（系统分析与集成专业论文）自动站观测数据的实时监控与保障系统研究.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 为了满足中短尺度、短时效的精细天气预报的需求，我国正在大力建设自动气象站 ( a w s ) 观测系统，并且日趋完善。但是a w s 资料在我国的气象事业包括数值预报系统 中并没有得到充分的运用，其主要的原因之一就是a w s 观测资料的特殊性以及缺少有效的 针对a w s 观测数据资料的质量检查和质量控制方案。本文在参考国际先进的a w s 数据质 量控制方案的基础上，根据我国自动气象站的特点设计了一套自动气象站实时数据资料的 质量检查方案。其目的是解决a w s 观测资料的质量问题，使之可以为气象事业服务，包括 在数值预报中更好的运用。本方案采用多种质量控制技术，其中包括台站气候极值检查、 内部间一致性检查、时间一致性检查、持续性检查、空间一致性检查、综合检查等算法， 为了降低气象要素的错误检查概率，本文还研究了单站大幅度降温事件的检查方法。 在计算机技术迅速发展的时代，可以有更好的条件，实现自动的数据质量控制，从而 降低人员成本和时间成本。本文利用这些数据质量控制算法和现在流行的数据库技术以及 软件开发技术，开发出一套自动气象站数据实时监控系统，本系统能够对自动气象站的实 时数据自动进行快速有效的数据质量控制，而无需人工的介入。在对实时数据进行质量控 制的同时，系统还生成一些气象产品，如实时气象报警，对灾害性天气如高温、大雨和大 风天气做出及时报警，供决策者参考，使气象灾害带来的损失降到最低。 本系统也可以根据自动气象站的数据质量判断出站点是否存在仪器故障，做到及时维 修，保障设备的正常运行。 利用该系统对2 4 5 1 座自动气象站从2 0 0 9 年1 月到9 月共9 个月的实时数据进行了质 量控制实验，结果表明，该系统能够有效地识别自动气象站实时数据中存在的明显错误数 据资料，经过质量控制后实时数据的质量有了较大的提高，基本可以满足气象业务的需求。 关键词：自动气象站；数据质量控制；控制算法；系统设计 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fm e s o s c a l ea n dt i m e - e f i e c t i c v ew e a t h e rb r o a d c a s t , a u t o m a t i c w e a t h e rs t a t i o n si nc h i n aa r eb e e nd e v e l o p e dv i g o r o u s l y , a n dn o w a d a y st e n dt ob ec o n s u m m a t e b u tt h ea w sd a t ah a sn o tb e e nf u l l yu s e di nt h em e t e o r o l o g i c a li n c l u d i n gn u m e r i c a lf o r e c a s t s y s t e m o n eo ft h em a i nr e a s o n si st h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ea w so b s e r v a t i o nd a t aa n dt h el a c ko f e f f e c t i v eo b s e r v a t i o ns y s t e mf o ra w sd a t aq u a l i t yc h e c k sa n dq u a l i t yc o n t r 0 1 t h i sa r t i c l e r e f e r e n c et ot h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dq u a l i t yc o n t r o lp r o g r a mf o ra w sd a t a , d e s i g n sar e a l - t i m e a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nd a t ai n s p e c t i o np r o g r a ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo u r a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n t h ea i mi st os o l v et h eq u a l i t yp r o b l e mo ft h ea w so b s e r v a t i o nd a t a , s ot h a ti tc a ns e r v i c ef o rt h em e t e o r o l o g i c a le n t e r p r i s ew h i c hi n c l u d e st h en u m e r i c a lp r e d i c t i o n t h ep r o g r a mu s e sav a r i e t yo fq u a l i t yc o n t r o lt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h ec l i m a t i ce x t r e m er a n g e c h e c k , i n t e r n a lc o n s i s t e n c yc h e c k , t i m ec o n s i s t e n c yc h e c k ，c o n t i n u o u sc h e c k ，s p a t i a lc o n s i s t e n c y c h e c ka n dc o m p r e h e n s i v ec h e c k i n ga l g o r i t h m i no r d e rt or e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fe r r o r c h e c k i n gm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s or e s e a r c h e so nt h ec h e c km e n t h o do nt h e l a r g e s c a l et e m p e r a t u r ed e c r e a s e i nt h ee r a o fr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e r ec a r lb eb e a e rc o n d i t i o n s w h i c hh e l pt oa c h i e v ea u t o m a t i cd a t aq u a l i t yc o n t r 0 1 a n dt h e r e f o r ei tc a nr e d u c ep e r s o n n e lc o s t s a n dt i m ec o s t s i nt h eb a s eo ft h ed a t aq u a l i t yc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ep o p u l a rd a t a b a s et e c h n o l o g y a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sar e a l - t i m ea u t o m a t i cw e a t h e r s t a t i o nd a t am o n i t o r i n gs y s t e m a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n si nt h i ss y s t e mc a na u t o m a t i c a l l y c h e c kt h er e a l - t i m ed a t aq u a l i t yc o n t r o lo fd a t aq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yw i t h o u tm a n u a l i n t e r v e n t i o n i nt h et i m eo fr e a l - t i m ed a t aq u a l i t yc o n t r o l ，t h es y s t e ma l s op r o d u c es o m ep r o d u c t s ， s u c ha sr e a l - t i m ew e a t h e ra l a r m , m a k et i m e l ya l a r mf o rd i s a s t r o u sw e a t h e rs u c ha sh i g h t e m p e r a t u r e ，h e a v yr a i na n dw i n d yw e a t h e r , w h i c hm a k er e f e r e n c et or e d u c i n gt h el o s s e sc a u s e d b ym e t e o r o l o g i c a ld i s a s t e r st oam i n i m u m t h es y s t e ma l s oc a nm o n i t o rt h ei n s t r u m e n t s p r o b l e m sa c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo ft h ed a t a f r o mt h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n , s ot h a tt h em a i n t e n a n c ec a nb ed o n et i m e l ya n dt h en o r m a l o p e r a t i o no ft h ei n s t r u m e n t sc a nb ee n s u r e d t h es y s t e md o e sq u a l i t yc o n t r o le x p e r i m e n t so nt h er e a l t i m ed a t af r o m2 4 5 1a u t o m a t i c 南京信息工程大学硕士学位论文 w e a t h e rs t a t i o n sf r o mj a n u a r yt os e p t e m b e r , 2 0 0 9 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mc a l li d e n t i f y t h ee x i s t e n c eo fo b v i o u se n 0 r sf o rt h er e a l - t i m ed a t ao ft h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n t h eq u a l i t y o ft h er e a l - t i m ed a t ah a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da f t e rq u a l i t yc o n t r 0 1 t h es y s t e mc a l ib a s i c a l l y m e e tt h ed e m a n do f t h em e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e s k e yw o r d s ：a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n s ；d a t aq u a l i t yc o n t r o l ；c o n t r o la l g o r i t h m ；s y s t e md e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密( 年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签 指导教师签名： 签字日期： 签字日期： 如f 口占胁 讼f o b ，i d 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 当今社会，异常天气，自然灾害等给人们的生产生活造成了很多影响，特别是 给人们的生命、财产造成巨大的损失。 为了更好的提供尽量准确的气象服务，我国气象部门在全国范围内推行“三站 四网”建设，建立了大量的自动气象站，n 1 如今我国共有国家级自动气象站2 4 5 1 座， 并且在不断的扩建中。这些自动气象站每天都及时的采集当地的实时气象数据，供 气象工作者分析研究使用，为我国的气象事业做出了杰出的贡献。 但是由于数据量巨大，工作人员被淹没在数据和信息的汪洋大海中，很难找到 自己想要的数据，也无从知道数据的准确性和可靠性。为此，在利用这些自动气象 站测量的数据之前，必须检查数据的准确性和可靠性，避免错误数据给工作人员产 生错误的导向，得出错误的结论。 为了避免这一情况的发生，需要完善有效的数据纠错体系和方法，对海量的自 动气象站测得的气象数据进行及时的处理。 事实上，及时掌握实时准确的天气数据资料对气象业务、科研，以及气象服务 工作等有着积极和重要的意义。 过去我国都是人工气象站，实时气象数据资料主要由人工采集提供。人工气象 站有着很多缺点，如，覆盖范围局限( 人们难以进入或不适合居住的地方) ，各个人 工站的技术标准不一导致数据可靠性不一，观测人员的业务水平参差不齐，以及人 为误差无法避免等等。而自动气象站有以下优点乜1 ： ( 1 ) 通过在人们难以进入或不适合居住的地方设立的观测站点来增加已有观测站 网的密度。 ( 2 ) 用于人工观测站，提供正常观测时间外的观测数据。 ( 3 ) 采用新技术来增加观测的可靠性，并通过观测技术的标准化来保证观测站网 的均一性。 ( 4 ) 满足新的观测需要和要求，减少人为误差。 ( 5 ) 减少观测人员的数量并降低观测业务的费用。 南京信息工程大学硕士学位论文 除了以上优点外，自动气象站还具有获取资料准确度高、观测的时空密度大、 业务成本低等特点，大大提高了气象观测的质量，增强了灾害性天气的预警能力， 减少了人力资源的浪费4 1 。 为了满足人们对高质量的气象信息的需求，我国正在大力建设自动气象站工程。 随着我国气象部门“三站四网”的建设，自动气象站如雨后春笋般迅速在中国各地 建设并投入使用，逐步取代人工气象站的功能。自动气象站数据有两种方式向上级 气象部门传输，一是每小时上传的逐小时数据资料，二是每月上旬传输的月数据文 件。每小时一次的数据称为实时资料，而月数据文件称为非实时资料邸1 。自动气象 站实时资料已完全融入到了气象业务、科研、服务工作中，所以其质量也倍受关注。 但是由于自动气象站数据量庞大，数据处理困难，所以自动气象站并没有能够充分 发挥出它应有的功能和作用。为了更好的利用自动气象站实时资料，为气象事业服 务，对自动气象站实时数据监控处理技术的研究迫在眉睫。 1 2 国内外现状 欧美国家对自动气象站的研究起步较早，发展迅速，技术先进，以美国为例： 美国自动地面观测系统( h s o s ) 是根据美国政府部门，主要是美国国家海洋大气局 ( n o a a ) 、交通部和国防部为一个共同的目标提高地面气象观测自动化和提高灾 害性天气预报和警报的时效和正确率而开发的业务工作系统。通过美国国家天气局 ( n w s ) 多年的努力，对美国各公司提交的商品化a s o s 系统进行了严格的环境试验 和实验室观察及考核，最终a a i s m i 公司生产的a s o s 系统被n w s 、美联邦航空局 ( f a a ) 和美国海军s n a v y ) = 个政府机构批准认可，1 9 9 1 年起投入地面气象观测 业务化的应用。a s o s 系统的硬件、软件采用模块化、开放式系统结构，具有很大 的灵活性和可扩展性，可完成大型系统所必须的测量、处理、计算、显示和通信任 务。为提高系统的可靠性，a s o s 硬件的主要模块采用冗余结构。这样配置的系统 已被证明具有平均无故障工作时间超过2 1 9 0 小时、无严重错误测量记录时间超过 8 7 6 0 小时( h s o s 系统的设计指标) 。a s o s 系统配有下述气象要素的自动测量和报告： 1 ) 风向、风速 2 ) 温度、露点温度和相对湿度 3 ) 气压 2 南京信息工程大学硕士学位论文 4 ) 能见度 5 ) 跑道可见距离 6 ) 云高和云量 7 ) 当前重要天气现象 8 ) 降水 9 ) 语言合成广播 a s o s 系统所获取的资料是经过严密的质量控制检查的。a s o s 在美国各地布站 后，不仅可使预报人员能迅速地获悉骤变的天气实况，也实质性地改善了收集资料 的标准化、客观性和即时存档能力“。 中国自动气象站系统的研究起步较晚，发展迅速，但是与欧美发达国家的先进 技术还有不小的差距。我国二十世纪八十年代才提出要建设自动气象站的构想1 ， 经过许多气象工作者以及科学家们不懈的努力，中国自动气象站有了长足的进步。 我国现行使用的自动气象站在气象数据的测量、传输方面已经做得相对成熟了，但 是在数据的监控、查错、分析以及备份保障等方面还是有很多的不足和需要研究改 进的地方。我国现行的自动气象站在数据的监控、查错、分析以及备份保障等方面 很大程度上是靠人工完成的，这使得工作量非常巨大，效率低下，而且准确率不是 很高，更为主要的是对数据的处理不能做到实时性，国内对自动气象站数据质量控 制主要是着眼于历史数据，而对实时数据质量控制的应用较少6 ，这样就无法完全 发挥其应有的作用。以江苏省气象局为例，这些自动气象自动站得到的气象数据由 各个县局负责收集，每个月发送到省局，省局拿到的是非常庞大的数据量，处理十 分困难，无法做到实时处理，对数据进行分析后实效性已经没有了，只能是用于资 料的保存，以备以后查阅了，而这些数据没有能够发挥其应有的作用，即：实时处 理这些数据为气象预报服务。而且即使是作为保存的数据资料，也必须先进行分析 处理，确保其正确性后再进行保存。此时进行分析如果发现了缺测或错误的数据， 已经无法进行补测了，这样也会使自动气象站气象数据的可用性大打折扣。 为了提高灾害性天气预报和警报的时效性和正确率，我国对自动气象站实时数 据处理的研究也有了很大的进步，但是还有很多值得改进的地方。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 研究目的及意义 气象数据的意义十分重大，为了更准确地及时掌握和预报天气和气候情况，预 报人员必须能够迅速地获悉骤变的天气实况，掌握大量的气象数据，如气温、气压、 湿度、降水量、云量、以及风等。而且，如果按照现在的以行政区域为单位设立的 气象局为单位采集气象数据，首先是地域密度太低，然后由于是人工采集，所以采 集的次数也有限，还需要进行数据的分析才能得出当地的气象报告，事实上因为数 据量在覆盖面及测量密度上的不足，这使得出的气象预报的准确率并不能保证。于 是需要大量的自动气象站，自动气象站每天采集大量的气象数据，对这些数据的实 时监控、查错、分析，以及备份保障就成为自动气象站系统必须要解决的问题。 获取高质量的自动气象站探测数据是本文的根本目标，保证自动气象站设备的 运行质量是提高数据质量的基本方法，实时监控自动气象站的数据质量是提高自动 气象站设备运行质量有效的途径。 通过对实时数据进行气候极值范围检查、内部一致性检查、时间一致性检查、 持续性检测、空间一致性检查、单站大幅降温事件检查、综合检查( 决策算法) 等 处理，可以及时发现气象数据是否存在可疑或错误，从而可以间接地判断自动气象 站设备在运行过程中是否出现问题，帮助诊断，分析设备的故随保证设备稳定运 行，并获取更加准确无误的气象数据，也实质性地改善了收集资料的标准化、客观 性和即时存档能力。 1 4 研究内容 本文主要研究如何对自动气象站实时数据的实时处理和备份。系统分成实时处 理和数据的备份维护以及应用三个部分。 对于实时监控部分，对从自动站传来的气象数据进行及时的处理，对其进行正 确性评估，如果不正确，则分析可能的原因、发出警告并提醒自动站重新测量数据， 如果正确则分类入库以备日后利用。 实时监控部分比较复杂，也是本文的核心部分。本文采用几种不同的算法进行 处理玎盯，如：( 1 ) 原始数据的检查；( 2 ) 气候极值范围检查：( 3 ) 内部一致性检 查；( 4 ) 时间一致性检查；( 5 ) 相似性检测：( 6 ) 空间一致性检查：( 7 ) 单站大幅 4 南京信息工程大学硕士学位论文 降温事件检查；( 8 ) 综合检查( 决策算法) 等等。 利用这些算法检查数据，并对数据标示( 卜表示数据正确，1 表示数据可疑， 2 表示数据异常，3 一表示数据错误) ，并对不同的数据标示做出相应的操作。 对于数据的备份维护以及运用部分，用s q l 2 0 0 0 作为后台数据库，并为前台用 户通过网络调用气象数据提供准确有效的资料，并可以根据客户的要求对其进行分 析，当然为了数据的安全，需要对客户的权限有所限制，这可以为客户制定不同的 角色来实现。 数据的备份维护以及应用部分，首先根据上面的数据检查，把正确的数据按照 一定的结构存入数据库以便日后进行查阅，分析等操作。这里的查阅分析应该可以 用电脑借助与程序自动完成，给出查询分析的结果。 1 5 拟解决的主要问题 鉴于我国自动气象站数据资料的处理及应用的现状，本文主要研究如何解决自 动气象站实时数据的数据处理( 数据的检查、纠错，及应用) ，为此研究数据处理的 各种算法，并且软件实现，使其不仅仅停留在理论阶段，使系统可以运行，并且生 成相应产品供决策参考。另外对于处理过的数据资料进行备份已能为以后气象研究 提供依据和资料。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章气象数据质量的控制方案及其实现 随着我国气象部门大力推行自动气象站的建立，自动气象站已逐步取代了人工 站。自动气象站数据以两种方式向上传输，一是每小时上传的逐小时数据，二是每 月上传的月数据文件。每小时上传一次的数据称为实时资料，而月数据文件称为非 实时资料d 1 。自动气象站的实时资料已完全融入到了我国的气象业务，气象科研和 气象服务等各项工作中，所以其质量倍受关注，是近年来气象研究的热点课题。 国外有许多学者对气象资料质量控制方法做过研究9 1 ，我国王新华、任芝花等 对非实时资料做过质量控制的研究 1 7 1 d t , 王海军、杨志彪等对自动气象站实时资料 进行系统的质量控制的研究也很深入”。w m o ( 世界气象组织w o r l dm e t e o r o l o g i c a l o r g a n i z a t i o n ) 认为h 钉，自动气象站实时数据资料的质量控制可以在两个层面上进行， 第一是在观测台站进行的基本质量控制，这不在本文的研究范畴；第二就是在数据 处理中心进行，数据处理中心除采用综合时间一致性、内部一致性等方法检查外， 还应生成相应的气象服务产品，供气象工作科研人员使用，以及对仪器传感器失效 等进行评估。根据我国气象业务体制，除了基层台站进行基本质量控制外，实时数 据传输到数据处理中心后，应该对自动气象站实时数据进行全面的质量检查和控制 【1 4 【1 5 】 0 按照我国气象业务科研服务的实际情况，数据处理中心对实时数据资料的质量 控制可以分为两个阶段，第一阶段( q c l ) 为每一小时进行一次的，不需人工干预， 计算机自动完成，其控制后数据直接传输到实时气象资料使用部门供气象工作人员 使用；另一个阶段( q c 2 ) 就是在q c l 基础上，质量控制人员利用计算机质量控制 后生成的疑似错误数据进行人工判断，最后决定其数据质量，以供气象业务和科研 使用。本文主要探讨q c l 质量控制方法，其原理也同样适用于q c 2 过程。 自动气象站数据资料质量检查和控制包含的要素有：2 分钟平均风向、2 分钟平 均风速、1 0 分钟平均风向、l o 分钟平均风速、最大风向、最大风速、瞬时风向、瞬 时风速、极大风向、极大风速、降水、气温、最高气温、最低气温、相对湿度、最 小相对湿度、水汽压、露点、本站气压、最高气压、最低气压、草温、最高草温、 最低草温、地温、最高地温、最低地温、5 e r a 地温、1 0 c m 地温、1 5 e r a 地温、2 0 c m 地温、4 0 c m 地温、8 0 c m 地温、1 6 0 c m 地温、3 2 0 c m 地温、海平面气压。重点监控 6 南京信息工程大学硕士学位论文 气温、气压、测风、降水等。 2 1 疑似误差信息的标注 s h a f e r 阳1 把疑似错误的气象数据分为1 0 种类型进行标注，对应的1 0 类质量控 制码为0 - 9 。考虑到我国对气象实时数据处理的实际情况，q c l 过程只设置4 个质 量控制码( 0 - - 一3 ) 1 2 1 ，0 表示数据正确，1 表示数据可疑，2 表示数据异常，3 表示 数据错误，数据的质量随着控制码数值的增加而降低，但是本文在数据正确时不标 注为0 ，也就是不对正确数据进行标注。质量控制码与数据检查方法有关，即对于 同一数据，每种检查方法都有相应的控制码，最后综合各种方法，确定该数据最后 的质量控制码。 2 2 方法 q c l 方法中实时数据质量控制与非实时资料及q c 2 方法相比有以下特点： ( 1 ) 响应速度要快，由于每- - + 时进行一次，故所有方法必须在短时间内执行完 成 一 ( 2 ) 质量控制过程不能受到人工干预，完全自动完成 所以实时数据资料质量控制方法必须简洁实用，而且不能过多使用前期的数据。 根据以上原则，讨论实时数据资料质量控制方法，即原始数据的检查、气候极值范 围检查、内部一致性检查、时间一致性检查、持续性检查、空间一致性检查、综合 检查，另外，为了防止误检，降低误检率，本文还将探讨单站大幅降温事件的检测 方法。 2 2 1 原始数据的检查 按照中国气象局规定，原始数据的检查包括：数据格式的检查，年、月、日和 时间的检查，数据字符的检查，区站号的检查等等。 数据格式的检查：自动气象站数据应该严格按照中国气象局地面气象观测数 据文件和记录簿表格式的要求排列，否则就视为无效数据。 只要通过文件格式规范检查的数据都必须入库，但必须作约束条件检查并记录。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 此处约束条件仅仅为数据逻辑性检查，如日期为1 3 月3 4 日、降水为10 毫米等不可 能发生的情况。格式错误的数据，视为缺测。自动气象站数据的格式如下： 每个单站文件为数据文件，共2 条记录。第l 条记录为本站基本参数，共3 3 个 字节；第2 条记录为器测项目和天气报、加密天气报有关的编报项目，共1 3 4 字节。 第l 条记录：包括区站号、纬度、纬度、观测场海拔高度和气压传感器海拔高 度共5 组，每组用1 个半角空格分隔，排列顺序及长度分配如表2 1 ；第2 条记录： 共5 2 个要素值，每组用1 个半角空格分隔，排列顺序及长度分配如表2 2 ： 表2 1 自动气象站气象数据第一条记录 序号要素名长度说明 1区站号5 字节 5 位数字 按度分秒记录，均为2 位，高位不足补“0 ”，台 2 纬度 6 字节 站维度未精确到秒时，秒固定记录“o o ” 按度分秒记录，度为3 位，分秒为2 位，高位不 3 经度7 字节足补“0 ”，台站经度未精确到秒时，秒固定记录 “0 0 ” 观测场海拔 4 5 字节保留一位小数，扩大1 0 倍记录，高位不足补“0 ” 高度 气压传感器保留一位小数，扩大1 0 倍记录，高位不足补“0 ”， 5 5 字节 海拔高度无气压传感器是，录入“i i i i i ” 表2 2 自动气象站气象数据第二条记录 序号要素名长度说明 1 4 字 年月日时分秒( 国际时，y y y y m m d d h h m m s s ) ，其 1 观测时间 中：秒固定为“o o ”，为正点观测资料时，分记录 节 为“0 0 ” 2 2 分钟风向3 字节 当前时刻的2 分钟风向 2 分钟平均风 3 3 字节当前时刻的2 分钟平均风速 速 4 1 0 分钟风向 3 字节 当前时刻的l o 分钟风向 1 0 分钟平均 5 3 字节当前时刻的l o 分钟平均风速 风速 8 南京信息工程大学硕士学位论文 最大风速的 6 3 字节每1 小时内1 0 分钟最大风速风向 风向 7 最大风速3 字节每1 小时内1 0 分钟最大风速 最大风速出每1 小时内1 0 分钟最大风速出现时间，时分各两 8 4 字节 现时间 位，下同 9 瞬时风向3 字节 当前时刻的瞬时风向 1 0 瞬时风速3 字节 当前时刻的瞬时风速 极大风速的 1 1 3 字节每1 小时内极大风速的风向 风向 1 2 极大风速3 字节每1 小时内极大风速 极大风速出 1 3 4 字节 每1 小时内极大风速出现时间 现时间 1 4 小时降雨量4 字节 每1 小时内的雨量累计值 1 5 气温4 字节当前时刻的空气温度 1 6 最高气温4 字节每1 小时内的最高气温 最高气温出 1 7 4 字节 每1 小时内的最高气温出现时间 现时间 1 8 最低气温4 字节 每1 小时内的最低气温 最低气温出 1 9 4 字节每1 小时内的最低气温出现时间 现时间 2 0 相对湿度3 字节当前时刻的相对湿度 最小相对湿 2 1 3 字节 每1 小时内的最小相对湿度值 度 最小相对湿 2 2 4 字节每1 小时内最小相对湿度出现时间 度出现时间 2 3 水汽压3 字节当前时刻的水汽压值 2 4 露点温度4 字节 当前时刻的露点温度值 2 5 本站气压5 字节当前时刻的本站气压值 2 6 最高本站气5 字节每1 小时内的最高本站气压值 9 南京信息工程大学硕士学位论文 压 最高本站气 2 7 4 字节每1 小时内的最高本站气压出现时间 压出现时间 最低本站气 2 8 5 字节每1 小时内的最低本站气压值 压 最低本站气 2 9 4 字节每1 小时内的最低本站气压出现时间 压出现时间 草面( 雪面) 3 04 字节当前时刻的草面( 雪面) 温度值 温度 草面( 雪面) 3 14 字节每1 小时内的草面( 雪面) 最高温度值 最高温度 草面( 雪面) 3 2 最高温度出 4 字节每1 小时内的草面( 雪面) 最高温度出现时间 现时间 草面( 雪面) 3 34 字节每1 小时内的草面( 雪面) 最低温度值 最低温度 草面( 雪面) 3 4最低温度出4 字节 每1 小时内的草面( 雪面) 最高低度出现时间 现时间 3 5地面温度4 字节当前时刻的地面温度 地面最高温 3 6 4 字节每1 小时内的地面最高温度 度 地面最高温 3 7 4 字节每l 小时内地面最高温度出现时间 度出现时间 地面最低温 3 8 4 字节每1 小时内的地面最低温度 度 地面最低温 3 94 字节 每1 小时内地面最低温度出现时间 度出现时间 4 05 厘米地温 4 字节当前时刻5 厘米地温值 4 1 l o 厘米地温4 字节当前时刻1 0 厘米地温值 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 4 21 5 厘米地温4 字节 当前时刻1 5 厘米地温值 4 3 2 0 厘米地温4 字节当前时刻2 0 厘米地温值 4 4 4 0 厘米地温4 字节当前时刻4 0 厘米地温值 4 58 0 厘米地温4 字节 当前时刻8 0 厘米地温值 4 6】6 0 厘米地温4 字节 当前时刻1 6 0 厘米地温值 4 7 3 2 0 厘米地温4 字节当前时刻3 2 0 厘米地温值 4 8 蒸发量4 字节每1 小时内的蒸发累积量 4 9 海平面气压 5 字节 当前时刻的海平面气压值 5 0 能见度5 字节当前时刻的能见度 5 1 最小能见度5 字节每1 小时内的最小能见度 最小能见度 5 2 4 字节每1 小时内的最小能见度出现时间 出现时间 2 2 2 气候极值范围检查 气象数据资料在进行气候极值检查前一般要进行界限值和要素允许值范围的检 查d 0 1 考虑到实时数据的时效性，本文将气候极值检查和界限值检查一起进行，即 气候极值范围检查 1 2 1 0 此方法的关键是合理选择极值的上下界值，如果上下界范围 太大，就变成了要素允许值范围检查，如果范围过小就会出现误检现象。这里参照 工程设计中气象要素极值设计的方法提取要素设计值的置信区间的上( 下) 限作为 气候极值的上( 下) 界值。通常置信区间的上( 下) 限为给定设计频率( 如1 ) 的 最大( 小) 值加上( 减去) 2 倍标准差。本文为了简便，气象要素极值用乘以一个 放大系数代替通过概率分布函数推求的极值。降水量和相对湿度的极值范围为固定 值，分别是0 , - 一2 0 0 m m h 和0 1 0 0 。其他气象要素的取值按( 2 1 ) 式计算。 l 巨+ = l ( 1 + 口) e 二i ，c ，+ 2 0 i 恼：i ，一圳f | - 三仃j q 。) 其中局+ ，e i 一分别表示各气象要素第z 月的上下界值：k ，分别为第f 月各 气象要素从建站到2 0 0 5 年的最大最小值；口为范围放大因子，与要素的变率有关， 南京信息工程大学硕士学位论文 通过对资料的分析，取值为o 。1 0 1 5 ，如气温和5 一3 2 0 e m 地温取值为o 1 ，地面温 度取值为0 1 5 ；仃为要素的标准差；【j , 1 分别表示向下和向上取整。值得注意的 是，在q c l 中，一个要素地理位置相近的自动气象站每月一组参数。历史资料中有 些要素没有极值( 如浅层地温) ，其极值从定时值中挑选。 通过( 1 ) 式即可计算各气象要素各月的上下界值。超过极值上下界的数据，其 质量控制码直接标注为3 ，表示该数据错误。 在s q l 数据库中，有表“气侯极值范围”给出所有站点每个月不同要素的极值， 如图2 1 所示： 图2 1 气象极值在数据库中的表 按照以上算法得到了各个气象要素的极值，由于篇幅问题，这里只列出部分极 值，如图2 2 所示： 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 地面 m - 面 蕈面 蕈面 蕈面 蕈面 革面 - m - 面 草面 草面 蕈面 草面 草面 革面 草面 草面 蕈面 堇面 蕈面 堇面 蕈面 堇面 蕈面 蓖面 草面 堇面 堇面 堇面 草面 蕈面 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度t h “ 温度m “ 温度1 1 1 “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度m “ 温度n l x 图2 2 气象要素最值实例图 为了更好的说明气候极值范围检查算法，下面给出其流程图，如图2 3 ： 1 2 叭；弧叮加n垤毗吆帆；g叮坩u圪叭吃叭嘶 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 3 气候极值范围检查算法流程图 由于篇幅的原因，这里只给出气温的极值算法代码，见附录。 2 2 3 内部一致性检查 有些气象要素之间相互关系密切，其变化规律具有一定的相关性或一致性1 1 2 | 。 根据该特性，可以对相关气象要素数据值是否保持这种内部关联进行检查，从而判 断是否发生异常，以确定数据的质量，即为内部一致性检查。该检查分为2 种情况， 一是同类要素之间关系，二是不同类型要素之间关系。 ( 1 ) 同类要素之间的关系：气象要素的最大值一定大于等于正点时刻值，正点 时刻值一定大于等于最小值，干球温度大于等于露点温度，1 0 m i n 平均风速小于等 于小时最大风速，极大风速大于等于瞬时风速等等1 6 1 7 1 ，如对于气温而言有： 乙t 乙。 ( 2 ) 要素之间的函数关系：我们知道气象要素之间是有联系的，例如可以通过 露点温度和水汽压之间的函数关系计算露点温度，如果计算出的露点温度与实际测 得值相差较大( 绝对值超过0 5 ) ，则表示露点温度和水汽压至少有1 个要素数据 有误。下面就给出气象要素之间的主要联系关系式： e 1 2 1 7 6 7 奎t m p ( ( t m p + 2 7 3 1 6 ) 2 9 。6 5 ) ( 2 - 2 ) 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 e s - - - - - 6 11 2 e x p ( e 1 ) q s = o 6 2 1 9 7 木e s ( p r s - 0 3 7 8 掌e s ) q = r h 奉q s 10 0 e = ：p r s 牛q ( o 6 219 7 + q ) + le 一10 t k = 5 5 0 + 2 8 4 0 0 ( 3 5 幸l o g ( t r n p + 2 7 3 16 ) 一l o g ( e ) - 4 8 0 5 ) p o t = ( t m p + 2 7 3 1 6 ) 幸p o w ( ( 1 0 0 0 p r s ) ，( 0 2 8 5 4 ( 1 0 - 0 2 8 + q ) ) ) e q 仁p o t 木e x p ( ( ( 3 3 7 6 t k ) - 2 5 4 ) 幸q ( 1 0 + 0 81 q ) ) a = 7 5 宰t m p ( 2 37 3 + t m p ) + l o g lo ( r h ) - 2 t d = 2 3 7 3 木a j ( 7 5 - 幻 以上各式中字母含义如表2 - 3 ： 表2 - 3 气象要素定义表 字母 含义单位 m a p 气温 e s饱和水汽压 h p a q s 饱和混合比 h p a i m 相对湿度 e 水汽压 h p a q 混合比 k g k g t k 凝结高度露点温度 k p 0 t 位温 k e q t 假相当位温 k p r s 等高面气压 h p a t d 露点温度 如果违反了上述两种关系中任一中1 次，则相关要素质量控制码增加l ，但是 最大为2 。内部一致性检查的质量控制码不能大于2 的原因是：某一气象要素可能 受2 条以上内部一致性规律的约束，如果这些内部一致性关系都不成立，有可能使 得该要素的内部一致性检查的质量控制码大于2 ，从而在后面的综合检查时，标注 该数据为错误，但该要素可能为正确值 1 2 1 。 以气温为例，介绍如何利用内部一致性检查算法的，先检查关系式t 己。和 1 4 ) ) ) ) ) ) ) ) ) 3 4 5 6 7 8 9 o 1 二 厶 厶 扫 冬 二 二 0 d ( ( ( ( ( ( ( 2 2，l， 南京信息工程大学硕士学位论文 f 2 是否成立，只要有一个式子不成立，则气温的质量控制码加1 ，再利用上文 的气象要素的关系式( 2 2 ) 至( 2 1 1 ) 计算出露点温度和水汽压，并且与实际测得 的露点温度和水汽压进行比较，如果相差太大( 差的绝对值大于o 5 ) 则质量控制码 加1 ，但是最大为2 。 为了更好的说明内部一致性检查算法，下面给出其流程图，如图2 4 ： 图2 4 内部一致性检查算法流程图 由于篇幅原因，这里只给出温度的内部一致性检查的核心代码，见附录。 2 2 4 时间一致性检查 有些气象要素数据与时间显著相关，也就是具有很好的时间一致性1 ，将此类 数据与其时间上前、后测得值进行比较，来判断其数据是否发生异常，这就是时间 一致性检查。 采用时间一致性检查对气象数据的质量进行控制时，可以把往年该站点该月该 时次的该要素的所有数据组成一个序列，计算该序列的平均值，再通过比较测得数 据与平均值的差值，如果差值太大则表明数据可能误测。但是这种方法需要用到大 量的以前数据，也就是需要在数据库中调取大量数据，必然会影响数据处理的实效 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 性，显然不能再在q c l 过程中选择该方法。 有些专家提出，采用时间一致性检查对气象数据的质量进行控制时，用1 个月 内某时次前后各1 个时次内的所有数据组成序列，计算该序列的中值、加权均值和 加权标准差，再通过比较被检数据与加权均值的绝对差值和加权标准差的值来确定 数据质量 1 0 i 。该方法不仅需要较多的前期资