地面气象要素质量控制方法研究发展现状

李晓兰，曹晓钟

(1.成都信息工程学院，四川成都610225;2.中国气象局气象探测中心，北京100081)

0 引言

随着气象观测台站数量的增加，气象观测资料的数量越来越庞大。为了确保气象观测资料的代表性、准确性和比较性，需要对观测资料进行数据质量控制。CIMO(Commission for Instruments and Methods of Observation)中[1]将与地理坐标有关的、相当于物理单位表示的仪器读数称之为Ⅰ级数据，即原始数据。由Ⅰ级数据导出的数据称之为Ⅱ级数据，即气象参数。对气象资料做质量控制提高数据的可用性，提供能真实揭示气候、天气变化规律以及用于产品决策的信息。

传统的QC(Quality Control)主要根据气象学、天气学、气候学原理，以及气象要素的时间、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[2]。

自从1999年中国开始建设气象自动气象站以来，针对自动气象站的数据质量控制方法的研究越来越迫切。国外在自动化观测数据质量控制方面做了许多研究工作，对提高数据利用率、增强设备维护都有很重要的意义。我国根据自身业务需求，提出了许多针对我国地面气象观测资料质量控制的方法，部分方法已经用于现行业务中，并取得了相应的成果。

1 国外地面气象观测资料质量控制方法的研究

近年来，国外在气象观测资料质控方面的研究日趋成熟，通过改进观测设备和完善质控方法，使得气象观测资料的可用性得到了很大的提高。但是由于大气本身是混沌的，测量数据受仪器和环境的影响较大，仍会存在数据质量的问题，因此在这些问题的基础上，各国气象学家针对本国气象观测情况，开展了大量的有关地面气象观测资料质量控制方法的研究。

在安达卢西亚(西班牙南部)农业气候气象数据信息网络中引入质量保证程序来评估气象资料的完整性和可用性[3]。该程序包括数据格式、范围和界限值的验证，时间和内部一致性、持久性和空间一致性测试。

紧接着，墨西哥气象局地面观测网络第一次使用一个全面的QA(Quality Assurance)程序对风速记录进行管理[4]。分析了总共139个测站的数据。QA过程集成11种质量保证检查分为4类(可信值检查、内部一致性、时间一致性和系统误差)。记录的一部分被质量控制过滤器标记，有近26%的风速记录和5%的风向记录显示异常。

另外，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，制作了有代表性的数据集。紧接着在质量保证(QA)方面，美国已有研究员研究表明高效的质量保证程序在揭示气象数据资料的异常值方面更省时省力。在这项研究中测量相邻站使用的空间回归测试提供了测量数据点的初步估计[5]。在一些的极端的天气事件中采用空间测试研究模式标记数据，例如:1993年中西部洪水，2002年的干旱，安德鲁飓风(1992)，1990年10月期间一系列的冷空气。

在美国俄克拉何马州开发的一个网络(Mesonet)中，质量控制方面程序包括四个主要组成部分:仪器检定，实地测验，自动化的计算机程序，人工检查。确保仪器检定中所有传感器部署在网络中均达到Mesonet指导委员会建立的高标准[6]。计算机每日自动进行常规数据监测，适当设置数据标志，提醒工作人员数据中潜在的错误。人工检查提供了人类的判断过程，用于捕捉微妙的错误，以及自动化技术中可能存在的错误。

基于对气象资料质量控制方法的研究，国外研究者提出根据观测到的气象参数选择适当的质量控制方法尤为重要，比如空间一致性或时间一致性等。但预期的数据的应用程序或者先验知识的情况也必须考虑在内。所以利用气象参数的空间和时间上的一致性，提出了基于自相关性和模型独立的质量控制过程[7]。该方法适用于测量在时间和空间上具有较高的相关程度的观测站网。所提出的质量控制程序可以被表示为一个数学上的最小曲率分析领域的优化问题。这个结果在矩阵方程，可以不需要收敛的迭代求解。另外，基于地面气象航空资料，国外研究者采用内部的或者时间域上的或者阈值限制相互结合的方式来检测气象资料[8]。6种内部一致性的检查以及3种时间一致性的检查组成了更为复杂的质量控制方法。

2 中国气象资料数据质量控制的现状

2.1 国家级气象观测资料质量控制的研究

在气象观测资料质量控制的研究过程中，气象学家不仅针对相关气象要素提出了特定的质控方法，同时也提出了更为高效的质控流程。利用国家级接收平台，收集全国气象观测信息，通过分析大量台站上传的数据，从中找出质控算法中存在的不足，提出更合适的质控方法，从而提高气象观测资料的可用性。

对于气象资料质量控制中单项检验为可疑的数据，如何进一步判别它的错误与正确，是气象资料质量控制中的一个重大技术问题。王伯民提出气象资料质量控制综合判别法[9]。随着观测系统的加强，中国陆续出现许多新建的地面台站、地面自动观测站，徐枝芳等设计了关于新建地面气象自动站的资料的质量控制方法[10]。任芝花等通过对全国自动站数据，建立全国自动站正点相对湿度资料和全国自动站逐小时降水资料的数据集，并通过深入分析错误数据存在的方式，制定了相关的质控方案并将其运用到了相关的资料质量评估中[11－12]。另外，对于地面基础气象资料中存在的问题，国家信息中心相关研究员结合国家级和省级气象资料部门存储的1951～2009年2474个国家级地面气象站观测的气温、气压、水汽压、相对湿度、风向、风速、降水量7种要素信息化基础数据，检测并分析了数据中存在的问题[13]。

在中国气象观测资料一体化进程中，根据不同级别数据的特点，气象学家针对设备级的采样值和测量值也做了相关的研究，并提出了相应的质控方法[14]。研究表明，通过在自动气象站的采集器对设备采集到的数据做相应的质量控制，使得上传到计算机主机业务软件接收到的数据更具有代表性。在此基础上，台站根据本站长期以来气象资料的统计值做进一步的质量控制，使气象观测数据的准确性大大提高。

2.2 省级气象观测资料质量控制的研究

在中国气象资料数据质量控制的发展中，除了中国气象局气象信息中心的相关研究员进行的相关研究，各省也根据自身的实际情况，积极开展科研创新，结合国家站与区域站的观测资料，提出了很多有效的质控方法。

广西省提出了基于用高度订正方法确定区域自动气象站气候界限值;河南省提出了基于自动气象站资料评估方法并将其运用于业务工作中取的了很好的成绩;江西省建设了自动气象站数据实时质量控制业务软件并将其运用到本省的国家站和区域站的工作中;广东省在自动气象站全网远程实时监控系统基本原理和系统架构的基础上，完善本省区域自动气象站探测网的监控保障业务，根据实时探测数据判断采集器及各传感器的工作状态，实现故障信息的自动提取与短信报警;安徽省气象局基于观测资料一体化业务发展对数据连续性、时效性、一致性具有较高要求，强化数据质量控制、数据分析、设备运行监控和维护维修尤为重要。

3 结束语

根据现代化自动气象站发展水平，为提高观测数据质量，在自动化观测的基础上，建立基于软件主动处理为主，人工被动干预为辅的技术体制，形成紧密联系，分工明确，上下互动的四级综合质量控制体系来替代原有的三级质控体系。此体系包括设备级、台站级、省级和国家级质量控制。

以设备状态作为数据质量控制的前提，从原始采样数据开始逐级形成分钟数据、小时数据、台站空间一致性、通信线路状态为一体的综合质量控制。设备级和台站级的质控，是今后地面气象要素数据质量控制深入发展的一个重要方向。目前，国外在自动化观测数据质量控制方面做了许多研究工作，对提高数据利用率、增强设备维护都有很重要意义。国内质量控制较薄弱，其方法和时效性较国外落后，并且针对自动化云、天观测与常规要素的综合质量控制算法尚属空白。随着新型自动站的投入使用，结合自动化云、天观测与常规要素的综合质量控制算法的研究变得尤为重要。

[1] WMO.CIMO/OPAG-SURFACE/ET-ST＆MT-1/Doc.6.1(2)[R].Guidelines on Quality Control Procedures for Data from Automatic Weather Stations，2004.

[2] 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):119－203.

[3] J.Estéveza，P.Gavilánb，J.V.Giráldezc.guidelines on validation procedures for meteorological data from automatic weather stations[J].Journal of Hydrology ，2011:144－154.

[4] Roberto Chavez-Arroyo and Oliver Probst.Quality assurance of near-surface wind velocity measurements inMexico[J/OL].wileyonlinelibrary.com，2013，DOI:10.1002/met.1432.

[5] JINSHENG YOU AND KENNETH G.HUBBARD.Quality Control of Weather Data during Extreme Events[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2005，(23):184－197.

[6] MARK A，SHAFER，CHRISTOPHER A，FIEBRICH.Quality Assurance Procedures in theOklahoma Mesonetwork [J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2000:474－494.

[7] Steinacker Reinhold，Mayer Dieter，Steiner Andrea.Data Quality Control Based on Self-Consistency[J].Monthly Weather Review，2011，139(12):3974－3991.

[8] Daniel Y Graybeal，Arthur T DeGaetano，Keith L Eggleston.Complex Quality Assurance of Historical Hourly Surface Airways Meteorological Data[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2004，21(8):1156－1169.

[9] 王伯民.基本气象资料质量控制综合判别法的研究[J].应用气象学报，2004，(S1):50－59.

[10] 徐枝芳，陈小菊，王轶.新建地面气象自动站资料质量控制方法设计[J].气象科学，2013，33(1):26－36.

[11] 赵煌飞，任芝花，张强适用于全国气象自动站正点相对湿度资料的质量控制方法[J].气象科学，2011，31(6):687－693.

[12] 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.

[13] 任芝花，余予，邹凤玲，等.部分地面要素历史基础气象资料质量检测[J].应用气象学报，2012，23(6):739－747.

[14] 李伟，王柏林，李书严，等.自动气象站观测资料质量控制方法介绍[C].《仪器仪表学报》杂志社，2007:474－479.