自動氣象站資料質量控制方法淺析

李建明

（內蒙古二連浩特市氣象局,內蒙古 二連浩特 012600）

1 自動氣象站的功能

自動氣象站的功能包括：數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸、數據質量控制。數據采集功能是指通過采集器采集需要觀測的氣象要素值。數據處理功能是將采集的氣象要素運算處理后再轉換成氣象要素值。而接有計算機終端的自動站會將觀測數據進一步傳輸給計算機終端，觀測數據會被計算機終端的地面測報業務軟件作進一步的分析和處理。數據存儲功能就是將經過數據處理后獲得的各種氣象要素的采樣值及氣象要素的觀測值按規定的統一的數據格式在存儲器內進行存儲。數據傳輸功能是將各種氣象要素觀測數據按照統一規定的格式生成各種報文、各種數據文件后，通過采集器的通信接口直接將觀測數據傳輸給與之相連接的終端設備。數據質量控制的功能是為了保證所獲取的觀測數據的質量，在數據采集器中需對觀測數據進行差錯檢測及標示工作。

2 自動氣象站實時資料質量控制方法

自動氣象站實時資料質量控制主要是對自動氣象站的采樣值和測量值進行實時質量控制，從而確保原始資料的正確。觀測資料質量控制要求就是要確定正確的數據，找出缺測數據、錯誤數據、可疑數據，同時對這些數據進行標識或者用盡可能準確的數據來代替，消除異常數據。

2.1 采樣值的質量控制

檢查每一個樣本值是否在其傳感器的測量范圍內，若樣本值超出其測量范圍，則該樣本應被舍去，并且該樣本不再參與后面的相關參量的計算。

采樣值的時間一致性檢查主要是針對要素值具有連續性變化的氣象要素。用于檢查要素采樣值之間的不真實跳躍，檢查當前樣本與前一個樣本的差值是否大于相應的閾值，前后兩者差值大于閾值，則將當前樣本值視作可疑值，而且不能參加平均值的計算。

2.2 瞬時值的質量控制

瞬時值是指1min的平均值或總量值，對于風指的1min、2min或10min的平均值。瞬時數據主要包括氣溫、相對濕度、本站氣壓、地面溫度、淺層地溫、深層地溫，風向、風速、降水量、日照、輻照度等。

合理性檢查主要是檢查各氣象要素的瞬時值是否在其合理界限范圍之內，其合理界限值參考范圍如表1所示。

如果氣象要素的瞬時值超出以上允許的界限范圍，則該值標記為錯誤數據。

2.3 瞬時值時間一致性檢查

時間一致性檢查主要是檢查氣象要素的當前瞬時值與上一次瞬時值的差值是否超過給定的界限范圍，即是檢查要素瞬時值的變化率，檢測其不真實的尖峰或跳變值，或因傳感器故障引起的異常值。

若當前的瞬時值與上一次瞬時值的差異大于錯誤界限值范圍，則該瞬時值應作為錯誤記錄處理。若當前的瞬時值與上一次瞬時值的差異大于可疑界限值范圍，則該瞬時值應作為疑誤記錄處理。

3 自動氣象站非實時資料質量控制方法

表1 自動氣象站瞬時值的合理界限值參考范圍

由于自動氣象站質量控制包括實時質量控制和非實時質量控制，因此在對自動氣象站數據進行實時質量控制后還得對其進行非實時質量控制。自動氣象站的非實時資料的質量控制是指對自動氣象觀測記錄以及其統計值的質量控制，進一步確保自動站資料質量。非實時資料質量控制包括氣候學合理界限值檢查、邏輯檢查、氣候歷史極值檢查、內部一致性的檢查、時間一致性的檢查及綜合判別檢查等。

3.1 氣候學界限值檢查

每個氣象要素從氣候學的角度上講，都有其臨界值。氣候學檢查主要是檢查氣象要素值是否超出其臨界值范圍。超出其臨界值范圍的氣象要素值則視為錯誤的記錄，應予以剔除。各氣象要素氣候學合理界限值如表2所示。

表2 各氣象要素氣候學合理界限值表

3.2 邏輯檢查

各氣象要素的觀測記錄均有一定的邏輯規律，邏輯檢查主要是檢查各氣象要素值是否符合一定的邏輯規律，若違背其邏輯規律的氣象記錄則視為錯誤記錄。各氣象要素觀測記錄的邏輯規律如下：

(1)各記錄及極值出現時間的小時及分鐘范圍：時間為 0≤h≤23，0≤min≤59；(2)相對濕度≤100%；(3)總云量、低云量≤10成；(4)凍土深度層除上限、下限值均為0cm外，其余的凍土深度層上限＜下限；(5)電線積冰的厚度≤直徑。

3.3 氣候極值檢查。

氣候極值是指在固定的氣象臺站歷史上曾出現過的氣象要素的最大值或最小值，或者是在一定時間范圍內出現的概率很小的氣象記錄。在進行氣候極值檢查時，首先要計算出被檢查臺站不同月份的歷史氣候極值，再對觀測數據進行檢查是否超出歷史氣候極值。隨著極端天氣氣候事件的頻繁出現及氣候的變化，一些氣候歷史極值可能會被突破，這就需要進行進一步檢查判斷其正確與否。

3.4 內部一致性檢查

由于同一時間的氣象要素之間的關系具有一定的物理聯系，所以，根據此特性，內部一致性檢查主要是針對同一測站同一時間的同類氣象要素或不同氣象素觀測值之間的物理關系進行檢查，從而判斷數據是否異常。

同一時間觀測的氣象要素記錄之間的關系應符合一定物理聯系的檢查。各要素氣象觀測數據應符合下列關系，不符合下列關系的數據中至少有一個視為錯誤記錄。

(1）各要素的正點觀測數據應小于或等于小時最大值，同時大于或等于小時最小值。

(2）極大風速≥最大風速，極大風速≥瞬時風速，極大風風速應≥平均風速，否則，極大風風速或平均風速兩者或之一有疑誤。

3.5 時間一致性檢查

氣象要素變化的最大變率是指在一定的時間間隔，同一要素的前后波動應在一定的范圍之內，時間一致性最大變率檢查是檢查各氣象記錄是否超出一定時間內的最大波動值范圍，若超出的記錄則標記為錯誤的記錄。該檢查主要是針對在時間上的相關性較高的氣象要素進行檢查。

4 小結

4.1 自動站實時資料的合理性檢查、時間一致性檢查、內部一致性檢查等質量控制方法，通過對自動傳感器探測的原始數據（即瞬時值）進行質量控制，有助于臺站值班人員在第一時間發現問題，防止錯誤數據上傳。

4.2 自動站小時數據的氣候學界限值檢查、邏輯檢查、氣候極值檢查、內部一致性檢查、時間一致性檢查等質量控制方法。同時通過地面氣象測報業務軟件對其進行機審，再進行人工審核。確保自動氣象站非實時數據的準確性。