自動站資料質量控制方法

張元龍+陳雨+任川+張旭陽

摘要：自動氣象站在我們的日常生活中并不陌生，它與人類的生活息息相關，可以隨時提供我們需要的氣象要素信息。隨著現代化建設的加快，自動氣象站實時資料不僅在氣象部門對氣象預警，決策服務，天氣預報等方面具有重要意義，而且在農業，國土，環保，水利等部分的應用也十分廣泛。因此，如何進行氣象資料的質量控制，確保氣象自動站資料的代表性，準確性和比較性，是氣象資料工作者和氣象資料使用者迫切需要解決的科學問題。

關鍵詞：自動站資料；質量控制；方法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0254-02

1 概述

自動氣象站是一種能實時自動觀測和存儲氣象觀測數據的設備，隨著觀測場周邊環境的變化，自動氣象站的各傳感器的感應元件將相應的氣象參數轉換成相應的電信號（比如轉換成電壓、電流、頻率等），通過數據處理裝置再將這些電信號進行處理，進而得出各個氣象要素值。自動氣象站所得到的地面實時資料是對近地面層和大氣中某些現象進行觀測而積累的一種氣象資料，也是制作天氣預報和氣候預測基礎資料，該資料具有代表性，準確性和比較性的特點，其質量的好壞直接影響著氣象工作者對未來天氣預報和氣候變化趨勢預測的準確性。觀測資料在收集和傳輸過程中，難免會產生錯誤，因此需要對所獲取的資料進行資料質量控制，資料質量控制的目的就是的檢測出資料中存在的錯誤或疑誤資料，并盡可能的剔除和更改這些錯誤資料，使觀測資料盡可能反映出周邊環境的變化。近些年來，極端天氣事件時有發生，干旱、高溫、山洪、雷暴、冰雹等自然災害出現的頻率逐年增加，因此，如何進行氣象資料的質量控制，確保氣象自動站資料的代表性，準確性和比較性，是氣象資料工作者和氣象資料使用者迫切需要解決的科學問題。

2 自動站資料控制方法

自動氣象站觀測資料在氣象信息系統中占據核心位置，對其進行質量控制，保證資料的代表性，準確性和比較性，不僅對氣象預報的準確率有直接的影響，也影響著大眾以預報狀況為依據而進行的生產生活活動。目前國內針對自動站實時觀測資料的質量控制方法主要有：氣候界限值或要素允許值檢查、臺站極值檢查、時間一致性檢查、內部一致性檢查、空間一致性檢查，人機交互檢查等方法，通過這些檢查，從而使觀測數據達到可使用的目的。

（1） 氣候界限值檢查

氣候界限值檢查是指某種氣象要素從氣候學角度上不可能出現的氣象要素臨界值。氣象資料進行氣候極值檢查前一般要經過界限值和要素允許值范圍檢查，該方法的關鍵是合理選擇極值上下界值，超出要素的氣候界限值的數據為（可）疑（錯）誤數據。

（2） 臺站極值檢查

臺站氣候極值檢查是指某一氣象要素觀測值值是否在本臺站該要素特定的變化范圍內的檢查稱為臺站界限值檢查。當觀測資料超出臺站要素特定的變化范圍是稱其為可疑資料，應該做進一步的檢查，再確定該資料的正確與否。對于建站時間較長的臺站，觀測要素的變化范圍可以根據該臺站的歷史資料中的最大值和最小值代替；對于建站時間較短的臺站，觀測要素的變化范圍可以根據與該臺站鄰近的國家站界限值范圍進行代替。臺站氣候極值檢查是這幾種檢查方法中，最重要，最復雜的，因為臺站極值檢查要給出每個臺站的極值范圍。如果給出的極值范圍太大的話，起不到控制的作用；如果給出的極值范圍太小的話，就會將正確的數據判斷為疑誤的，這樣既增加了綜合判斷的難度，又將會影響整個數據質量控制系統的整體性能。

（3） 時間一致性檢查

氣象要素隨時間的變化具有一定的規律。時間一致性檢查主要是檢查氣象數據變化是否符合這種規律，主要包括長時間氣象數據持續無變化或氣象數據微弱變化情況檢查，當前觀測時次與上個觀測時次數據間變化情況檢查，目的是檢查觀測數據的時間變化率，剔除不真實的跳躍值。氣溫、氣壓、濕度三個要素值在時間上具有連續性，因此上述3個要素數據均進行時間一致性檢查。對于氣溫而言，張志富等[1]根據全國2006-2010年共5年的自動站小時氣溫數據資料，得出了中國不同區域氣溫數據連續無變化次數的閾值。任芝花等[2]根據我國2002年1月～2009年9月全國自動站實時上傳的每小時降水資料和月報文件中的小時降水資料，給出了3類降水資料判錯原則。

（4） 內部一致性檢查

內部一致性是指當前臺站某一時刻或某一時間段，各觀測氣象要素間的物理關系和物理聯系。有些氣象觀測要素相互之間關系密切，其變化規律具有一致性。目前涉及的內部一致性檢查，一是整點觀測數據與小時內的極值進行比較；例如：1h內最大風速>1h內最小風速；1h內最大風速>整點風速；整點風速>1h內最小風速。二是不同類型要素之間的內部一致性檢查；例如：可以通過露點溫度和水汽壓之間的函數關系來計算露點溫度，進而根據不同要素之間的物理聯系確定每個觀測要素值的正確與否[4]；當某站某時刻氣溫若超過35℃，其降水量超過50mm，則可以判斷該站數據異常；或當某站某時刻氣溫為10℃，當前時刻的天氣現象為雪，則可以判斷該站觀測要素數據異常。風速、溫度、氣壓、相對濕度數據均需要進行內部一致性檢查。

（5） 空間一致性檢查

空間一致性檢查的有效性取決于氣象觀測站點的分布密度和被檢查參數與空間的相關程度，主要是根據氣象參數具有一定的空間分布特點而進行的檢查。其他是利用氣象要素自然分布具有連續性和均勻性的特點，通常利用與被檢氣象觀測臺站鄰近的氣象觀測臺站同一時間觀測的氣象要素值進行比較；考慮到天氣系統的移動與漸變，在對被檢氣象觀測站當前時次數據進行空間一致性檢查時，參與檢查的鄰近站數據除了當前時次數據，還應用到上個時次觀測數據[2]。何志軍等[3]考慮到被檢站和鄰近站處在不同的天氣系統中的特殊情況，將一定范圍內的鄰近氣象站按四方位進行分組，設計了氣象觀測資料的四方位空間一致性檢驗方法，該方法可以降低在冷空氣或雷暴等天氣系統影響下，當氣象資料的水平空間分布出現明顯的不連續現象時的氣象資料的誤檢率。

（6） 人機交互檢查

上述的幾種質量控制方法是逐步由粗到細依次對各種氣象要素進行嚴格的質量檢查。同時參考國外成功的質量控制方法，表明依靠計算機化的質量控制檢查方法不可能解決所有的數據質量控制問題[5]。因此便捷友好的人機交互界面是實現數據質量控制的關鍵，但對一些特殊情況或問題的判斷要輔以人工檢查，先采取計算機自動控制，再與人工判斷相結合的方式，才能更好地檢查和修正資料中存在疑誤資料。人機交互可以在臺站級，省級和國家級任何一級的質量控制過程進行，對可疑數據通過上述5種方法檢查，再結合相關數據比較以及氣象專家們的專業知識判斷，最終判定數據的真偽，并對可疑記錄進行數據訂正及質量控制碼信息的修改，達到氣象觀測資料的可使用的目的。

3 總結

本文簡單分析了自動氣象站觀測資料進行質量控制的重要性，對國內目前關于自動站資料質量控制應用的質量控制方法加以介紹，一般質量控制方法主要有：氣候界限值或要素允許值檢查、臺站極值檢查、時間一致性檢查、內部一致性檢查、空間一致性檢查，人機交互檢查等方法，通過對各種檢查方法的分析可知：自動站質量控制應該貫穿在整個數據采集到可用的氣象參數等整個過程。為了降低氣象要素的誤檢率，在傳統的質量控制方法的基礎上，加以人機交互檢查方法，更能高效、保質、保量的保障自動站觀測資料的代表性，準確性，比較性。

參考文獻：

[1] 張志富，任芝花，張強，等.自動站小時氣溫數據質量控制系統研究[J].氣象與環境學報，2013，29（4）：64-70.

[2] 任芝花，趙平，張強，等.適用于全國自動站小時降水資料的質量控制方法[J].氣象，2010，36（7）：123-132.

[3] 何志軍，封秀燕，何利德，等.氣象觀測資料的四方位空間一致性檢驗[J].氣象，2010，36（5）：118-122.

[4] 王海軍，楊志彪，楊代才，等.自動氣象站實時資料自動質量控制方法及其應用[J].氣象，2007（10）：102-109.

[5] 劉小寧，任芝花.地面氣象資料質量控制方法研究概述[J].氣象科技，2005（3）：199-203.endprint