氣象觀測數(shù)據(jù)質量控制方法的探討

林 磊 任義方 張建飛 徐 杰 陳 明

（1.常州市氣象局，江蘇 常州213000；2.江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京210008；3.常州市金壇區(qū)氣象局，江蘇 常州213200）

引言

地面氣象觀測在觀測氣象數(shù)據(jù)和氣象現(xiàn)象中有連續(xù)性及時間序列性的特點，地面氣象觀測數(shù)據(jù)在天氣預報，氣候預測，氣候變化等研究中有著重要作用。氣象觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)為大氣運動在諸多因素作用下的演化過程，它間接影響著人類的工作和生活方式。地面觀測資料也是環(huán)境、水利、航空、軍事等部門關注的數(shù)據(jù)對象，對這些部門的業(yè)務開展是最重要的一個關鍵要素。各時次的氣象觀測資料為氣象服務、氣象減災、地質災害研究、氣候分析等研究提供了重要的依據(jù)。氣象數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性是利用好這些數(shù)據(jù)的關鍵和保證。在現(xiàn)實條件下，氣象數(shù)據(jù)受到傳感器故障、采集器故障、計算機故障甚至是人為因素造成數(shù)據(jù)的可疑或錯誤。這些氣象數(shù)據(jù)的疑誤嚴重影響氣象觀測數(shù)據(jù)的質量。一些非正常跳變引起的數(shù)據(jù)錯誤在災害性天氣發(fā)生時期會誤導預警發(fā)布，嚴重時甚至導致人民群眾的生命財產(chǎn)損失。因此，提高觀測數(shù)據(jù)的質量是地面氣象觀測的重中之重，對整個地面氣象觀測的業(yè)務起著決定性作用。

1 質量控制的內(nèi)容和操作

各級臺站對觀測數(shù)據(jù)的質量控制主要包括以下內(nèi)容：實時采集的觀測數(shù)據(jù)、各類數(shù)據(jù)采集文件(包含分鐘數(shù)據(jù)文件和整點數(shù)據(jù)文件)、利用軟件形成的每月A文件 、J文件及年報數(shù)據(jù)Y 文件。臺站的數(shù)據(jù)質量控制軟件既使用一個獨立的質量控制軟件，也可使用地面測報業(yè)務系統(tǒng)軟件ISOS的組件—實時自動站采集數(shù)據(jù)質量控制組件。

從數(shù)據(jù)的質量控制具體操作來說：檢驗采集觀測數(shù)據(jù)的時間的合法性；對觀測要素的數(shù)值進行允許范圍值或氣候極值檢查, 當數(shù)值超過允許范圍值的時候，相關的數(shù)據(jù)記為卻側；對數(shù)據(jù)文件進行字合法性字符檢查，如果數(shù)據(jù)中有缺測字符或非法數(shù)據(jù)時， 相關的數(shù)據(jù)應記為缺測；對觀測數(shù)據(jù)進行內(nèi)部的一致性檢查，例如：總輻射、凈輻射、散射輻射三者之間一致性的檢查；采集時間和最值出現(xiàn)時間的一致性、整點觀測值和最值一致性的檢查；利用各觀測數(shù)據(jù)的變化曲線時序圖，通過觀測員的經(jīng)驗進行人工判斷處理。

實時采集的自動站觀測數(shù)據(jù)在進行以上的數(shù)據(jù)質量控制后產(chǎn)生自動站觀測數(shù)據(jù)文件。對這些觀測數(shù)據(jù)文件的質量控制具體應該包括如下方面：對觀測數(shù)據(jù)文件檢查文件；對觀測要素的數(shù)值進行允許范圍值或氣候界限值檢查；根據(jù)臺站的地理位置，進行氣候極值檢查；文件中各觀測數(shù)據(jù)內(nèi)部的一致性檢查；對文件中各觀測數(shù)據(jù)進行時間的一致性檢查, 具體為觀測數(shù)據(jù)的逐日、逐小時、逐分鐘的時間變化率檢查；觀測員利用觀測數(shù)據(jù)的日變化時序圖, 人工判斷與處理。

每月A文件、J文件及每年的Y文件的質量控制的具體操作和實時采集的自動站觀測數(shù)據(jù)的質量控制過程基本相似。但是質量控制的軟件的設計中，交互界面不同，以不同的方式顯示疑誤數(shù)據(jù)、疑誤信息以及與其相關的觀測數(shù)據(jù)，方便觀測員或臺站人員判斷與處理。

2 各級別質量控制的方法

國家級或省級對臺站的數(shù)據(jù)質量控制時，不對實時觀測數(shù)據(jù)進行質量控制，僅對每月A文件、J文件及每年的Y文件進行數(shù)據(jù)質量控制。國家級或省級進行數(shù)據(jù)質量控制的技術, 除了臺站級所使用的質量控制技術之外，還有空間的一致性檢查和該臺站的參數(shù)檢查。軟件設計中，交互界面中除了顯示疑誤數(shù)據(jù)、疑誤信息以及與其相關的觀測數(shù)據(jù)之外，還可以添加顯示多個觀測數(shù)據(jù)時間變化趨勢時序圖以及觀測數(shù)據(jù)的空間分布圖。在省級對觀測數(shù)據(jù)的質量控制中，空間的一致性檢查只涉及到省內(nèi)的全部臺站，包括一般站、基本站、基準站。這樣雖然質控區(qū)域范圍小，但臺站密度更密，質控效果好。國家級觀測數(shù)據(jù)的質量控制，空間的一致性檢查只包括所有的基準基本站, 雖然這樣臺站密度低,可是質控范圍更大, 可以跨區(qū)域、跨省市質量控制。

從臺站采集的原始氣象觀測數(shù)據(jù)開始到形成數(shù)據(jù)文件到傳輸?shù)绞⌒畔⒅行淖詈髠鬏斨羾壹墯庀笮畔⒅行?，每一個具體環(huán)節(jié)中都有數(shù)據(jù)質量控制。每月A文件、J文件及每年的Y文件，臺站級、省級、國家級三級的所使用的質量控制技術基本相似?？墒窃谝恍?shù)據(jù)質控細節(jié)上略有不同。質量控制參數(shù)省級和臺站級非常細致，國家級參數(shù)比較寬泛。因此，臺站級數(shù)據(jù)質量控制檢查出的錯誤最多，而國家級質量控制檢查出的錯誤數(shù)據(jù)最少。

3 質量控制檢查數(shù)據(jù)方法

臺站人員或質量控制人員在具體進行地面氣象數(shù)據(jù)質量控制檢查方法中通常采用以下幾種方法對氣象觀測數(shù)據(jù)進行質量控制。

3.1 文件格式檢查

文件格式檢查為對數(shù)據(jù)的順序、格式、體例按照存儲規(guī)范進行檢查。這項核查讓文件可以順利地進入數(shù)據(jù)庫。文件格式檢查依據(jù)了地面氣象數(shù)據(jù)規(guī)范的要求，核查進入數(shù)據(jù)庫的文件的格式、每個要素的長度、每個要素允許的范圍。上述數(shù)據(jù)能否符合觀測規(guī)范的規(guī)定。核查文件名中的臺站號、年月日是否和文件中的臺站號、年月日一致。海拔高度、緯度、經(jīng)度是否一致。

3.2 氣候界限值或要素允許值檢查

從氣候學考慮絕無可能出現(xiàn)的要素上下限閾值定義為要素的氣候界限值。如果文件中的要素數(shù)據(jù)超出要素的氣候界限值或允許值范圍的資料為錯誤資料。以具體數(shù)據(jù)為例：氣壓400～1100hpa，氣溫-70～70，地溫-85～90，露點-70～40，相對濕度0%～100%，風速 0～75m/s，風向 0～360，日降水量0～1700mm，日照 0～1/h。

3.3 站內(nèi)極值檢查

站內(nèi)極值是指某站原來歷史記錄中某要素曾出現(xiàn)過的極限大小值,核查數(shù)據(jù)要素值會否超過極值定義為站內(nèi)極值檢查。如果氣象要素數(shù)據(jù)值在極限大小值以外，需經(jīng)過觀測員按實際情況和經(jīng)驗人工判斷，判斷資料正確與否。站內(nèi)極值在應用過程中要不斷地及時更新。

3.4 內(nèi)部一致檢查

不同的要素和觀測項目間有特定的物理或邏輯聯(lián)系，對數(shù)據(jù)要素的該項核查叫做內(nèi)部一致檢查。以具體數(shù)據(jù)為例子：最大風速要小于極大風速，瞬時風速大于17m/s時須出現(xiàn)大風，如果風向為C，風速必須小于0.3m/s,每日任意時刻的相對濕度應該大于等于最小相對濕度，每日任意時刻的氣溫應介于最高氣溫和最低氣溫之間。

3.5 時間一致檢查

要素數(shù)據(jù)隨時間的推移變化的范圍是在某個區(qū)間的。不可能數(shù)據(jù)變化特別大，如果數(shù)據(jù)隨時間變化特別大，那可以認為數(shù)據(jù)不正常跳變，觀測員要從自身的經(jīng)驗出發(fā)加以判斷，予以修改或訂正。例如：氣溫每分鐘的變化不能超過3℃，相對濕度每分鐘的變化不能超過5%，氣壓每小時的變化不能超過3hpa。

4 結語

提高觀測數(shù)據(jù)的質量是地面氣象觀測的重中之重，對整個地面氣象觀測的業(yè)務起著決定性作用。隨著時代的發(fā)展，做好觀測數(shù)據(jù)的質量控制的任務對于臺站和各級信息中心而言將成為重要任務。各級臺站要明確數(shù)據(jù)質量控制的具體內(nèi)容和操作方法，要認清各級別質量控制的范圍。在平時的日常工作中，運用不同質量控制檢查數(shù)據(jù)方法，檢查出數(shù)據(jù)的可疑或錯誤，修改或訂正疑誤數(shù)據(jù)，提高觀測數(shù)據(jù)的準確率和可用率。