地面氣象要素質(zhì)量控制方法研究發(fā)展現(xiàn)狀

李曉蘭，曹曉鐘

(1.成都信息工程學(xué)院，四川成都610225;2.中國氣象局氣象探測(cè)中心，北京100081)

0 引言

隨著氣象觀測(cè)臺(tái)站數(shù)量的增加，氣象觀測(cè)資料的數(shù)量越來越龐大。為了確保氣象觀測(cè)資料的代表性、準(zhǔn)確性和比較性，需要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。CIMO(Commission for Instruments and Methods of Observation)中[1]將與地理坐標(biāo)有關(guān)的、相當(dāng)于物理單位表示的儀器讀數(shù)稱之為Ⅰ級(jí)數(shù)據(jù)，即原始數(shù)據(jù)。由Ⅰ級(jí)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)稱之為Ⅱ級(jí)數(shù)據(jù)，即氣象參數(shù)。對(duì)氣象資料做質(zhì)量控制提高數(shù)據(jù)的可用性，提供能真實(shí)揭示氣候、天氣變化規(guī)律以及用于產(chǎn)品決策的信息。

傳統(tǒng)的QC(Quality Control)主要根據(jù)氣象學(xué)、天氣學(xué)、氣候?qū)W原理，以及氣象要素的時(shí)間、空間變化規(guī)律和各要素間相互聯(lián)系的規(guī)律為線索，分析氣象資料是否合理。其方法包括:范圍檢查、極值檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、氣象學(xué)公式檢查、統(tǒng)計(jì)學(xué)檢查、均一性檢查。這些方法被普遍應(yīng)用到地面氣象資料的質(zhì)量控制中[2]。

自從1999年中國開始建設(shè)氣象自動(dòng)氣象站以來，針對(duì)自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的研究越來越迫切。國外在自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面做了許多研究工作，對(duì)提高數(shù)據(jù)利用率、增強(qiáng)設(shè)備維護(hù)都有很重要的意義。我國根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求，提出了許多針對(duì)我國地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制的方法，部分方法已經(jīng)用于現(xiàn)行業(yè)務(wù)中，并取得了相應(yīng)的成果。

1 國外地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制方法的研究

近年來，國外在氣象觀測(cè)資料質(zhì)控方面的研究日趨成熟，通過改進(jìn)觀測(cè)設(shè)備和完善質(zhì)控方法，使得氣象觀測(cè)資料的可用性得到了很大的提高。但是由于大氣本身是混沌的，測(cè)量數(shù)據(jù)受儀器和環(huán)境的影響較大，仍會(huì)存在數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題，因此在這些問題的基礎(chǔ)上，各國氣象學(xué)家針對(duì)本國氣象觀測(cè)情況，開展了大量的有關(guān)地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制方法的研究。

在安達(dá)盧西亞(西班牙南部)農(nóng)業(yè)氣候氣象數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中引入質(zhì)量保證程序來評(píng)估氣象資料的完整性和可用性[3]。該程序包括數(shù)據(jù)格式、范圍和界限值的驗(yàn)證，時(shí)間和內(nèi)部一致性、持久性和空間一致性測(cè)試。

緊接著，墨西哥氣象局地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)第一次使用一個(gè)全面的QA(Quality Assurance)程序?qū)︼L(fēng)速記錄進(jìn)行管理[4]。分析了總共139個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)。QA過程集成11種質(zhì)量保證檢查分為4類(可信值檢查、內(nèi)部一致性、時(shí)間一致性和系統(tǒng)誤差)。記錄的一部分被質(zhì)量控制過濾器標(biāo)記，有近26%的風(fēng)速記錄和5%的風(fēng)向記錄顯示異常。

另外，美國對(duì)全球月、日、小時(shí)地面資料均進(jìn)行了較完善的質(zhì)量控制，制作了有代表性的數(shù)據(jù)集。緊接著在質(zhì)量保證(QA)方面，美國已有研究員研究表明高效的質(zhì)量保證程序在揭示氣象數(shù)據(jù)資料的異常值方面更省時(shí)省力。在這項(xiàng)研究中測(cè)量相鄰站使用的空間回歸測(cè)試提供了測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的初步估計(jì)[5]。在一些的極端的天氣事件中采用空間測(cè)試研究模式標(biāo)記數(shù)據(jù)，例如:1993年中西部洪水，2002年的干旱，安德魯颶風(fēng)(1992)，1990年10月期間一系列的冷空氣。

在美國俄克拉何馬州開發(fā)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(Mesonet)中，質(zhì)量控制方面程序包括四個(gè)主要組成部分:儀器檢定，實(shí)地測(cè)驗(yàn)，自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)程序，人工檢查。確保儀器檢定中所有傳感器部署在網(wǎng)絡(luò)中均達(dá)到Mesonet指導(dǎo)委員會(huì)建立的高標(biāo)準(zhǔn)[6]。計(jì)算機(jī)每日自動(dòng)進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，適當(dāng)設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)志，提醒工作人員數(shù)據(jù)中潛在的錯(cuò)誤。人工檢查提供了人類的判斷過程，用于捕捉微妙的錯(cuò)誤，以及自動(dòng)化技術(shù)中可能存在的錯(cuò)誤。

基于對(duì)氣象資料質(zhì)量控制方法的研究，國外研究者提出根據(jù)觀測(cè)到的氣象參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制方法尤為重要，比如空間一致性或時(shí)間一致性等。但預(yù)期的數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序或者先驗(yàn)知識(shí)的情況也必須考慮在內(nèi)。所以利用氣象參數(shù)的空間和時(shí)間上的一致性，提出了基于自相關(guān)性和模型獨(dú)立的質(zhì)量控制過程[7]。該方法適用于測(cè)量在時(shí)間和空間上具有較高的相關(guān)程度的觀測(cè)站網(wǎng)。所提出的質(zhì)量控制程序可以被表示為一個(gè)數(shù)學(xué)上的最小曲率分析領(lǐng)域的優(yōu)化問題。這個(gè)結(jié)果在矩陣方程，可以不需要收斂的迭代求解。另外，基于地面氣象航空資料，國外研究者采用內(nèi)部的或者時(shí)間域上的或者閾值限制相互結(jié)合的方式來檢測(cè)氣象資料[8]。6種內(nèi)部一致性的檢查以及3種時(shí)間一致性的檢查組成了更為復(fù)雜的質(zhì)量控制方法。

2 中國氣象資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的現(xiàn)狀

2.1 國家級(jí)氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制的研究

在氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制的研究過程中，氣象學(xué)家不僅針對(duì)相關(guān)氣象要素提出了特定的質(zhì)控方法，同時(shí)也提出了更為高效的質(zhì)控流程。利用國家級(jí)接收平臺(tái)，收集全國氣象觀測(cè)信息，通過分析大量臺(tái)站上傳的數(shù)據(jù)，從中找出質(zhì)控算法中存在的不足，提出更合適的質(zhì)控方法，從而提高氣象觀測(cè)資料的可用性。

對(duì)于氣象資料質(zhì)量控制中單項(xiàng)檢驗(yàn)為可疑的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)一步判別它的錯(cuò)誤與正確，是氣象資料質(zhì)量控制中的一個(gè)重大技術(shù)問題。王伯民提出氣象資料質(zhì)量控制綜合判別法[9]。隨著觀測(cè)系統(tǒng)的加強(qiáng)，中國陸續(xù)出現(xiàn)許多新建的地面臺(tái)站、地面自動(dòng)觀測(cè)站，徐枝芳等設(shè)計(jì)了關(guān)于新建地面氣象自動(dòng)站的資料的質(zhì)量控制方法[10]。任芝花等通過對(duì)全國自動(dòng)站數(shù)據(jù)，建立全國自動(dòng)站正點(diǎn)相對(duì)濕度資料和全國自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料的數(shù)據(jù)集，并通過深入分析錯(cuò)誤數(shù)據(jù)存在的方式，制定了相關(guān)的質(zhì)控方案并將其運(yùn)用到了相關(guān)的資料質(zhì)量評(píng)估中[11－12]。另外，對(duì)于地面基礎(chǔ)氣象資料中存在的問題，國家信息中心相關(guān)研究員結(jié)合國家級(jí)和省級(jí)氣象資料部門存儲(chǔ)的1951～2009年2474個(gè)國家級(jí)地面氣象站觀測(cè)的氣溫、氣壓、水汽壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量7種要素信息化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，檢測(cè)并分析了數(shù)據(jù)中存在的問題[13]。

在中國氣象觀測(cè)資料一體化進(jìn)程中，根據(jù)不同級(jí)別數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，氣象學(xué)家針對(duì)設(shè)備級(jí)的采樣值和測(cè)量值也做了相關(guān)的研究，并提出了相應(yīng)的質(zhì)控方法[14]。研究表明，通過在自動(dòng)氣象站的采集器對(duì)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的質(zhì)量控制，使得上傳到計(jì)算機(jī)主機(jī)業(yè)務(wù)軟件接收到的數(shù)據(jù)更具有代表性。在此基礎(chǔ)上，臺(tái)站根據(jù)本站長期以來氣象資料的統(tǒng)計(jì)值做進(jìn)一步的質(zhì)量控制，使氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大提高。

2.2 省級(jí)氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制的研究

在中國氣象資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的發(fā)展中，除了中國氣象局氣象信息中心的相關(guān)研究員進(jìn)行的相關(guān)研究，各省也根據(jù)自身的實(shí)際情況，積極開展科研創(chuàng)新，結(jié)合國家站與區(qū)域站的觀測(cè)資料，提出了很多有效的質(zhì)控方法。

廣西省提出了基于用高度訂正方法確定區(qū)域自動(dòng)氣象站氣候界限值;河南省提出了基于自動(dòng)氣象站資料評(píng)估方法并將其運(yùn)用于業(yè)務(wù)工作中取的了很好的成績;江西省建設(shè)了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)軟件并將其運(yùn)用到本省的國家站和區(qū)域站的工作中;廣東省在自動(dòng)氣象站全網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基本原理和系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，完善本省區(qū)域自動(dòng)氣象站探測(cè)網(wǎng)的監(jiān)控保障業(yè)務(wù)，根據(jù)實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)判斷采集器及各傳感器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障信息的自動(dòng)提取與短信報(bào)警;安徽省氣象局基于觀測(cè)資料一體化業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性、時(shí)效性、一致性具有較高要求，強(qiáng)化數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和維護(hù)維修尤為重要。

3 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)代化自動(dòng)氣象站發(fā)展水平，為提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，在自動(dòng)化觀測(cè)的基礎(chǔ)上，建立基于軟件主動(dòng)處理為主，人工被動(dòng)干預(yù)為輔的技術(shù)體制，形成緊密聯(lián)系，分工明確，上下互動(dòng)的四級(jí)綜合質(zhì)量控制體系來替代原有的三級(jí)質(zhì)控體系。此體系包括設(shè)備級(jí)、臺(tái)站級(jí)、省級(jí)和國家級(jí)質(zhì)量控制。

以設(shè)備狀態(tài)作為數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的前提，從原始采樣數(shù)據(jù)開始逐級(jí)形成分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、臺(tái)站空間一致性、通信線路狀態(tài)為一體的綜合質(zhì)量控制。設(shè)備級(jí)和臺(tái)站級(jí)的質(zhì)控，是今后地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量控制深入發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，國外在自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面做了許多研究工作，對(duì)提高數(shù)據(jù)利用率、增強(qiáng)設(shè)備維護(hù)都有很重要意義。國內(nèi)質(zhì)量控制較薄弱，其方法和時(shí)效性較國外落后，并且針對(duì)自動(dòng)化云、天觀測(cè)與常規(guī)要素的綜合質(zhì)量控制算法尚屬空白。隨著新型自動(dòng)站的投入使用，結(jié)合自動(dòng)化云、天觀測(cè)與常規(guī)要素的綜合質(zhì)量控制算法的研究變得尤為重要。

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