海洋站觀測資料的質(zhì)量控制方法及其應用

楊揚，苗慶生，韋廣昊，董明媚，東成

(國家海洋信息中心 天津 300171)

海洋站觀測資料的質(zhì)量控制方法及其應用

楊揚，苗慶生，韋廣昊，董明媚，東成

(國家海洋信息中心 天津 300171)

文章闡明開展海洋站觀測資料質(zhì)量控制的必要性和重要性，以海洋站觀測延時(月報)資料為例，詳細論述其質(zhì)量控制的對象、流程和參數(shù)以及包括日期檢驗、位置檢驗、格式檢驗在內(nèi)的19種質(zhì)量控制方法，同時概述海洋站觀測資料質(zhì)量控制軟件，最后提出下一步開展海洋站觀測資料的均一化檢驗和訂正以及建立多模式檢驗系統(tǒng)和均一化數(shù)據(jù)集的研究重點，以期為海洋和氣候變化研究提供科學準確的第一手資料。

海洋站；海洋觀測；觀測數(shù)據(jù)；質(zhì)量控制；均一化

1 引言

海洋站觀測獲得數(shù)據(jù)資料的長期性、連續(xù)性和近岸性是其他觀測方式無法比擬和替代的，其實用價值和應用意義不言而喻。尤其是在需要長時間序列資料時，海洋站觀測資料的重要性和寶貴性就更加明顯。然而海洋站觀測資料隨時間的變化相當顯著且復雜，有些變化不是單獨存在而是相互疊加，從而加大了觀測要素隨時間變化的顯著性[1]。因此，在對海洋站觀測資料進行研究分析之前，必須對其進行必要的質(zhì)量控制和人工審核，及時發(fā)現(xiàn)資料中的錯誤數(shù)據(jù)、可疑數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)提示對數(shù)據(jù)進行修改和查證處理，從而將資料中的錯誤減到最低，提高資料質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的可靠性、代表性和可比性。

已有很多專家學者對海洋站觀測資料的質(zhì)量控制做過很多研究，但多數(shù)集中于地面氣象資料[2-7]，對水文資料的研究鮮有報道，僅有李學坤等[8]于1997年對海洋水文氣象資料實時數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制做過分析研究。本研究以海洋站觀測延時(月報)資料為例，詳細論述其質(zhì)量控制技術(shù)和方法，同時概述海洋站觀測資料質(zhì)量控制軟件，并提出下一步研究重點。

2 質(zhì)量控制技術(shù)

2.1 質(zhì)量控制對象

海洋站觀測月報資料共有4種類型10種文件。①溫鹽：T011定時溫鹽海發(fā)光和T012逐時溫鹽，共2種；②潮汐：T021逐時潮位和高低潮位潮時、T022 5 min潮位以及T023 1 min潮位，共3種；③波浪：T031定時(逐時)波浪，共1種；④氣象：T051定時溫壓濕和逐時風等氣象要素、T052逐時溫壓濕和逐時能見度、T053 10 min風速風向以及T054 1 min溫壓濕、風速風向和降水，共4種。

2.2 質(zhì)量控制流程

海洋站觀測月報資料的質(zhì)量控制流程為：讀入質(zhì)控參數(shù)-檢查站代碼-檢查資料的年月是否合法(按升序排列)-檢查經(jīng)緯度和表頭各項觀測參數(shù)-檢查記錄類型和觀測日期-檢查觀測要素值是否合法(有無非法字符、是否在合理值范圍內(nèi))-檢查觀測方法是否正確-檢查儀器代碼是否正確-檢查質(zhì)量符是否正確-觀測要素范圍檢驗-氣候特性檢驗-相關(guān)性檢驗-極值檢驗-其他質(zhì)量控制方法檢驗-檢查說明記錄是否合法-質(zhì)量控制綜合分析-數(shù)據(jù)質(zhì)量標識。

在質(zhì)量控制過程中，可根據(jù)觀測資料類別、觀測要素和用戶需求的差異對上述流程環(huán)節(jié)進行增減。

2.3 質(zhì)量控制參數(shù)

質(zhì)量控制參數(shù)通常包括通用質(zhì)量控制參數(shù)和單站質(zhì)量控制參數(shù)。其中，通用質(zhì)量控制參數(shù)是各海洋站在進行質(zhì)量控制時均可使用的參數(shù)；單站質(zhì)量控制參數(shù)是從各海洋站歷年資料中經(jīng)大量統(tǒng)計計算選取的、專門提供給對應海洋站進行質(zhì)量控制的參數(shù)。

3 質(zhì)量控制方法

依據(jù)海洋學、氣象學、天氣學和氣候?qū)W原理以及《海濱觀測規(guī)范》[9]《地面氣象觀測資料質(zhì)量控制》[10]和數(shù)據(jù)文件格式的相關(guān)規(guī)定，進行水文氣象觀測數(shù)據(jù)序列的技術(shù)性和合理性檢驗；同時結(jié)合各海洋站的不同海洋氣候背景，由程序自動對觀測資料進行檢查，找出不合理、不正常的錯誤或可疑記錄，從而達到質(zhì)量控制的目的[11]。

目前采用的質(zhì)量控制方法主要包括日期檢驗、位置檢驗、格式檢驗、觀測要素范圍檢驗、統(tǒng)計特性檢驗、氣候特性檢驗、全等性檢驗、非法碼檢驗、相關(guān)性檢驗、遞增性檢驗、連續(xù)性檢驗、極值檢驗、尖峰檢驗、增減水位審核、一致性檢驗、變化連續(xù)性檢驗、相鄰站的一致性檢驗、可視化圖形繪制檢驗以及異常數(shù)據(jù)的判別和處理等，這些方法已經(jīng)投入日常業(yè)務化工作中且取得了很好的效果。本研究分別介紹這些方法的具體內(nèi)容。

(1)日期檢驗。海洋觀測資料的觀測日期應在合理取值范圍內(nèi)。如，年份的取值不大于當前年份，月份的取值范圍為1～12，日期的取值范圍為當月天數(shù)，小時的取值范圍為0～23，分和秒的取值范圍為0～59。

(2)位置檢驗。海洋觀測資料的測站位置應在合理取值范圍內(nèi)。如，緯度的取值范圍為-90°～90°，經(jīng)度的取值范圍為-180°～180°，固定觀測站位漂移范圍不超過5 km。

(3)格式檢驗。海洋觀測資料均是按照規(guī)定格式記錄的，如項目要素記錄的起始位置和長度、數(shù)據(jù)記錄的類型以及缺測值的填寫等都有相應的要求，根據(jù)這些固定格式對資料進行檢驗。

(4)觀測要素范圍檢驗。簡稱范圍檢驗，主要是對已有的國內(nèi)外海洋觀測資料數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)各項觀測要素的自身特點和取值范圍對資料進行檢驗；如果超出正常范圍，則可認為該數(shù)據(jù)異常。

(5)統(tǒng)計特性檢驗。理論上海洋觀測資料往往具有一定的概率統(tǒng)計特性，數(shù)據(jù)對應的隨機變量和隨機過程既相互獨立又服從特定分布，時間序列資料對應的隨機過程也是平穩(wěn)的或周期性的；根據(jù)數(shù)據(jù)的這些特性對其進行檢驗，檢驗觀測數(shù)據(jù)是否獨立，獨立的數(shù)據(jù)往往是異常值。

(6)氣候特性檢驗。根據(jù)海域海洋環(huán)境氣候要素的變化特點，檢驗其是否遵循相應的變化規(guī)律，如季節(jié)性變化和日變化等。具體檢驗方法為：從歷史資料中統(tǒng)計測站位置要素數(shù)據(jù)累年逐月(累年逐季)平均值A(chǔ)nn和對應的均方差Sd，根據(jù)該測站要素變化的劇烈程度選取合理的倍數(shù)m；如果不能滿足Ann-m·Sd≤觀測值≤Ann+m·Sd，則判定其為異常值，需進一步分析。

(7)全等性檢驗。主要針對觀測記錄中的某些要素項進行，如資料類型、浮標號、平臺代碼、海洋觀測臺站代碼、觀測方法、儀器名稱、觀測儀器海拔高度和觀測點水深等，這些要素項的參數(shù)具有特定值且往往長期保持不變，記錄值和約定值必須完全一致，否則視為錯誤。

(8)非法碼檢驗。主要針對取值在有限代碼范圍內(nèi)的海洋觀測要素進行。如，《海濱觀測規(guī)范》[9]規(guī)定波型取值只能為U、U/F、F/U、F、FU、---、+++和空格的其中之一，不在此范圍內(nèi)的取值視為錯誤。

(9)相關(guān)性檢驗。根據(jù)海洋觀測資料中要素間的相互關(guān)系檢驗數(shù)據(jù)是否異常。如，1 d內(nèi)各定時或逐時記錄值是否超出日極值，最大波高必須大于或等于平均波高，最大周期必須大于或等于平均周期，高、低潮潮高和逐時潮高的關(guān)系，波型、波高和海況的關(guān)系，風速、波高和周期的關(guān)系以及海水鹽度、溫度和密度的關(guān)系等。

(10)遞增性檢驗。檢驗遞增量差值是否大于或等于某一確定值。具體檢驗方法為：假設(shè)當前觀測值為V(t),與其相鄰的上一個正確值為V(t-1)，檢驗值=V(t)-V(t-1)。

(11)連續(xù)性檢驗。海洋觀測要素在一定時空范圍內(nèi)具有連續(xù)性，即時間接近或位置鄰近的觀測要素的差值在一定范圍內(nèi)。具體檢驗方法為：假設(shè)當前觀測值為V(t)，與其相鄰的上一個正確值為V(t-1)，檢驗值=|V(t)-V(t-1)|。

(12)極值檢驗。一般情況下，定點定時要素觀測值的取值應在該點該要素多年極值的范圍內(nèi)，即Min(X)≤觀測值≤Max(X)；否則判定其為異常值，需進一步分析。

(13)尖峰檢驗。經(jīng)檢驗如出現(xiàn)較大突變，則判定其為異常值，需進一步分析，具體參數(shù)視觀測要素而定；具體檢驗方法為：假設(shè)當前觀測值為V(t),與其相鄰的第一個正確值分別為V(t-1) 和V(t+1)，檢驗值=|V(t)-[V(t+1)+V(t-1)]/2|-|[V(t+1)-V(t-1)]/2|。

(14)增減水位審核。當淺水潮較大區(qū)域的實際潮位數(shù)據(jù)和增減水位同時超出合理范圍時，或當其他區(qū)域的實際潮位數(shù)據(jù)和增減水位其中之一超出合理范圍時，則認為觀測數(shù)據(jù)是可疑的。

(15)一致性檢驗。主要包括內(nèi)部一致性檢驗和時間一致性檢驗。其中，內(nèi)部一致性檢驗是對同一時間觀測的水文氣象要素之間的關(guān)系是否符合一定物理聯(lián)系的檢驗，時間一致性檢驗是對水文氣象要素在一定時間范圍內(nèi)的變化是否具有特定規(guī)律的檢驗。各要素觀測記錄應符合的關(guān)系主要包括：干球溫度大于(等于)濕球溫度(濕球結(jié)冰時除外)、氣溫大于(等于)露點溫度、10 min平均風速小于(等于)最大風速、2 min平均風速小于(等于)極大風速、能見度小于(等于)4 km時應有霧出現(xiàn)、極大風速大于(等于)17.0 m/s時應有大風現(xiàn)象以及靜穩(wěn)時風速應小于0.2 m/s。不符合上述關(guān)系的記錄中至少有1個視為錯誤數(shù)據(jù)。

(16)變化連續(xù)性檢驗。1 min間隔數(shù)據(jù)的變化范圍和24 h內(nèi)氣溫氣壓的變化范圍應滿足的各項要求分別如表1和表2所示，超出范圍則視為可疑數(shù)據(jù)。

表1 1 min間隔和給定時間范圍數(shù)據(jù)變化界限

表2 24 h內(nèi)氣溫氣壓的變化范圍

(17)相鄰站的一致性檢驗。①物理高斯權(quán)重插值法。從統(tǒng)計學和氣象學相關(guān)性的角度，為周圍3個相關(guān)站點的某要素分配不同的權(quán)重，通過周圍要素值并根據(jù)物理高斯權(quán)重插值法的原理計算出欲測站點某要素的插值。②24 h變量場法+插值法。用前24 h的資料求得變量場，再使用插值法進行檢驗；如果沒有前24 h的資料，則不進行此項檢驗。系統(tǒng)在默認情況下首選使用最優(yōu)的24 h變量場法+插值法，最終選擇哪種方法由系統(tǒng)根據(jù)報文類型決定。

(18)可視化圖形繪制檢驗。由于觀測要素的變化是連續(xù)的，通過繪制可視化圖形可直觀地判斷出異常值。如，繪制要素的時間序列過程線，顯示的尖峰值即視為異常值(圖1)。

圖1 5 min潮位數(shù)據(jù)的時間序列

(19)異常數(shù)據(jù)的判別和處理。異常數(shù)據(jù)的判別和處理是在海洋站觀測資料質(zhì)量控制中需解決的重要問題。異常數(shù)據(jù)主要包括2類：①正確的異常值，即海況急劇變化的真實記錄，如臺風過境時風速和水位觀測數(shù)據(jù)的異常增大等；②含有過失誤差的異常值，即由于儀器失靈、外界干擾或觀測人員失誤造成的錯誤記錄，應在資料質(zhì)量控制中加以標識或刪除。

4 質(zhì)量控制軟件

根據(jù)上述質(zhì)量控制的原則和方法，國家海洋信息中心研發(fā)了海洋站觀測資料質(zhì)量控制系統(tǒng)，為海洋站觀測資料的質(zhì)量控制工作提供了良好的工具，是質(zhì)量控制技術(shù)的最終體現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已更新為2.03版本，包含上述各種質(zhì)量控制方法，并利用可視化質(zhì)量控制技術(shù)實現(xiàn)交互操作，極大地提高了質(zhì)量控制的工作效率。此外，還建立了海洋站觀測資料質(zhì)量控制的審核制度，從海洋站、中心站、各海區(qū)信息中心到國家海洋信息中心，每級至少有1位審核員負責觀測資料的質(zhì)量控制工作，并在形成的文件說明中記錄審核人、審核日期和相關(guān)信息。審核員都是海洋觀測一線工作人員，最為了解當時當?shù)氐奶鞖狻h(huán)境和儀器設(shè)備狀況，因此他們對觀測資料的審核極為重要也最為有效。

5 結(jié)語

開展海洋站觀測資料質(zhì)量控制的主要目的是確定正確記錄，找出缺測記錄、錯誤記錄和可疑記錄，并對其做出標識或使用盡可能準確的值代替，以確保提供應用的觀測資料符合各種要求[12]。我國現(xiàn)有的觀測資料質(zhì)量控制技術(shù)和方法與發(fā)達國家相比差距很大[13]，而觀測資料的質(zhì)量直接影響其應用效果。此外，由于在觀測記錄過程中不可避免地受到諸多主觀或客觀方面的影響[14-15](如臺站遷移、儀器故障或變更、系統(tǒng)更新升級、觀測人員更換或水平不一、觀測頻次和時間改變以及統(tǒng)計分析方法改變等)，觀測數(shù)據(jù)在記錄真實環(huán)境氣候變化之外還隱藏了一些非均一的變化，這些變化將不利于資料同化系統(tǒng)的發(fā)展以及預報模式等業(yè)務和研究工作水平的提高[16]，因此僅對觀測數(shù)據(jù)本身進行質(zhì)量控制是遠遠不夠的，還應加強對觀測數(shù)據(jù)非均一性的研究。本研究下一步的工作即在不斷研發(fā)新的質(zhì)量控制方法的基礎(chǔ)上，重點研究海洋站觀測資料(尤其是海洋水文資料)的均一化檢驗和訂正，選取最適合中國海洋環(huán)境水文和氣候資料特點的均一性檢驗方法，努力建立多種均一性檢驗和訂正方法聯(lián)合使用和研究的多模式檢驗系統(tǒng)，構(gòu)建高質(zhì)量的中國海洋站海洋水文氣象資料均一化數(shù)據(jù)集，為沿海氣候變化研究提供準確的第一手資料。

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QualityControlMethodsandApplicationfortheOceanicStationObservedDataintheDelayedMode

YANG Yang,MIAO Qingsheng,WEI Guanghao,DONG Mingmei,DONG Cheng

(National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

This paper expounded the necessity and importance of quality control for the oceanic station observed data.Taking the data of the delayed mode (monthly) of the oceanic station as an example,the object,the process and the parameter of the quality control were discussed in detail,including 19 tests in sum such as the date test,the position test,and the format test.At the same time,the paper analyzed the quality control software of the marine observed data.The next steps were put forward to carry out a variety of tests and correction methods combined with the use of multi-mode test system,which would make the results more reasonable and scientific,and also could be used to provide accurate first-hand information for the coastal climate change researches.

Oceanic station,Marine observation,Observed data,Quality control,Homogeneity

苗慶生，工程師，研究方向為水文氣象資料的管理和質(zhì)量控制

P71

A

1005-9857(2017)10-0109-05

2017-03-01；

2017-08-17

楊揚，助理研究員，碩士，研究方向為水文氣象資料的管理和質(zhì)量控制