高空气象数据审核中典型问题记录分析*

邱丽霞

(福建省气象信息中心，福建 福州 350008)

1 概述

高空气象观测是气象综合观测系统的重要组成部分，是气象预报、气候预测、气象服务、科学试验和相关行业业务的基础性技术支撑。目前世界高空气象观测站主要分为GCOS探空站、全球资料交换探空站、非全球资料交换探空站。全球常规高空气象观测网(气球携带探空仪观测)由约1600个探空站组成，其中有900个为全球资料交换站。我国业务化的高空气象站网已经成为世界高空气象观测网的重要组成部分，120个常规高空气象观测站定时施放探空气球或测风气球，通过其所携带的探测仪器探测高空气象要素值，并将获取的资料按世界气象组织规定的统一格式整理、编报、传输给有关部门，其中有87个站参加全球资料交换。为保证资料的准确性，对高空气象观测记录进行数据质量控制很有必要。

从我国目前高空观测资料的获取、数据传输、数据存储流程看，高空气象数据质量控制工作主要包括三个层次：一是观测系统和观测数据的质量控制，主要包括各种仪器的订正算法、感应元件校准等，在业务管理部门和探空仪生产工厂进行；二是高空观测过程中实时观测数据的质量控制，由台站高空业务值班人员在观测过程中完成；三是在资料入库前最后的质量控制，由省级对非实时高空气象数据进行审核。本文总结了在省级审核过程中出现较多的典型记录，并提出判别分析过程和处理方法。

2 早(迟)按放球键的观测记录

在高空观测过程中，由于主、副班之间沟通不畅，会造成放球时刻主班按下放球键与副班气球升空之间不同步，导致观测记录出现部分数据缺失(迟按放球键)或部分数据重叠(早按放球键)，出现这种问题常引起整份观测记录的系统误差。

2.1 实例分析

资料来源于福州探空站(站号58847)2019年12月31日01时单测风，气球施放时能见度5.4km，有轻雾；探测资料时长54min。

2.2 判别过程

这是58847站的一个单测风放球记录。从该份放球记录的球坐标曲线(图1)上看，符合单测风探测规律，曲线平滑，没有突变，是一份正常记录。

但是在查看放球后每秒球坐标数据时发现，气球施放后的1s，仰角即从0.00°上升到60.79°，方位角从97.00°转换到245.99°(表1)，这是不合理的。

图1 球坐标曲线

表1 放球后3s球坐标数据

由于这是一个单测风数据文件，没有气球升空后的压、温、湿数据和地面施放瞬间数据进行拟合比对，只能通过查询放球前的每秒球坐标数据来寻找雷达球坐标突变的原因。表2为调取该时次放球前5min的部分球坐标数据。

表2 放球前5min每秒球坐标数据查询(部分)

通过观察放球前5min的球坐标数据可以看出，从放球前32s(即数据列表的4′28″，为倒计时)开始，仰角上升，方位发生变化，高度递增，符合探空气球初升空的规律；同时，该组数据的最后一秒(即数据列表的4′59″)和放球后1s球坐标数据的衔接是契合的，如表3所示。

表3 按放球键前、后1s球坐标数据

基于此，判断该份单测风记录由于主、副班没有协调同步，导致气球升空后32s才按下放球键，属于迟按放球键问题。

2.3 解决方法

迟按放球键32s，相当于丢失了从地面1～32s的雷达球坐标数据，需对这32s的数据进行恢复。在数据处理软件的“数据辅助处理”菜单中选择“球坐标数据查询”状态，再选择“放球时间订正”“迟按了放球键32秒”，软件会将放球前32s的球坐标数据插入到放球后1s，其他数据顺延。恢复后的记录显示，量得风层、规定等压面、规定高度、风特性层的风向风速均产生了误差，主要是因时间错误而引起的系统误差。图2为恢复数据前后风特性层的风向、风速误差。

图2 恢复数据前后风特性层风向、风速误差

3 错误删除探空信号的观测记录

错误删除探空信号主要体现在实时观测中，值班员判断错误，把变化幅度较大的正常探空压温湿信号当成野值删除，因此造成气压、温度或湿度特性层结的缺失。

3.1 实例分析

资料来源于龙岩探空站(站号58927)2018年5月25日07时综合观测，气球施放时能见度10.3km，无天气现象；探测资料时长85min。

3.2 判别过程

通过“显示所有数据曲线”和“恢复为修改前数据”操作，可以看到探空信号的原始状态，图3显示的是58927站在该次施放气球过程中6′00″～8′30″之间的探空湿度信号原始曲线，图中画圈处显示，为了追求探空曲线的平滑，6′03″～6′10″、8′16″～8′27″之间的湿度信号被值班员删除了。

图3 探空湿度信号原始曲线

《高空气象观测业务规范》[1]规定，温、湿特性层为温度或湿度层结曲线的显著转折点，凡在U-lnP(相对湿度-对数气压)坐标上，湿度变化曲线与已选温、湿特性层间的相对湿度线性内插值超过15%者，则在差值最大处补选一温、湿特性层。

在该时次记录中，由于被删除的6′03″～6′10″之间的湿度最大值是64%，和前一特性层801hPa(56%)相比，小于15%，所以该段数据的删除对特性层没有影响；反之，被删除的8′16″～8′27″之间的湿度最小值是719hPa(27%)，和前一特性层801hPa(56%)相比，大于15%。所以，除了应该把719hPa处选取为特性层之外，还要在719hPa和前一特性层801hPa之间、719hPa和后一特性层644hPa之间的湿度差值最大处再选取一个特性层，分别为733hPa(49%)、716hPa(45%)。

3.3 解决方法

选中需要恢复数据的区域将之标记为蓝色，使用“恢复(一点或一段)数据有效”功能恢复8′16″～8′27″之间的探空数据并保存，重新生成高表-14。可以看到，恢复数据后的特性层增加了3层，正是因为不当操作而丢失的近地面3个温湿显著转折点(表4)。

表4 质控前、后的特性层数据对比

图4为质控前、后的特性层图形对比，图中画圈处较为直观地显示了新增3个特性层的选取情况。

(a)

(b)

4 其它典型问题的观测记录

在日常大量的审核工作中，还发现一些其他有代表性问题的观测记录，这些记录和气球施放时刻的天气状况异常与否无关，都是由于对高空观测规范理解不透彻或者粗心造成操作失误，主要表现为以下几大类型。

4.1 终止层选择不当

探空气球上升到达一定高度后球皮会膨胀破裂，这意味着此次探测过程的结束，需要确定该次高空探测终止层。台站在选择终止层上常会出现的错误是，把终止层确定在气压开始下降的那一刻，而不考虑温度和湿度的变化。一般来说，球炸之后由于重力的作用，探空仪带着破裂的球皮下降，这时气压会增大，温度和湿度也会发生跳变，应当综合这3个气象要素来确定球炸的那一点为终止层；如果从探空信号难以确定终止层，还可以参考测风球坐标数据中仰角和高度值，观察秒数据中仰角和高度下降的时间来综合判断。终止层选择是否正确将直接影响到探测高度，应当谨慎。

4.2 瞬间观测超出规定时间范围

《高空气象观测业务规范》规定，应在气球施放前后5分钟内进行施放瞬间压、温、湿、风、云状、云量、能见度和天气现象等气象要素的观测。在实际业务工作中，有的值班员会忽视该规定。例如，58847站在2017年11月8日19时的观测记录，审核发现气球施放瞬间湿度52%，而升空后第2秒湿度38%(未接收到第1秒数据)，差值达14%。为寻找造成湿度如此大误差的原因，省级审核查阅了当日19∶15前后的自动气象站湿度分钟数据，见表5。数据证明该时次的瞬间观测是在19∶09进行的，已经超出规定时间范围。经验表明，瞬间观测距离气球施放时间越近，则地面点和气球升空后的近地面数据拟合性越好，反之则误差越大，需严格按照规范要求执行。

表5 气球施放时自动气象站湿度分钟数据

4.3 变更放球点但未修改测站放球参数

在建设探空站时，一般会选取2～3个放球点，其中一个为固定放球点，其他为备选放球点。在常规高空探测中，需要根据气球施放时刻的气象因素(如大风、静风、雾、强对流天气等)和场地环境，选择一个便于雷达天线自动跟踪、不易丢球的位置。变更放球点，就意味着变更施放点方位、仰角和施放点距离，即参与

测风数据计算的原点发生了变化，需要把默认值修改为新的测站放球参数。以58847站2019年9月16日01时的观测记录为例，省级审核时通过“每秒球坐标数据查询”发现，地面0′00″和气球施放后0′01″的方位角分别为335.0°和96.8°，显然是变更了放球点但未修改测站放球参数。默认参数为施放点方位335°，仰角0°，施放点距离36m；实际参数为施放点方位97°，仰角0°，施放点距离42m。通过修改地面观测记录表恢复为正确的记录，发现规定高度300m、500m和规定等压面1000hpa的风向风速，以及第1～3层风特性层均受到了影响。

5 结束语

高空气象数据审核是高空资料入库及向国家气象信息中心上传资料前的最后一道质量控制关卡，是数据质量控制的一项重要内容。它是检查判断台站观测数据是否与规范标准相符合的过程，其目的在于检验观测数据，进而查找出可疑和错误的数据并对其进行修正。在这个过程中，工作人员要多检查、多思考、多核对，做好高空气象观测数据的格式检查、缺测检查、极值检查、完整性检查、一致性检验等，特别要防止系统误差、近地面层数据缺失等错误，以确保高空气象观测资料的完整性和准确性。