雙套自動站數據對比分析系統的實現

山東煙臺市氣象局　哈艷麗　黃本峰

雙套自動站數據對比分析系統的實現

山東煙臺市氣象局哈艷麗黃本峰

目前各地臺站均逐步建成了雙套自動氣象站，以期增強數據的可靠性、準確性、連續性。本文以雙套站運行中產生的數據作為研究對象，通過與極值表、差值表等進行對比分析，利用編程和數據庫技術實現實時誤差的監控，同時提供了分析評估功能，為故障的早期發現、設備的運行狀況以及后期的設備選型提供參考。

雙套自動站；觀測數據；對比分析系統

0　引言

自動氣象站觀測數據的質量，分為設備運行保障質量和觀測值班質量兩部分，設備運行保障質量又分為設備穩定運行率、到報率、數據可用率。觀測數據的異常可以從時間和空間兩個方面進行分析，當前國家級雙套自動氣象站的運行大大提升了我國地面氣象觀測的自動化和現代化水平，兩套自動氣象站同時運行，互為補充，增強了觀測資料的準確性、可靠性和完整性［1］，對此，趙寶義［2］等利用差值分析的方法在雙套站數據差異性方面做過分析與評估，楊波，張昆［3］在數據一致率、粗差率和超差率方面做過對比分析及評估，溫華陽［4］、白水成［5］等亦對雙套站的數據進行過評估研究或誤差分析方面的研究。由于各地雙套自動站均建設于同一觀測場內，能有效地解決了觀測數據空間性的問題，由此，在基本空間一致的情況下，如何發現同一時間兩組觀測數據之間的差異，并對差異及時警示顯得十分重要，也成為值班過程中能否第一時間發現記錄異常的關鍵一環。在數據監控報警方面鄭嶠［6］做過類似的研究，但其在極值的對比、后期綜合評價以及對多站的分析等方面未做進一步探討。本文以山東煙臺市氣象部門為例，對其所屬的11個國家級氣象站配備的雙套站數據進行研究，從數據的獲取，極值、差值等閾值的對比、數據存儲、差異報警以及后續的分析評估等方面做了分析研究，對數據異常、儀器性能變化、傳感器運行狀況等提供了進一步的參考。

1　設計思路

目前，煙臺市各國家級氣象臺站所配雙套站分別是江蘇無線電科研所生產的DZZ4型新型站和北京華創生產的CAWS系列老站，兩套自動站同時運行，通過不同的計算機和傳感器同時進行數據采集。其中傳感器均安裝在同一觀測場，按照統一標準安裝，采集形成相同數據格式文件。將雙套自動站采集后的實時數據通過數據鏈路，推送到處理服務器，在處理服務器端，通過與極值庫、差值庫比對，對發現的異常記錄直接寫入數據庫。根據異常記錄，開展后續的工作，如實時報警、分析評估等，功能流程圖見表1。

2　技術實現

2.1數據準備

2.1.1數據文件的命名及結構

目前雙套自動站數據以長Z文件的形式進行傳輸，其文件名及結構符合《地面氣象要素數據文件格式（V1.0）》的命名要求和存儲要求，長Z文件名的格式如下：

Z_SURF_I_IIiii_yyyyMMddhhmmss_O_AWS_FTM［-CCx］.txt

其文件內容分為13段，我們選取其中的氣壓、溫度、濕度、風向、風速、地溫、降水量等基本要素進行監控，詳細監控項目見表1。

表1　監控數據列表

2.1.2要素差值數據庫

要完成數據的比對就需要確定兩套自動站要素數據的差異值。當超過要素差值即作為一次異常值進行處理。要素差值的采用的是自動站與人工站并軌運行期間中國氣象局對兩套觀測數據提出的差異范圍，即：氣壓≥0.8hpa，氣溫≥1.0℃，風速≥1.0m/s，過程降水量≥4%，地溫日極值≥2.0℃，淺層地溫≥1.5℃，深層地溫≥0.5℃，風向≥22.5°（風速＞0.2m/時），我們單獨將其存放到數據庫的表中，以便于自動比對操作。

2.1.3要素極值數據庫

在實際工作中，自動氣象站軟件給出了采樣時間的一致性檢查、瞬時值合理性檢查，以及各要素的氣候學界限值檢查等，但缺少對各要素值系統性偏差，例如要素值持續偏高或偏低的現象等的檢查，同時對要素的缺測異常等現有的軟件系統不能第一時間明確示警，因此，我們在設計中，增加了本站要素極值比對監控的功能，當雙自動站有要素超出本站的歷史極值，也作為異常事件進行記載。各要素的本站極值均取自本站歷史上出現的累年值。當其中有一個站出現缺測，同樣給出提示。

2.2數據傳輸及解析處理

（1）數據的獲取。通過ftp方式在處理服務器上分別建立對應的文件夾，同一個臺站文件夾的命名以“區站號_序號”的方式進行設計，如煙臺站對應的兩個文件夾為“54765_1”和“54765_2”，各站將實時的雙套站數據傳送到對應文件夾下。

（2）數據的解析和處理。對各站傳送過來的數據進行解析，系統根據長Z文件結構，首先依據標記定位到各個數據段，根據表1所設定的所要監控的項目，確定要監控的數據。然后統計雙套站監控數據對應要素之間的差值，將差值與差值表進行核對，若在差值允許范圍內，則通過檢查，若達到或超出，則作為一條異常記錄進行記載。另外，當兩套自動站數據有達到或超過極值表中的設定值，則也作為一條異常記錄進行記載。

（3）疑誤差數據的存儲。對監控到超過差值閾值和極值閾值的數據，分別加標志進行區別。我們在數據庫中建立實時疑誤記錄表用以記錄每次的疑誤信息，其表結構見表2。其中對疑誤信息的系統發現時間和人工響應時間均進行了存儲，便于日常管理。

表2　疑誤信息存儲表設計

2.3疑誤信息的分析及應用

2.3.1實時報警

實時獲取各地自動站監控數據進行比較，并根據疑誤信息進行提示。報警界面分三部分，第一部分是臺站參數，提供了本站的經緯度、觀測要素數、自動站型號、廠商等參數。第二部分顯示的是最后一條疑誤報警信息，當次條報警信息未經人工確認，會顯示未處理狀態提示和立即處理按鈕，工作人員通過點擊按鈕即完成本次的人工響應。第三部分是歷史疑誤報警信息，按時間順序逆序排列，見圖2。

圖2　實時報警功能界面

2.3.2分析評估

工作人員可以通過系統，快速查看各監控要素的疑誤信息情況，使之能了解和掌握各要素疑誤的變化。同時可以定期比如以月為單位對各要素的疑誤信息進行匯總，給出初步的評估結論，便于工作人員能了解設備更深層次的問題。

2.3.3極值表和差值表的參數修改

可通過系統功能，對本站的極值表和雙套站對比的差值表各參數進行修改，以便于條件變化后，能按照新的參數進行運行。

3　小結

通過PHP編程以及數據庫等計算機技術構建的雙套自動氣象站氣象要素對比分析系統，能夠更加方便的發現數據的差異，進而通過報警提醒解決，成功的將記錄異常的早發現成為可能，同時通過對要素的分析評估，有利于直觀的發現傳感器的性能差異，進而為傳感器的異常診斷提供依據，并最終達到觀測質量提高的目的。系統在2016年5月開始在部分臺站測試運行，取得了不錯的應用效果。今后需要進一步優化和完善，使其更加穩定和可用。

［1］王剛，張曉峰，黃勇，等.雙套自動氣象站數據初步分析與評估［J］.城市建設理論研究，2012，2（26）：41-45.

［2］趙寶義，溫華洋，錢毅.安徽省雙套站數據差異性分析與評估［J］.氣象水文海洋儀器，2014（2）：112-114.

［3］楊波，張昆.寶坻雙套自動氣象站數據對比分析及評估［J］.氣象水文海洋儀器，2016（2）：19-21.

［4］溫華洋，徐光清，譚常春，張虎，等.雙套自動氣象站數據評估及其優勢探討［J］.應用氣象學報，2012，23（12）：748-752.

［5］白水成，李社宏.雙套自動站地面溫度觀測數據差異分析［J］.氣象科技，2016，44（6）：354-362.

［6］鄭嶠.雙套站比對監控軟件（TOMMA 2012 V1.0）的設計與使用［J］.第九屆長三角氣象科技論壇論文集，2012.

哈艷麗（1979—），女，山東蓬萊人，大學本科，工程師，主要從事大氣探測工作。

黃本峰（1975—），男，山東臨邑人，大學本科，高級工程師，主要從事氣象服務工作。