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)的開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QC系統(tǒng)。隨著地面觀測自動化技術(shù)的開展， 西方興旺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、

2、冰島、挪威、瑞典對自 動站資料控制流程分4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)并反應(yīng)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)

3、量控制系統(tǒng)的研制已成 為業(yè)務(wù)急需。 2004年，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)的研制工作已根本完成。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1 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QC、省級QC和國家級QCo圖

4、中臺站級QC是指臺站在實時資料采集、 質(zhì)量控制的根底上，對本站形成 的A、J、R月數(shù)據(jù)文件及年報文件Y 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QC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)量檢查和人機交互審核，同時向臺站反應(yīng)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QC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，利用人機交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查處理，同時向各省反應(yīng)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

5、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)據(jù)文件和在前者根底上形成的地面A、J、R月數(shù)據(jù)文件及年報文件Y 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)軟件的組成局部。吒魚G且反然V較拯女件上傳圖1 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)量控制包括以下檢查：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

6、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)量控制的根底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、24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A、J、R月數(shù)據(jù)文件及年報文件Y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

7、斷。(2) 省級和國家級質(zhì)量控制的對象僅為地面A、J、R月數(shù)據(jù)文件及年報文件Y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。 人機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)根本站，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A、J、R

8、 月數(shù)據(jù)文件及年報文件Y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)，而國家級那么可能全國范圍內(nèi)用統(tǒng)一較寬的參數(shù)控制。因此，A、J、R、Y 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)量控制局部為整個系統(tǒng)的核心。國家級和省級的 質(zhì)量控制流程見圖2,臺站級質(zhì)量控制流程與圖2 類似，但無空間一致性檢查。 圖2中，從格式檢查到空間

9、一致性檢查的各個環(huán)節(jié)都為軟件自動控制， 人機交互 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。1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

10、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)定的局部常規(guī)要素允 許范圍如表1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)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2 0 0 0 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

11、要素或工程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。5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、小時變化率檢查、日變化率檢查以及連續(xù)2 4小時以上數(shù)據(jù)無變化檢測。 女口： 以下各要素必須符合以下時間變化率， 否那么，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。6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

12、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)行比擬， 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)行比擬。7人機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)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)比擬、圖形分析、臺站查詢、鄰站比擬和人工分析判斷，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)

13、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、更正前的