双套自动站数据对比分析系统的实现

山东烟台市气象局　哈艳丽　黄本峰

双套自动站数据对比分析系统的实现

山东烟台市气象局哈艳丽黄本峰

目前各地台站均逐步建成了双套自动气象站，以期增强数据的可靠性、准确性、连续性。本文以双套站运行中产生的数据作为研究对象，通过与极值表、差值表等进行对比分析，利用编程和数据库技术实现实时误差的监控，同时提供了分析评估功能，为故障的早期发现、设备的运行状况以及后期的设备选型提供参考。

双套自动站；观测数据；对比分析系统

0　引言

自动气象站观测数据的质量，分为设备运行保障质量和观测值班质量两部分，设备运行保障质量又分为设备稳定运行率、到报率、数据可用率。观测数据的异常可以从时间和空间两个方面进行分析，当前国家级双套自动气象站的运行大大提升了我国地面气象观测的自动化和现代化水平，两套自动气象站同时运行，互为补充，增强了观测资料的准确性、可靠性和完整性［1］，对此，赵宝义［2］等利用差值分析的方法在双套站数据差异性方面做过分析与评估，杨波，张昆［3］在数据一致率、粗差率和超差率方面做过对比分析及评估，温华阳［4］、白水成［5］等亦对双套站的数据进行过评估研究或误差分析方面的研究。由于各地双套自动站均建设于同一观测场内，能有效地解决了观测数据空间性的问题，由此，在基本空间一致的情况下，如何发现同一时间两组观测数据之间的差异，并对差异及时警示显得十分重要，也成为值班过程中能否第一时间发现记录异常的关键一环。在数据监控报警方面郑峤［6］做过类似的研究，但其在极值的对比、后期综合评价以及对多站的分析等方面未做进一步探讨。本文以山东烟台市气象部门为例，对其所属的11个国家级气象站配备的双套站数据进行研究，从数据的获取，极值、差值等阈值的对比、数据存储、差异报警以及后续的分析评估等方面做了分析研究，对数据异常、仪器性能变化、传感器运行状况等提供了进一步的参考。

1　设计思路

目前，烟台市各国家级气象台站所配双套站分别是江苏无线电科研所生产的DZZ4型新型站和北京华创生产的CAWS系列老站，两套自动站同时运行，通过不同的计算机和传感器同时进行数据采集。其中传感器均安装在同一观测场，按照统一标准安装，采集形成相同数据格式文件。将双套自动站采集后的实时数据通过数据链路，推送到处理服务器，在处理服务器端，通过与极值库、差值库比对，对发现的异常记录直接写入数据库。根据异常记录，开展后续的工作，如实时报警、分析评估等，功能流程图见表1。

2　技术实现

2.1数据准备

2.1.1数据文件的命名及结构

目前双套自动站数据以长Z文件的形式进行传输，其文件名及结构符合《地面气象要素数据文件格式（V1.0）》的命名要求和存储要求，长Z文件名的格式如下：

Z_SURF_I_IIiii_yyyyMMddhhmmss_O_AWS_FTM［-CCx］.txt

其文件内容分为13段，我们选取其中的气压、温度、湿度、风向、风速、地温、降水量等基本要素进行监控，详细监控项目见表1。

表1　监控数据列表

2.1.2要素差值数据库

要完成数据的比对就需要确定两套自动站要素数据的差异值。当超过要素差值即作为一次异常值进行处理。要素差值的采用的是自动站与人工站并轨运行期间中国气象局对两套观测数据提出的差异范围，即：气压≥0.8hpa，气温≥1.0℃，风速≥1.0m/s，过程降水量≥4%，地温日极值≥2.0℃，浅层地温≥1.5℃，深层地温≥0.5℃，风向≥22.5°（风速＞0.2m/时），我们单独将其存放到数据库的表中，以便于自动比对操作。

2.1.3要素极值数据库

在实际工作中，自动气象站软件给出了采样时间的一致性检查、瞬时值合理性检查，以及各要素的气候学界限值检查等，但缺少对各要素值系统性偏差，例如要素值持续偏高或偏低的现象等的检查，同时对要素的缺测异常等现有的软件系统不能第一时间明确示警，因此，我们在设计中，增加了本站要素极值比对监控的功能，当双自动站有要素超出本站的历史极值，也作为异常事件进行记载。各要素的本站极值均取自本站历史上出现的累年值。当其中有一个站出现缺测，同样给出提示。

2.2数据传输及解析处理

（1）数据的获取。通过ftp方式在处理服务器上分别建立对应的文件夹，同一个台站文件夹的命名以“区站号_序号”的方式进行设计，如烟台站对应的两个文件夹为“54765_1”和“54765_2”，各站将实时的双套站数据传送到对应文件夹下。

（2）数据的解析和处理。对各站传送过来的数据进行解析，系统根据长Z文件结构，首先依据标记定位到各个数据段，根据表1所设定的所要监控的项目，确定要监控的数据。然后统计双套站监控数据对应要素之间的差值，将差值与差值表进行核对，若在差值允许范围内，则通过检查，若达到或超出，则作为一条异常记录进行记载。另外，当两套自动站数据有达到或超过极值表中的设定值，则也作为一条异常记录进行记载。

（3）疑误差数据的存储。对监控到超过差值阈值和极值阈值的数据，分别加标志进行区别。我们在数据库中建立实时疑误记录表用以记录每次的疑误信息，其表结构见表2。其中对疑误信息的系统发现时间和人工响应时间均进行了存储，便于日常管理。

表2　疑误信息存储表设计

2.3疑误信息的分析及应用

2.3.1实时报警

实时获取各地自动站监控数据进行比较，并根据疑误信息进行提示。报警界面分三部分，第一部分是台站参数，提供了本站的经纬度、观测要素数、自动站型号、厂商等参数。第二部分显示的是最后一条疑误报警信息，当次条报警信息未经人工确认，会显示未处理状态提示和立即处理按钮，工作人员通过点击按钮即完成本次的人工响应。第三部分是历史疑误报警信息，按时间顺序逆序排列，见图2。

图2　实时报警功能界面

2.3.2分析评估

工作人员可以通过系统，快速查看各监控要素的疑误信息情况，使之能了解和掌握各要素疑误的变化。同时可以定期比如以月为单位对各要素的疑误信息进行汇总，给出初步的评估结论，便于工作人员能了解设备更深层次的问题。

2.3.3极值表和差值表的参数修改

可通过系统功能，对本站的极值表和双套站对比的差值表各参数进行修改，以便于条件变化后，能按照新的参数进行运行。

3　小结

通过PHP编程以及数据库等计算机技术构建的双套自动气象站气象要素对比分析系统，能够更加方便的发现数据的差异，进而通过报警提醒解决，成功的将记录异常的早发现成为可能，同时通过对要素的分析评估，有利于直观的发现传感器的性能差异，进而为传感器的异常诊断提供依据，并最终达到观测质量提高的目的。系统在2016年5月开始在部分台站测试运行，取得了不错的应用效果。今后需要进一步优化和完善，使其更加稳定和可用。

［1］王刚，张晓峰，黄勇，等.双套自动气象站数据初步分析与评估［J］.城市建设理论研究，2012，2（26）：41-45.

［2］赵宝义，温华洋，钱毅.安徽省双套站数据差异性分析与评估［J］.气象水文海洋仪器，2014（2）：112-114.

［3］杨波，张昆.宝坻双套自动气象站数据对比分析及评估［J］.气象水文海洋仪器，2016（2）：19-21.

［4］温华洋，徐光清，谭常春，张虎，等.双套自动气象站数据评估及其优势探讨［J］.应用气象学报，2012，23（12）：748-752.

［5］白水成，李社宏.双套自动站地面温度观测数据差异分析［J］.气象科技，2016，44（6）：354-362.

［6］郑峤.双套站比对监控软件（TOMMA 2012 V1.0）的设计与使用［J］.第九届长三角气象科技论坛论文集，2012.

哈艳丽（1979—），女，山东蓬莱人，大学本科，工程师，主要从事大气探测工作。

黄本峰（1975—），男，山东临邑人，大学本科，高级工程师，主要从事气象服务工作。