封秀燕

(浙江省氣象培訓(xùn)中心，浙江 杭州 310008)

0 引 言

地面氣象資料是認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)天氣變化、探索氣候演變規(guī)律、進(jìn)行科學(xué)研究和提供氣象服務(wù)的基礎(chǔ),是天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)收集的最重要的資料之一。因此,所收集資料的準(zhǔn)確性和完整性關(guān)系重大。質(zhì)量控制工作是確保資料質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),起到重要的把關(guān)作用。質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研制適應(yīng)了目前地面自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求,對(duì)提高我國(guó)自動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)收集、處理水平,提高自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料的質(zhì)量,進(jìn)而提高自動(dòng)站觀測(cè)資料對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣候研究的服務(wù)能力,發(fā)揮自動(dòng)站的整體效益,乃至對(duì)氣象科學(xué)研究以及國(guó)計(jì)民生具有深遠(yuǎn)的意義。

在“全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)資料與信息管理計(jì)劃”中特別提出,為GCOS所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)“必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制”,使“數(shù)據(jù)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn),以保證使用此類數(shù)據(jù)的研究人員能夠接受”。

因此,隨著氣象研究的深入,各國(guó)都進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)氣象資料的質(zhì)量控制研究。近年來(lái)資料質(zhì)量控制技術(shù)有了新的進(jìn)展。我國(guó)在這方面的研究還有待于加強(qiáng)。以下主要概述近年國(guó)外在地面氣象資料質(zhì)量控制中的進(jìn)展及最新動(dòng)態(tài),并對(duì)我國(guó)該技術(shù)的發(fā)展提出若干建設(shè)性的意見(jiàn)。

1 近年來(lái)國(guó)外地面氣象資料質(zhì)量控制技術(shù)的進(jìn)展

傳統(tǒng)的質(zhì)量控制(QC)主要根據(jù)氣象學(xué)、天氣學(xué)、氣候?qū)W原理,以氣象要素的時(shí)間、空間變化規(guī)律和各要素間相互聯(lián)系的規(guī)律為線索,分析氣象資料是否合理。其方法包括:范圍檢查、極值檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、氣象學(xué)公式檢查、統(tǒng)計(jì)學(xué)檢查、均一性檢查。這些方法被普遍應(yīng)用到地面氣象資料的質(zhì)量控制中。

近年來(lái)國(guó)外地面氣象資料質(zhì)量控制技術(shù)有了很大發(fā)展,如美國(guó)對(duì)全球月、日、小時(shí)地面資料均進(jìn)行了較完善的質(zhì)量控制。同時(shí)對(duì)全球歷史氣候網(wǎng)資料(GHCN)、全球日氣候資料數(shù)據(jù)集(GDCN)、全球地面小時(shí)數(shù)據(jù)集(ISH),通過(guò)一系列QC的計(jì)算法則,進(jìn)行了自動(dòng)和人工的質(zhì)量控制。共使用了54種QC方法,包括:變量檢查、極值檢查、內(nèi)部一致性檢查。

但目前該數(shù)據(jù)集檢查中未使用空間檢驗(yàn)方法,NCDC計(jì)劃今后進(jìn)一步發(fā)展。

2 當(dāng)前國(guó)外地面氣象資料質(zhì)量控制方法發(fā)展的新動(dòng)態(tài)

2.1 自動(dòng)觀測(cè)資料質(zhì)量控制對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法的挑戰(zhàn)

隨著觀測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了大量的自動(dòng)觀測(cè)資料。自動(dòng)化資料與傳統(tǒng)資料的QC方法主要差別在于:

傳統(tǒng)的QC主要面向人工觀測(cè)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大,方法側(cè)重于對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)的檢查。電子傳感器及自動(dòng)傳輸?shù)陌l(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)QC方法是一種挑戰(zhàn)。這是因?yàn)殡娮佑^測(cè)系統(tǒng)更多的誤差是連續(xù)性的漂移,而不是孤立的誤差；因此,對(duì)資料的連續(xù)性檢查比單個(gè)數(shù)據(jù)的檢查更重要。

電子觀測(cè)儀器產(chǎn)生了更多的資料量,具有高時(shí)間分辨率,使得自動(dòng)觀測(cè)資料比人工觀測(cè)資料需要更多的自動(dòng)QC方法。

2.2 一些新的質(zhì)量控制技術(shù)的使用

2.2.1 氣候資料質(zhì)量控制的空間概率方法(A PROBABILISTIC-SPATIAL APPROACH TO THE QUALITY CONTROL OF CLIMATE OBSERVATIONS)

該方法是美國(guó)俄勒崗州立大學(xué)空間氣候分析所在原1990年建立的降水圖基礎(chǔ)上,又發(fā)展了氣候圖的一種新“空間質(zhì)量控制”工具上實(shí)現(xiàn)的。該方法以氣候資料為背景、以統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)為依據(jù)、加空間檢驗(yàn),是一種綜合檢驗(yàn)方法。

新的QC系統(tǒng)針對(duì)自動(dòng)觀測(cè)的變化及需要而產(chǎn)生,該方法被稱為PRISM(概率空間質(zhì)量控制系統(tǒng))。它使用了氣候圖技術(shù)和氣候統(tǒng)計(jì)對(duì)每個(gè)觀測(cè)值提供連續(xù)、定量的概率值。其QC過(guò)程由兩個(gè)嵌套的循環(huán)組成。在“日循環(huán)”中,PRISM對(duì)每個(gè)站逐日資料進(jìn)行計(jì)算,首先將被檢查站去掉,使用所有鄰近站觀測(cè)資料,利用PRISM回歸函數(shù),反復(fù)計(jì)算,得出被檢查站的“預(yù)報(bào)值”P(pán)、偏差R、回歸標(biāo)準(zhǔn)差S。

再計(jì)算每日的“長(zhǎng)期平均”氣候值,計(jì)算每年逐日的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

將每日觀測(cè)值、“預(yù)報(bào)值”、長(zhǎng)期平均的氣候統(tǒng)計(jì)值用T-檢驗(yàn)法比較,計(jì)算其概率值。

這種方法的本質(zhì)是假設(shè)了氣象變量是正態(tài)分布,這對(duì)于氣壓,風(fēng),溫度這類,其概率分布是正態(tài)分布的隨機(jī)變量,是一種很好的方法。但是要注意,不適合象云和降水這樣的非正態(tài)分布的隨機(jī)變量,需要新的方法來(lái)作為其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 自動(dòng)控制技術(shù)與人機(jī)交互可視化技術(shù)的結(jié)合

在自動(dòng)控制中的的運(yùn)算法則使用了傳統(tǒng)QC方法,由于實(shí)際地面氣象資料的復(fù)雜性,有人工目測(cè)的,有人工儀器測(cè)的,有雷暴、冷空氣等中小尺度和天氣系統(tǒng)邊緣影響下氣象要素水平空間分布明顯不連續(xù)性,因此完全自動(dòng)控制是困難的。也就是說(shuō)自動(dòng)控制的運(yùn)算法則不能替代有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員的判斷,對(duì)一些數(shù)據(jù)是正確還是錯(cuò)誤,在界面層通過(guò)GUI和WEB平臺(tái),可進(jìn)行一周資料和一日的編輯瀏覽,用交互處理和圖表進(jìn)一步人工判斷,即自動(dòng)與人工相結(jié)合的方法。

總之,融合自動(dòng)控制技術(shù)和交互式應(yīng)用技術(shù),提高自動(dòng)進(jìn)程及近實(shí)時(shí)的能力,也允許在必要時(shí)對(duì)特殊資料進(jìn)行詳細(xì)的人工判斷。

2.2.3 美國(guó)地面自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(ASOS)

美國(guó)地面自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(ASOS)已經(jīng)有超過(guò)1100個(gè)觀測(cè)站點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、質(zhì)量控制、運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)用。在ASOS的運(yùn)行中,對(duì)資料質(zhì)量進(jìn)行了3級(jí)監(jiān)視和控制。

第一級(jí)QC在觀測(cè)站點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行,在實(shí)時(shí)資料發(fā)送前完成。在一次觀測(cè)完成后,ASOS根據(jù)QC算法自動(dòng)對(duì)傳感器探測(cè)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)編入報(bào)文。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,則將有問(wèn)題的數(shù)據(jù)從報(bào)文中去掉,在報(bào)文中加入相應(yīng)的標(biāo)志。

第二級(jí)QC是在州級(jí),對(duì)通過(guò)通信網(wǎng)收集的自動(dòng)站資料進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí),通知ASOS維護(hù)人員進(jìn)行檢查處理,并對(duì)資料進(jìn)行更正或停止對(duì)有問(wèn)題的資料的使用。

第三級(jí)QC在國(guó)家級(jí)完成。將帶標(biāo)志的資料、缺發(fā)的報(bào)文進(jìn)行檢查和處理。

通過(guò)這樣3級(jí)的質(zhì)量控制,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題,保證實(shí)時(shí)資料的及時(shí)準(zhǔn)確并監(jiān)測(cè)自動(dòng)站運(yùn)行。

2.2.4 其它國(guó)家地面自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量控制

北歐5國(guó)(丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典)對(duì)自動(dòng)站資料控制流程分4級(jí):臺(tái)站級(jí)資料質(zhì)量控制、入庫(kù)前實(shí)時(shí)資料質(zhì)量控制、入庫(kù)后非實(shí)時(shí)資料質(zhì)量控制以及人工質(zhì)量控制。

3 我國(guó)地面氣象資料質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的探討

3.1 國(guó)內(nèi)地面觀測(cè)系統(tǒng)狀況

氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展既要采用高新技術(shù),更要提高科學(xué)內(nèi)涵,發(fā)揮氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)整體效益。我國(guó)隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展,氣象探測(cè)從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型,自動(dòng)氣象站已經(jīng)成為地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)平臺(tái)。2003—2016年,全國(guó)國(guó)家級(jí)氣象自動(dòng)觀測(cè)站2474個(gè),區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站57414個(gè)。

我國(guó)地面觀測(cè)系統(tǒng)的變化使得觀測(cè)儀器、觀測(cè)方法、觀測(cè)資料的密度及信息量、數(shù)據(jù)文件格式等均發(fā)生了巨大改變,同時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展以及全球氣候與大氣環(huán)境的研究需求,地面自動(dòng)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)的研制已成為業(yè)務(wù)急需。

3.2 我國(guó)自動(dòng)站資料質(zhì)量控制技術(shù)及應(yīng)用

2004年開(kāi)始,國(guó)家氣象信息中心開(kāi)始研制地面自動(dòng)站觀測(cè)資料三級(jí)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)。項(xiàng)目以氣象要素自身的變化規(guī)律和各氣象要素相互聯(lián)系的規(guī)律為依據(jù),針對(duì)臺(tái)站一日地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量控制軟件以氣候界限值檢查、極值檢查、要素內(nèi)部一致性檢查、時(shí)間一致性檢查為主,在此基礎(chǔ)之上對(duì)有疑誤的記錄進(jìn)行空間一致性檢查；對(duì)由業(yè)務(wù)軟件確認(rèn)可疑的記錄,通過(guò)人機(jī)交互修改,進(jìn)行人工審核。質(zhì)量控制的結(jié)果不改變觀測(cè)記錄,而是通過(guò)質(zhì)量控制,分別給出每個(gè)記錄確定質(zhì)量控制碼,供使用資料時(shí)參考。研究成果對(duì)控制國(guó)家級(jí)地面自動(dòng)站氣象資料起到較好的作用,對(duì)推進(jìn)我國(guó)質(zhì)量控制技術(shù)有很好的指導(dǎo)作用。

2005年浙江省氣象局開(kāi)始研制中國(guó)氣象局新技術(shù)推廣項(xiàng)目地面自動(dòng)站氣象資料省市級(jí)審核軟件研究應(yīng)用。在云狀排序和雷暴移動(dòng)軌跡；要素和天氣現(xiàn)象配合；地溫要素序列的標(biāo)準(zhǔn)差等要素內(nèi)部一致性質(zhì)量控制技術(shù)有突破,理論得到很好發(fā)展,并在實(shí)際中投入應(yīng)用,取得實(shí)效。研究成果《地面自動(dòng)站氣象資料質(zhì)量控制軟件》在全國(guó)各省及自動(dòng)站投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 我國(guó)地面自動(dòng)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制發(fā)展幾點(diǎn)思考

至2016年,我國(guó)近2474個(gè)國(guó)家地面氣象站安裝自動(dòng)氣象站,大部分站在2003到2004年進(jìn)行人工和自動(dòng)站雙軌運(yùn)行,2005年起自動(dòng)氣象站單軌運(yùn)行。目前自動(dòng)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量還存在不少問(wèn)題。其原因之一是我國(guó)現(xiàn)有的地面氣象觀測(cè)資料的QC方法和業(yè)務(wù)規(guī)程主要是針對(duì)人工觀測(cè)站而制定的。缺乏從臺(tái)站、省到國(guó)家級(jí)完整的質(zhì)量控制系統(tǒng),沒(méi)有針對(duì)自動(dòng)站新資料的QC方法和流程。

在自動(dòng)站資料質(zhì)量控制方案流程設(shè)計(jì)時(shí)要注重以下幾點(diǎn)。

4.1 強(qiáng)化臺(tái)站級(jí)質(zhì)量控制

基于自動(dòng)站資料的特點(diǎn),在觀測(cè)站的質(zhì)量控制就顯得更加重要。要充分發(fā)揮自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查資料的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì),使觀測(cè)站傳輸出的資料絕大部分得到很嚴(yán)格的控制。

臺(tái)站的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制是自動(dòng)站資料質(zhì)量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此,要在質(zhì)量控制方案的設(shè)計(jì)中將所有能在臺(tái)站進(jìn)行的質(zhì)量控制全部做好。對(duì)于采集的每一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),都要及時(shí)進(jìn)行檢查,有可疑數(shù)據(jù),顯示提示信息,以人工判斷。在臺(tái)站上報(bào)的數(shù)據(jù)文件中要有質(zhì)量控制的標(biāo)識(shí)。

4.2 加強(qiáng)實(shí)時(shí)資料質(zhì)量控制研究

通過(guò)無(wú)數(shù)業(yè)務(wù)和科技人員幾年的努力,對(duì)自動(dòng)站地面非實(shí)時(shí)氣象資料的質(zhì)量控制研究取得成果。由于自動(dòng)站地面實(shí)時(shí)氣象資料實(shí)時(shí)性很強(qiáng),需不間斷地對(duì)資料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,我國(guó)的國(guó)情限制,每個(gè)測(cè)站只有一套儀器設(shè)備,沒(méi)有備份記錄資料,不能比較和恢復(fù),對(duì)質(zhì)量控制研究提出增加難度,目前現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)又迫切需要,加強(qiáng)實(shí)時(shí)氣象資料的質(zhì)量控制研究是今后質(zhì)量控制研究的主題。

4.3 注意自動(dòng)站儀器的校準(zhǔn)漂移等特殊問(wèn)題

根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn),自動(dòng)站儀器的校準(zhǔn)漂移會(huì)使資料產(chǎn)生問(wèn)題,在質(zhì)量控制流程設(shè)計(jì)中要予以考慮。儀器使用一段時(shí)間后要對(duì)資料進(jìn)行均一性檢查,以判斷觀測(cè)儀器漂移對(duì)資料的可能影響。

4.4 重視質(zhì)量評(píng)估專家的作用

成功的國(guó)外質(zhì)量控制方法表明,完全自動(dòng)化的質(zhì)量控制不可能解決所有的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)于一些特殊情況或問(wèn)題的判斷還要輔助以人工檢查。必須采取計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和人工相結(jié)合的方式。在各級(jí),尤其是省、國(guó)家級(jí)要重視質(zhì)量評(píng)估專家的作用。

5 我國(guó)地面氣象資料質(zhì)量控制方法發(fā)展方向

通過(guò)分析國(guó)外地面氣象資料質(zhì)量控制方法發(fā)展動(dòng)態(tài),結(jié)合我國(guó)自動(dòng)站資料的特點(diǎn),在使用QC方法上,提出以下幾個(gè)方面的考慮,用以指導(dǎo)未來(lái)的工作。

5.1 傳統(tǒng)的QC方法仍是主要的工具

國(guó)外經(jīng)驗(yàn)表明,即使針對(duì)自動(dòng)觀測(cè)資料,其質(zhì)量控制仍大量使用了傳統(tǒng)的QC方法。因?yàn)?傳統(tǒng)的QC方法基于資料所反映的大氣變量的物理、氣候特征,是資料必須遵循的基本規(guī)律。

5.2 自動(dòng)控制和人機(jī)交互技術(shù)的結(jié)合

以自動(dòng)控制為主,結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)交互技術(shù)形成方便調(diào)用的數(shù)據(jù)及良好用戶界面,輔以人工判別,是非常重要的。

5.3 氣候背景資料和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相結(jié)合

計(jì)算技術(shù)及計(jì)算機(jī)能力的提高,使統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)有了實(shí)現(xiàn)的可能。因此,使用大量的氣候背景資料,用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法,對(duì)于判別資料的奇異點(diǎn)和儀器漂移,是一種好的方法。

5.4 空間檢驗(yàn)方法的適當(dāng)應(yīng)用

若有條件,可應(yīng)用空間檢驗(yàn)方法,但由于資料計(jì)算量大,難度較大。不同時(shí)間尺度的氣候變量的空間變化特征不同,對(duì)小時(shí)資料,其空間變化太大。美國(guó)只在月、日資料(GHCN、GDCN)的檢驗(yàn)中使用,在小時(shí)資料(ISH)中的質(zhì)量控制還未使用該方法。因此,要適當(dāng)應(yīng)用空間檢驗(yàn)方法。

5.5 對(duì)于象云和降水這樣的非正態(tài)分布的隨機(jī)變量,需要新的方法來(lái)作為其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

這方面需要從數(shù)學(xué)和物理上聯(lián)合考慮,結(jié)合氣象的實(shí)際予以解決。這方面的研究,是很重要的,不僅可以提高地面氣象觀測(cè)的資料的質(zhì)量,而且可以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的同化水平,對(duì)于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平,是極為重要的。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

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