民航機場氣候志統(tǒng)計與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 敏

民航機場氣候志是機場日常運營的重要參考文件，是根據(jù)氣象觀測資料對各類氣象要素進行匯總，并最終提煉出具有參考價值的統(tǒng)計信息，并根據(jù)民航領(lǐng)域的要求與規(guī)范，對氣候條件做出專業(yè)性的指標(biāo)描述與氣候評價。隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷積累，氣象資料也必須隨之滾動更新，并將新舊數(shù)據(jù)進行有機結(jié)合，通過合理的分析計算方法，得出具有動態(tài)性的氣象評估結(jié)論。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的效率與準(zhǔn)確性不斷的提高，實現(xiàn)單一數(shù)值要素的自動統(tǒng)計與分析已經(jīng)成為現(xiàn)實，但對于氣象資料而言，要針對多種氣象要素進行同時的統(tǒng)計、分析與提取仍舊存在一定的難度，例如在自動氣象觀測數(shù)據(jù)中很可能存在部分重要的人工記錄數(shù)據(jù)，自動處理系統(tǒng)很難對該部分數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的識別，同時還存在格式的規(guī)范化問題，這都會導(dǎo)致氣候志編寫質(zhì)量受到明顯的影響。因此，設(shè)計開發(fā)一款可靠性好，準(zhǔn)確度高的氣候志數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計分析系統(tǒng)，具有直接的應(yīng)用價值和改進意義。

1 氣候志統(tǒng)計分析系統(tǒng)的框架設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)接口模塊

系統(tǒng)需要將大量歷史氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入，同時也必須根據(jù)機場氣象監(jiān)測特點進行持續(xù)的更新，其數(shù)據(jù)種類分為兩種，其一是例行觀測數(shù)據(jù)，即按照半小時或1 小時為一個觀測周期記錄的氣象數(shù)據(jù)，其二則是全天天氣演變記錄。從存儲格式方面分析，一般氣象數(shù)據(jù)有3 種存儲方式，分別為文本文件存儲、觀測編發(fā)報數(shù)據(jù)庫存儲和Excel 表格文件存儲。根據(jù)這一特點，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口模塊也同時兼容這三種文件的導(dǎo)入。

1.2 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊

氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量對于氣候志的編寫與利用起到了直接的影響，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯漏現(xiàn)象，則無論統(tǒng)計方法多么合理，計算精度多么高，最終的結(jié)論可能都會遠遠偏離真實情況，不僅失去了指導(dǎo)作用，甚至為機場運作埋下嚴(yán)重隱患。因此，在進行統(tǒng)計分析之前，必須確保數(shù)據(jù)的完備性與準(zhǔn)確性。本模塊的主要任務(wù)首先就是對原始數(shù)據(jù)的完整性進行檢驗，隨后審核導(dǎo)入數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，如各個要素的數(shù)值類型、長度和取值區(qū)間等；此外，還需要根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的閾值來判斷連續(xù)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)突變。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，需通過輸出模塊向用戶發(fā)出報警；最后，本模塊還需要重點核查人工錄入的文本，確保數(shù)據(jù)的完整與準(zhǔn)確。

1.3 缺失數(shù)據(jù)補錄模塊

由于我國信息化改造工程起步較晚，大多數(shù)機場以往大量的歷史數(shù)據(jù)并未及時實現(xiàn)全部的數(shù)字化管理，因此本系統(tǒng)為該部資料留有補錄接口，通過提供人機交互界面，由管理員負責(zé)按照給定的格式規(guī)范人工錄取缺失的氣象數(shù)據(jù)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 4016.7 實施之前，各機場氣象臺制作觀測月總簿不對RVR 數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，這造成了一定程度的數(shù)據(jù)缺失，針對這一情況，本系統(tǒng)特設(shè)了數(shù)據(jù)補錄模塊，用戶可手動錄入以往的RVR 數(shù)據(jù)和海平面氣壓QNH數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊

由于積累的數(shù)據(jù)規(guī)模日益增多，且出于精細化分析與統(tǒng)計工作的要求，系統(tǒng)需要同時處理的數(shù)據(jù)量不斷擴大，這顯然給數(shù)據(jù)庫遍歷查詢與計算工作帶來了很大的壓力。為了提高統(tǒng)計分析效率，設(shè)計了數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊，通過該模塊對原始數(shù)據(jù)進行分類拆解，對天氣演變記錄按照行標(biāo)要求進行要素分解，與此同時，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊可并發(fā)審核數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊

在完成了數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后，各類中間報表已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，此時可采用該模塊執(zhí)行進一步的分析統(tǒng)計，并制成最終的產(chǎn)品表。除了行標(biāo)要求的統(tǒng)計表格之外，還結(jié)合氣候志編寫工作的實踐經(jīng)驗，設(shè)計了三日、五日、旬、月各個要素的統(tǒng)計功能，并可通過附加表的形式提交給用戶。對于缺測的情況，建議按照以下原則進行處理：

1）記錄不明或出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏情況則視為缺測。

2）對于每日數(shù)據(jù)統(tǒng)計而言，24 小時內(nèi)出現(xiàn)的缺測次數(shù)若大于等于8 次，則當(dāng)日作為缺測日，其監(jiān)測數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù)，不參與統(tǒng)計計算；同理，若13 小時內(nèi)的出現(xiàn)的缺測次數(shù)大于等于4 次，同樣將當(dāng)日數(shù)據(jù)從統(tǒng)計對象中排除；此外，不定時觀測的記錄均需要參與統(tǒng)計計算。

3）對于每月數(shù)據(jù)統(tǒng)計而言，若該月內(nèi)出現(xiàn)的缺測天數(shù)（按原則2）統(tǒng)計）大于等于7 天，則該月資料不再參與月統(tǒng)計和累年月統(tǒng)計，但仍應(yīng)參與年統(tǒng)計。

4）若某年內(nèi)月統(tǒng)計資料缺測一次及以上，則當(dāng)年數(shù)據(jù)不再參與年統(tǒng)計。

5）若出現(xiàn)缺測，但未滿足以上原則中的條件時，則按照監(jiān)測實際有效次數(shù)、時數(shù)、日數(shù)參加統(tǒng)計計算。

6）以上列述的各種情況及對應(yīng)的處理原則，僅適用于統(tǒng)計平均值計算的環(huán)節(jié)。而出現(xiàn)次數(shù)、日數(shù)及極值等項目仍參加統(tǒng)計。

2.6 產(chǎn)品輸出模塊

在完成了數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計和分析等操作之后，即可執(zhí)行最終產(chǎn)品的輸出模塊，按照民航氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的格式規(guī)范生成Excel 文件并提交給用戶查閱。用戶擁有對該文件的數(shù)據(jù)編輯與修正權(quán)限，同時也可作為氣候志或氣候概要的附件使用。此外，在Excel 中，用戶還可利用大量的工具軟件實現(xiàn)繪制圖標(biāo)、曲線分析和數(shù)據(jù)列表等操作，很好的豐富了氣象數(shù)據(jù)的利用模式。

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫承擔(dān)了原始氣象數(shù)據(jù)的存儲、管理、查詢等多種處理任務(wù)，此外還負責(zé)對分析過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果以及最終的分析報表進行妥善存儲的工作，是氣候志統(tǒng)計分析系統(tǒng)的核心組件。因此，提高數(shù)據(jù)庫表單的清晰度與合理性，成為了控制數(shù)據(jù)規(guī)模，增強讀寫效率的關(guān)鍵。本系統(tǒng)結(jié)合了民航機場氣候志編寫工作業(yè)務(wù)流程的實際需求，共建立了45 個數(shù)據(jù)表，除了兩個原始數(shù)據(jù)表和按照行標(biāo)要求的26 個最終結(jié)果分析表外，還包括了14 個中間數(shù)據(jù)表和2 個規(guī)則化數(shù)據(jù)表，以及1 個過程控制表。以下逐類進行介紹：

3.1 原始數(shù)據(jù)表

按照民航地面觀測規(guī)范要求，根據(jù)例行觀測要素(每半小時/每小時1 條記錄)和觀測紀(jì)要欄要素(每天1 條記錄)，將觀測匯總的數(shù)據(jù)整理后保存。

3.2 規(guī)則化原始數(shù)據(jù)表

原始數(shù)據(jù)表中保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過核查、勘誤和規(guī)范化后，形成規(guī)則化原始數(shù)據(jù)表，而原始數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)不會被修改，以確保數(shù)據(jù)源頭的可追溯性。所有的修改與調(diào)整操作均發(fā)生在規(guī)則化表中，同時可將改動記錄與原始數(shù)據(jù)表對照分析。

3.3 中間數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)在經(jīng)過預(yù)處理后，大量的信息需要暫時存儲，已備后續(xù)環(huán)節(jié)的調(diào)用。例如對風(fēng)、能見度、雷暴等重要天氣演變的記錄進行拆解、分類、統(tǒng)計，形成單一元素統(tǒng)計匯總信息，并以此為基礎(chǔ)，形成最終所需的產(chǎn)品表格。表1 和表2 分別以能見度頻率統(tǒng)計和雷暴統(tǒng)計為例，描述了中間數(shù)據(jù)表的字段內(nèi)容與格式。

3.4 最終產(chǎn)品表

按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 4016.7 民用航空氣象第7 部分《氣候資料整編與分析》要求項目的26 個數(shù)據(jù)表格。

3.5 過程控制表

該表負責(zé)對用戶的每一次操作進行記錄備份，其作用首先是可以幫助用戶了解當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的進度，從而可更加合理的安排后續(xù)的工作環(huán)節(jié)；其次是可記錄人工修改的痕跡，以便將來需要時進行追溯找回。

4 結(jié)束語

本文針對民航機場氣候志統(tǒng)計分析軟件的設(shè)計和應(yīng)用展開了探討。本系統(tǒng)不僅極大的簡化了民航氣象部門在編寫氣候志環(huán)節(jié)的工作量，同時也顯著的提高了氣候志的可靠性、準(zhǔn)確性與規(guī)范型。隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，勢必會出現(xiàn)更加高效、可靠的數(shù)據(jù)管理技術(shù)與統(tǒng)計分析方法，進一步提高民航機場氣候志的統(tǒng)計編寫與應(yīng)用水平。