新疆1993—2012年輻射觀測資料質量分析

秦榕，瑪依努爾·阿布拉，井立紅，楊霰，陶淘，肖靜

（1.新疆氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002；2.塔城地區(qū)氣象局，新疆塔城 834700；3.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830002；4.莎車氣象局，新疆喀什 844700）

新疆1993—2012年輻射觀測資料質量分析

秦榕1，瑪依努爾·阿布拉1，井立紅2，楊霰3，陶淘1，肖靜4

（1.新疆氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002；2.塔城地區(qū)氣象局，新疆塔城 834700；3.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830002；4.莎車氣象局，新疆喀什 844700）

利用新疆11個輻射站最近20 a（1993—2012年）共2 640個輻射信息化數(shù)據(jù)文件，從原始數(shù)據(jù)表-33及月輻射數(shù)據(jù)（R）文件中遴選出疑誤數(shù)據(jù)共計7 025條，其中更改錯誤數(shù)據(jù)323個，對疑誤、錯誤數(shù)據(jù)進行了質量檢查及評估，并應用數(shù)理統(tǒng)計方法分析了其時空分布特征以及總輻射、散射輻射、直接輻射、反射輻射、凈全輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)的概率，同時對出現(xiàn)疑誤、錯誤數(shù)據(jù)的原因進行了分析，結果表明：新疆最近20 a輻射疑誤數(shù)據(jù)主要發(fā)生并集中在一、二級輻射觀測站，其中數(shù)據(jù)文件部分出現(xiàn)疑誤較多，記錄格式部分出現(xiàn)錯誤相對較少；疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)的主要原因是由于輻射參數(shù)的設置只能考慮正常天氣狀況，而異常天氣情況比較復雜，很難完全涵蓋。此外直接輻射表誤差和自動跟蹤架誤差也是出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)較多的原因。整體而言，自2003年輻射數(shù)據(jù)采集質控實現(xiàn)自動化后，經質量控制軟件檢查的R文件出現(xiàn)疑誤、錯誤數(shù)據(jù)的概率顯著減少，資料可靠，可為科研工作提供有利的技術支持。

輻射資料；質量評估；新疆

為保證地面氣象輻射觀測資料最大可能的合理性，在資料形成時有其規(guī)定的要素允許值范圍，超出此允許值范圍的資料被定義為錯誤資料。近年來有學者對每日每時上傳的地面氣象輻射實時資料和每月上旬傳輸?shù)姆菍崟r資料即月輻射數(shù)據(jù)（R）文件的質量控制方法做過研究分析[1-3]，并得出一些對實際工作有一定指導意義的結論，但有關輻射資料質量控制的分析尚未見公開報道。文章利用相關軟件,探討在質量控制輻射數(shù)據(jù)（R）文件時，需要對經質量控制后系統(tǒng)自動生成的疑誤信息進行人工判斷，并結合有關技術規(guī)定和問題解答給予適當處理，以確保輻射觀測數(shù)據(jù)的真實、準確、可靠，進而為業(yè)務科研工作提供科學的、準確的數(shù)據(jù)。

1993—2012年輻射數(shù)據(jù)信息化文件在新疆已投入科技服務與業(yè)務使用，共有11個輻射觀測站的觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了信息化，其中國家一級站2個：包括烏魯木齊、喀什；二級站5個：包括伊犁、哈密、阿勒泰、塔城、和田；三級站4個：包括焉耆、若羌、吐魯番、阿克蘇。由于歷史資料時間跨度大，新舊輻射數(shù)據(jù)文件格式不統(tǒng)一，而期間《OSSMO2004地面測報軟件》又做過多次修改升級，對質量控制過程中出現(xiàn)的疑誤數(shù)據(jù)增加了很多新的補充規(guī)定，但歷史數(shù)據(jù)文件未重新經過系統(tǒng)的質量控制，這或多或少都給輻射數(shù)據(jù)的質量帶來一些影響。因此，結合不斷更新的補充規(guī)定對輻射信息化文件進行重新評估和分析，不僅優(yōu)化了輻射數(shù)據(jù)的質量，且可為其他氣象數(shù)據(jù)的信息化處理提供參考和借鑒，同時可以使得氣象資料數(shù)據(jù)集的用戶了解疑誤數(shù)據(jù)的種類和原因，掌握新疆輻射數(shù)據(jù)整體質量狀況，從而為客觀的、定量的、安全的使用輻射數(shù)據(jù)提供技術支持。

1 資料與方法

利用最近20 a（1993—2012年）新疆11個輻射站逐月信息化輻射數(shù)據(jù)R文件（對部分老輻射數(shù)據(jù)R文件使用《OSSMO2004地面氣象測報軟件》進行了轉換），采用國家局下發(fā)的《OSSMO2004地面氣象測報業(yè)務軟件》和《基礎氣象資料專項工作——歷史輻射氣象資料質量控制軟件（1.0.0）》分別對新疆11個站最近20 a共2 640個輻射數(shù)據(jù)文件進行質量檢查，檢查內容主要包括：總輻射、散射輻射、直接輻射、反射輻射、凈全輻射等五項要素，應用數(shù)理統(tǒng)計方法對疑誤、錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)的空間分布、時間分布、各要素分布等進行評估分析。

2 輻射疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)的時空分布特征

2.1 空間分布

經計算，新疆11個輻射站最近20 a輻射數(shù)據(jù)的疑誤數(shù)據(jù)共計7 025條（包括更改的錯誤數(shù)據(jù)323個），平均單站月疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)為2.7個（/站·月），疑誤數(shù)據(jù)率為0.0%。經分析發(fā)現(xiàn)，新疆大部分輻射觀測站均出現(xiàn)過疑誤數(shù)據(jù)，其中一級站由于觀測要素多，因此出現(xiàn)的疑誤也最多,達4 573個，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的65%；二級站次之（2 423個），占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的34%；三級站共計29個，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的0.4%。

2.2 時間分布

2.2.1 年際變化

圖1a為新疆11個輻射站疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)的年際變化圖，從圖中可以看出，疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)較多的年份有1993、1994、1999、2007、2012年，平均在400個以上，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的31%；其次為1997、2000、2004、2006、2011年，平均為350個，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的26%；2005年疑誤數(shù)據(jù)最少，共213個，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的2%。

圖1b為新疆11個輻射站錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)的年際變化圖，從圖中可以看出，錯誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)最多的年份是2005年，經對比審核發(fā)現(xiàn)，其原因是由于軟件在處理要素極值出現(xiàn)時間上應該按...（.即空白）處理，在做R文件維護時，卻將空白記錄默認為“////”而引起。錯誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)多的年份是1996—1997年，且主要發(fā)生在烏魯木齊站，原因在于烏魯木齊國家一級輻射站使用了超檢儀器，導致異常數(shù)據(jù)偏多。

統(tǒng)計分析表明，自2003年輻射數(shù)據(jù)采集質控陸續(xù)實現(xiàn)自動化以后，經過質量控制軟件檢查的R文件出現(xiàn)錯誤的概率顯著減少，即使有個別數(shù)據(jù)出現(xiàn)疑異，也基本是由于記錄格式、數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值或軟件使用初期其自身的不完善造成的。

圖1 新疆輻射站疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)（a）和錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)（b）年際變化

2.2.2 月、季變化

圖2為新疆11個輻射站疑誤、錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)的月際變化直方圖，從圖中可以看出，各月均有疑誤、錯誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)，但其月際分布不均勻，其中1月、12月疑誤、錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)最多，究其原因主要是冬季新疆天空狀況、下墊面狀況復雜多變所致，6月、8月疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)相對較少，6月、9月錯誤數(shù)據(jù)最少。

四季中冬季疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)個數(shù)最多，達2 773（131）個，春季、秋季次之，分別為1 404（71）個、1 449（61）個，夏季最少1 162（57）個。原因在于夏秋季節(jié)新疆氣候干旱少雨，天空晴朗穩(wěn)定，大氣透明度極佳，使得疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)相對較少。

圖2 新疆輻射站疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)（a）和數(shù)據(jù)個數(shù)（b）月變化

3 輻射五要素疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)及原因分析

3.1 五要素疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)個數(shù)分布

對新疆11個輻射站各要素進行質量控制后提出疑誤信息7 025條，利用檢查結果繪制了各要素疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)圖（圖3a），從圖中可以看出，總輻射、凈全輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)最多，其次為反射輻射和直接輻射，最少為散射輻射，其中總輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)2 185條，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的32%，凈全輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)2 173條，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的32%；反射輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)1 421條，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的21%，直接輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)1 063條，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的16%，散射輻射出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)11條，占疑誤數(shù)據(jù)總數(shù)的0.0%。

圖3b為五要素出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)個數(shù)統(tǒng)計，從圖中可以看出，共修改錯誤數(shù)據(jù)323個，其中，凈全輻射出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)最多，為62個，占錯誤總數(shù)的19%；反射比錯誤數(shù)據(jù)58個，占錯誤總數(shù)的18%；反射輻射錯誤數(shù)據(jù)40個，占錯誤總數(shù)的12%，總輻射錯誤數(shù)據(jù)30個，占錯誤總數(shù)的9%；直接輻射錯誤數(shù)據(jù)34個，占錯誤總數(shù)的11%；水平面直接輻射錯誤數(shù)據(jù)31個，占錯誤總數(shù)的10%；散射輻射錯誤數(shù)據(jù)6個，占錯誤總數(shù)的2%；大氣混濁度錯誤數(shù)據(jù)3個，占錯誤總數(shù)的1%；封面封底錯誤數(shù)據(jù)59個，占錯誤總數(shù)的18%。

3.2 輻射疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計

圖3 新疆輻射站各要素疑誤（a）和錯誤（b）數(shù)據(jù)個數(shù)

表1為新疆輻射站各類疑誤（錯誤）信息個數(shù)統(tǒng)計，從要素分布中可以看出各站點各要素均有疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)，黑體部分為定性的錯誤數(shù)據(jù)。

3.3 輻射疑誤（錯誤）數(shù)據(jù)原因分析

3.3.1 系統(tǒng)原因分析

3.3.1.1 儀器原因

直接輻射儀器多用全自動跟蹤架進行觀測，由于跟蹤架長時間在露天條件下運轉，很難做到完全準確跟蹤太陽，此外觀測數(shù)據(jù)是否可靠還與輻射觀測員是否按照規(guī)程操作，是否認真對準太陽有關[5]。目前直接輻射資料數(shù)據(jù)總體偏小，其誤差大小是隨機的。總輻射觀測的誤差約為5%左右，直接輻射表觀測誤差約為2%。散射輻射準確值雖然必須乘以大于1的遮光環(huán)訂正系數(shù)才能獲取，但它還受季節(jié)、緯度和各地云量多少的影響。所以對大面積出現(xiàn)總輻射日（時）總量小于反射輻射日（時）總量、總輻射日（時）總量小于散射輻射日（時）總量、總輻射日（時）總量小于凈全輻射日（時）總量的記錄，國家氣象局定義≤1.0 MJ/m2屬正常記錄，對超出此范圍的記錄需認真分析查找原因，做出正確判斷。

表1 新疆輻射站各類疑誤信息個數(shù)統(tǒng)計

由于全波段輻射觀測儀器制造難度大，加上國際上尚無全輻射測量的世界標準等原因，導致目前我國測量的凈全輻射誤差約為10%～20%左右[5]，因此會出現(xiàn)總輻射時總量>1.0 MJ/m2時，凈全輻射大于總輻射時總量的疑誤記錄。

3.3.1.2 臺站參數(shù)設置

設置輻射審核參數(shù)時，為及時發(fā)現(xiàn)采集出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，而將參數(shù)界限值設置為多年人工觀測平均值，就會有超出氣候極限值的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3.1.3 軟件原因

日最大輻射輻照度為0，出現(xiàn)時間不為“....”、總輻射日最大輻照度﹤反射輻射日最大輻照度、總輻射日最大輻照度﹤散射輻射日最大輻照度，均系受天空有云對記錄的影響，同時由于軟件對特殊情況處理判斷無法過細造成。

3.3.1.4 天空及下墊面狀況

降水、儀器加蓋、天空有云、多云、陰、太陽周圍有微量云、飛行物（禽鳥飛過）、重霜、冬季積雪較深臺站等特殊情況出現(xiàn)，需要人機結合分析疑誤信息，確有疑誤應對記錄進行處理。

3.3.1.5 數(shù)據(jù)采集異常

儀器采集數(shù)據(jù)時某些要素偶爾會出現(xiàn)一些誤差，如：漂零點漂移、明顯偏離真值的粗大誤差、隨機誤差以及由于小尺度天氣系統(tǒng)擾動而引起的微氣象誤差，這些現(xiàn)象在此次質控時也出現(xiàn)數(shù)次，如經分析能夠確定偏離真值，應予以刪除。

3.3.2 凈全輻射疑誤數(shù)據(jù)原因分析

凈全輻射時總量全天均≤0.0 MJ/m2、凈全輻射時總量全天均≥0.0 MJ/m2，此兩種疑誤信息發(fā)生的原因都是因為有降水出現(xiàn)，儀器加蓋或多云天氣導致；此外新疆北疆地區(qū)出現(xiàn)重霜、有微量云、飛行物擾亂（禽鳥飛過）或積雪深厚的臺站容易出現(xiàn)此疑誤，此時要根據(jù)具體情況分析處理。

3.3.3 直接輻射疑誤數(shù)據(jù)原因分析

該日無日照，而直接輻射日總量＞10.0 MJ/m2，多是由于直接輻射表在有云等情況下跟蹤誤差引起；水平面直接輻射總量超過直接輻射日總量是由于太陽周圍有云的情況下會出現(xiàn)此類疑誤信息。

3.3.4 計算錯誤

反射比不等于反射輻射日總量比總輻射日總量、要素日總量不等于時總量合計、總射日總量不等于散射日總量與水平直接輻射曝輻量的和，這些疑誤數(shù)據(jù)信息多在20世紀90年代手工計算錯誤出現(xiàn)，其他時間均為計算進位影響。

4 結論

（1）新疆11個輻射站最近20 a輻射數(shù)據(jù)的疑誤數(shù)據(jù)共計7 025條，其中修改錯誤數(shù)據(jù)323個，平均單站月疑誤數(shù)據(jù)個數(shù)為2.7個/站·月，疑誤數(shù)據(jù)率為0.0%；其中一級站出現(xiàn)疑誤最多，二級站次之，三級站最少。

（2）疑誤數(shù)據(jù)主要原因是由于輻射參數(shù)是按正常天氣狀況下設置，而異常天氣情況比較復雜，很難完全涵蓋。其次在濕度大、陰天、風小的夜間及風雨雪天氣、天空有云、降水、下墊面出現(xiàn)重霜、冬季積雪等均會出現(xiàn)疑誤記錄，此外直接輻射表誤差、全自動跟蹤架誤差、凈表誤差和散表誤差也是出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)的原因。

（3）自2003年輻射數(shù)據(jù)采集質控實現(xiàn)自動化后，經質量控制軟件檢查的R文件出現(xiàn)錯誤的概率顯著減少；整體來說11個站最近20 a信息化資料可靠，疑誤數(shù)據(jù)在很正常的范圍內，經質量檢查后的輻射數(shù)據(jù)是真實、可靠的，可以為氣象業(yè)務和社會各界提供數(shù)據(jù)服務。

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Analysis of Radiation Observational Data Quality from 1993 to 2012 in Xinjiang

QIN Rong1，Mayinuer·ABULA1，JIN Lihong2，YANG Xian3，TAO Tao1，XIAO Jing4
（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi Xinjiang 830002，China；2.Tacheng Meterorological Bureau，Tacheng，834700，China；3.Urumqi Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；4.Shachen Meteorological Bureau，Kashi 844700，China）

2 640 data files of radiation informatization over last 20 years（1993-2012）from 11 radiation stations in Xinjiang were examined.With original data sheet-33 and monthly radiation data（R）files,7 025 doubted data were selected,including 323 erroneous data to be corre-cted. Such doubted and erroneous data were treated with quality inspection and evaluation,and their probabilities with respect to spatial-temporal distribution characteristics,total radiation,scattered radiation,directradiation,reflected radiationandnettotalradiation wereanalyzed with mathematical statistical method;and the reasons were also analyzed.The results indicated that the doubted data occurs and concentrates mainly at the primary and secondary radiation observation stations,mostly in the form of data files and record format.The major reason was that only normal weather conditions were considered for the setting of radiation parameters,but abnormal weather conditions are too complicated to be covered fully.Besides,direct radiation meter error and autotracking mount error also account for many doubted data.On the whole,the probability of doubted data and erroneous data declined significantly in R files examined with quality control software since radiation data acquisition quality control was automated in 2003.The data from R files are reliable to provide technical support to scientific research.

radiation data；quality evaluation；Xinjiang

P416

B

1002-0799（2014）02-0054-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.02.007

2013-04- 20；

2013-06-20

公益性氣象行業(yè)專項（GYHY201206013）資助。

秦榕（1961-），女，高級工程師，主要從事地面輻射數(shù)據(jù)質量控制及分析。E-mail：qinrong 1961@sina..cn

秦榕，瑪依努爾·阿布拉，井立紅，等.新疆1993—2012年輻射觀測資料質量分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（2）：54-58.