济南市区域自动气象站数据质量控制研究

摘要：区域自动气象站数据质量控制是项重要工作。数据质量控制主要分为自动质量控制（QC0）和人机交互质量控制（QC1）两个级别。自动质量控制是在数据处理入库前进行，人机交互质量控制是在QC0处理后对数据库中的数据进行。自动质量控制包括阈值检查和格式检查，人机交互质量控制包括阈值检查、序列突变检查、一致性检查、空间质量控制。经过质量控制，保证了区域自动气象站数据的准确，提高了对外服务的水平。

关键词：区域自动气象站；数据质量控制；实时处理监测系统

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-6037-02

Jinan Region of Automatic Weather Station Data Quality Control

ZHANG Ning, REN Dan, RAN Gui-ping

(Jinan Bureau of Meteorology, Changqing District, Bureau of Meteorology, Ji'nan 250002, China)

Abstract: Automatic Weather Station Data Quality Control is an important work. Data quality control consists of automatic quality control (QC0) and interactive quality control (QC1) two levels. Automatic quality control is carried out before storage in Database. Quality control of human-computer interaction is carried out after the data storage. After quality control, ensured the accuracy of automatic weather station data and improved the level of meteorological services.

Key words: automatic weather station; data quality control; real-time processing and monitoring system

气象观测资料的质量对气象服务及相关领域的研究具有重要影响。气象资料的质量控制是气象资料处理中一项十分重要的工作，又是一项难度很大需要深入研究的技术工作，WMO十分重视该项工作，并做过许多指导意见[1-3]，北欧各国也在气象资料的控制中作了大量研究[4-5]。本文就济南市气象局区域自动气象站建设中数据质量控制进行了深入研究和分析 。

1 济南市区域自动气象站建设及原始观测数据情况

1.1 济南市区域自动气象站建设及数据传输网络情况

济南市自2003年建立第一个区域自动气象站以来，现在已经完成78个自动站的安装并投入业务运行。区域自动气象站分布于六个县、市（区）。自动气象站站点的资料通过GPRS无线网络传输到数据中心服务器，服务器既接公网，又接气象局内部网络。气象局内部广域网实现计算机之间数据的内部交换。图1为济南市区域自动气象站站点分布图。

1.2 区域自动气象站数据存储情况

区域自动气象站采集的数据传输到数据中心服务器后，除以文本的格式存储外，还将数据存储到数据库中。区域自动站各个气象要素数据存在一个表中，每采集一次数据存储一条记录，原始数据没有经过质量控制。

2 区域自动气象站数据质量控制技术

2.1 区域自动气象站观测资料的特点

区域自动气象站的选址要经过气象专家认真调研，考虑站点分布、地形、周围环境、视野等，以达到观测数据能充分代表一定天气尺度天气现象的要求。区域自动气象站主要是要具有监测中小尺度天气现象的能力，测站分布较密，很难保障所有测站点都满足视野开阔无障碍物的环境要求。区域自动气象站是自动观测的，有些测站在环境恶劣的地区，其设备要经受长期风吹、日照、雨淋、沙尘侵蚀，动物昆虫损毁、甚至人为破坏等。由于以上原因，雨量观测数据出现错误数据的几率很高。

2.2 观测数据质量控制流程

观测数据质量控制为站点级质量控制，以一个观测时次的数据为单位，进行观测数据的质量检验。济南市气象局通过建立质量控制实时监测处理系统，将经过检验的数据转存到新的数据库中。观测数据质量控制主要分为自动质量控制（QC0）和人机交互质量（QC1）控制两个级别。自动质量控制是在数据处理入库前进行，人机交互质量控制是在QC0处理后对数据库中的数据进行的人工控制，控制流程见图2。

2.3 QC0：自动质量控制

自动质量控制在数据处理入库前进行，对明显错误的数据直接剔除掉，使其不能进入新的数据库中，同时将有问题的数据情况详细记录到问题数据表中，以备人工查验。自动质量控制包括阈值检查和格式检查。

阈值检查又称极值检查，是根据要素的气候特征，对其出现的范围作出判断。有两类极端值用于范围检查中，一是异常值(u或U)，一是物理上不可能出现的值(i或I )。假定要素x的历史最小值和最大值分别为r和R，一般来说，有：im =rm-

格式检查指检查数据的格式错误或代码错误。在观测数据中包括日期格式和数据格式是否符合，否则数据将无法使用。

2.4 人机交互质量控制（QC1）

人机交互质量控制是在QC0处理后对数据库中的数据进行的人为干预控制。人为干预控制比较复杂，它不能直接对检查的资料进行处理，需人工检查分析后再对其采取措施。一般情况下，程序定时对每条数据进行监控，根据相应规则对检查出来的可疑数据进行标志和报警，再由人工进行处理。人机交互质量控制包括阈值检查、序列突变检查、一致性检查、空间质量控制法。空间质量控制法又包括空间内插法检查、Madsen-Allerup方法[6]。

2.4.1 阈值检查

人机交互质量控制中的阈值检查主要是异常值(u或U)检查。与自动质量控制相比，异常值(u或U)的确定方法不同。异常值(u或U)是直接取某观测站点该数据在历史上曾经出现过的最大值。异常值(u或U)出现的可能性小，资料可疑。在异常值出现时，系统自动报警和标志，人机交互根据实际情况进行分析，以确定该资料是否可用。

2.4.2 序列突变检查

序列突变检查是一种时间一致性检查方法，主要是根据要素在某一时段内可能变化的范围判断该要素值是否可疑。在观测资料处理系统中，计算各个观测数据在1h到2h前后的变化值，将被检查值与其前后的要素观测值进行比较，判断该记录是否正确。以雨量数据的判断为例，设t时刻的雨量值为rtmm，其判断公式为：

rt-(rt-1h+rt+1h)/2>200(mm)

2.4.3 一致性检查

一致性检查是利用不同变数间的物理联系，通过一个变量的观测值，判断另一个变量同时刻的观测值是否可信。一致性检查可以检查出确定性错误，也可以检查出可能性错误。例如3h降水和 6h降水，若r3h>r6h,则必有一个数据是错误的。在雨量数据中，所比较的要素主要有：雨量与总云量，雨量与相对湿度，雨量与能见度等天气现象。

2.4.4 空间质量控制

2.4.4.1 空间内插法检查

空间内插的一个重要目标就是估计空间变量的变异函数，变异函数建立的关键是对初始条件的假定和方法运用的理解。有很多研究人员利用温度、降水以及土壤湿度等气象观测数据在不同的时空尺度内设计了各种数值实验，对各种常见的插值方法做了不同的比较和分析研究[7-12]，我们在雨量检查中使用的是反距离加权法。

反距离加权法是最常用的空间差值法之一，基于地理学第一定律―相似相近原理．其计算公式如下：

，

其中z是估计值，是第i(i=1，2，.. ，n)个样本，Di是距离，P是距离的幂，它显著影响内插的结果．国内外许多学者运用距离平方反比法进行内插．此法简单易行.

2.4.4.2 Madsen-Allerup方法

Madsen-Allerup方法是Madsen和Allerup两人发展的一种空间质量控制方法。基本原理是基于某一空间范围内要素的空间分布是均一的假设，利用周围若干台站同时刻观测值的中值和75% 、25%分位值，计算统计量Tit ，

Tit = (Xit - Mt )／(qt ,75 C qt,25)

式中，Xit 是t时刻台站i的观测值，Mt是N个邻近站t时刻观测值的中间值，qt,75和qt,25分别是N个邻近站t时刻观测值的75％ 和25％ 分位值。N的推荐值是l2。

如何根据统计量Tit 判断观测值是否可疑，需要经验确定。例如，对于降水而言，当| Tit |>2．00及Xit > 4时，则认为降水值太大；当qt,75 - qt ,25=0时(周围台站降水均很小)，若Xit/Σ Xit > 0．60及Xit > 4时，则认为要素记录日期错。

2.4.5人机交互处理方式

实时监测处理程序经QC0方法对数据库中的数据进行检查后，对有问题的数据和台站进行标志，并自动启动报警功能。值班员根据标志说明，根据不同情况采取以下三种措施。

1）对于确定有问题的数据直接将其删除，保证资料的准确性。并做好日志。

2）对于经人机交互判断后没有问题的数据保留使用。

3）对于暂时不能判断的数据先进行标志保留，待查明后再决定是否使用。

3 小结

在区域自动气象站的建设和数据使用中，数据质量控制一直是一个重要问题。观测数据质量控制采用自动质量控制（QC0）和人机交互质量控制（QC1）两个级别。质量控制过程在数据的处理中完成。观测数据处理程序具有实时监测和报警功能。经质量控制后的观测数据在历年汛期气象服务别是对市政府的服务中发挥了重要作用，取得了很好的服务效果。

参考文献：

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文