高空氣象探測數(shù)據質量控制方法探討

夏明 樊軍武 張言偉

摘要：指出了高空氣象探測數(shù)據在天氣預報、氣候分析、氣象服務、科學研究等方面作用重大，對高空氣象探測數(shù)據進行質量控制，為使用者提供相對準確的數(shù)據資料是新時代氣象科技發(fā)展的要求。闡述了質量控制的內涵，分析了影響高空氣象探測數(shù)據質量的因素，探討了高空氣象探測數(shù)據質量控制的方法。

關鍵詞：高空氣象探測數(shù)據;質量控制

中圖分類號：P412

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0232-02

1引言

氣象數(shù)據為天氣預報、氣候分析、氣象服務、科學研究等工作提供重要依據。在氣象觀測領域，高空氣象探測所獲得的第一手數(shù)據，揭示了各類天氣現(xiàn)象產生的原因及其發(fā)生、發(fā)展的內在規(guī)律，因此常規(guī)高空氣象探測數(shù)據非常重要。高空氣象探測數(shù)據是通過每天施放無線電探空儀獲取的，數(shù)據質量受到無線電探空儀、地理環(huán)境、無線電下擾、設備性能和各類異常天氣的影響，探測結果與真實情況有一定的差異。隨著氣象科學事業(yè)的發(fā)展，科技工作者需要更高質量的觀測數(shù)據。因此，對高空氣象探測數(shù)據進行一定的質量控制，給使用者提供相對準確的數(shù)據資料，是高空氣象探測人員必須思考和研究的課題。

2質量控制

質量控制是指為了達到質量要求，而采取的作業(yè)技術和活動。具體而言，質量控制是為了通過監(jiān)視質量形成過程，消除質量環(huán)上所有階段引起不合格或不滿意效果的因素，以達到質量要求，獲取經濟效益，而采用的各種作業(yè)技術和活動。高空氣象探測數(shù)據質量控制是指對觀測數(shù)據質量進行檢查以判斷是否達到一定要求的過程，目的是對數(shù)據進行合理性檢驗，找出缺測的、錯誤的、可疑的數(shù)據，進行標記或通過數(shù)據內差等計算進行修正，確保提供的數(shù)據符合質量要求。

原始數(shù)據的質量對各項氣候統(tǒng)計結果的可靠性和正確性產生直接影響，因此，質量控制是高空氣象探測數(shù)據庫建設非常重要的內容。一般而言，數(shù)據質量控制有以下兩種方式：一是對原始探測數(shù)據在統(tǒng)計前進行質量檢查;二是探測數(shù)據在完成信息化后對其重點進行質量控制。高空氣象探測數(shù)據質量控制分為自動和人工兩種，自動質量控制是根據溫度、濕度、氣壓等曲線正常趨勢，刪除明顯錯誤值后，通過最小二乘法多項式曲線擬合進行平滑。人工質量控制是操作員實時監(jiān)控，通過歷史數(shù)據資料庫、數(shù)據變化趨勢等對觀測數(shù)據進行對比分析，刪除明顯錯誤值。

3影響高空氣象探測數(shù)據質量的因素

高空氣象探測數(shù)據質量受儀器精度、觀測環(huán)境、人為操作的影響，因此，質量控制貫穿于整個觀測活動。

目前使用的L波段高空氣象探測系統(tǒng)主要由GFE（ L）1型二次測風雷達、GTS1型數(shù)字式電子探空儀和數(shù)據處理計算機系統(tǒng)組成。地面設備包括：GFE（L）1型二次測風雷達、JKZ1型探空儀檢測箱、地面氣象要素觀測設備、數(shù)據處理計算機、LTPS不間斷電源。升空設備由GTS1型數(shù)字式電子探空儀、攜帶探空儀的氫氣球組成。探測過程是由氫氣球攜帶探空儀自由升空，測量3萬多m以下高空范圍內，不同高度層次的溫度、濕度、氣壓、風向、風速等要素，通過無線電方式實時發(fā)送到地面的接收設備。

高空氣象探測整個工作流程會因受到無線電探空儀、無線電干擾、沒備性能的影響，造成探測數(shù)據有偏差。

不同的地理環(huán)境，地形、土壤、氣候、水系、礦藏、動物、植物以及其他生態(tài)條件等不同，高空氣象探測數(shù)據也不同。

天氣狀況，晴天、陰雨、雷暴、大風等，對于氣球升空的高度和速度產生影響，探測儀會采集到不同的數(shù)據。

高空氣象探測人員技術水平及綜合素質會影響探測數(shù)據的準確性，如業(yè)務人員不熟悉常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務規(guī)范，出現(xiàn)重放球和丟球現(xiàn)象，都會影響數(shù)據質量。

4高空氣象探測數(shù)據質量控制方法

高空氣象探測數(shù)據的質量直接影響天氣預報、氣候分析、氣象服務的準確性。高空氣象探測主要是L波段探空系統(tǒng)，觀測氣象要素為高空溫度、濕度、氣壓、風向和風速。因此，本文主要對這5個氣象要素所進行的質量控制進行闡述。

4.1 與歷史數(shù)據進行對比分析

高空氣象探測數(shù)據會受到地物、地形、人類活動、城市熱島效應等的影響，隨著探空高度的升高，影響就越小，氣象要素的變化越穩(wěn)定。在短期內僅隨天氣系統(tǒng)影響而變化，但從長期來看，受季節(jié)變化和氣候變化影響大，不同的季節(jié)各等壓面的高度和溫度都有不同程度的變化，可以將探測到的數(shù)據與歷史上相應月份的數(shù)據進行比較分析，當超出歷史極值時進行標注。

4.2 比照氣象要素測量極值

由電子探空儀的溫度、氣壓和濕度等傳感器感應到的電流、電壓、電阻等模擬信號轉換成數(shù)字信號，通過發(fā)射裝置發(fā)射回地面的雷達。如探空儀設備故障或工作不穩(wěn)定、受無線電干擾等，地面接收的數(shù)據可能是錯誤的數(shù)據。不同的傳感器，測量范圍不同，因此，從傳感器性能來看，氣象要素有一個測量的極值。如果接收到的數(shù)據超過這個極值，則該數(shù)據明顯為錯誤數(shù)據，直接剔除處理。

4.3檢查氣象要素數(shù)據的一致性

高空氣象探測各個要素之間存在關聯(lián)性，而關聯(lián)性最高的數(shù)據探空高度與測風高度，兩者存在高度的一致性。對兩者的高度取差值，尋找該差值的變化規(guī)律。當探測數(shù)據兩者差異超出預設值時，進行預警提示，檢查分析原因。

4.4檢查是否符合空間變化規(guī)律

內置溫度、氣壓和濕度感應器的探空儀在升空的過程中，實時將氣象要素每1.2 s一組發(fā)回地面的接收設備。氣象要素具有連續(xù)性變化的規(guī)律。每個等壓面的風向和風速通過采集到的仰角、方位角和斜距計算出來，而氫氣球升空過程由于受高空風的作用，并非垂直上升。通過測量探空儀每分鐘的仰角、方位角和斜距，可以確定探空儀每分鐘位置的變化情況，而通過每分鐘位置變化又可以測算出每個高度的風速和風向。仰角、方位角和斜距每秒的變化是在一定的幅度內連續(xù)變化的，在近地面高仰角時，仰角和方位數(shù)據變化較大，在高空低仰角時，仰角與方位的數(shù)據變化較小。如果探測得到的數(shù)據不符合變化規(guī)律，則需要進行預警提示。

4.5設定較寬的時間檢驗范圍

在高空氣象探測中，無法做到各高度上連續(xù)獲取探測數(shù)據，但是按中國氣象局高空氣象探測規(guī)范要求，探空站每天需進行兩次探測，分別是07時15分和19時15分，間隔12 h。因受各種因素影響，在近地面，每次間隔12小時的探測數(shù)據變化較大可從時間的連續(xù)性上，設定較寬的檢驗范圍進行比較分析，對不同等壓面上的數(shù)據進行正確性判斷。

4.6對特殊記錄的處理方法

對探空站特殊記錄分析發(fā)現(xiàn)，對記錄影響最多的問題是由于干擾造成的記錄不完整，以及探測終止。干擾出現(xiàn)，探空信號飛點增多，測風觀測示波器四條亮線變差，出現(xiàn)上下閃動，而且測風秒數(shù)據連線左右擺動。嚴重時計算出的風向風速數(shù)據異常，甚至無法使用，造成數(shù)據缺測或者測風觀測終止。干擾可能來自外來無線電信弓、探空儀、雷達等，處置方法：飛點少，較容易判斷;飛點較多，仔細的判斷，通過上下正常記錄點之間連線，檢查中間飛點是否在連線之上，來進行取舍。測風記錄的影響往往在記錄的后期，可根據實際情況并結合前后時次的記錄，比較分析后進行取舍。

探測過程出現(xiàn)雷達故障時，對探測接收到數(shù)據進行嚴格檢查，判斷數(shù)據是否正確。情況嚴重時，啟用L波段備份接收機來進行數(shù)據接收，使用光學經緯儀進行測風數(shù)據的觀測。

探空氣球遇到強下沉氣流時，會出現(xiàn)一定程度的下降，在記錄時要將下沉階段的記錄進行刪除處理。刪除時根據氣壓的變化情況，做好上下氣壓點之問的銜接。因下沉記錄刪除后將無法恢復，需要仔細進行判斷。

探空觀測中因探空儀故障或電池等原因，探空儀的無線電信號突然消失。在這種情況下記錄終止。

5結語

高空氣象探測數(shù)據在天氣預報、氣候分析、氣象服務、氣象科研等工作中起重要作用，資料的真實性、及時性和可用性及其關鍵。高空氣象觀測必須對采集到的數(shù)據進行非常嚴格的質量檢查和處理，才能通過數(shù)據的分析，揭示出真實的大氣特征與規(guī)律。高空氣象探測數(shù)據多，分析量大，相似性高，需要排除特異點，設計一套質量控制軟件，用自動化質量控制來代替人工質量控制，很有必要。實現(xiàn)自動質量控制可以避免人為原因帶來的數(shù)據差異，便于對高空氣象探測數(shù)據進行質量可靠性標注，并盡可能地保留原始數(shù)據，為其他工作和研究提供可靠的數(shù)據。