自动站资料质量控制方法

张元龙+陈雨+任川+张旭阳

摘要：自动气象站在我们的日常生活中并不陌生，它与人类的生活息息相关，可以随时提供我们需要的气象要素信息。随着现代化建设的加快，自动气象站实时资料不仅在气象部门对气象预警，决策服务，天气预报等方面具有重要意义，而且在农业，国土，环保，水利等部分的应用也十分广泛。因此，如何进行气象资料的质量控制，确保气象自动站资料的代表性，准确性和比较性，是气象资料工作者和气象资料使用者迫切需要解决的科学问题。

关键词：自动站资料；质量控制；方法

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0254-02

1 概述

自动气象站是一种能实时自动观测和存储气象观测数据的设备，随着观测场周边环境的变化，自动气象站的各传感器的感应元件将相应的气象参数转换成相应的电信号（比如转换成电压、电流、频率等），通过数据处理装置再将这些电信号进行处理，进而得出各个气象要素值。自动气象站所得到的地面实时资料是对近地面层和大气中某些现象进行观测而积累的一种气象资料，也是制作天气预报和气候预测基础资料，该资料具有代表性，准确性和比较性的特点，其质量的好坏直接影响着气象工作者对未来天气预报和气候变化趋势预测的准确性。观测资料在收集和传输过程中，难免会产生错误，因此需要对所获取的资料进行资料质量控制，资料质量控制的目的就是的检测出资料中存在的错误或疑误资料，并尽可能的剔除和更改这些错误资料，使观测资料尽可能反映出周边环境的变化。近些年来，极端天气事件时有发生，干旱、高温、山洪、雷暴、冰雹等自然灾害出现的频率逐年增加，因此，如何进行气象资料的质量控制，确保气象自动站资料的代表性，准确性和比较性，是气象资料工作者和气象资料使用者迫切需要解决的科学问题。

2 自动站资料控制方法

自动气象站观测资料在气象信息系统中占据核心位置，对其进行质量控制，保证资料的代表性，准确性和比较性，不仅对气象预报的准确率有直接的影响，也影响着大众以预报状况为依据而进行的生产生活活动。目前国内针对自动站实时观测资料的质量控制方法主要有：气候界限值或要素允许值检查、台站极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查、空间一致性检查，人机交互检查等方法，通过这些检查，从而使观测数据达到可使用的目的。

（1） 气候界限值检查

气候界限值检查是指某种气象要素从气候学角度上不可能出现的气象要素临界值。气象资料进行气候极值检查前一般要经过界限值和要素允许值范围检查，该方法的关键是合理选择极值上下界值，超出要素的气候界限值的数据为（可）疑（错）误数据。

（2） 台站极值检查

台站气候极值检查是指某一气象要素观测值值是否在本台站该要素特定的变化范围内的检查称为台站界限值检查。当观测资料超出台站要素特定的变化范围是称其为可疑资料，应该做进一步的检查，再确定该资料的正确与否。对于建站时间较长的台站，观测要素的变化范围可以根据该台站的历史资料中的最大值和最小值代替；对于建站时间较短的台站，观测要素的变化范围可以根据与该台站邻近的国家站界限值范围进行代替。台站气候极值检查是这几种检查方法中，最重要，最复杂的，因为台站极值检查要给出每个台站的极值范围。如果给出的极值范围太大的话，起不到控制的作用；如果给出的极值范围太小的话，就会将正确的数据判断为疑误的，这样既增加了综合判断的难度，又将会影响整个数据质量控制系统的整体性能。

（3） 时间一致性检查

气象要素随时间的变化具有一定的规律。时间一致性检查主要是检查气象数据变化是否符合这种规律，主要包括长时间气象数据持续无变化或气象数据微弱变化情况检查，当前观测时次与上个观测时次数据间变化情况检查，目的是检查观测数据的时间变化率，剔除不真实的跳跃值。气温、气压、湿度三个要素值在时间上具有连续性，因此上述3个要素数据均进行时间一致性检查。对于气温而言，张志富等[1]根据全国2006-2010年共5年的自动站小时气温数据资料，得出了中国不同区域气温数据连续无变化次数的阈值。任芝花等[2]根据我国2002年1月～2009年9月全国自动站实时上传的每小时降水资料和月报文件中的小时降水资料，给出了3类降水资料判错原则。

（4） 内部一致性检查

内部一致性是指当前台站某一时刻或某一时间段，各观测气象要素间的物理关系和物理联系。有些气象观测要素相互之间关系密切，其变化规律具有一致性。目前涉及的内部一致性检查，一是整点观测数据与小时内的极值进行比较；例如：1h内最大风速>1h内最小风速；1h内最大风速>整点风速；整点风速>1h内最小风速。二是不同类型要素之间的内部一致性检查；例如：可以通过露点温度和水汽压之间的函数关系来计算露点温度，进而根据不同要素之间的物理联系确定每个观测要素值的正确与否[4]；当某站某时刻气温若超过35℃，其降水量超过50mm，则可以判断该站数据异常；或当某站某时刻气温为10℃，当前时刻的天气现象为雪，则可以判断该站观测要素数据异常。风速、温度、气压、相对湿度数据均需要进行内部一致性检查。

（5） 空间一致性检查

空间一致性检查的有效性取决于气象观测站点的分布密度和被检查参数与空间的相关程度，主要是根据气象参数具有一定的空间分布特点而进行的检查。其他是利用气象要素自然分布具有连续性和均匀性的特点，通常利用与被检气象观测台站邻近的气象观测台站同一时间观测的气象要素值进行比较；考虑到天气系统的移动与渐变，在对被检气象观测站当前时次数据进行空间一致性检查时，参与检查的邻近站数据除了当前时次数据，还应用到上个时次观测数据[2]。何志军等[3]考虑到被检站和邻近站处在不同的天气系统中的特殊情况，将一定范围内的邻近气象站按四方位进行分组，设计了气象观测资料的四方位空间一致性检验方法，该方法可以降低在冷空气或雷暴等天气系统影响下，当气象资料的水平空间分布出现明显的不连续现象时的气象资料的误检率。

（6） 人机交互检查

上述的几种质量控制方法是逐步由粗到细依次对各种气象要素进行严格的质量检查。同时参考国外成功的质量控制方法，表明依靠計算机化的质量控制检查方法不可能解决所有的数据质量控制问题[5]。因此便捷友好的人机交互界面是实现数据质量控制的关键，但对一些特殊情况或问题的判断要辅以人工检查，先采取计算机自动控制，再与人工判断相结合的方式，才能更好地检查和修正资料中存在疑误资料。人机交互可以在台站级，省级和国家级任何一级的质量控制过程进行，对可疑数据通过上述5种方法检查，再结合相关数据比较以及气象专家们的专业知识判断，最终判定数据的真伪，并对可疑记录进行数据订正及质量控制码信息的修改，达到气象观测资料的可使用的目的。

3 总结

本文简单分析了自动气象站观测资料进行质量控制的重要性，对国内目前关于自动站资料质量控制应用的质量控制方法加以介绍，一般质量控制方法主要有：气候界限值或要素允许值检查、台站极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查、空间一致性检查，人机交互检查等方法，通过对各种检查方法的分析可知：自动站质量控制应该贯穿在整个数据采集到可用的气象参数等整个过程。为了降低气象要素的误检率，在传统的质量控制方法的基础上，加以人机交互检查方法，更能高效、保质、保量的保障自动站观测资料的代表性，准确性，比较性。

参考文献：

[1] 张志富，任芝花，张强，等.自动站小时气温数据质量控制系统研究[J].气象与环境学报，2013，29（4）：64-70.

[2] 任芝花，赵平，张强，等.适用于全国自动站小时降水资料的质量控制方法[J].气象，2010，36（7）：123-132.

[3] 何志军，封秀燕，何利德，等.气象观测资料的四方位空间一致性检验[J].气象，2010，36（5）：118-122.

[4] 王海军，杨志彪，杨代才，等.自动气象站实时资料自动质量控制方法及其应用[J].气象，2007（10）：102-109.

[5] 刘小宁，任芝花.地面气象资料质量控制方法研究概述[J].气象科技，2005（3）：199-203.endprint