自动站正点地面数据质量控制方法

谭金闪 骆炳兰

摘要：自动站所获取的正点地面数据的质量对于气象预报和气象服务等相关领域的研究工作有着举足轻重的作用，因此面对大量的观测资料，如何保证数据的完整性、准确性以及代表性，是观测资料应用者急需解决的问题。文章在介绍自动气象站、正点资料的基础上，结合自动气象站一般数据的质量控制方法，提出了自动站正点数据质量控制方法。

关键词：自动站；正点资料；数据质量控制；实时在线质量控制

中图分类号：P412文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）01-0069-03

一、概述

自动气象站是一种能自动收集、处理、存储或传输气象信息的装置。自动气象站的广泛使用从根本上提高了我国大气探测现代化的总体水平，减少了由人工观测引起的误差，提高了地面观测资料的可靠性，也进一步减轻了观测人员的劳动强度。然而尽管在技术、业务与社会经济这三大因素的推动作用下，自动气象站在技术上虽然成熟了许多，但它仍存在着不足之处，主要表现在：传感器不够成熟，测量准确度不高；有些气象要素没有合适的传感器，仍需要一部分人工观测等。另外，自动气象站具有分布密集、站点环境恶劣、站点所在地形差异大、资料实时性强、数据采集和传输自动化程度高以及中小尺度天气现象明显等特点，因此比人工观测所得的数据更难控制。在这样的情况下，完全依靠机器则无法保证观测资料的准确性或者使观测值处于可接受范围，因此，这就需要对数据进行质量控制。

正点地面数据，即正点资料，它是指自动气象站每小时采集一次的数据，并将该数据每个一小时进行上传。由于该数据同样有误差的存在，因此也需要对其进行质量控制。

二、数据质量控制流程

（一）观测站误差类型

误差的来源是在数据采集时一次或多次积累的结果，以及在传输过程中造成的，主要包括以下四种类型的误差：（1）随机误差：测量结果与在重复条件下对同一被测量值进行无限多次测量所得的平均值之差，这主要是由大量微小随机因素的不确定性与它的无法估计性引起的；（2）系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，这主要是由测量仪器本身的局限性以及传感器的长期漂移所引起的偏差；（3）粗大误差：由于测量仪器出现异常及在数据的传输过程中所产生的误差，该类误差一般比较容易判断，继而剔除；（4）微气象误差：由于观测系统时间或空间分辨率，小尺度天气的扰动，不能被完整地观察到，其观测数据会被误认为是异常数据。

（二）数据质量控制流程

自动气象站数据质量控制的目的是，通过采用适当的硬件和软件措施最大限度的减少不准确的观测资料和缺测次数。数据质量控制应贯彻在设计、选购、测试、安装和运行的全过程中，在某种程度上，数据质量控制的要求是针对仪器性能和环境条件提出来的。数据质量控制流程分为实时控制和非实时控制两个阶段。实时控制过程是采用一些基本的手段对异常数据进行排除，非实时控制阶段使用一些更精密的评估与处理，从而对数据做出正确的判断。

根据正点资料质量控制的特点：（1）标注需要明确；（2）执行速度要快；（3）方法要实用有效；结合以上数据质量控制的两个阶段，可以将控制过程分为四层，如图1所示：

三、正点地面数据质量控制方法

（一）观测仪器的质量控制

对于观测仪器而言，首先应当选择合理的站址和环境条件，这样自动气象站的很多误差则可避免。其次，应建立和使用完善的维护、维修和标定规程。该阶段的检查其实贯穿在自动站运行的始终，主要包括以下几个方面的内容：

1．自动气象站的选用：市场上有很多各种类型、型号的自动气象站，它们的各项技术指标也不一样，因此用户应根据自身业务的需求来选定最适合自己的自动气象站。

2．传感器的内部检验：每个传感器在采样过程中都会出现一些似是而非的样本值，甚至出现明显不合理的现象，例如气温已上升零度以上，突然出现一个样本值为零下值；相邻两个样本值之间的变化率不一致，例如每十秒钟取一个样本值，发现两相邻样本值相差一度以上等。通过传感器内部检验程序，可发现以上不合理的样本值。

3．硬件检验：在运行过程中，自动气象站的性能会因硬件的老化、不适当的维护以及仪器故障等原因而降低，因此要利用自动气象站的内置测试设备，结合定时的人工检查，使自动气象站的各种设备处于良好的工作状态中。

（二）实时在线质量控制

在自动气象站中，对传感器进行数据质量实时控制，可以初步确定某个被测的量或被怀疑或存在误差的原因，但这些有较大误差的数据不能被轻易剔除，通过自动气象站的内置硬件对设备进行自检，进一步确定这些数据是否是设备本身的原因造成的，然后这些被怀疑的数据存储在设备管理缓冲器中被传送到中央网络处理系统中。中心站中有多种数据质量控制措施，如内部一致性检查、时间连续性检查、气候极

值等。

1．气候极值检查：极值检查的目的是要检验所观测的信息是否在界定范围以及允许的要素极值范围之内。观测要素的极值范围取决于台站要素的气候极值，它与气候特点、纬度带、地形高度有关。

2．内部一致性检查：内部一致性检查是要根据气象要素之间的逻辑关系，来确认测量值的合理性。主要是对以下两方面进行检查：

（1）日极值与正点值的比较检查：

日最低气压≤正点气压≤日最高气压；

日最低气温≤正点气温≤日最高气温；

日地面最低温度≤正点地面温度≤日最高地面

温度；

正点风速≤日最大风速；

日最小相对湿度≤正点相对湿度。

（2）要素间的相关检查：正点温度≥露点

温度。

3．时间连续性检查：正点数据在时间上应该有良好的连续性，如果所测得的值随着时间微小的变化而呈现跳跃式的转变，就应将其归结为怀疑数据。例如，每一次测量完，将当前的样本与前几个样本进行对比，得出两两之间的差值，差值超过界定值就可标注当前样本缺失，而不应将其归入样本中。

（三）非实时质量控制

在实时质量控制之后应对数据执行非实时质量控制，这阶段主要是将本站与邻站的观测值进行比较，即进行空间连续性检验。在检验时，一般假设邻站与本站处于同一天气系统中，然而由于中小尺度天气的影响，往往导致两站的观测值出现较大的差异。因此在实际业务的应用中，一方面要结合该地历史气候资料和地形特点，来检验观测资料的有效性与真实性；另一方面要根据观测时的天气形势，来判断误差的出现是否是由中小尺度天气系统引起的。

（四）与人工站误差对比

自动气象站的观测值与人工站所得数据一般情况下相差不大，对比结果如果相差太大，首先应判断是否取值时间不一致。而如果是变化不大的气象因素，则应可以判断为机器故障，应及时进行检查。在剔除异常数据后，可用多元线性回归分析的方法对自动气象站与人工站的误差进行分析，研究误差因子与定量统计的关系，经不断调整，从而使两者的观测资料的拟合率最高。

四、注意事项

在进行数据质量控制时应注意以下几个事项：

1．巡视自动站，尤其是在雷雨过后或停电以后，应及时检查自动站各种设备是否正常运行。每隔一段时间还应对设备进行一次大检查，以防患于

未然。

2．对仪器故障要及时处理，尽量在最短时间内恢复正常运行，尽可能减少正点数据的异常或

缺测；

3．应配置备份电脑将重要数据及时进行备份，以保证正点数据的完整卸载；其中各项参数要设置正确，如年月日的格式设置等。

4．保持自动站专用主控微机的正常运行，禁止安装与业务无关的软件等。

五、结语

由于自动气象站的广泛应用以及观测资料应用者对于数据的准确性要求，需要观测人员有较高的综合素质与较强的分析能力。本文分析了自动站测量值的可能出现的各种误差以及正点数据的特点，在此基础上提出了四层数据质量控制流程的方案，即观测仪器的质量控制、实时在线质量控制、非实时质量控制、与人工站误差对比。在实时在线质量控制阶段中，又提出了四种检验数据的方法，这四种方法相辅相成，相互补充。最后本文总结了几点关于数据质量控制的注意事项，希望能给以后的研究者提供一些帮助。

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作者简介：谭金闪（1982-），女，供职于广西那坡县气象局，研究方向：地面测报；骆炳兰（1981-），女，供职于广西西林县气象局，研究方向：地面测报。

（责任编辑：赵秀娟）