陕西省自动气象站质量控制方法

摘 要

气象资料是气象业务、科研和怎么写作等工作的基础,数据资料的准确与否直接影响着中尺度、短时效等天气预报的准确性和有效性.根据陕西省自动气象站的实际情况,采用计算机自动实时质量控制方法对自动站数据进行有效地质量控制,其质控结果准确度高于传统的人工质量控制方法,数据可信度较高.

【关 键 词 】自动气象站 质量控制 实时控制

随着现代化技术的发展,中小尺度、短时天气时效等天气预报的需求日益高涨,为满足日益高涨的气象怎么写作的需求,中尺度、短时气象观测资料是必不可少的.目前,世界上许多国家都建立了分布密集的地面自动站观测网络,我国的地面自动站观测网络也在日趋完善.随着“自动化观测技术”项目的实施,陕西省从2003年开始建设自动气象站,前后经过三年建设,于2005年建成了覆盖全省的自动站观测网,包括100个国家级自动站.由于自动站观测时通过传感器、数据采集、数据通讯等系统自动进行实施采集数据,形成观测报告,生成和传输数据文件等过程,观测数据经过的每个过程都可能产生错误数据,由于实时性强、人工干预少、缺少对错误观测数据的补救措施,因此,自动观测出现错误数据的几率远远高于人工观测,在自动站观测资料应用前,进行质量控制是十分必要的.

1.自动气象站质量控制技术

1.1 数据质量控制码的规定

在对数据进行质量控制（QC）的过程中,随着控制进程的进行,需要不断的对被检数据设置或修改QC码.QC码的规定如下：

数据正确： QC码等于0

数据可疑： QC码等于1

数据错误： QC码等于2

1.2 数据质量控制技术

传统的质量控制主要根据气象学、天气学、气候学原理,以气象要素的时间、空间变化规律和各个要素间相互联系的规律为线索,分析气象资料是否合理.其方法包括：范围检查、极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查、气象学公式检查、统计学检查、均已性检查,这些方法被普遍应用到地面气象资料的质量控制中.

我国地面观测资料实行气象台站、省级、国家级的质量控制系统,各级质量控制软件融合了自动控制技术和交互式应用技术,提高了自动进程能力,允许在必要时对特殊资料进行详细的人工分析判断与修正.台站级质量控制是气象资料质量控制的基础,包括观测系统的维护、仪器检定、观测数据在采集器和数据处理环节的基本质量控制.本文将重点介绍陕西省省级自动气象站资料的质量控制方法,省级自动气象站质量控制方法主要包括：气候学界限值检查、气候极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查、时间一致性检查等,同时根据自动站实时数据文件的特点引入数据文件格式检查、传感器状态文件检查方法,最后综合评价要素数据质量.我省针对日常业务中使用的气温、雨量、气压、风速风向和地面温度5类项目17个要素在实时和准实时两个质量控制环节进行质量控制,具体所采用的方法如表1所示.

1.2.1 格式检查

格式检查为对数据进行质量前的预处理检查.主要检查文件中的数据录入格式是否与《地面气象观测数据文件格式和记录簿表格式》中规定的文件格式一致.另外进行台站参数中站号、年、月与文件名中的站号、年、月的一致性检查.检查内容为：检查数据文件中各个要素字符是否是观测规范中的规定字符；将第一条记录中的记录数据和数据库中存储的台站信息表进行比对,确定数据文件的正确性；将文件名中的文件生成时间和第二条记录中的要素观测时间进行一致性检查.

对于没有通过格式检查的数据,QC码可直接标定为2,并不再进行其他检查.

1.2.2 传感器状态文件检查

状态信息文件每小时生成一个,为顺序文件,共2条记录.第一条记录为本站基本参数,共20个字节,第二条记录为各个传感器的状态值,共87个字节.该文件和实时数据文件在正点后一起上传至省级数据中心,文件中记录了自动站各种传感器的工作状态,0表示传感器正常,1表示传感器异常.只有在传感器正常的情况下,采集到的数据才能反映大气要素的测量值,数据是真实可靠的.结合状态文件中的传感器状态值,确定数据文件中相应的测量值是否有效.在传感器正常的情况下判定测量值有效,否则,判定测量值是错误值.

对于没有通过传感器状态文件检查的数据,QC码可直接标定为2,并不再进行其他检查.

1.2.3 极值检查

极值检查分为气候学界限值检查和台站气候极值检查两部分.

从气候的角度不可能超越的要素临界值称之为要素的气候界限值.资料形成是规定采用的表示方式和范围,为要素的允许范围值.超出要素的气候界限值或允许值范围的资料为错误资料.

对于没有通过气候学界限值检查的数据,QC码可直接标定为2,并不再进行其他检查.

极值是指某个固定测站历史记录中某要素曾出现过的最大值（最小值）,它与纬度带、地形、高度、气候特点等有关,气象资料要素值是否超出极值的检查为极值检查.极值范围的上限参数是否合理直接决定了极值检查的效果,设置太低,则个别极端大的正常数据可能被作为错误数据处理,设置太高,则错误数据又可能被当做正确数据处理,因此,对自动气象站资料的气候极值检查应根据各个台站的实际情况修改极值参数.陕西省气象档案馆在做50年气象资料整编时,经过统计和质量控制审核确定了陕西省各个台站的台站极值.

为了避免将个别极端天气的正常数据当做错误数据处理,未通过台站气候极值检查的数据,QC码只标注为1,并继续进行其他检查.

1.2.4 内部一致性检查

对固定测站不同要素之间是否符合某种物理联系的检查称之为内部一致性检查,在质量控制中,一下要素要符合以下条件：

日最低气温 日定时气温 日最高气温；日最低气压 日定时气压 日最高气压 日最小相对湿度 日定时相对湿度；10min平均风速 日最大风速；极大风速 最大风速

风向方位为“C”（静风）时,风速 0.2m/s；极大风速 17.0m/s时,应有大风现象；有大风现象时,极大风速 17.0m/s

低云量 总云量；散辐射总量 总辐射总量；反辐射总量 总辐射总量

未通过内部一致性检查的数据,QC码标注为2,并不再进行其他检查,但前提是保证与之相比较的数据QC码为0.

1.2.5 时间一致性检查

时间一致性检查是利用观测要素连续变化原理来检验观测信息或观测要素值的时间变化率,识别出不理想的突然变化,当要素资料超出一定时间内的变化范围,则该资料视为可疑.时间一致性检查的目的是检验观测信息或观测要素的时间变化率,识别出不理想的突然变化.它适用于高的时间分辨率,因为相邻样本的相关性随着时间分辨率增加而加强.检查判断依据与样本的时间分辨率有关.在实时质量控制阶段主要进行连续2小时变率检查,即将本时次的数据和上个时次的数据进行比对,超过设定阈值的数据确定为可疑数据.例如,下表是1小时气温和气压变化的时间一致性检查中的一条规则.如表2所示.

为了避免将个别极端天气的正常数据当做错误数据处理,未通过时间一致性检查的数据,QC码只标注为1,并继续进行其他检查.

1.2.6 空间一致性检查

各气象参数都具有一定的空间分布特点,根据这些空间分布特点及规律而进行的检查,被称之为空间一致性检查.其有效性取决于观测站网的密度和被检参数与空间的相关程度.对于孤立的错误资料,空间一致性检查是非常有效的一种质量控制方法.通常利用与被检查台站邻近的台站同一时间观测的气象要素值进行比较,或利用邻近测站观测值通过一定的插值方法计算出被检查台站的估计值,观测值与估计值的比较来进行,主要方法有：Madsen-Allerupt方法和空间回归检验法,有效邻近站则规定为：与被检站点的数据进行比较时,邻近站数据应保证正确.而对于邻近站点数量过少的台站,则不进行空间一致性检查（华山站由于海拔太高,不宜采用空间一致性检查方法,也不成为任何站的参考点）.

为了避免将个别极端天气的正常数据当做错误数据处理,未通过空间一致性检查的数据,QC码只标注为1,并继续进行其他检查.

1.2.7 综合分析法

在完成以上质量控制检查后,对未通过台站极值检查、时间一致性检查和空间一致性检查之一的数据的将继续对这些数据进行综合分析对比.若同一数据的三个QC码之和为3,即以上三种质控检查均未通过,则认为该数据错误,QC码标注为2；若QC码之和为2,空间一致性QC码为1,则认为该数据错误,QC码标注为2；若QC码之和为2,但空间一致性QC码为0,则认为该数据可疑,QC码标注为1,这是因为空间一致性检查的敏感度最好,又解决确定性问题,故在综合分析是,空间一致性检查的结果将给予较多的考虑权重；若QC码之和为1,则认为该数据可以,QC码标注为1.

1.3 数据质量控制结果分析

为检验经过上述质量控制方法软件系统自动进行质控后结果的准确度,将2010年7月陕西省100个自动站的实时资料从数据库中提取出来,采用原始人工质量控制方法再一次进行质量控制,并进行比较,计算机实时质量控制结果人工验证结果为（以个别要素为例）：

1.3.1正点气温

在实时质量控制阶段总共检测出了50个可疑和错误数据.经过人工审核,除2个可疑数据改为正确,其他数据质量控制码均正确未变,正确率为96%.

比对两个数据：

2010年7月2日14时户县气温数据：小时正点气温30.9℃,小时最高气温22.8℃,小时最低气温21.9℃.计算机自动控制时判断正点气温为可疑值,判断标准为最低气温≤正点气温≤最高气温；人工审核时只针对了单一的正点气温要素,判断为正确.对比两种结果,计算机判断是准确的.

2010年7月5日14时户县气温数据：小时正点气温36.9℃,小时最高气温23.1℃,小时最低气温缺测.同上,计算机判断应该是准确的.

1.3.2最高气温

在实时质量控制阶段总共检测出了50个错误和可疑数据.经过人工审核,1个可疑数据改为正确,其他数据质量控制码未变,正确率为98%.

比对所更改的数据：

2010年7月2日14时户县气温数据：小时正点气温30.9℃,小时最高气温22.8℃,小时最低气温21.9℃.计算机自动控制时判断最高气温为可疑值,判断标准为最低气温≤正点气温,正点气温≤最高气温,当违反规则时两个参与的数据均为可疑,因为正点气温可疑,因此最高气温也可疑；人工审核时只针对了单一的最高气温要素,判断为正确.对比两种结果,计算机判断是准确的.

1.3.3最低气温

在实时质量控制阶段总共检测出了50个错误和可疑数据.经过审核完全正确,正确率为100%.

1.3.4最大风向、风速

实时质量控制阶段总共检测出了31个错误和可疑数据.经过审核全部正确,风向和风速正确率都为100%.

1.3.5本站气压

实时质量控制阶段总共检测出了140个可以或错误数据.经过审核全部正确,正确率100%.

1.3.6相对湿度

实时质量控制阶段总共检测出了37个可疑或错误数据,全部正确,正确率100%.

通过比较发现,上述质量控制方法质控结果准确度高于传统的人工质量控制方法,数据可信度较高.

2.结束语

进行自动站实时数据质量控制,可以保证资料使用者使用有质量保障的数据开展预报预测、天气研究分析、气候变化研究,以及资料怎么写作等业务.气象资料是气象业务的基础,使用正确的数据开展业务研究、应用,才可以得出正确的结论.利用计算机技术进行自动站实时数据质量,可以满足实时气象业务的需求.自动站实时数据,由于其数据及时性,在天气实况监测方面,越来越受到业务人员的重视,已经成为天气实况分析的重要数据来源,特别是在灾害性天气监测方面,自动站的优势非常明显.近年来信息技术及网络技术飞速发展,计算机的性能和处理数据的能力越来越快,因此利用计算机技术,结合气象探测资料质量控制规则,对自动站实时数据进行自动质量控制,可以迅速完成,保证数据时效.