[J].氣象,2007,33(10):102-109.

[8] 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):199-200.