海洋站觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法及其應(yīng)用

楊揚(yáng)，苗慶生，韋廣昊，董明媚，東成

(國家海洋信息中心 天津 300171)

海洋站觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法及其應(yīng)用

楊揚(yáng)，苗慶生，韋廣昊，董明媚，東成

(國家海洋信息中心 天津 300171)

文章闡明開展海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制的必要性和重要性，以海洋站觀測(cè)延時(shí)(月報(bào))資料為例，詳細(xì)論述其質(zhì)量控制的對(duì)象、流程和參數(shù)以及包括日期檢驗(yàn)、位置檢驗(yàn)、格式檢驗(yàn)在內(nèi)的19種質(zhì)量控制方法，同時(shí)概述海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制軟件，最后提出下一步開展海洋站觀測(cè)資料的均一化檢驗(yàn)和訂正以及建立多模式檢驗(yàn)系統(tǒng)和均一化數(shù)據(jù)集的研究重點(diǎn)，以期為海洋和氣候變化研究提供科學(xué)準(zhǔn)確的第一手資料。

海洋站；海洋觀測(cè)；觀測(cè)數(shù)據(jù)；質(zhì)量控制；均一化

1 引言

海洋站觀測(cè)獲得數(shù)據(jù)資料的長(zhǎng)期性、連續(xù)性和近岸性是其他觀測(cè)方式無法比擬和替代的，其實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用意義不言而喻。尤其是在需要長(zhǎng)時(shí)間序列資料時(shí)，海洋站觀測(cè)資料的重要性和寶貴性就更加明顯。然而海洋站觀測(cè)資料隨時(shí)間的變化相當(dāng)顯著且復(fù)雜，有些變化不是單獨(dú)存在而是相互疊加，從而加大了觀測(cè)要素隨時(shí)間變化的顯著性[1]。因此，在對(duì)海洋站觀測(cè)資料進(jìn)行研究分析之前，必須對(duì)其進(jìn)行必要的質(zhì)量控制和人工審核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)資料中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、可疑數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)提示對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和查證處理，從而將資料中的錯(cuò)誤減到最低，提高資料質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的可靠性、代表性和可比性。

已有很多專家學(xué)者對(duì)海洋站觀測(cè)資料的質(zhì)量控制做過很多研究，但多數(shù)集中于地面氣象資料[2-7]，對(duì)水文資料的研究鮮有報(bào)道，僅有李學(xué)坤等[8]于1997年對(duì)海洋水文氣象資料實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制做過分析研究。本研究以海洋站觀測(cè)延時(shí)(月報(bào))資料為例，詳細(xì)論述其質(zhì)量控制技術(shù)和方法，同時(shí)概述海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制軟件，并提出下一步研究重點(diǎn)。

2 質(zhì)量控制技術(shù)

2.1 質(zhì)量控制對(duì)象

海洋站觀測(cè)月報(bào)資料共有4種類型10種文件。①溫鹽：T011定時(shí)溫鹽海發(fā)光和T012逐時(shí)溫鹽，共2種；②潮汐：T021逐時(shí)潮位和高低潮位潮時(shí)、T022 5 min潮位以及T023 1 min潮位，共3種；③波浪：T031定時(shí)(逐時(shí))波浪，共1種；④氣象：T051定時(shí)溫壓濕和逐時(shí)風(fēng)等氣象要素、T052逐時(shí)溫壓濕和逐時(shí)能見度、T053 10 min風(fēng)速風(fēng)向以及T054 1 min溫壓濕、風(fēng)速風(fēng)向和降水，共4種。

2.2 質(zhì)量控制流程

海洋站觀測(cè)月報(bào)資料的質(zhì)量控制流程為：讀入質(zhì)控參數(shù)-檢查站代碼-檢查資料的年月是否合法(按升序排列)-檢查經(jīng)緯度和表頭各項(xiàng)觀測(cè)參數(shù)-檢查記錄類型和觀測(cè)日期-檢查觀測(cè)要素值是否合法(有無非法字符、是否在合理值范圍內(nèi))-檢查觀測(cè)方法是否正確-檢查儀器代碼是否正確-檢查質(zhì)量符是否正確-觀測(cè)要素范圍檢驗(yàn)-氣候特性檢驗(yàn)-相關(guān)性檢驗(yàn)-極值檢驗(yàn)-其他質(zhì)量控制方法檢驗(yàn)-檢查說明記錄是否合法-質(zhì)量控制綜合分析-數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)。

在質(zhì)量控制過程中，可根據(jù)觀測(cè)資料類別、觀測(cè)要素和用戶需求的差異對(duì)上述流程環(huán)節(jié)進(jìn)行增減。

2.3 質(zhì)量控制參數(shù)

質(zhì)量控制參數(shù)通常包括通用質(zhì)量控制參數(shù)和單站質(zhì)量控制參數(shù)。其中，通用質(zhì)量控制參數(shù)是各海洋站在進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)均可使用的參數(shù)；單站質(zhì)量控制參數(shù)是從各海洋站歷年資料中經(jīng)大量統(tǒng)計(jì)計(jì)算選取的、專門提供給對(duì)應(yīng)海洋站進(jìn)行質(zhì)量控制的參數(shù)。

3 質(zhì)量控制方法

依據(jù)海洋學(xué)、氣象學(xué)、天氣學(xué)和氣候?qū)W原理以及《海濱觀測(cè)規(guī)范》[9]《地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制》[10]和數(shù)據(jù)文件格式的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行水文氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)序列的技術(shù)性和合理性檢驗(yàn)；同時(shí)結(jié)合各海洋站的不同海洋氣候背景，由程序自動(dòng)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行檢查，找出不合理、不正常的錯(cuò)誤或可疑記錄，從而達(dá)到質(zhì)量控制的目的[11]。

目前采用的質(zhì)量控制方法主要包括日期檢驗(yàn)、位置檢驗(yàn)、格式檢驗(yàn)、觀測(cè)要素范圍檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)特性檢驗(yàn)、氣候特性檢驗(yàn)、全等性檢驗(yàn)、非法碼檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、遞增性檢驗(yàn)、連續(xù)性檢驗(yàn)、極值檢驗(yàn)、尖峰檢驗(yàn)、增減水位審核、一致性檢驗(yàn)、變化連續(xù)性檢驗(yàn)、相鄰站的一致性檢驗(yàn)、可視化圖形繪制檢驗(yàn)以及異常數(shù)據(jù)的判別和處理等，這些方法已經(jīng)投入日常業(yè)務(wù)化工作中且取得了很好的效果。本研究分別介紹這些方法的具體內(nèi)容。

(1)日期檢驗(yàn)。海洋觀測(cè)資料的觀測(cè)日期應(yīng)在合理取值范圍內(nèi)。如，年份的取值不大于當(dāng)前年份，月份的取值范圍為1～12，日期的取值范圍為當(dāng)月天數(shù)，小時(shí)的取值范圍為0～23，分和秒的取值范圍為0～59。

(2)位置檢驗(yàn)。海洋觀測(cè)資料的測(cè)站位置應(yīng)在合理取值范圍內(nèi)。如，緯度的取值范圍為-90°～90°，經(jīng)度的取值范圍為-180°～180°，固定觀測(cè)站位漂移范圍不超過5 km。

(3)格式檢驗(yàn)。海洋觀測(cè)資料均是按照規(guī)定格式記錄的，如項(xiàng)目要素記錄的起始位置和長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)記錄的類型以及缺測(cè)值的填寫等都有相應(yīng)的要求，根據(jù)這些固定格式對(duì)資料進(jìn)行檢驗(yàn)。

(4)觀測(cè)要素范圍檢驗(yàn)。簡(jiǎn)稱范圍檢驗(yàn)，主要是對(duì)已有的國內(nèi)外海洋觀測(cè)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)各項(xiàng)觀測(cè)要素的自身特點(diǎn)和取值范圍對(duì)資料進(jìn)行檢驗(yàn)；如果超出正常范圍，則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)異常。

(5)統(tǒng)計(jì)特性檢驗(yàn)。理論上海洋觀測(cè)資料往往具有一定的概率統(tǒng)計(jì)特性，數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量和隨機(jī)過程既相互獨(dú)立又服從特定分布，時(shí)間序列資料對(duì)應(yīng)的隨機(jī)過程也是平穩(wěn)的或周期性的；根據(jù)數(shù)據(jù)的這些特性對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否獨(dú)立，獨(dú)立的數(shù)據(jù)往往是異常值。

(6)氣候特性檢驗(yàn)。根據(jù)海域海洋環(huán)境氣候要素的變化特點(diǎn)，檢驗(yàn)其是否遵循相應(yīng)的變化規(guī)律，如季節(jié)性變化和日變化等。具體檢驗(yàn)方法為：從歷史資料中統(tǒng)計(jì)測(cè)站位置要素?cái)?shù)據(jù)累年逐月(累年逐季)平均值A(chǔ)nn和對(duì)應(yīng)的均方差Sd，根據(jù)該測(cè)站要素變化的劇烈程度選取合理的倍數(shù)m；如果不能滿足Ann-m·Sd≤觀測(cè)值≤Ann+m·Sd，則判定其為異常值，需進(jìn)一步分析。

(7)全等性檢驗(yàn)。主要針對(duì)觀測(cè)記錄中的某些要素項(xiàng)進(jìn)行，如資料類型、浮標(biāo)號(hào)、平臺(tái)代碼、海洋觀測(cè)臺(tái)站代碼、觀測(cè)方法、儀器名稱、觀測(cè)儀器海拔高度和觀測(cè)點(diǎn)水深等，這些要素項(xiàng)的參數(shù)具有特定值且往往長(zhǎng)期保持不變，記錄值和約定值必須完全一致，否則視為錯(cuò)誤。

(8)非法碼檢驗(yàn)。主要針對(duì)取值在有限代碼范圍內(nèi)的海洋觀測(cè)要素進(jìn)行。如，《海濱觀測(cè)規(guī)范》[9]規(guī)定波型取值只能為U、U/F、F/U、F、FU、---、+++和空格的其中之一，不在此范圍內(nèi)的取值視為錯(cuò)誤。

(9)相關(guān)性檢驗(yàn)。根據(jù)海洋觀測(cè)資料中要素間的相互關(guān)系檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否異常。如，1 d內(nèi)各定時(shí)或逐時(shí)記錄值是否超出日極值，最大波高必須大于或等于平均波高，最大周期必須大于或等于平均周期，高、低潮潮高和逐時(shí)潮高的關(guān)系，波型、波高和海況的關(guān)系，風(fēng)速、波高和周期的關(guān)系以及海水鹽度、溫度和密度的關(guān)系等。

(10)遞增性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)遞增量差值是否大于或等于某一確定值。具體檢驗(yàn)方法為：假設(shè)當(dāng)前觀測(cè)值為V(t),與其相鄰的上一個(gè)正確值為V(t-1)，檢驗(yàn)值=V(t)-V(t-1)。

(11)連續(xù)性檢驗(yàn)。海洋觀測(cè)要素在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有連續(xù)性，即時(shí)間接近或位置鄰近的觀測(cè)要素的差值在一定范圍內(nèi)。具體檢驗(yàn)方法為：假設(shè)當(dāng)前觀測(cè)值為V(t)，與其相鄰的上一個(gè)正確值為V(t-1)，檢驗(yàn)值=|V(t)-V(t-1)|。

(12)極值檢驗(yàn)。一般情況下，定點(diǎn)定時(shí)要素觀測(cè)值的取值應(yīng)在該點(diǎn)該要素多年極值的范圍內(nèi)，即Min(X)≤觀測(cè)值≤Max(X)；否則判定其為異常值，需進(jìn)一步分析。

(13)尖峰檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)如出現(xiàn)較大突變，則判定其為異常值，需進(jìn)一步分析，具體參數(shù)視觀測(cè)要素而定；具體檢驗(yàn)方法為：假設(shè)當(dāng)前觀測(cè)值為V(t),與其相鄰的第一個(gè)正確值分別為V(t-1) 和V(t+1)，檢驗(yàn)值=|V(t)-[V(t+1)+V(t-1)]/2|-|[V(t+1)-V(t-1)]/2|。

(14)增減水位審核。當(dāng)淺水潮較大區(qū)域的實(shí)際潮位數(shù)據(jù)和增減水位同時(shí)超出合理范圍時(shí)，或當(dāng)其他區(qū)域的實(shí)際潮位數(shù)據(jù)和增減水位其中之一超出合理范圍時(shí)，則認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)是可疑的。

(15)一致性檢驗(yàn)。主要包括內(nèi)部一致性檢驗(yàn)和時(shí)間一致性檢驗(yàn)。其中，內(nèi)部一致性檢驗(yàn)是對(duì)同一時(shí)間觀測(cè)的水文氣象要素之間的關(guān)系是否符合一定物理聯(lián)系的檢驗(yàn)，時(shí)間一致性檢驗(yàn)是對(duì)水文氣象要素在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化是否具有特定規(guī)律的檢驗(yàn)。各要素觀測(cè)記錄應(yīng)符合的關(guān)系主要包括：干球溫度大于(等于)濕球溫度(濕球結(jié)冰時(shí)除外)、氣溫大于(等于)露點(diǎn)溫度、10 min平均風(fēng)速小于(等于)最大風(fēng)速、2 min平均風(fēng)速小于(等于)極大風(fēng)速、能見度小于(等于)4 km時(shí)應(yīng)有霧出現(xiàn)、極大風(fēng)速大于(等于)17.0 m/s時(shí)應(yīng)有大風(fēng)現(xiàn)象以及靜穩(wěn)時(shí)風(fēng)速應(yīng)小于0.2 m/s。不符合上述關(guān)系的記錄中至少有1個(gè)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

(16)變化連續(xù)性檢驗(yàn)。1 min間隔數(shù)據(jù)的變化范圍和24 h內(nèi)氣溫氣壓的變化范圍應(yīng)滿足的各項(xiàng)要求分別如表1和表2所示，超出范圍則視為可疑數(shù)據(jù)。

表1 1 min間隔和給定時(shí)間范圍數(shù)據(jù)變化界限

表2 24 h內(nèi)氣溫氣壓的變化范圍

(17)相鄰站的一致性檢驗(yàn)。①物理高斯權(quán)重插值法。從統(tǒng)計(jì)學(xué)和氣象學(xué)相關(guān)性的角度，為周圍3個(gè)相關(guān)站點(diǎn)的某要素分配不同的權(quán)重，通過周圍要素值并根據(jù)物理高斯權(quán)重插值法的原理計(jì)算出欲測(cè)站點(diǎn)某要素的插值。②24 h變量場(chǎng)法+插值法。用前24 h的資料求得變量場(chǎng)，再使用插值法進(jìn)行檢驗(yàn)；如果沒有前24 h的資料，則不進(jìn)行此項(xiàng)檢驗(yàn)。系統(tǒng)在默認(rèn)情況下首選使用最優(yōu)的24 h變量場(chǎng)法+插值法，最終選擇哪種方法由系統(tǒng)根據(jù)報(bào)文類型決定。

(18)可視化圖形繪制檢驗(yàn)。由于觀測(cè)要素的變化是連續(xù)的，通過繪制可視化圖形可直觀地判斷出異常值。如，繪制要素的時(shí)間序列過程線，顯示的尖峰值即視為異常值(圖1)。

圖1 5 min潮位數(shù)據(jù)的時(shí)間序列

(19)異常數(shù)據(jù)的判別和處理。異常數(shù)據(jù)的判別和處理是在海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制中需解決的重要問題。異常數(shù)據(jù)主要包括2類：①正確的異常值，即海況急劇變化的真實(shí)記錄，如臺(tái)風(fēng)過境時(shí)風(fēng)速和水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常增大等；②含有過失誤差的異常值，即由于儀器失靈、外界干擾或觀測(cè)人員失誤造成的錯(cuò)誤記錄，應(yīng)在資料質(zhì)量控制中加以標(biāo)識(shí)或刪除。

4 質(zhì)量控制軟件

根據(jù)上述質(zhì)量控制的原則和方法，國家海洋信息中心研發(fā)了海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)，為海洋站觀測(cè)資料的質(zhì)量控制工作提供了良好的工具，是質(zhì)量控制技術(shù)的最終體現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已更新為2.03版本，包含上述各種質(zhì)量控制方法，并利用可視化質(zhì)量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互操作，極大地提高了質(zhì)量控制的工作效率。此外，還建立了海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制的審核制度，從海洋站、中心站、各海區(qū)信息中心到國家海洋信息中心，每級(jí)至少有1位審核員負(fù)責(zé)觀測(cè)資料的質(zhì)量控制工作，并在形成的文件說明中記錄審核人、審核日期和相關(guān)信息。審核員都是海洋觀測(cè)一線工作人員，最為了解當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶鞖?、環(huán)境和儀器設(shè)備狀況，因此他們對(duì)觀測(cè)資料的審核極為重要也最為有效。

5 結(jié)語

開展海洋站觀測(cè)資料質(zhì)量控制的主要目的是確定正確記錄，找出缺測(cè)記錄、錯(cuò)誤記錄和可疑記錄，并對(duì)其做出標(biāo)識(shí)或使用盡可能準(zhǔn)確的值代替，以確保提供應(yīng)用的觀測(cè)資料符合各種要求[12]。我國現(xiàn)有的觀測(cè)資料質(zhì)量控制技術(shù)和方法與發(fā)達(dá)國家相比差距很大[13]，而觀測(cè)資料的質(zhì)量直接影響其應(yīng)用效果。此外，由于在觀測(cè)記錄過程中不可避免地受到諸多主觀或客觀方面的影響[14-15](如臺(tái)站遷移、儀器故障或變更、系統(tǒng)更新升級(jí)、觀測(cè)人員更換或水平不一、觀測(cè)頻次和時(shí)間改變以及統(tǒng)計(jì)分析方法改變等)，觀測(cè)數(shù)據(jù)在記錄真實(shí)環(huán)境氣候變化之外還隱藏了一些非均一的變化，這些變化將不利于資料同化系統(tǒng)的發(fā)展以及預(yù)報(bào)模式等業(yè)務(wù)和研究工作水平的提高[16]，因此僅對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行質(zhì)量控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)非均一性的研究。本研究下一步的工作即在不斷研發(fā)新的質(zhì)量控制方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究海洋站觀測(cè)資料(尤其是海洋水文資料)的均一化檢驗(yàn)和訂正，選取最適合中國海洋環(huán)境水文和氣候資料特點(diǎn)的均一性檢驗(yàn)方法，努力建立多種均一性檢驗(yàn)和訂正方法聯(lián)合使用和研究的多模式檢驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建高質(zhì)量的中國海洋站海洋水文氣象資料均一化數(shù)據(jù)集，為沿海氣候變化研究提供準(zhǔn)確的第一手資料。

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QualityControlMethodsandApplicationfortheOceanicStationObservedDataintheDelayedMode

YANG Yang,MIAO Qingsheng,WEI Guanghao,DONG Mingmei,DONG Cheng

(National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

This paper expounded the necessity and importance of quality control for the oceanic station observed data.Taking the data of the delayed mode (monthly) of the oceanic station as an example,the object,the process and the parameter of the quality control were discussed in detail,including 19 tests in sum such as the date test,the position test,and the format test.At the same time,the paper analyzed the quality control software of the marine observed data.The next steps were put forward to carry out a variety of tests and correction methods combined with the use of multi-mode test system,which would make the results more reasonable and scientific,and also could be used to provide accurate first-hand information for the coastal climate change researches.

Oceanic station,Marine observation,Observed data,Quality control,Homogeneity

苗慶生，工程師，研究方向?yàn)樗臍庀筚Y料的管理和質(zhì)量控制

P71

A

1005-9857(2017)10-0109-05

2017-03-01；

2017-08-17

楊揚(yáng)，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)樗臍庀筚Y料的管理和質(zhì)量控制