自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系設(shè)計及應(yīng)用

龍亞星，黃 勤，馮 慧

(1.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象信息中心，西安 710014)

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，我國建成了較為完善的國家地面天氣站網(wǎng)，以提高對中尺度天氣系統(tǒng)和災(zāi)害性天氣的監(jiān)測捕獲能力，滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)用數(shù)值預(yù)報模式同化和天氣學(xué)分析檢驗需求[1]。國家地面天氣站網(wǎng)主要由自動氣象站組成，廣義的自動氣象站網(wǎng)(AWS)包括傳感器、采集器、通信接口、綜合觀測業(yè)務(wù)軟件和系統(tǒng)電源、業(yè)務(wù)計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等外圍設(shè)備以及探測環(huán)境等等。對自動氣象站網(wǎng)的觀測資料及其業(yè)務(wù)運行狀態(tài)進行監(jiān)控是保證地面氣象觀測業(yè)務(wù)正常運行的重要手段。目前，自動氣象站網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量由地面氣象觀測質(zhì)量綜合指數(shù)來反映，具體考核內(nèi)容包括設(shè)備運行保障質(zhì)量、觀測資料傳輸質(zhì)量和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，對應(yīng)的考核指標(biāo)分別為設(shè)備穩(wěn)定運行率、傳輸及時率、數(shù)據(jù)可用率[2]。

1 現(xiàn)狀分析

目前，我國自動氣象站網(wǎng)運行監(jiān)控業(yè)務(wù)發(fā)展較快，部分省份開發(fā)了省級站網(wǎng)運行監(jiān)控及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)[3-4]，中國氣象局氣象探測中心、國家氣象信息中心分別開發(fā)并推廣了綜合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺(ASOM)[5]、氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)[6]和綜合氣象信息共享系統(tǒng)(CIMISS)[7]，這些系統(tǒng)在自動氣象站觀測數(shù)據(jù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面具有成熟的技術(shù)方法和業(yè)務(wù)規(guī)定。同時，目前的業(yè)務(wù)系統(tǒng)還存在以下兩個方面的不足：一是僅監(jiān)控觀測數(shù)據(jù)，沒有對自動氣象站及其附屬設(shè)備、測報業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)及支撐保障業(yè)務(wù)與探測環(huán)境的運行狀態(tài)進行全面監(jiān)控；二是僅在正點進行監(jiān)控，沒有實現(xiàn)分鐘級實時監(jiān)控與提前預(yù)警。

2 監(jiān)控指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 基本原則

綜合目前已廣泛應(yīng)用的基于觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判斷的監(jiān)控方法，同時針對以上兩個方面的不足，設(shè)計基于自動氣象站網(wǎng)業(yè)務(wù)運行狀態(tài)信息的監(jiān)控指標(biāo)，形成較為全面、系統(tǒng)的自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的構(gòu)建還應(yīng)有利于完善運行監(jiān)控業(yè)務(wù)內(nèi)容、方法和發(fā)揮評價作用，有利于完善觀測業(yè)務(wù)質(zhì)量綜合考核辦法。

2.2 指標(biāo)體系總體框架

自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系是指能全面反映自動氣象站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及業(yè)務(wù)運行狀態(tài)的若干個相互聯(lián)系的監(jiān)控指標(biāo)所組成的有機體，指標(biāo)體系的建立可為自動氣象站網(wǎng)全方位、全流程監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。結(jié)合以上分析，構(gòu)建由觀測資料指標(biāo)、測報系統(tǒng)指標(biāo)、外圍設(shè)備指標(biāo)、保障業(yè)務(wù)指標(biāo)、探測環(huán)境指標(biāo)五部分共18項組成的自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系(如圖1所示)。

圖1 陜西省自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系總體框架

2.2.1 觀測資料指標(biāo) 云、能見度、天氣現(xiàn)象、氣壓、空氣溫度和濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、降水、日照、蒸發(fā)、地表溫度、草溫、淺層和深層地溫、雪深和雪壓、凍土、電線積冰等觀測資料應(yīng)具有代表性、準(zhǔn)確性、比較性和完整性等特征[8]，為此構(gòu)建了與觀測資料質(zhì)量控制方法[9]一致的包括數(shù)據(jù)格式正確率、數(shù)據(jù)完整率等在內(nèi)的共6項指標(biāo)作為觀測資料指標(biāo)。

2.2.2 測報系統(tǒng)指標(biāo) 測報系統(tǒng)是指觀測數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲的硬件和軟件系統(tǒng)，同時包含臺站參數(shù)、儀器參數(shù)和觀測極值等等基本信息，因此測報系統(tǒng)指標(biāo)包括反映測報系統(tǒng)運行與維護狀態(tài)的4項指標(biāo)。

2.2.3 外圍設(shè)備指標(biāo) 外圍設(shè)備是支撐自動氣象站網(wǎng)運行的重要組成部分，因此提出由系統(tǒng)電源UPS、業(yè)務(wù)計算機、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的外圍設(shè)備指標(biāo)。

2.3.4 保障業(yè)務(wù)指標(biāo) 綜合考慮自動氣象站網(wǎng)保障運行實際內(nèi)容，提出由維護維修、儲備供應(yīng)、計量檢定構(gòu)成的保障業(yè)務(wù)指標(biāo)。

2.2.5 探測環(huán)境指標(biāo) 良好的探測環(huán)境是確保氣象探測信息具備代表性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可比較性的基本條件，因此提出由探測環(huán)境保護評價及時性、準(zhǔn)確性構(gòu)成的探測環(huán)境指標(biāo)。

2.3 監(jiān)控指標(biāo)的設(shè)定

指標(biāo)體系中每項指標(biāo)一般包括其基本內(nèi)涵和目標(biāo)值。基本內(nèi)涵主要對指標(biāo)的含義或計算方法進行解釋；目標(biāo)值主要根據(jù)業(yè)務(wù)運行現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)考核指標(biāo)來確定，其設(shè)置以定量為主、定性為輔。

數(shù)據(jù)格式正確率指觀測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)以及每條數(shù)據(jù)記錄的長度與地面氣象要素數(shù)據(jù)文件格式和BUFR編碼格式的相符比例；數(shù)據(jù)完整率指單位時間內(nèi)實際觀測次數(shù)與應(yīng)觀測次數(shù)的比例，數(shù)據(jù)完整率與數(shù)據(jù)缺測率相對，即數(shù)據(jù)完整率+數(shù)據(jù)缺測率=100%；界限值超出率指觀測值超出儀器量程、氣象定義量值或氣候?qū)W界限的次數(shù)占總觀測次數(shù)的比例；內(nèi)部一致性根據(jù)要素觀測資料應(yīng)具有如日最低氣溫≤定時氣溫≤日最高氣溫、極大風(fēng)速≥最大風(fēng)速等等內(nèi)部特征來判定；時間一致性以要素觀測資料如氣壓、地溫應(yīng)符合時間變化規(guī)律特征來判定；空間一致性通過部分觀測數(shù)據(jù)如氣溫具有與其下墊面及周圍環(huán)境相似的一個或多個臨近站的觀測數(shù)據(jù)在空間上可計算、比較的特點來評價。

臺站參數(shù)一致性通過觀測站業(yè)務(wù)軟件中實際運行的區(qū)站號、緯度、經(jīng)度、觀測場海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、地方時差和人工觀測參數(shù)等基本信息與省級基本信息標(biāo)準(zhǔn)庫的相符情況進行綜合評價，全省觀測站省級基本信息標(biāo)準(zhǔn)庫由具有相應(yīng)權(quán)限的各觀測站或省、市級管理員進行維護、更新和同步；觀測采集正常率采用傳感器、主(分)采集器、CAN總線、RS232/RS485終端通信、供電、AD模塊、計數(shù)器模塊、數(shù)字通道、各類主板溫度、CF卡及其剩余空間和串口服務(wù)器等的實際工作狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)正常狀態(tài)的符合程度來綜合評定；數(shù)據(jù)文件正常率通過觀測站業(yè)務(wù)計算機中存儲的采集數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)傳輸文件和觀測站存檔的觀測數(shù)據(jù)文件的生成、傳輸狀態(tài)來綜合評估；測報軟件穩(wěn)定性由臺站地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件ISOS、BURF傳輸服務(wù)程序、StationClient傳輸客戶端、Meinberg NTP時鐘同步軟件、地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件OSSMO(含監(jiān)控軟件SAWSS、通訊組網(wǎng)接口軟件CNIS)等的運行狀態(tài)綜合定性評估。

UPS穩(wěn)定性主要通過UPS(含發(fā)電機)的輸入電壓、輸入異常電壓、輸出電壓、輸出電壓最大百分比、輸入頻率、電池單體、溫度、UPS狀態(tài)等綜合定性評價；計算機使用率通過業(yè)務(wù)計算機的CPU使用率、物理內(nèi)存使用率兩個方面綜合評價；通信網(wǎng)絡(luò)水平通過觀測站與省級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連通率及帶寬占用率綜合定性評定。

維護維修及時率以設(shè)備設(shè)施維護和故障恢復(fù)時間與規(guī)定時間的相符情況進行綜合評估；儲備供應(yīng)水平采用省、市、縣各級備件數(shù)量占儲備標(biāo)準(zhǔn)的比率綜合判定；計量檢定及時率通過觀測站觀測設(shè)備的計量檢定狀態(tài)與有效期的符合情況來評定。

探測環(huán)境保護評價及時性采用觀測站探測環(huán)境保護評價結(jié)果上傳是否及時來評定；探測環(huán)境保護評價準(zhǔn)確性利用觀測站探測環(huán)境變化情況報告的準(zhǔn)確性進行評價。

根據(jù)以上評估原則，在廣泛調(diào)研分析業(yè)務(wù)運行實際情況和通用設(shè)備如UPS、計算機、網(wǎng)絡(luò)等性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，給出各項指標(biāo)的目標(biāo)值(表1)。

表1 自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)的目標(biāo)值

3 監(jiān)控指標(biāo)體系應(yīng)用

2017年，陜西省氣象部門全面開展國家地面氣象觀測站無人值守業(yè)務(wù)改革，對自動氣象站網(wǎng)運行監(jiān)控業(yè)務(wù)工作內(nèi)容、流程及業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行了全面調(diào)整、優(yōu)化和升級。觀測數(shù)據(jù)監(jiān)控方面通過完善省級運行監(jiān)控業(yè)務(wù)和資料收集與分發(fā)業(yè)務(wù)實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)分鐘級監(jiān)控和雙套自動氣象站數(shù)據(jù)文件的自動補傳(PASOM、CIMISS)，測報系統(tǒng)與外圍設(shè)備監(jiān)控方面通過開發(fā)無人值守運行監(jiān)控系統(tǒng)(Unattended Meteorological Station of Operations And Monitoring，簡稱USOM)實現(xiàn)了站網(wǎng)運行狀態(tài)信息的分鐘級實時監(jiān)控與預(yù)警，保障業(yè)務(wù)方面推廣了省級技術(shù)裝備動態(tài)管理信息系統(tǒng)和陜西省氣象計量業(yè)務(wù)系統(tǒng)，探測環(huán)境保護方面建設(shè)了探測環(huán)境視頻監(jiān)測系統(tǒng)，因此基本構(gòu)建起了基于“觀測數(shù)據(jù)+狀態(tài)信息”的自動氣象站網(wǎng)全要素、全鏈條的實時監(jiān)控和預(yù)警信息自動發(fā)布業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)運行情況表明，2017年陜西省地面氣象觀測質(zhì)量綜合指數(shù)為99.97%，超過業(yè)務(wù)質(zhì)量考核指標(biāo)99.95%，該數(shù)據(jù)表明自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系設(shè)計較為合理。

4 結(jié)語

(1)通過深入分析自動氣象站網(wǎng)構(gòu)成和運行監(jiān)控業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，構(gòu)建的由觀測資料指標(biāo)、測報系統(tǒng)指標(biāo)、外圍設(shè)備指標(biāo)、保障業(yè)務(wù)指標(biāo)、探測環(huán)境指標(biāo)五部分組成的自動氣象站網(wǎng)監(jiān)控指標(biāo)體系，將進一步完善自動氣象站網(wǎng)運行監(jiān)控業(yè)務(wù)內(nèi)容，并為自動氣象站網(wǎng)運行業(yè)務(wù)質(zhì)量考核方法調(diào)整提供重要參考。

(2)個別指標(biāo)目前還只能做定性評價，難以做到定量評價，對今后考核造成了不便。同時，指標(biāo)體系將隨著業(yè)務(wù)廣度和深度的不斷拓展而不斷調(diào)整、優(yōu)化。此外，指標(biāo)體系中所涉及的統(tǒng)計方法、評價模型、權(quán)重確定等問題的研究還較為薄弱，需進一步研究。

參考文獻：

[1] 中國氣象局.國家地面天氣站布局方案：中氣函〔2017〕134號[A].北京:中國氣象局,2017.

[2] 中國氣象局綜合觀測司.地面氣象觀測質(zhì)量考核辦法(試行)：氣測函〔2013〕312號[A].北京:中國氣象局綜合觀測司,2013.

[3] 周欽強,李源鴻,李建勇,等.自動氣象站探測網(wǎng)實時監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)[J].氣象科技,2011,39(4):477-482.

[4] 李志鵬,張瑋,黃少平,等.自動氣象站數(shù)據(jù)實時質(zhì)量控制業(yè)務(wù)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].氣象,2012,38(3):371-376.

[5] 裴翀.綜合氣象觀測系統(tǒng)運行監(jiān)控平臺(ASOM)設(shè)計[D].北京:北京理工大學(xué)，2012:9-49.

[6] 劉瑩,劉雯,閆蕎蕎,等.氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MDOS)使用手冊[M].北京:氣象出版社，2017:1-19.

[7] 熊安元,趙芳,王穎,等.全國綜合氣象信息共享系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2015,26(4):500-512.

[8] 白水成,李社宏,周林.自動氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系設(shè)計[J].陜西氣象,2016(3):42-46.

[9] 地面氣象觀測資料質(zhì)量控制：QX/T 118—2010 [S].