地面气象资料质量控制的若干进展及未来建议

封秀燕

(浙江省气象培训中心，浙江 杭州 310008)

0 引 言

地面气象资料是认识和预测天气变化、探索气候演变规律、进行科学研究和提供气象服务的基础,是天气监测网收集的最重要的资料之一。因此,所收集资料的准确性和完整性关系重大。质量控制工作是确保资料质量的关键环节,起到重要的把关作用。质量控制业务系统的研制适应了目前地面自动气象观测系统的业务需求,对提高我国自动观测站数据收集、处理水平,提高自动气象站观测资料的质量,进而提高自动站观测资料对天气预报、气候研究的服务能力,发挥自动站的整体效益,乃至对气象科学研究以及国计民生具有深远的意义。

在“全球气候观测系统资料与信息管理计划”中特别提出,为GCOS所建立的数据库系统中的数据“必须经过严格的质量控制”,使“数据质量符合标准,以保证使用此类数据的研究人员能够接受”。

因此,随着气象研究的深入,各国都进一步加强了对气象资料的质量控制研究。近年来资料质量控制技术有了新的进展。我国在这方面的研究还有待于加强。以下主要概述近年国外在地面气象资料质量控制中的进展及最新动态,并对我国该技术的发展提出若干建设性的意见。

1 近年来国外地面气象资料质量控制技术的进展

传统的质量控制(QC)主要根据气象学、天气学、气候学原理,以气象要素的时间、空间变化规律和各要素间相互联系的规律为线索,分析气象资料是否合理。其方法包括:范围检查、极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查、气象学公式检查、统计学检查、均一性检查。这些方法被普遍应用到地面气象资料的质量控制中。

近年来国外地面气象资料质量控制技术有了很大发展,如美国对全球月、日、小时地面资料均进行了较完善的质量控制。同时对全球历史气候网资料(GHCN)、全球日气候资料数据集(GDCN)、全球地面小时数据集(ISH),通过一系列QC的计算法则,进行了自动和人工的质量控制。共使用了54种QC方法,包括:变量检查、极值检查、内部一致性检查。

但目前该数据集检查中未使用空间检验方法,NCDC计划今后进一步发展。

2 当前国外地面气象资料质量控制方法发展的新动态

2.1 自动观测资料质量控制对传统质量控制方法的挑战

随着观测自动化技术的发展,产生了大量的自动观测资料。自动化资料与传统资料的QC方法主要差别在于:

传统的QC主要面向人工观测的数据,数据的时间跨度大,方法侧重于对单个数据的检查。电子传感器及自动传输的发展,对传统QC方法是一种挑战。这是因为电子观测系统更多的误差是连续性的漂移,而不是孤立的误差；因此,对资料的连续性检查比单个数据的检查更重要。

电子观测仪器产生了更多的资料量,具有高时间分辨率,使得自动观测资料比人工观测资料需要更多的自动QC方法。

2.2 一些新的质量控制技术的使用

2.2.1 气候资料质量控制的空间概率方法(A PROBABILISTIC-SPATIAL APPROACH TO THE QUALITY CONTROL OF CLIMATE OBSERVATIONS)

该方法是美国俄勒岗州立大学空间气候分析所在原1990年建立的降水图基础上,又发展了气候图的一种新“空间质量控制”工具上实现的。该方法以气候资料为背景、以统计检验为依据、加空间检验,是一种综合检验方法。

新的QC系统针对自动观测的变化及需要而产生,该方法被称为PRISM(概率空间质量控制系统)。它使用了气候图技术和气候统计对每个观测值提供连续、定量的概率值。其QC过程由两个嵌套的循环组成。在“日循环”中,PRISM对每个站逐日资料进行计算,首先将被检查站去掉,使用所有邻近站观测资料,利用PRISM回归函数,反复计算,得出被检查站的“预报值”P、偏差R、回归标准差S。

再计算每日的“长期平均”气候值,计算每年逐日的平均值、标准差。

将每日观测值、“预报值”、长期平均的气候统计值用T-检验法比较,计算其概率值。

这种方法的本质是假设了气象变量是正态分布,这对于气压,风,温度这类,其概率分布是正态分布的随机变量,是一种很好的方法。但是要注意,不适合象云和降水这样的非正态分布的随机变量,需要新的方法来作为其评估标准。

2.2.2 自动控制技术与人机交互可视化技术的结合

在自动控制中的的运算法则使用了传统QC方法,由于实际地面气象资料的复杂性,有人工目测的,有人工仪器测的,有雷暴、冷空气等中小尺度和天气系统边缘影响下气象要素水平空间分布明显不连续性,因此完全自动控制是困难的。也就是说自动控制的运算法则不能替代有经验的技术人员的判断,对一些数据是正确还是错误,在界面层通过GUI和WEB平台,可进行一周资料和一日的编辑浏览,用交互处理和图表进一步人工判断,即自动与人工相结合的方法。

总之,融合自动控制技术和交互式应用技术,提高自动进程及近实时的能力,也允许在必要时对特殊资料进行详细的人工判断。

2.2.3 美国地面自动观测系统(ASOS)

美国地面自动观测系统(ASOS)已经有超过1100个观测站点,能实现数据的自动采集、质量控制、运行监控和数据传输和调用。在ASOS的运行中,对资料质量进行了3级监视和控制。

第一级QC在观测站点内进行,在实时资料发送前完成。在一次观测完成后,ASOS根据QC算法自动对传感器探测的原始数据进行质量控制,防止错误数据编入报文。如果发现问题,则将有问题的数据从报文中去掉,在报文中加入相应的标志。

第二级QC是在州级,对通过通信网收集的自动站资料进行常规监测。当发现问题时,通知ASOS维护人员进行检查处理,并对资料进行更正或停止对有问题的资料的使用。

第三级QC在国家级完成。将带标志的资料、缺发的报文进行检查和处理。

通过这样3级的质量控制,能及时发现观测数据的质量问题,保证实时资料的及时准确并监测自动站运行。

2.2.4 其它国家地面自动观测系统质量控制

北欧5国(丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典)对自动站资料控制流程分4级:台站级资料质量控制、入库前实时资料质量控制、入库后非实时资料质量控制以及人工质量控制。

3 我国地面气象资料质量控制技术进一步发展的探讨

3.1 国内地面观测系统状况

气象观测业务发展既要采用高新技术,更要提高科学内涵,发挥气象业务系统整体效益。我国随着气象现代化建设的飞速发展,气象探测从劳动密集型转向技术密集型,自动气象站已经成为地面气象观测业务平台。2003—2016年,全国国家级气象自动观测站2474个,区域自动观测站57414个。

我国地面观测系统的变化使得观测仪器、观测方法、观测资料的密度及信息量、数据文件格式等均发生了巨大改变,同时数值预报技术的发展以及全球气候与大气环境的研究需求,地面自动站观测资料质量控制系统的研制已成为业务急需。

3.2 我国自动站资料质量控制技术及应用

2004年开始,国家气象信息中心开始研制地面自动站观测资料三级质量控制业务系统。项目以气象要素自身的变化规律和各气象要素相互联系的规律为依据,针对台站一日地面气象观测数据进行质量控制。质量控制软件以气候界限值检查、极值检查、要素内部一致性检查、时间一致性检查为主,在此基础之上对有疑误的记录进行空间一致性检查；对由业务软件确认可疑的记录,通过人机交互修改,进行人工审核。质量控制的结果不改变观测记录,而是通过质量控制,分别给出每个记录确定质量控制码,供使用资料时参考。研究成果对控制国家级地面自动站气象资料起到较好的作用,对推进我国质量控制技术有很好的指导作用。

2005年浙江省气象局开始研制中国气象局新技术推广项目地面自动站气象资料省市级审核软件研究应用。在云状排序和雷暴移动轨迹；要素和天气现象配合；地温要素序列的标准差等要素内部一致性质量控制技术有突破,理论得到很好发展,并在实际中投入应用,取得实效。研究成果《地面自动站气象资料质量控制软件》在全国各省及自动站投入业务应用。

4 我国地面自动站观测资料质量控制发展几点思考

至2016年,我国近2474个国家地面气象站安装自动气象站,大部分站在2003到2004年进行人工和自动站双轨运行,2005年起自动气象站单轨运行。目前自动站观测的数据质量还存在不少问题。其原因之一是我国现有的地面气象观测资料的QC方法和业务规程主要是针对人工观测站而制定的。缺乏从台站、省到国家级完整的质量控制系统,没有针对自动站新资料的QC方法和流程。

在自动站资料质量控制方案流程设计时要注重以下几点。

4.1 强化台站级质量控制

基于自动站资料的特点,在观测站的质量控制就显得更加重要。要充分发挥自动采集数据、计算机自动检查资料的自动化优势,使观测站传输出的资料绝大部分得到很严格的控制。

台站的实时质量控制是自动站资料质量控制系统的关键。因此,要在质量控制方案的设计中将所有能在台站进行的质量控制全部做好。对于采集的每一个实时数据,都要及时进行检查,有可疑数据,显示提示信息,以人工判断。在台站上报的数据文件中要有质量控制的标识。

4.2 加强实时资料质量控制研究

通过无数业务和科技人员几年的努力,对自动站地面非实时气象资料的质量控制研究取得成果。由于自动站地面实时气象资料实时性很强,需不间断地对资料质量进行监控,我国的国情限制,每个测站只有一套仪器设备,没有备份记录资料,不能比较和恢复,对质量控制研究提出增加难度,目前现代气象业务又迫切需要,加强实时气象资料的质量控制研究是今后质量控制研究的主题。

4.3 注意自动站仪器的校准漂移等特殊问题

根据国外经验,自动站仪器的校准漂移会使资料产生问题,在质量控制流程设计中要予以考虑。仪器使用一段时间后要对资料进行均一性检查,以判断观测仪器漂移对资料的可能影响。

4.4 重视质量评估专家的作用

成功的国外质量控制方法表明,完全自动化的质量控制不可能解决所有的数据质量问题,对于一些特殊情况或问题的判断还要辅助以人工检查。必须采取计算机自动控制和人工相结合的方式。在各级,尤其是省、国家级要重视质量评估专家的作用。

5 我国地面气象资料质量控制方法发展方向

通过分析国外地面气象资料质量控制方法发展动态,结合我国自动站资料的特点,在使用QC方法上,提出以下几个方面的考虑,用以指导未来的工作。

5.1 传统的QC方法仍是主要的工具

国外经验表明,即使针对自动观测资料,其质量控制仍大量使用了传统的QC方法。因为,传统的QC方法基于资料所反映的大气变量的物理、气候特征,是资料必须遵循的基本规律。

5.2 自动控制和人机交互技术的结合

以自动控制为主,结合数据库和人机交互技术形成方便调用的数据及良好用户界面,辅以人工判别,是非常重要的。

5.3 气候背景资料和统计检验相结合

计算技术及计算机能力的提高,使统计检验有了实现的可能。因此,使用大量的气候背景资料,用统计检验的方法,对于判别资料的奇异点和仪器漂移,是一种好的方法。

5.4 空间检验方法的适当应用

若有条件,可应用空间检验方法,但由于资料计算量大,难度较大。不同时间尺度的气候变量的空间变化特征不同,对小时资料,其空间变化太大。美国只在月、日资料(GHCN、GDCN)的检验中使用,在小时资料(ISH)中的质量控制还未使用该方法。因此,要适当应用空间检验方法。

5.5 对于象云和降水这样的非正态分布的随机变量,需要新的方法来作为其评估标准

这方面需要从数学和物理上联合考虑,结合气象的实际予以解决。这方面的研究,是很重要的,不仅可以提高地面气象观测的资料的质量,而且可以提高数值天气预报的同化水平,对于提高数值天气预报水平,是极为重要的。我国应加强这方面的研究。

参考文献：

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[2] 封秀燕,何志军,王荷平,等.自动气象站实时资料质量控制开放式平台设计[J].应用气象学报,2010,21(4):506-512.

[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] 中央气象局.地面气象记录报表审核办法[M].北京:气象出版社,1982.

[5] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.

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