自動氣象站網監控指標體系設計及應用

龍亞星，黃 勤，馮 慧

(1.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象信息中心，西安 710014)

隨著氣象現代化建設的不斷推進，我國建成了較為完善的國家地面天氣站網，以提高對中尺度天氣系統和災害性天氣的監測捕獲能力，滿足當前業務用數值預報模式同化和天氣學分析檢驗需求[1]。國家地面天氣站網主要由自動氣象站組成，廣義的自動氣象站網(AWS)包括傳感器、采集器、通信接口、綜合觀測業務軟件和系統電源、業務計算機、通信網絡等外圍設備以及探測環境等等。對自動氣象站網的觀測資料及其業務運行狀態進行監控是保證地面氣象觀測業務正常運行的重要手段。目前，自動氣象站網業務質量由地面氣象觀測質量綜合指數來反映，具體考核內容包括設備運行保障質量、觀測資料傳輸質量和觀測數據質量，對應的考核指標分別為設備穩定運行率、傳輸及時率、數據可用率[2]。

1 現狀分析

目前，我國自動氣象站網運行監控業務發展較快，部分省份開發了省級站網運行監控及數據質量控制系統[3-4]，中國氣象局氣象探測中心、國家氣象信息中心分別開發并推廣了綜合氣象觀測系統運行監控平臺(ASOM)[5]、氣象資料業務系統(MDOS)[6]和綜合氣象信息共享系統(CIMISS)[7]，這些系統在自動氣象站觀測數據監控及數據質量控制方面具有成熟的技術方法和業務規定。同時，目前的業務系統還存在以下兩個方面的不足：一是僅監控觀測數據，沒有對自動氣象站及其附屬設備、測報業務軟件系統及支撐保障業務與探測環境的運行狀態進行全面監控；二是僅在正點進行監控，沒有實現分鐘級實時監控與提前預警。

2 監控指標體系構建

2.1 基本原則

綜合目前已廣泛應用的基于觀測數據準確性判斷的監控方法，同時針對以上兩個方面的不足，設計基于自動氣象站網業務運行狀態信息的監控指標，形成較為全面、系統的自動氣象站網監控指標體系。指標體系的構建還應有利于完善運行監控業務內容、方法和發揮評價作用，有利于完善觀測業務質量綜合考核辦法。

2.2 指標體系總體框架

自動氣象站網監控指標體系是指能全面反映自動氣象站網觀測數據質量及業務運行狀態的若干個相互聯系的監控指標所組成的有機體，指標體系的建立可為自動氣象站網全方位、全流程監控奠定基礎。結合以上分析，構建由觀測資料指標、測報系統指標、外圍設備指標、保障業務指標、探測環境指標五部分共18項組成的自動氣象站網監控指標體系(如圖1所示)。

圖1 陜西省自動氣象站網監控指標體系總體框架

2.2.1 觀測資料指標 云、能見度、天氣現象、氣壓、空氣溫度和濕度、風向和風速、降水、日照、蒸發、地表溫度、草溫、淺層和深層地溫、雪深和雪壓、凍土、電線積冰等觀測資料應具有代表性、準確性、比較性和完整性等特征[8]，為此構建了與觀測資料質量控制方法[9]一致的包括數據格式正確率、數據完整率等在內的共6項指標作為觀測資料指標。

2.2.2 測報系統指標 測報系統是指觀測數據采集、處理、傳輸、存儲的硬件和軟件系統，同時包含臺站參數、儀器參數和觀測極值等等基本信息，因此測報系統指標包括反映測報系統運行與維護狀態的4項指標。

2.2.3 外圍設備指標 外圍設備是支撐自動氣象站網運行的重要組成部分，因此提出由系統電源UPS、業務計算機、通信網絡構成的外圍設備指標。

2.3.4 保障業務指標 綜合考慮自動氣象站網保障運行實際內容，提出由維護維修、儲備供應、計量檢定構成的保障業務指標。

2.2.5 探測環境指標 良好的探測環境是確保氣象探測信息具備代表性、準確性、連續性和可比較性的基本條件，因此提出由探測環境保護評價及時性、準確性構成的探測環境指標。

2.3 監控指標的設定

指標體系中每項指標一般包括其基本內涵和目標值。基本內涵主要對指標的含義或計算方法進行解釋；目標值主要根據業務運行現狀和業務考核指標來確定，其設置以定量為主、定性為輔。

數據格式正確率指觀測數據的結構以及每條數據記錄的長度與地面氣象要素數據文件格式和BUFR編碼格式的相符比例；數據完整率指單位時間內實際觀測次數與應觀測次數的比例，數據完整率與數據缺測率相對，即數據完整率+數據缺測率=100%；界限值超出率指觀測值超出儀器量程、氣象定義量值或氣候學界限的次數占總觀測次數的比例；內部一致性根據要素觀測資料應具有如日最低氣溫≤定時氣溫≤日最高氣溫、極大風速≥最大風速等等內部特征來判定；時間一致性以要素觀測資料如氣壓、地溫應符合時間變化規律特征來判定；空間一致性通過部分觀測數據如氣溫具有與其下墊面及周圍環境相似的一個或多個臨近站的觀測數據在空間上可計算、比較的特點來評價。

臺站參數一致性通過觀測站業務軟件中實際運行的區站號、緯度、經度、觀測場海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、地方時差和人工觀測參數等基本信息與省級基本信息標準庫的相符情況進行綜合評價，全省觀測站省級基本信息標準庫由具有相應權限的各觀測站或省、市級管理員進行維護、更新和同步；觀測采集正常率采用傳感器、主(分)采集器、CAN總線、RS232/RS485終端通信、供電、AD模塊、計數器模塊、數字通道、各類主板溫度、CF卡及其剩余空間和串口服務器等的實際工作狀態與標準正常狀態的符合程度來綜合評定；數據文件正常率通過觀測站業務計算機中存儲的采集數據文件、數據傳輸文件和觀測站存檔的觀測數據文件的生成、傳輸狀態來綜合評估；測報軟件穩定性由臺站地面綜合觀測業務軟件ISOS、BURF傳輸服務程序、StationClient傳輸客戶端、Meinberg NTP時鐘同步軟件、地面氣象測報業務軟件OSSMO(含監控軟件SAWSS、通訊組網接口軟件CNIS)等的運行狀態綜合定性評估。

UPS穩定性主要通過UPS(含發電機)的輸入電壓、輸入異常電壓、輸出電壓、輸出電壓最大百分比、輸入頻率、電池單體、溫度、UPS狀態等綜合定性評價；計算機使用率通過業務計算機的CPU使用率、物理內存使用率兩個方面綜合評價；通信網絡水平通過觀測站與省級網絡服務器之間的網絡連通率及帶寬占用率綜合定性評定。

維護維修及時率以設備設施維護和故障恢復時間與規定時間的相符情況進行綜合評估；儲備供應水平采用省、市、縣各級備件數量占儲備標準的比率綜合判定；計量檢定及時率通過觀測站觀測設備的計量檢定狀態與有效期的符合情況來評定。

探測環境保護評價及時性采用觀測站探測環境保護評價結果上傳是否及時來評定；探測環境保護評價準確性利用觀測站探測環境變化情況報告的準確性進行評價。

根據以上評估原則，在廣泛調研分析業務運行實際情況和通用設備如UPS、計算機、網絡等性能指標的基礎上，給出各項指標的目標值(表1)。

表1 自動氣象站網監控指標的目標值

3 監控指標體系應用

2017年，陜西省氣象部門全面開展國家地面氣象觀測站無人值守業務改革，對自動氣象站網運行監控業務工作內容、流程及業務系統進行了全面調整、優化和升級。觀測數據監控方面通過完善省級運行監控業務和資料收集與分發業務實現了觀測數據分鐘級監控和雙套自動氣象站數據文件的自動補傳(PASOM、CIMISS)，測報系統與外圍設備監控方面通過開發無人值守運行監控系統(Unattended Meteorological Station of Operations And Monitoring，簡稱USOM)實現了站網運行狀態信息的分鐘級實時監控與預警，保障業務方面推廣了省級技術裝備動態管理信息系統和陜西省氣象計量業務系統，探測環境保護方面建設了探測環境視頻監測系統，因此基本構建起了基于“觀測數據+狀態信息”的自動氣象站網全要素、全鏈條的實時監控和預警信息自動發布業務。業務運行情況表明，2017年陜西省地面氣象觀測質量綜合指數為99.97%，超過業務質量考核指標99.95%，該數據表明自動氣象站網監控指標體系設計較為合理。

4 結語

(1)通過深入分析自動氣象站網構成和運行監控業務現狀，構建的由觀測資料指標、測報系統指標、外圍設備指標、保障業務指標、探測環境指標五部分組成的自動氣象站網監控指標體系，將進一步完善自動氣象站網運行監控業務內容，并為自動氣象站網運行業務質量考核方法調整提供重要參考。

(2)個別指標目前還只能做定性評價，難以做到定量評價，對今后考核造成了不便。同時，指標體系將隨著業務廣度和深度的不斷拓展而不斷調整、優化。此外，指標體系中所涉及的統計方法、評價模型、權重確定等問題的研究還較為薄弱，需進一步研究。

參考文獻：

[1] 中國氣象局.國家地面天氣站布局方案：中氣函〔2017〕134號[A].北京:中國氣象局,2017.

[2] 中國氣象局綜合觀測司.地面氣象觀測質量考核辦法(試行)：氣測函〔2013〕312號[A].北京:中國氣象局綜合觀測司,2013.

[3] 周欽強,李源鴻,李建勇,等.自動氣象站探測網實時監控關鍵技術[J].氣象科技,2011,39(4):477-482.

[4] 李志鵬,張瑋,黃少平,等.自動氣象站數據實時質量控制業務軟件設計與實現[J].氣象,2012,38(3):371-376.

[5] 裴翀.綜合氣象觀測系統運行監控平臺(ASOM)設計[D].北京:北京理工大學，2012:9-49.

[6] 劉瑩,劉雯,閆蕎蕎,等.氣象資料業務系統(MDOS)使用手冊[M].北京:氣象出版社，2017:1-19.

[7] 熊安元,趙芳,王穎,等.全國綜合氣象信息共享系統的設計與實現[J].應用氣象學報,2015,26(4):500-512.

[8] 白水成,李社宏,周林.自動氣象站數據質量控制體系設計[J].陜西氣象,2016(3):42-46.

[9] 地面氣象觀測資料質量控制：QX/T 118—2010 [S].