從計量角度探討自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量

蔣冬雁，李偉雄，陳 平

（廣西區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，廣西 南寧 530022）

1 前言

自動氣象站的廣泛使用從根本上提高了我國大氣探測現(xiàn)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完整性、準(zhǔn)確性和代表性［1-4］。自動氣象站受站點分布、站點環(huán)境、站點所在地形影響，所以資料實時性強，數(shù)據(jù)采集和自動化傳輸程度高，有時甚至比人工觀測所得的數(shù)據(jù)更難控制。所以，完全依靠機器則無法保證觀測資料的準(zhǔn)確性或者使觀測值處于正常范圍，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。目前的監(jiān)控手段主要是定期的計量檢定，對不合格的傳感器進(jìn)行更換，另外通過日常的業(yè)務(wù)監(jiān)控平臺對發(fā)現(xiàn)的異常值進(jìn)行重點挑選，及時更正；然后從計量角度對觀測數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行分析，提出保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的預(yù)防措施等，因此，從計量角度分析自動氣象站的數(shù)據(jù)質(zhì)量是一種新的探討，對提高數(shù)據(jù)質(zhì)量具有一定的價值。

2 觀測資料誤差類型

2.1 觀測站誤差類型

誤差的來源是在數(shù)據(jù)采集時一次或多次積累的結(jié)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）粗大誤差：主要由自動站觀測儀器異常及在數(shù)據(jù)編碼、處理、傳輸、存儲及解碼等業(yè)務(wù)流程中產(chǎn)生的誤差。（2）隨機誤差：在相同條件下對同一被測量進(jìn)行多次測量，由于受到大量微小隨機因素影響，測量誤差大小和符號沒有一定規(guī)律，且無法估計，即為隨機誤差。隨機誤差是無法避免的，其總體服從正態(tài)分布。（3）微氣象誤差：由小尺度天氣系統(tǒng)擾動引起，由于觀測系統(tǒng)時空分辨率原因，這些天氣系統(tǒng)一般不會被完全觀測到，但當(dāng)觀測到這種天氣系統(tǒng)時，其觀測數(shù)據(jù)就可能誤判為異常數(shù)據(jù)。（4）系統(tǒng)誤差：在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)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［5-7］。

3 觀測儀器的質(zhì)量控制

對于觀測儀器而言，根據(jù)要求首先應(yīng)當(dāng)選擇合理的站址和環(huán)境條件；其次，應(yīng)建立和使用完善的維護(hù)、維修和標(biāo)定規(guī)程［8］。主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）自動氣象站的選用：市場上有很多類型、型號的自動氣象站，它們的各項技術(shù)指標(biāo)也不一樣，因此用戶應(yīng)根據(jù)上級規(guī)定和自身業(yè)務(wù)的需求來選定最適當(dāng)?shù)淖詣託庀笳尽?/p>

（2）傳感器的內(nèi)部檢驗：每個傳感器在采樣過程中都會出現(xiàn)一些似是而非的樣本值，甚至出現(xiàn)明顯不合理的現(xiàn)象，例如氣溫已上升零度以上，突然出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)兩相鄰樣本值相差一度以上等等。通過傳感器內(nèi)部檢驗程序，可發(fā)現(xiàn)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(dāng)?shù)木S護(hù)以及儀器故障等原因而降低，因此要利用自動氣象站的內(nèi)置測試設(shè)備，結(jié)合定時的人工檢查，使自動氣象站的各種設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)中。

3.1 實時在線質(zhì)量控制

在自動氣象站中，對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù)不能被輕易剔除，通過自動氣象站的內(nèi)置硬件對設(shè)備進(jìn)行自檢，進(jìn)一步確定這些數(shù)據(jù)是否是設(shè)備本身的原因造成的，然后這些被懷疑的數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備管理緩沖器中被傳送到中央網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)中。中心站中有多種數(shù)據(jù)質(zhì)量控制措施，如內(nèi)部一致性檢查、時間連續(xù)性檢查、氣候極值檢查和臺站極端事件檢查等［9-10］。

（1）界限值檢查：檢查要素值是否在其測量允許值范圍之內(nèi)。各氣象要素的界限值閾值范圍參考《地面氣象觀測規(guī)范》中表3.1《我國自動氣象站技術(shù)性能要求表》以及《QX/T 118-2010地面氣象觀測資料質(zhì)量控制》。

（2）氣候月極值檢查：指某個固定測站歷史記錄中某要素曾出現(xiàn)過的最大值（最小值），氣象資料要素值是否超出極值的檢查為極值檢查［11］。一般情況下氣候極值通過臺站多年長序列統(tǒng)計求得。

（3）內(nèi)部一致性檢查［11］：當(dāng)氣象觀測要素相互之間關(guān)系密切，其變化規(guī)律具有一致性，可根據(jù)該特性，對相關(guān)數(shù)據(jù)是否保持這種內(nèi)部關(guān)系來檢查其是否發(fā)生異常，以確定數(shù)據(jù)質(zhì)量，即為內(nèi)部一致性檢查［11-15］。

（4）時間連續(xù)性檢查［16］：正點數(shù)據(jù)在時間上應(yīng)該有良好的連續(xù)性，如果所測得的值隨著時間微小的變化而呈現(xiàn)跳躍式的轉(zhuǎn)變，就應(yīng)將其歸結(jié)為懷疑數(shù)據(jù)。如：每一次測量完，將當(dāng)前的樣本與前幾個樣本進(jìn)行對比，得出兩兩之間的差值，差值超過界定值就可標(biāo)注當(dāng)前樣本缺失，而不應(yīng)將其歸入樣本中。

（5）臺站極端事件檢查：當(dāng)發(fā)生劇烈天氣事件如短時暴雨或大幅降溫時，將導(dǎo)致相關(guān)要素發(fā)生“異常”。

3.2 非實時質(zhì)量控制

在實時質(zhì)量控制之后應(yīng)對數(shù)據(jù)執(zhí)行非實時質(zhì)量控制，這階段主要是將本站與鄰站的觀測值進(jìn)行比較，即進(jìn)行空間連續(xù)性檢驗。

（1）傳感器漂移檢查

傳感器漂移［17］是傳感器測量的氣象要素值偏離實際真值的大小程度，傳感器漂移的主要特點：一是所使用的數(shù)據(jù)量大且持續(xù)時間較長（一般在旬、月以上）；二是所檢查數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況不是單個數(shù)據(jù)，而是描述一批的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況。所以對數(shù)據(jù)的檢測方法也和前面單個數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法不同。

自動氣象站傳感器漂移狀態(tài)有兩種：一是傳感器失效狀態(tài)，即傳感器測量的氣象要素值離實際真值很遠(yuǎn)；二是傳感器失真狀態(tài)，傳感器測量的氣象要素在實際真值附近，但超過了允許的測量精度范圍。對于第一種情況常用的內(nèi)部一致性檢查方法即可檢測到，然而對于第二種情況通常的質(zhì)量控制方法無法實現(xiàn)，目前只能依靠人工參考鄰站資料及本站長序列資料各要素變化規(guī)律、變化幅度等方面綜合判斷。出現(xiàn)這種情況較多的是地溫、氣溫及草溫傳感器。

（2）風(fēng)記錄系統(tǒng)性檢查

自動站運行以來，風(fēng)記錄也會出現(xiàn)一些系統(tǒng)性問題，如啟動風(fēng)速增大、無靜風(fēng)、風(fēng)向缺失、風(fēng)向停在某個方位不變等，這些記錄的質(zhì)量控制主要是依靠人工經(jīng)驗進(jìn)行分析判斷［18］；①啟動風(fēng)速增大檢查，②風(fēng)向缺失檢查，③無靜風(fēng)記錄檢查。

（3）更換儀器前后及檢定儀器前后記錄的連續(xù)性檢查

在更換儀器、檢定儀器后要注意記錄連續(xù)性檢查，有時臺站操作失誤，把有關(guān)傳感器的接線接反，常出現(xiàn)地溫傳感器接反。如：某站2013年4月儀器檢定后160cm地溫與80cm地溫接線接反了。

3.3 與備份站誤差對比

目前廣西所有的臺站都安裝了二套自動站，二套自動氣象站的觀測值所得數(shù)據(jù)一般情況下相差不大，對比結(jié)果，如果相差太大，首先應(yīng)判斷是否取值時間不一致［19］。若氣象因素變化不大，則應(yīng)可以判斷為機器故障，應(yīng)及時進(jìn)行檢查。在剔除異常數(shù)據(jù)后，可用多元線性回歸［20］分析的方法對自動氣象站與人工站的誤差進(jìn)行分析，研究誤差因子與定量統(tǒng)計的關(guān)系，經(jīng)不斷調(diào)整，從而使兩者的觀測資料的擬合率最高。

4 小結(jié)

在臺站建立規(guī)范化的自動站正點地面數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，通過界限值檢查、氣候極值檢查、內(nèi)部一致性檢查、時間連續(xù)性檢查、臺站極端事件檢查、傳感器漂移檢查、風(fēng)記錄系統(tǒng)性檢查、更換儀器前后及檢定儀器前后記錄的連續(xù)性檢查等多種行之有效的質(zhì)量控制方法應(yīng)用，檢查出可以排除一定數(shù)量的可疑及錯誤數(shù)據(jù)，從而提高自動站正點地面數(shù)據(jù)質(zhì)量。