大氣資料的解碼與質(zhì)量控制

1、大氣資料的解碼與質(zhì)量控制提要： 隨著我國氣象臺站地面自動氣象觀測系統(tǒng)的逐步布設(shè)，地面自動站觀測資料質(zhì)量控制系統(tǒng)的研制亦成為業(yè)務(wù)急需。2005年開始,研制由臺站，到省級、國家級資料部門的地面自動站觀測資料三級質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)。各級質(zhì)量控制系統(tǒng)融合了自動控制技術(shù)和交互式應(yīng)用技術(shù),允許在必要時對疑誤資料進(jìn)行詳細(xì)的人工分析、判斷與修正.引言： 數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展以及全球氣候與大氣環(huán)境的深入研究,對氣象觀測資料的質(zhì)量要求越來越高.針對不同的氣象資料,國內(nèi)由此而研制了許多質(zhì)量控制（)系統(tǒng)。隨著地面觀測自動化技術(shù)的發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國家紛紛研制了地面自動觀測資料質(zhì)量控制系統(tǒng).北歐5國（丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞

2、典）對自動站資料控制流程分級:臺站級資料質(zhì)量控制、入庫前實時資料質(zhì)量控制、入庫后非實時資料質(zhì)量控制以及人工質(zhì)量控制。美國由1100 多個觀測站組成的地面自動觀測系統(tǒng),在業(yè)務(wù)運行中,通過對資料進(jìn)行臺站級、州級、國家級三級質(zhì)量控制,及時發(fā)現(xiàn)并反饋觀測資料的質(zhì)量問題,保證資料的準(zhǔn)確性。截至2005年底，我國氣象部門約有600多個國家級地面站、1200多個地面一般站已使用自動氣象站進(jìn)行地面氣象觀測。觀測系統(tǒng)的變化使得觀測儀器、觀測方法、觀測資料的密度及信息量、數(shù)據(jù)文件格式等均發(fā)生了巨大改變.隨著中國氣象臺站地面自動氣象觀測系統(tǒng)的逐步布設(shè),地面自動站觀測資料質(zhì)量控制系統(tǒng)的研制已成為業(yè)務(wù)急需。2004年，

3、由國家氣象信息中心牽頭，聯(lián)合安徽省氣象局、湖北省氣象局開始研制由氣象臺站,到省級、國家級資料部門的地面自動站觀測資料三級質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)(以下簡稱“三級質(zhì)量控制系統(tǒng)”)，制定各級數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方案，開發(fā)相應(yīng)的業(yè)務(wù)適用軟件.目前，該系統(tǒng)的研制工作已基本完成。各級質(zhì)量控制系統(tǒng)融合了自動控制技術(shù)和交互式應(yīng)用技術(shù),提高了自動進(jìn)程能力，允許在必要時對特殊資料進(jìn)行詳細(xì)的人工分析判斷與修正。三級質(zhì)量控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程三級質(zhì)量控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖 所示。該流程的建立以現(xiàn)行業(yè)務(wù)觀測體制中常規(guī)資料的采集傳輸流程為依據(jù)，包括臺站級、省級 和國家級。圖中臺站級是指臺站在實時資料采集、質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，對本站形成的、 月數(shù)

4、據(jù)文件及年報文件 文件,利用臺站級質(zhì)量控制軟件進(jìn)行質(zhì)量檢查和預(yù)審，認(rèn)為合格后上報到省級資料處理部門；省級 是指在每月規(guī)定時間內(nèi)收集本省范圍內(nèi)由臺站上傳的上述數(shù)據(jù)文件，利用省級質(zhì)量控制軟件對其進(jìn)行質(zhì)量檢查和人機(jī)交互審核，同時向臺站反饋審核信息,經(jīng)復(fù)查合格后,按要求上報至國家氣象信息中心；國家級是在每月規(guī)定時段內(nèi)收集各省上傳來的數(shù)據(jù)文件,利用國家級質(zhì)量控制軟件對其進(jìn)行滾動格式檢查和質(zhì)量檢查，利用人機(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查處理，同時向各省反饋最終質(zhì)量控制信息，確認(rèn)合格后，歸檔存儲到國家氣象信息中心氣象資料室。（1)臺站級質(zhì)量控制的對象包括自動站實時采集數(shù)據(jù)、自動站采集數(shù)據(jù)文件(包括正點數(shù)據(jù)文件和分鐘數(shù)

5、據(jù)文件）和在前者基礎(chǔ)上形成的地面、 月數(shù)據(jù)文件及年報文件 文件。臺站級質(zhì)量控制軟件既可作為一個完整的獨立軟件,也可作為地面氣象測報系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件的組成部分. 圖三級質(zhì)量控制系統(tǒng)流程圖 自動站實時采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制包括下列檢查： 數(shù)據(jù)采集時間的合法性檢驗; 要素氣候極值或允許范圍值檢查,當(dāng)超出范圍值時,相應(yīng)數(shù)據(jù)按缺測處理； 字符的合法性檢查,為非數(shù)據(jù)、缺測字符時，相應(yīng)數(shù)據(jù)按缺測處理; 要素內(nèi)部一致性檢查，如：輻射、散射輻射、水平面直接輻射間的一致性檢查;極值出現(xiàn)時間與采集時間一致性、極值與正點值一致性的檢查與處理； 利用各采集要素分鐘曲線變化圖，進(jìn)行人工實時檢測.自動站實時采集數(shù)據(jù)在上述質(zhì)量控制的

6、基礎(chǔ)上形成自動站采集數(shù)據(jù)文件。對自動站采集數(shù)據(jù)文件的質(zhì)量控制包括: 數(shù)據(jù)文件的格式檢查; 要素氣候界限值或允許范圍值檢查； 臺站氣候極值檢查； 要素內(nèi)部一致性檢查; 要素時間一致性檢查，包括要素分鐘、小時、小時變化率檢查; 利用要素日變化曲線圖,進(jìn)行人工分析與判斷。地面、 月數(shù)據(jù)文件及年報文件文件的質(zhì)量控制過程與自動站采集數(shù)據(jù)文件的質(zhì)量控制過程類似，只是在人機(jī)交互界面，顯示疑誤信息、疑誤數(shù)據(jù)及其與之有關(guān)的要素數(shù)據(jù)，便于審核人員分析判斷。（2）省級和國家級質(zhì)量控制的對象僅為地面、 月數(shù)據(jù)文件及年報文件 文件.所用的質(zhì)量控制技術(shù)，除了臺站級所涉及到的質(zhì)量檢查外，還有臺站參數(shù)檢查以及空間一致性檢查。

7、人機(jī)交互界面中除了顯示疑誤信息、疑誤數(shù)據(jù)及其與之有關(guān)的要素數(shù)據(jù)外，還可在同一坐標(biāo)系中顯示多要素時間變化曲線圖以及要素空間數(shù)值圖。省級質(zhì)量控制中,空間一致性檢查僅涉及到本省內(nèi)的所有臺站，臺站密度高,但地域范圍小。國家級質(zhì)量控制中空間一致性檢查僅涉及全國所有的基準(zhǔn)基本站,臺站密度低，但范圍大，可跨省、市檢查.由上述可見，臺站級軟件從數(shù)據(jù)采集開始到上報文件形成前，各個環(huán)節(jié)都有質(zhì)量檢測.地面、 月數(shù)據(jù)文件及年報文件文件在各級質(zhì)量控制中,各級所用的質(zhì)量控制技術(shù)類似，但是在具體操作細(xì)節(jié)上有許多不同，在質(zhì)量控制參數(shù)(如相鄰層間的地溫差值控制參數(shù))的設(shè)置上臺站級和省級很細(xì)，細(xì)化到不同的站可能有不同的控制參數(shù)，

8、而國家級則可能全國范圍內(nèi)用統(tǒng)一較寬的參數(shù)控制。因此，、 文件在各級質(zhì)量控制中，臺站級檢出的疑誤信息最多，其次是省級,國家級檢出的疑誤信息最少，這符合把錯誤資料消滅在萌芽時期的精神。質(zhì)量控制技術(shù)三級質(zhì)量控制系統(tǒng)中，質(zhì)量控制部分為整個系統(tǒng)的核心。國家級和省級的質(zhì)量控制流程見圖，臺站級質(zhì)量控制流程與圖 類似,但無空間一致性檢查.圖中，從格式檢查到空間一致性檢查的各個環(huán)節(jié)都為軟件自動控制，人機(jī)交互檢查為人工借助軟件交互界面提供的多種信息對資料進(jìn)行分析判斷或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。 圖2質(zhì)量控制流程圖三級質(zhì)量控制系統(tǒng)所涉及到的質(zhì)量控制技術(shù)介紹如下。（）格式檢查格式檢查為對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查前的預(yù)處理檢查。主要檢查

9、文件中的數(shù)據(jù)錄入格式及數(shù)據(jù)范圍是否與地面氣象觀測數(shù)據(jù)文件格式和記錄薄表格式中規(guī)定的文件格式一致.另外進(jìn)行臺站參數(shù)中區(qū)站號、年、月與文件名中的區(qū)站號、年、月的一致性檢查，檢查文件中的其它臺站參數(shù)如經(jīng)緯度、海拔高度等是否與臺站參數(shù)表一致.(2）氣候界限值或要素允許值檢查從氣候的角度不可能出現(xiàn)的要素臨界值稱之為要素的氣候界限值。資料形成時規(guī)定采用的表示方式和范圍，為要素的允許值范圍。超出要素的氣候界限值或允許值范圍的資料為錯誤資料。在三級質(zhì)量控制系統(tǒng)中規(guī)定的部分常規(guī)要素允許范圍如表所示。允許值作為軟件的外部數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)具體情況修改。（3）臺站氣候極值檢查極值是指某個固定測站歷史記錄中某要素曾出現(xiàn)

10、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。對超出測站要素極值的觀測資料,必須做進(jìn)一步檢查，以判斷資料正確與否。在三級質(zhì)量控制系統(tǒng)中臺站極值來自于建站至 年的歷史資料。業(yè)務(wù)上,在對三級質(zhì)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，需根據(jù)實際情況對極值表進(jìn)行更新.（4)內(nèi)部一致性檢查對固定測站不同要素或項目之間是否符合某種物理聯(lián)系的檢查稱之為內(nèi)部一致性檢查。（）時間一致性檢查氣象要素隨時間的變化具有一定的規(guī)律。對氣象資料變化是否符合這種規(guī)律的檢查稱之為時間一致性的檢查。各要素資料不能超出一定時間內(nèi)的變化范圍,超出的資料為可疑資料.在三級質(zhì)量控制系統(tǒng)中對器測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分鐘變化率檢查、小時變化率檢

11、查、日變化率檢查以及連續(xù)小時以上數(shù)據(jù)無變化檢測。如：下列各要素必須符合以下時間變化率,否則，視為可疑.各種事件變化率參數(shù)作為外部數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)具體情況修改.(）空間一致性檢查空間一致性檢查是根據(jù)氣象參數(shù)具有一定的空間分布特點而進(jìn)行的檢查。其有效性取決于觀測站網(wǎng)的密度和被檢參數(shù)與空間的相關(guān)程度.通常利用與被檢查臺站鄰近的臺站同一時間觀測的氣象要素值進(jìn)行比較,或利用鄰近測站觀測值通過一定的插值方法計算出被檢查臺站的估計值,由觀測值與估計值進(jìn)行比較.(）人機(jī)交互檢查完全自動化的質(zhì)量控制不可能解決所有的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，對于一些特殊情況或問題的判斷還要輔助以人工檢查.人工檢查可以在任何一級的質(zhì)量控制中進(jìn)

12、行，它是在上述自動控制后對可疑或錯誤的數(shù)據(jù)用人機(jī)交互的方式進(jìn)行的質(zhì)量控制。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)比較、圖形分析、臺站查詢、鄰站比較和人工分析判斷，最終確定是否修改或訂正數(shù)據(jù)并且確定要素值相應(yīng)的質(zhì)量控制碼。數(shù)據(jù)質(zhì)量信息在數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制后，對每個觀測數(shù)據(jù)必須給出表示該數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況的標(biāo)識,保存數(shù)據(jù)質(zhì)量的有關(guān)信息,以便數(shù)據(jù)處理者和用戶參考。在月報文件中,均設(shè)置了保存觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量信息的區(qū)間。數(shù)據(jù)質(zhì)量信息包括質(zhì)量控制碼信息和數(shù)據(jù)更正信息。質(zhì)量控制碼表示觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況，根據(jù)業(yè)務(wù)流程,將其分為三級：臺站級、省級和國家級。質(zhì)量控制碼用三位整數(shù)表示，個位表示國家級，十位表示省級,百位表示臺站級.各級質(zhì)量控制碼含義為：0:數(shù)據(jù)正確；1：數(shù)據(jù)可疑；2:數(shù)據(jù)錯誤;3:數(shù)據(jù)有訂正值；4:數(shù)據(jù)已修改；8：數(shù)據(jù)缺測；9:數(shù)據(jù)未作質(zhì)量控制。在質(zhì)量控制過程中,允許對有疑誤或缺測的數(shù)據(jù)進(jìn)行更正。在數(shù)據(jù)被更正的同時，系統(tǒng)自動記錄了數(shù)據(jù)被更正的過程,包括更正級別（臺站級、省級和國家級)、更正前