月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件審核軟件開發(fā)研究

摘 要：根據(jù)國標(biāo)酸雨觀測規(guī)范中關(guān)于酸雨觀測的審核規(guī)則，文章利用IDL語言開發(fā)了一款月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件審核軟件。該軟件具備報表解析和數(shù)據(jù)審核功能，能夠?qū)λ嵊陥蟊砦募械呐_站參數(shù)、月統(tǒng)計數(shù)據(jù)、日觀測數(shù)據(jù)、附加參數(shù)、現(xiàn)用儀器情況和備注等內(nèi)容進(jìn)行檢查和審核。檢查內(nèi)容包括格式、界限值、內(nèi)部一致性、數(shù)據(jù)一致性和準(zhǔn)確性檢查，最后形成輸出檢查結(jié)果的審核單，供業(yè)務(wù)人員參考。月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件審核軟件的開發(fā)，有助于行業(yè)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)自動化審核的規(guī)范化管理。

關(guān)鍵詞：IDL；酸雨觀測；數(shù)據(jù)審核；軟件開發(fā)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）02-0100-05

Research on the Development of Monthly Acid Rain Observation Data File Audit Software

CHEN Beiying1， HUANG Chunxi2， GUO Yang2， NIAN Feixiang2， JIN Jin2

（1.Hebei Information Engineering School， Baoding 071000， China;

2.Tianjin Meteorological Information Center， Tianjin 300074， China）

Abstract： According to the audit rules of acid rain observation in the national standard acid rain observation specification， this paper develops a monthly acid rain observation data file audit software using IDL. This software has the functions of report analysis and data audit， and can check and audit the station parameters， monthly statistical data， daily observation data， additional parameters， current equipment status， and notes in the acid rain report files. The inspection content includes format checking， limit value checking， internal consistency checking， data consistency and accuracy checking， and finally the software forms audit sheets for output inspection results for reference by business personnel. The development of monthly acid rain observation data file audit software is helpful to the standardized management of automatic audit of relevant data in the industry.

Keywords： IDL; acid rain observation; data audit; software development

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.018

0 引 言

目前世界上面臨著包括海洋污染、氣候變暖、森林銳減、生物多樣性減少等多種嚴(yán)重的環(huán)境問題，其中酸雨蔓延是最嚴(yán)重的影響事件之一。酸雨的出現(xiàn)是由于煙霧中的二氧化硫氧化形成硫酸或者酸霧所致，工業(yè)革命以來，英國、比利時、美國、日本等國家相繼出現(xiàn)了由酸雨導(dǎo)致的重大公害事件，酸雨蔓延引起了煙霧事件、湖水酸化、森林損毀和建筑物腐蝕等后果。1982年6月，國際社會召開了“環(huán)境酸化會議”，標(biāo)志著酸雨污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界重要的環(huán)境問題之一。我國酸雨問題是從20世紀(jì)90年代開始突顯，在《中華人民共和國大氣污染防治法》實(shí)施情況報告中指出，我國酸雨區(qū)面積正急速擴(kuò)大，降水酸化率急速升高。因此，酸雨觀測是氣象基本業(yè)務(wù)之一。

1982年，我國開始開展酸雨觀測業(yè)務(wù)。至1989年，全國共設(shè)有22個酸雨觀測站點(diǎn)，主要分布在東部地區(qū)。此時的酸雨觀測業(yè)務(wù)是科研性質(zhì)的，尚不具備業(yè)務(wù)化能力，觀測項目也只有降水pH酸堿度。2005年，酸雨觀測站點(diǎn)增至89個，遍布全國各地，酸雨觀測實(shí)現(xiàn)了全面業(yè)務(wù)化，觀測項目增加了電導(dǎo)率，同時在各大氣本底站也開展了此項業(yè)務(wù)。截至2023年底，全國酸雨觀測站數(shù)量達(dá)到342個，業(yè)務(wù)相對成熟。

月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件整合了地面氣象觀測站一個月內(nèi)的酸雨觀測數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了臺站本月內(nèi)酸雨觀測的全部記錄。月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件內(nèi)容涵蓋了臺站基本參數(shù)、觀測方式、酸雨月統(tǒng)計資料、酸雨日觀測資料、附加參數(shù)、現(xiàn)用儀器情況和備注等，是氣象觀測站所積累的酸雨資料的原始檔案。在天津市范圍內(nèi)，薊州、西青和塘沽三個國家基本氣象站均開展了酸雨觀測業(yè)務(wù)。

目前，地面氣象觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法主要包括從物理意義、氣候?qū)W和氣象記錄角度出發(fā)的界限值檢查、格式檢查、指定時空的要素主要變化范圍檢查，以及要素間的時間一致性、內(nèi)部一致性以及空間一致性檢查等方法[1-4]。隨著服務(wù)需求的擴(kuò)大和業(yè)務(wù)科研水平的提升，對于地面氣象觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量需求也在逐步提升，而酸雨觀測數(shù)據(jù)的人工審核存在著工作效率差、主觀不一致性等潛在風(fēng)險和問題，數(shù)據(jù)審核由人工方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣臃绞娇梢杂行Ы鉀Q上述問題。因此，本文在參考現(xiàn)有國家地面氣象觀測數(shù)據(jù)審核的技術(shù)規(guī)定基礎(chǔ)上[5-9]，結(jié)合月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)特征建立審核規(guī)則，并基于交互式數(shù)據(jù)語言（Interactive Data Language， IDL）開發(fā)設(shè)計審核軟件，以規(guī)范化酸雨觀測數(shù)據(jù)文件審核，提升酸雨觀測數(shù)據(jù)文件審核的一致性。

1 審核規(guī)則的建立

1.1 酸雨數(shù)據(jù)來源

本文設(shè)計的審核軟件僅針對天津市酸雨觀測站點(diǎn)的月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件，文件名稱格式為SIIiii-YYYYMM，其中YYYY和MM分別代表年份和月份。數(shù)據(jù)包括降水信息、降水樣品pH酸堿度、電導(dǎo)率、降水采樣日界內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速、天氣現(xiàn)象和各要素相關(guān)統(tǒng)計值、現(xiàn)用儀器和備注信息。本文所需酸雨觀測資料來自天津市氣象信息中心。

1.2 建立審核規(guī)則

依據(jù)《酸雨觀測規(guī)范（GB/T 19117—2017）》，結(jié)合酸雨觀測數(shù)據(jù)變化特征，結(jié)合現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、人工審核經(jīng)驗(yàn)以及本地氣候閾值，建立月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件審核規(guī)則，共計包含數(shù)據(jù)文件的格式檢查（質(zhì)控參數(shù)檢查）、數(shù)據(jù)段檢查（月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段檢查、日觀測數(shù)據(jù)段檢查）、文件尾部檢查（附加參數(shù)檢查、現(xiàn)用儀器檢查、備注檢查）等六項41條審核規(guī)則。

2 軟件開發(fā)

依據(jù)建立的月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件審核規(guī)則，采用IDL語言開發(fā)審核程序。IDL內(nèi)置的數(shù)學(xué)庫函數(shù)語言大大減少了圖像處理算法開發(fā)所需的工作量[10]，是進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用開發(fā)的理想軟件工具。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件讀取月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件和基本參數(shù)模塊，利用格式檢查、界限值（閾值）檢查、內(nèi)部一致性（邏輯關(guān)系）檢查和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性檢查等方法，對酸雨數(shù)據(jù)文件進(jìn)行審核，最后輸出審核單即審核結(jié)果。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：基本參數(shù)模塊、臺站參數(shù)和附加參數(shù)檢查模塊、數(shù)據(jù)段檢查模塊以及現(xiàn)用儀器和備注檢查模塊等。

具體介紹如下：

1）基本參數(shù)模塊。將內(nèi)置的月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件的基本參數(shù)（臺站基本信息、采樣方式等）和檢查參數(shù)（各臺站氣象要素界限值等用于審核的閾值）傳遞給相關(guān)變量，用于氣象報表審核。

2）臺站參數(shù)、附加參數(shù)檢查模塊。檢查臺站基本信息、附件參數(shù)信息。

3）數(shù)據(jù)段檢查模塊。檢查月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段、日觀測數(shù)據(jù)段是否正確。

4）現(xiàn)用儀器、備注檢查模塊。檢查現(xiàn)用儀器、備注是否正確。

5）報表審核輸出、輸出提示等。

2.2 模塊功能

2.2.1 基本參數(shù)模塊

模塊功能如下：

1）模塊內(nèi)相關(guān)變量可以將用于審核的設(shè)定閾值和酸雨數(shù)據(jù)月報表中的臺站基本信息、采樣方式進(jìn)行比對，用于酸雨報表審核。

2）程序根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)文件年月參數(shù)，自動計算當(dāng)月應(yīng)有天數(shù)，用于后續(xù)參數(shù)檢查、數(shù)據(jù)審核使用。

2.2.2 臺站參數(shù)與附加參數(shù)檢查模塊

參數(shù)檢查內(nèi)容如下：

1）與表頭參數(shù)對比文件名中的臺站基本信息，如站號、年月份等是否一致，如果不一致則輸出到審核單。

2）對比程序內(nèi)置參數(shù)與臺站基本參數(shù)信息是否一致，如果不一致則輸出到審核單。

3）對比程序內(nèi)置參數(shù)與附加參數(shù)信息是否一致，如果不一致則輸出到審核結(jié)果。

4）檢查傳輸日期（報表數(shù)據(jù)報送傳輸時間）與臺站基本信息月份的時間邏輯關(guān)系，以及傳輸日期是否為8個字符，如不是則輸出到審核單。

2.2.3 數(shù)據(jù)段檢查模塊

數(shù)據(jù)段檢查包括月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段檢查日觀測數(shù)據(jù)段檢查，具體如下：

1）月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段檢查。算法流程如圖2所示。一是檢查月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段指示碼格式，檢查文本第二行月統(tǒng)計數(shù)據(jù)段指示碼是否為M0，如不是則輸出到審核結(jié)果，并結(jié)束當(dāng)月統(tǒng)計數(shù)據(jù)檢查。二是檢查數(shù)據(jù)段格式，是否與規(guī)定的格式相同，如果不一致則輸出到審核單。三是內(nèi)部一致性檢查，檢查月降水日數(shù)是否等于酸雨觀測日數(shù)，如不相等則輸出到審核單。四是數(shù)據(jù)一致性檢查，分別統(tǒng)計國家級地面氣象觀測月（報表A文件）降水大于0.1 mm、1 mm日數(shù)，檢查月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件（S文件）大于等于0.1 mm降水日數(shù)與A文件是否一致，如果不一致則輸出到審核單。檢查S文件降水日數(shù) 與A文件降水日數(shù)是否一致，如果不一致則輸出到審核單。五是輸出提示，“人工檢查A文件最后一日20時-08時是否有降水！”

2）日觀測數(shù)據(jù)段檢查。算法流程為：一是檢查日觀測數(shù)據(jù)段指示碼格式，檢查文本第四行指示碼是否為D0或D0=，如不是則輸出到審核單。二是檢查日觀測數(shù)據(jù)段格式，是否與規(guī)定的格式相同，如果不一致則輸出到審核單；檢查數(shù)據(jù)段結(jié)束符，如不為“？？？？？？”，則輸出到審核單。三是數(shù)據(jù)一致性檢查，提取數(shù)據(jù)段酸雨觀測樣品對應(yīng)的降水量，如與A文件對應(yīng)不一致則輸出到審核單；提取數(shù)據(jù)段14時、20時、02時、08時的10分鐘平均風(fēng)向風(fēng)速，如與A文件中對應(yīng)數(shù)據(jù)不相等，則輸出到審核單。四是內(nèi)部一致性檢查，提取數(shù)據(jù)段酸雨觀測日期，檢查降水開始時間、結(jié)束時間是否在規(guī)定時間范圍內(nèi)，如不是則輸出到審核單；提取數(shù)據(jù)段初測時的降水樣品3次pH值（電導(dǎo)率值），如不相等則輸出到審核單。五是界限值檢查，提取數(shù)據(jù)段初測時的降水樣品溫度，檢查水溫是否在0 ℃至30 ℃之間，如不是則輸出到審核單；提取數(shù)據(jù)段初測時的降水樣品pH平均值，如pH＜3或pH＞9，則輸出到審核單；提取數(shù)據(jù)段初測時的降水樣品25 ℃時的電導(dǎo)率平均值，如電導(dǎo)率大于1 000則輸出到審核單。六是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性檢查，提取數(shù)據(jù)段降水期間的天氣現(xiàn)象組（ww1ww2ww3ww4ww1ww2ww3ww4），檢查4組天氣現(xiàn)象是否出現(xiàn)60、68、70之一，如不是則輸出到審核單；提取數(shù)據(jù)段酸雨觀測備注（B1B2B3B4B4B1B2B3B4B4，共4組5位），檢查復(fù)測指示碼、K值測量是否使用溫度補(bǔ)償功能指示碼，B3B3為因故延遲樣品測量指示碼，B4B4B4B4為降水樣品異常狀況是否符合規(guī)定要求，如不是則輸出到審核單。

2.2.4 現(xiàn)用儀器與備注檢查模塊

現(xiàn)用儀器檢查的算法流程如圖3所示，具體為：

1）檢查現(xiàn)用儀器指示碼格式，是否為YQ，如不是則輸出到審核單。

2）檢查現(xiàn)用儀器pH指示碼，如無則輸出到審核單。

3）檢查現(xiàn)用儀器pH格式，是否符合要求，如否則輸出到審核單。電導(dǎo)率儀（指示碼：YK）、pH（復(fù)合）電極*（指示碼：YF）、電導(dǎo)電極*（指示碼：YD）、溫度測量電極（傳感器）*（指示碼：YT）規(guī)則同pH計，不再重復(fù)。

4）內(nèi)部一致性檢查，檢查現(xiàn)用儀器pH參數(shù)信息是否和內(nèi)部參數(shù)一致，否則輸出到審核單。

備注檢查的算法流程如下：

1）檢查備注段指示碼格式，起始標(biāo)識符為“BZ”，結(jié)束符為“######”，如不一致則輸出到審核單。

2）檢查備注段格式，是否為“BB/？？/*”，如不一致則輸出到審核單。

3）檢查是否存在固定格式的備注，如未出現(xiàn)則輸出到審核單。

4）內(nèi)部一致性檢查，檢索S文件、A文件降水量不足1.0 mm的天數(shù)和日期，如不一致則輸出到審核單。

2.3 exe可執(zhí)行程序文件

該軟件是基于IDL語言編寫，如需將代碼封裝為Windows系統(tǒng)下的exe可執(zhí)行程序文件，可在Windows系統(tǒng)IDL環(huán)境（建議使用IDL 8.2版本）的“控制臺”輸入程序發(fā)布命令來實(shí)現(xiàn)。操作步驟如下（以“F：＼酸雨報表審核軟件”路徑為例）：

1）在“F：＼酸雨報表審核軟件”目錄下新建文本文檔，將代碼粘貼到文檔內(nèi)保存，并將文件名保存為“QC_S_file.pro”。

2）用IDL打開QC_S_file.pro文件，并在控制臺輸入命令“help，/pro”，查看當(dāng)前IDL環(huán)境下編譯的程序。

3）在IDL控制臺輸入命令“.compile -v 'F：＼酸雨報表審核軟件＼QC_S_file.pro'”編譯QC_S_file.pro源碼。

4）在IDL控制臺輸入命令“save，filename='F：＼酸雨報表審核軟件＼ QC_S_file.sav'，/routines”調(diào)用save命令將編譯后的程序保存到sav文件中。

5）在IDL控制臺輸入指令“.reset_session”對IDL進(jìn)行重置。

6）在IDL控制臺輸入命令“make_rt，'QC_S_file'，'F：＼酸雨報表審核軟件'，savefile='F：＼酸雨報表審核軟件＼QC_S_file.sav'，/overwrite”實(shí)現(xiàn)exe程序發(fā)布。

2.4 審核信息輸出

運(yùn)行可執(zhí)行文件（QC_S_file.exe），加載月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件（文件名應(yīng)為“SIIiii-YYYYMM.TXT”的規(guī)定格式），自動進(jìn)行數(shù)據(jù)審核并形成“酸雨疑誤信息-YYYY-MM.txt”文件，打開txt文件即可查看月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件的審核結(jié)果，如圖4所示。審核結(jié)果包含上述所有審核功能模塊輸出的不一致問題以及提示信息，用戶根據(jù)審核結(jié)果進(jìn)行修正干預(yù)即可完成數(shù)據(jù)文件的審核質(zhì)控工作。

3 結(jié) 論

綜上所述，得出如下結(jié)論：

1）軟件經(jīng)測試能夠穩(wěn)定運(yùn)行，建立的審核規(guī)則滿足業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)了月酸雨觀測資料數(shù)據(jù)文件的審核功能。該軟件工具能有效地提升數(shù)據(jù)審核效率、降低審核工作技術(shù)門檻，避免數(shù)據(jù)審核工作中因人工經(jīng)驗(yàn)審核而導(dǎo)致的主觀不一致的風(fēng)險。

2）軟件增加了配置文件，存儲審核閾值，用戶只需要更改配置文件參數(shù)，無須修改代碼即可進(jìn)行本地化應(yīng)用。軟件被封裝為可執(zhí)行文件，拷貝后即可運(yùn)行，目前已被應(yīng)用到天津、北京、新疆等相關(guān)氣象業(yè)務(wù)單位。

3）該軟件是基于IDL語言開發(fā)的，數(shù)據(jù)處理方式獨(dú)特，交互式窗口友好，非常適合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并成像。因此，對于氣象類觀測數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)、分析及應(yīng)用開發(fā)，IDL是一個理想的編程語言。

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作者簡介：陳蓓瑩（1988—），女，漢族，天津人，工程師，碩士，研究方向：地面氣象觀測研究；通信作者：黃純璽（1989—），男，漢族，天津人，工程師，本科，研究方向：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究；郭陽（1990—），男，漢族，河北滄州人，工程師，博士，研究方向：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究；年飛翔（1992—），男，漢族，安徽蚌埠人，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究；金津（1982—），女，達(dá)斡爾族，天津人，工程師，本科，研究方向：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究。

收稿日期：2024-07-18