淺談自動(dòng)氣象站Z 文件讀取技術(shù)

李雪松

（四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610072）

氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為氣象以及氣候預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供了十分強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)條件，Z 文件則作為自動(dòng)氣象站氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及傳輸?shù)囊活惓Ｓ梦募袷?，使用非常廣泛。保證自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)正常、完整高效并且高密度地傳輸則是保障氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中預(yù)報(bào)員能及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地掌握本地實(shí)時(shí)氣象信息以及準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的不可或缺的前提。因此，該類別文件格式數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取顯得尤為重要，本次探討用以實(shí)現(xiàn)Z 文件的讀取和顯示，助力預(yù)報(bào)員以及觀測(cè)員對(duì)天氣的分析預(yù)報(bào)和對(duì)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控與觀測(cè)，實(shí)用價(jià)值很高[1]。

1 自動(dòng)氣象站文件格式及存儲(chǔ)

自動(dòng)氣象站的運(yùn)行原理為多類傳感器采集數(shù)據(jù)，傳輸?shù)教幚砥?，處理器按照協(xié)議將數(shù)據(jù)匯總編輯成報(bào)文，各個(gè)地區(qū)按照上一級(jí)管理規(guī)定，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將報(bào)文上傳匯總，那么氣象站則可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并傳輸使用。氣象站將所采數(shù)據(jù)經(jīng)由處理器處理后存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以文件的方式存儲(chǔ)，各文件存于硬盤當(dāng)中，直接與測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件接口互通。采集數(shù)據(jù)文件種類較多，分別由Z 文件、P 文件、T 文件、U 文件、W 文件、R 文件、ZZ 文件、FJ 文件、H 文件、HH 文件組成[2]。氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)目前所傳輸和監(jiān)控抓取的整點(diǎn)時(shí)次的文件大部分為Z 文件，其包含全月逐日逐時(shí)次正點(diǎn)需傳輸?shù)牡孛鏀?shù)據(jù)[3]。

1.1 Z 文件儲(chǔ)存協(xié)議與空間分配

Z 文件的文件名格式是ZIIiiiMM.YYY。在文件名格式當(dāng)中Z 表示指示符，也就是說(shuō)，Z 就代表此文件即為Z 文件；IIiii 表示區(qū)站號(hào)，各站點(diǎn)處理器編輯報(bào)文后上傳更高一級(jí)站點(diǎn)匯總，每個(gè)站點(diǎn)均有一個(gè)不重復(fù)的區(qū)站號(hào)，各個(gè)區(qū)站的區(qū)站號(hào)按照地區(qū)、級(jí)別、建站時(shí)間以及所采集數(shù)據(jù)的種類分別命名；MM 表示月份，月份值不足兩位時(shí)前置補(bǔ)“0”，如“01”；YYY表示當(dāng)時(shí)次所在年份后3 位，如2022 年則為“022”[4]。

Z 文件當(dāng)中自第1 條之后每一條記錄均存儲(chǔ)1 個(gè)要素的正點(diǎn)值，共計(jì)為54 個(gè)正點(diǎn)值[5]，分別按照ASCII編碼協(xié)議進(jìn)行編碼后，以字符形式寫(xiě)入，除能見(jiàn)度與最小能見(jiàn)度所占存儲(chǔ)長(zhǎng)度為5 個(gè)字節(jié)以外，其余各要素所占存儲(chǔ)長(zhǎng)度均為4 個(gè)字節(jié)，末位兩位為回車換行符字符。所存儲(chǔ)信息分別為時(shí)間（北京時(shí)間的日和時(shí)）、2 min 風(fēng)向、2 min 平均風(fēng)速、10 min 平均風(fēng)向、10 min平均風(fēng)速、最大風(fēng)速的風(fēng)向、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速時(shí)間、瞬時(shí)風(fēng)向、瞬時(shí)風(fēng)速、極大風(fēng)向、極大風(fēng)速、極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間、小時(shí)累計(jì)降水量、氣溫、最高氣溫、最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間、最低氣溫、最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間、濕球溫度、濕敏電容濕度值、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度出現(xiàn)時(shí)間、水汽壓、露點(diǎn)溫度、本站氣壓、最高本站氣壓、最高本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間、最低本站氣壓、最低本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間、草面（雪面）溫度、草面（雪面）最高溫度、草面（雪面）最高溫度出現(xiàn)時(shí)間、草面（雪面）最低溫度、草面（雪面）最低溫度出現(xiàn)時(shí)間、地面溫度、地面最高溫度、地面最高溫度出現(xiàn)時(shí)間、地面最低溫度、地面最低溫度出現(xiàn)時(shí)間、5 cm 地溫、10 cm 地溫、15 cm 地溫、20 cm地溫、40 cm 地溫、80 cm 地溫、160 cm 地溫、320 cm地溫、小時(shí)累計(jì)蒸發(fā)量、小時(shí)累計(jì)日照、能見(jiàn)度（5 個(gè)字節(jié)）、最小能見(jiàn)度（5 個(gè)字節(jié)）、最小能見(jiàn)度出現(xiàn)時(shí)間、回車換行（2 個(gè)字節(jié)）[6]。

1.2 Z 文件存儲(chǔ)格式與規(guī)定

在使用Z 文件存儲(chǔ)、傳輸、讀取以及后期處理時(shí)，則使用Z 文件步驟如下：①按照協(xié)議分別讀取各字段數(shù)據(jù)信息；②按規(guī)定對(duì)所讀信息進(jìn)行加工處理；③按文件存儲(chǔ)逆向還原單位、還原數(shù)值倍數(shù)以及詳情解析等；④重新整理即顯示與處理之后，新文件存儲(chǔ)時(shí)按照一定的規(guī)則入存[7]。

各要素在編碼和逆編碼中有如下規(guī)則，此以順向編碼為例。時(shí)間（日和時(shí)）作為記錄識(shí)別標(biāo)志用，日、時(shí)各兩位，高位不足補(bǔ)“0”；在數(shù)據(jù)當(dāng)中“日”為北京時(shí)間日期，“時(shí)”為正點(diǎn)小時(shí)，正點(diǎn)值的含義是指北京時(shí)間正點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；日照數(shù)據(jù)采用的時(shí)間制度略有不同，是地方平均太陽(yáng)時(shí)，也就是以太陽(yáng)落下為一天的結(jié)束；日照、各極值和小時(shí)累計(jì)降水為地方平均太陽(yáng)時(shí)上一正點(diǎn)時(shí)次觀測(cè)至本正點(diǎn)時(shí)次觀測(cè)內(nèi)日照總量、極值和小時(shí)累計(jì)降水量[8]；日照的單位是1 min，降水和蒸發(fā)量的單位是0.1 mm，則降水和蒸發(fā)還原時(shí)必須進(jìn)行逆編碼處理，即為縮小10 倍；若氣壓值超過(guò)1 000.0 hPa（含1 000.0 hPa），將氣壓值減去1 000.0再乘以10 后存入，氣壓及水氣壓的單位是0.1 hPa[9]，同樣的，還原氣壓和水氣壓數(shù)據(jù)時(shí)仍需逆編碼，在除以10 過(guò)后判斷是否需要加上1 000.0；若濕敏電容測(cè)定濕度除在濕敏電容數(shù)據(jù)位寫(xiě)入數(shù)據(jù)值外，所求得的相對(duì)濕度值存入相對(duì)濕度數(shù)據(jù)位，濕球溫度位存入“****”；濕度單位為1%，溫度、露點(diǎn)溫度單位為0.1 ℃，還原時(shí)仍需縮小10 倍；如無(wú)降水，降水量則存入4 位空格，微量降水存入“0000”，雨量缺測(cè)或雨量傳感器停止使用期（如故障等）存入“----”，其余數(shù)據(jù)如有缺測(cè)，每字節(jié)存入字符“/”[10]；風(fēng)向數(shù)據(jù)的單位是1°，風(fēng)速數(shù)據(jù)的單位是0.1 m/s，能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的單位是1 m，則風(fēng)向數(shù)據(jù)和能見(jiàn)度數(shù)據(jù)取用時(shí)，數(shù)值保持不變，直接添加單位即可，風(fēng)速數(shù)據(jù)使用時(shí)則需縮小10 倍。

2 應(yīng)用與實(shí)踐功能

本應(yīng)用旨在讀取Z 文件數(shù)據(jù)并加以顯示，其主要功能為：①逐時(shí)次全氣象要素顯示；②實(shí)現(xiàn)歷月極值、最值、平均值的自動(dòng)計(jì)算與顯示；③實(shí)現(xiàn)部分氣象要素轉(zhuǎn)換，以方便查視各要素。讀取Z 文件采取下述顯示方式：①單要素查詢，以及固定月、日、時(shí)的單一要素查詢；②正點(diǎn)資料查詢，以及逐月各要素查詢；③實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與狀態(tài)查詢，以及基本要素實(shí)時(shí)圖像化顯示，并繪制要素在24 h 內(nèi)數(shù)據(jù)的變化曲線。

3 程序設(shè)計(jì)方案及顯示架構(gòu)

3.1 Z 文件讀取及處理

在文件的第一行當(dāng)中，數(shù)據(jù)為站點(diǎn)參數(shù)信息，所占存儲(chǔ)長(zhǎng)度一共是220 個(gè)字節(jié)，第1 個(gè)數(shù)據(jù)到第51 個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)所占存儲(chǔ)長(zhǎng)度為4 個(gè)字節(jié)，則共計(jì)為204 個(gè)字節(jié)，第52 個(gè)數(shù)據(jù)資料和第53 個(gè)數(shù)據(jù)資料為能見(jiàn)度，分別各占5 個(gè)字節(jié)，則共計(jì)為10 個(gè)字節(jié)，第54 個(gè)數(shù)據(jù)所占存儲(chǔ)長(zhǎng)度為4 個(gè)字節(jié)，最后，回車換行符號(hào)共占存儲(chǔ)長(zhǎng)度為2 個(gè)字節(jié)，按照其協(xié)議規(guī)則分別在程序當(dāng)中定義各變量后將數(shù)據(jù)讀取即可[11]。

3.2 單要素查詢

在Z 文件當(dāng)中，除基本信息與格式信息以外，共計(jì)有53 個(gè)有效可用數(shù)據(jù)，這53 個(gè)數(shù)據(jù)可分為9 種不同的類型，如風(fēng)相關(guān)資料有2 min 風(fēng)向、2 min 平均風(fēng)速、10 min 平均風(fēng)向、10 min 平均風(fēng)速、最大風(fēng)速的風(fēng)向、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速時(shí)間、瞬時(shí)風(fēng)向、瞬時(shí)風(fēng)速、極大風(fēng)向、極大風(fēng)速、極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間，這些均可歸為一種類型的數(shù)據(jù)，便于處理。溫度包含有氣溫、最高氣溫、最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間、最低氣溫、最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間、濕球溫度。濕度包含有濕敏電容濕度值、相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度出現(xiàn)時(shí)間。氣壓包含有水汽壓、露點(diǎn)溫度、本站氣壓、最高本站氣壓、最高本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間、最低本站氣壓、最低本站氣壓出現(xiàn)時(shí)間。草溫包含有草面（雪面）溫度、草面（雪面）最高溫度、草面（雪面）最高溫度出現(xiàn)時(shí)間、草面（雪面）最低溫度、草面（雪面）最低溫度出現(xiàn)時(shí)間。地溫包含有地面溫度、地面最高溫度、地面最高溫度出現(xiàn)時(shí)間、地面最低溫度、地面最低溫度出現(xiàn)時(shí)間、5 cm 地溫、10 cm 地溫、15 cm 地溫、20 cm 地溫、40 cm 地溫、80 cm 地溫、160 cm 地溫、320 cm 地溫。能見(jiàn)度包含有能見(jiàn)度（5 個(gè)字節(jié)）、最小能見(jiàn)度（5 個(gè)字節(jié)）、最小能見(jiàn)度出現(xiàn)時(shí)間。蒸發(fā)和日照可歸為一類，包含有小時(shí)累計(jì)蒸發(fā)量、小時(shí)累計(jì)日照。降水單獨(dú)一類包含小時(shí)累計(jì)降水量。

照此推演9 類數(shù)據(jù)分別是風(fēng)、降水、溫度、濕度、氣壓、草溫、地溫、蒸發(fā)與日照、能見(jiàn)度，均可集成化處理。在程序當(dāng)中定義9 個(gè)不同的類，分別將需查詢的9 個(gè)不同要素的數(shù)據(jù)封裝于所定義的9 個(gè)不同的類當(dāng)中。操作時(shí)，在查詢中選擇時(shí)間（即年、月、日）查詢，查詢時(shí)編寫(xiě)搜索函數(shù)，依次讀取所查要素?cái)?shù)據(jù)，并顯示存儲(chǔ)[12]。

3.3 正點(diǎn)資料查詢

若正點(diǎn)資料查詢時(shí)，首先選擇所需查詢要素種類，其次選擇查詢類別，最后選擇查詢年月，以表格方式查出整月數(shù)據(jù)。該方法可以對(duì)每月各要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢，查詢之后則按照當(dāng)前查詢的單要素或當(dāng)前的主查詢要素導(dǎo)出文件并存儲(chǔ)。

3.4 要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與逐時(shí)次變化波形的可視化及其自動(dòng)繪制

該應(yīng)用當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)正點(diǎn)Z 文件常規(guī)氣象要素變化波形可視化顯示的要素包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、降水量、蒸發(fā)量等。首先在程序里面添加并繪制窗體，然后在新窗體上添加并繪制各類控件，用以實(shí)現(xiàn)各類氣象要素逐時(shí)次曲線圖的自動(dòng)化繪制。例如1 m i n 內(nèi)風(fēng)向變化、1 m i n 內(nèi)風(fēng)速變化、24 h 內(nèi)空氣濕度變化、24 h 內(nèi)降水量變化以及24 h 內(nèi)本站氣壓的變化曲線的自動(dòng)化繪制。

4 數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果展示與對(duì)比

頁(yè)面為窗口設(shè)計(jì)，窗口上方為下拉菜單，下拉菜單中分為風(fēng)要素、小時(shí)累計(jì)降水量要素、溫度要素、濕度要素、氣壓要素、草面溫度要素、地面溫度要素、蒸發(fā)量與日照要素和能見(jiàn)度各氣象要素。

查詢單個(gè)要素步驟，以風(fēng)要素為例展示，首先在彈出對(duì)話框中輸入月、日、時(shí)（如11 月9 日7 時(shí)），然后點(diǎn)擊“查詢”按鈕，則會(huì)在對(duì)話框當(dāng)中顯示出如下信息，則看到2 min 平均風(fēng)向?yàn)?12°、2 min 平均風(fēng)速為0.3 m/s、10 min 平均風(fēng)向?yàn)?12°、10 min 平均風(fēng)速為0.3 m/s、最大風(fēng)速為0.7 m/s、最大風(fēng)速的風(fēng)向?yàn)?12°、最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間為06：01、分鐘內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速為0.3 m/s、分鐘內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速的風(fēng)向?yàn)?12°、極大風(fēng)速為0.6 m/s、極大風(fēng)向?yàn)?12°、極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間為06：01。

可查詢各要素整月正點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)、降水、溫度、濕度、氣壓、草地溫度、地面溫度以及其他要素，首先選擇查詢要素后，然后選擇查詢?cè)滦畔⒘?，最后可存?chǔ)為TXT 文件，也可以在彈窗上按照表格的形式顯示。所顯示的表格橫軸為時(shí)，縱軸為日，每月有約30 d，每日有24 h，所以表格橫軸有24 列，縱軸有約30 行，從而出現(xiàn)24×30 的表格，通過(guò)表格便可一目了然查詢出所需數(shù)據(jù)。

上述查詢方式及結(jié)果均采取多次、反復(fù)人工隨機(jī)校對(duì)，依據(jù)與其他平臺(tái)的驗(yàn)證和對(duì)比，讀取結(jié)果正確率100%，無(wú)錯(cuò)誤讀取情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式及傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)Z文件的多種讀取方式。本應(yīng)用可移植性強(qiáng)、方便使用、圖標(biāo)顯示直觀、查詢便捷、易于維護(hù)、使用頻率高、業(yè)務(wù)效率強(qiáng)，可為參與預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)員以及資料分析和氣候研究的工作人員提供精準(zhǔn)、及時(shí)并且高效的數(shù)據(jù)自動(dòng)化讀取、處理與顯示，為預(yù)報(bào)、分析和研究提供了實(shí)況及歷史資料的參考，為測(cè)報(bào)以及監(jiān)控人員提供數(shù)據(jù)監(jiān)控的查詢平臺(tái)，為負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及優(yōu)化的工作人員提供了修改的基礎(chǔ)。有助于在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)分析以及氣候研究上，根據(jù)天氣過(guò)程中本地氣象要素的演變，總結(jié)預(yù)報(bào)、分析和研究的方法，也能為觀測(cè)儀器的運(yùn)行現(xiàn)狀即狀態(tài)數(shù)據(jù)提供信息依據(jù)，同時(shí)，對(duì)其他氣象類靜態(tài)文件的讀取、處理以及顯示有較大的促進(jìn)作用[13]。