自動站正點地面數據質量控制方法

譚金閃 駱炳蘭

摘要：自動站所獲取的正點地面數據的質量對于氣象預報和氣象服務等相關領域的研究工作有著舉足輕重的作用，因此面對大量的觀測資料，如何保證數據的完整性、準確性以及代表性，是觀測資料應用者急需解決的問題。文章在介紹自動氣象站、正點資料的基礎上，結合自動氣象站一般數據的質量控制方法，提出了自動站正點數據質量控制方法。

關鍵詞：自動站；正點資料；數據質量控制；實時在線質量控制

中圖分類號：P412文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0069-03

一、概述

自動氣象站是一種能自動收集、處理、存儲或傳輸氣象信息的裝置。自動氣象站的廣泛使用從根本上提高了我國大氣探測現代化的總體水平，減少了由人工觀測引起的誤差，提高了地面觀測資料的可靠性，也進一步減輕了觀測人員的勞動強度。然而盡管在技術、業務與社會經濟這三大因素的推動作用下，自動氣象站在技術上雖然成熟了許多，但它仍存在著不足之處，主要表現在：傳感器不夠成熟，測量準確度不高；有些氣象要素沒有合適的傳感器，仍需要一部分人工觀測等。另外，自動氣象站具有分布密集、站點環境惡劣、站點所在地形差異大、資料實時性強、數據采集和傳輸自動化程度高以及中小尺度天氣現象明顯等特點，因此比人工觀測所得的數據更難控制。在這樣的情況下，完全依靠機器則無法保證觀測資料的準確性或者使觀測值處于可接受范圍，因此，這就需要對數據進行質量控制。

正點地面數據，即正點資料，它是指自動氣象站每小時采集一次的數據，并將該數據每個一小時進行上傳。由于該數據同樣有誤差的存在，因此也需要對其進行質量控制。

二、數據質量控制流程

（一）觀測站誤差類型

誤差的來源是在數據采集時一次或多次積累的結果，以及在傳輸過程中造成的，主要包括以下四種類型的誤差：（1）隨機誤差：測量結果與在重復條件下對同一被測量值進行無限多次測量所得的平均值之差，這主要是由大量微小隨機因素的不確定性與它的無法估計性引起的；（2）系統誤差：在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差，這主要是由測量儀器本身的局限性以及傳感器的長期漂移所引起的偏差；（3）粗大誤差：由于測量儀器出現異常及在數據的傳輸過程中所產生的誤差，該類誤差一般比較容易判斷，繼而剔除；（4）微氣象誤差：由于觀測系統時間或空間分辨率，小尺度天氣的擾動，不能被完整地觀察到，其觀測數據會被誤認為是異常數據。

（二）數據質量控制流程

自動氣象站數據質量控制的目的是，通過采用適當的硬件和軟件措施最大限度的減少不準確的觀測資料和缺測次數。數據質量控制應貫徹在設計、選購、測試、安裝和運行的全過程中，在某種程度上，數據質量控制的要求是針對儀器性能和環境條件提出來的。數據質量控制流程分為實時控制和非實時控制兩個階段。實時控制過程是采用一些基本的手段對異常數據進行排除，非實時控制階段使用一些更精密的評估與處理，從而對數據做出正確的判斷。

根據正點資料質量控制的特點：（1）標注需要明確；（2）執行速度要快；（3）方法要實用有效；結合以上數據質量控制的兩個階段，可以將控制過程分為四層，如圖1所示：

三、正點地面數據質量控制方法

（一）觀測儀器的質量控制

對于觀測儀器而言，首先應當選擇合理的站址和環境條件，這樣自動氣象站的很多誤差則可避免。其次，應建立和使用完善的維護、維修和標定規程。該階段的檢查其實貫穿在自動站運行的始終，主要包括以下幾個方面的內容：

1．自動氣象站的選用：市場上有很多各種類型、型號的自動氣象站，它們的各項技術指標也不一樣，因此用戶應根據自身業務的需求來選定最適合自己的自動氣象站。

2．傳感器的內部檢驗：每個傳感器在采樣過程中都會出現一些似是而非的樣本值，甚至出現明顯不合理的現象，例如氣溫已上升零度以上，突然出現一個樣本值為零下值；相鄰兩個樣本值之間的變化率不一致，例如每十秒鐘取一個樣本值，發現兩相鄰樣本值相差一度以上等。通過傳感器內部檢驗程序，可發現以上不合理的樣本值。

3．硬件檢驗：在運行過程中，自動氣象站的性能會因硬件的老化、不適當的維護以及儀器故障等原因而降低，因此要利用自動氣象站的內置測試設備，結合定時的人工檢查，使自動氣象站的各種設備處于良好的工作狀態中。

（二）實時在線質量控制

在自動氣象站中，對傳感器進行數據質量實時控制，可以初步確定某個被測的量或被懷疑或存在誤差的原因，但這些有較大誤差的數據不能被輕易剔除，通過自動氣象站的內置硬件對設備進行自檢，進一步確定這些數據是否是設備本身的原因造成的，然后這些被懷疑的數據存儲在設備管理緩沖器中被傳送到中央網絡處理系統中。中心站中有多種數據質量控制措施，如內部一致性檢查、時間連續性檢查、氣候極

值等。

1．氣候極值檢查：極值檢查的目的是要檢驗所觀測的信息是否在界定范圍以及允許的要素極值范圍之內。觀測要素的極值范圍取決于臺站要素的氣候極值，它與氣候特點、緯度帶、地形高度有關。

2．內部一致性檢查：內部一致性檢查是要根據氣象要素之間的邏輯關系，來確認測量值的合理性。主要是對以下兩方面進行檢查：

（1）日極值與正點值的比較檢查：

日最低氣壓≤正點氣壓≤日最高氣壓；

日最低氣溫≤正點氣溫≤日最高氣溫；

日地面最低溫度≤正點地面溫度≤日最高地面

溫度；

正點風速≤日最大風速；

日最小相對濕度≤正點相對濕度。

（2）要素間的相關檢查：正點溫度≥露點

溫度。

3．時間連續性檢查：正點數據在時間上應該有良好的連續性，如果所測得的值隨著時間微小的變化而呈現跳躍式的轉變，就應將其歸結為懷疑數據。例如，每一次測量完，將當前的樣本與前幾個樣本進行對比，得出兩兩之間的差值，差值超過界定值就可標注當前樣本缺失，而不應將其歸入樣本中。

（三）非實時質量控制

在實時質量控制之后應對數據執行非實時質量控制，這階段主要是將本站與鄰站的觀測值進行比較，即進行空間連續性檢驗。在檢驗時，一般假設鄰站與本站處于同一天氣系統中，然而由于中小尺度天氣的影響，往往導致兩站的觀測值出現較大的差異。因此在實際業務的應用中，一方面要結合該地歷史氣候資料和地形特點，來檢驗觀測資料的有效性與真實性；另一方面要根據觀測時的天氣形勢，來判斷誤差的出現是否是由中小尺度天氣系統引起的。

（四）與人工站誤差對比

自動氣象站的觀測值與人工站所得數據一般情況下相差不大，對比結果如果相差太大，首先應判斷是否取值時間不一致。而如果是變化不大的氣象因素，則應可以判斷為機器故障，應及時進行檢查。在剔除異常數據后，可用多元線性回歸分析的方法對自動氣象站與人工站的誤差進行分析，研究誤差因子與定量統計的關系，經不斷調整，從而使兩者的觀測資料的擬合率最高。

四、注意事項

在進行數據質量控制時應注意以下幾個事項：

1．巡視自動站，尤其是在雷雨過后或停電以后，應及時檢查自動站各種設備是否正常運行。每隔一段時間還應對設備進行一次大檢查，以防患于

未然。

2．對儀器故障要及時處理，盡量在最短時間內恢復正常運行，盡可能減少正點數據的異常或

缺測；

3．應配置備份電腦將重要數據及時進行備份，以保證正點數據的完整卸載；其中各項參數要設置正確，如年月日的格式設置等。

4．保持自動站專用主控微機的正常運行，禁止安裝與業務無關的軟件等。

五、結語

由于自動氣象站的廣泛應用以及觀測資料應用者對于數據的準確性要求，需要觀測人員有較高的綜合素質與較強的分析能力。本文分析了自動站測量值的可能出現的各種誤差以及正點數據的特點，在此基礎上提出了四層數據質量控制流程的方案，即觀測儀器的質量控制、實時在線質量控制、非實時質量控制、與人工站誤差對比。在實時在線質量控制階段中，又提出了四種檢驗數據的方法，這四種方法相輔相成，相互補充。最后本文總結了幾點關于數據質量控制的注意事項，希望能給以后的研究者提供一些幫助。

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作者簡介：譚金閃（1982-），女，供職于廣西那坡縣氣象局，研究方向：地面測報；駱炳蘭（1981-），女，供職于廣西西林縣氣象局，研究方向：地面測報。

（責任編輯：趙秀娟）