1、浅淡自动气象站数据质量控制的误差与方法摘要：在观测台站根据正点要素的特点，利用气候极值范围检查、内部一致性检查、时间一致性检查、对自动气象站的正点资料进行质量控制。本文以单站质量控制为例,阐述了自动气象站的观测资料的四层质量控制流程,并对误差类型进行了简单的归类。 关键词：自动气象站；质量控制；检验方法；误差 Abstract: In the observation stations according to the characteristics of the time factor, the climate extreme range check, internal consistency
2、 check, time consistency check, the automatic weather station on data quality control. Based on single station quality control as an example, describes the observation data of automatic weather station of the four layers of quality control process, and the error types are simple classification. Key
3、words: automatic weather station; quality control; test method; error 中图分类号：P415.1+2 自动气象站数据质量控制主要根据气象学、天气学、气候学原理，以气象要素的时间、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。质量检查的主要目的是检测数据的有效性，并做到对错误资料及时纠正。气象观测资料质量控制的重要性已经为所有使用气象资料的科学家所公认。气象观测资料是气象业务和气象研究的基础资源，各种数据序列的质量直接影响着气象业务和气象研究的应用效果、准确性和可靠性。 1观测台站误差类型 观测台站气象数据误
4、差主要有 3 种：1）粗大误差：主要由自动站观测仪器异常及在数据编码、处理、传输、存储及解码等业务流程中产生的误差；2）随机误差：在相同条件下对同一被测量进行多次测量，由于受到大量微小随机因素影响，测量误差大小和符号没有一定规律，且无法估计，即为随机误差。随机误差是无法避免的，其总体服从正态分布。3）微气象误差：由小尺度天气系统扰动引起，由于观测系统时空分辨率原因，这些天气系统一般不会被完全观测到，但当观测到这种天气系统时，其观测数据就可能误判为异常数据。 2基本的质量控制流程 自动站观测资料的有效性检验应该出现在数据进入业务应用之前。 基本的质量控制主要设计成消除异常的错误信息,从而保存有效
5、地传感信息。 在现代化的数据自动数据采集系统,根据测量数据的高采样率和可能产生的噪音,需要系统检查样本数据和即时数据 （一般指一分钟数据） 。基本质量控制应该贯穿于整个原数据进入到气象应用的每个阶段。 质量控制的范围在很大程度上依赖于自动站自身的探测范围和能力。 在完成以上质量控制后,自动气象站将测量值传输到计算机主站。 在计算机地面自动气象站业务系统软件中,还将开展进一步的质量控制,根据本站的长期气候资料统计值,在业务软件中设定气候观测阈值,如果测量值超过气候阈值,则标定为可疑值。根据质量控制的一般规律,质量控制可以分为 4 层 （图 1） 。 第一层:主要是由观测站点的各项要素决定,包括站
6、点海拔高度、 仪器的安装、数据收集和传输系统、 质量控制方法以及自我诊断系统。 第二层:通过实时监测系统执行在线实时数据检查,包括观测值范围和极值检测、 内部一致性检查、 时间连续性检查。 第三层:非实时质量控制,主要执行在实时质量控制之后,主要指与周边站点进行比较的空间连续性检查,可以使用统计分析和内插方法进行质量控制检验。 第四层:人工质量控制。 人工质量控制其实出现在质量控制的各个层面,在各个层进行人工检验之后,最终由人工检查在前面几层所出现的可疑值。 图 1 质量控制流程图 3数据质量控制方法 在质量控制的各个层面,排除自动站本身所造成误差,一般质量控制检验主要可分为:时间连续性检验、
7、 空间连续性检验、 气候极值检验、 内部一致性检验、时间一致性检验等。 通过这些检验,从而使观察数据达到可使用的目的。 3.1 时间连续性检验方法 目的是检验观测值的时间变化率,剔除不真实的跳跃值。 这种检查最适合高时间分辨率的连续观测检验,根据采样率,通过检查相邻样本之间的相关性,确定当前样本的真实性。 在每一次测量完毕,当前的样本应该与前一个样本进行比较。 假如两个样本的差值超过指定的限制,可以标注当前样本缺失,而不进入所有样本值的平均计算。 3.2 空间连续性检验方法 在一定的空间范围通过各种方法估算期望值。 空间检验主要是与邻近站点的观测值比较,也可以通过多个不同站点观测值之间的插值进
8、行统计分析。 该检验包含某个单站同一时间的单个参数值,也可包括某个时间序列的多个观测值。 目前使用较多的空间一致性分析方法有空间插值方法、 空间回归检验法等。利用邻近气象站按四方位进行分组,然后将被检站的气象资料与各组分别进行比较分析,并根据大气规律进行判断。 在冷空气或雷暴等天气系统影响下,当气象资料的水平分布出现明显的不连续现象时,使用该方法可以降低误检率。 空间一直性检验方法一般是假设被检站与邻近站处于同一天气系统中。 但事实上,由于中小尺度天气的影响,经常会造成某一个站在某一时刻可能与邻近站不受同一天气系统影响,导致观测结果出现较大的差异。 所以在实际业务中,对于相邻站点观测值所出现的
9、较大差异,一方面要根据历史气候资料和地形特点,检验观测资料的可用性和真实性;另外一方面,要结合观测时候的天气形势,判断误差是否是由于中小尺度天气系统造成的。 在日常的业务工作中,各个观测要素均有可能由于天气系统的原因造成较大的误差。 对于温度、风向风速等要素,可以通过检验天气形势。 3.3 气候极值范围检验方法 气象资料进行气候极值检查前一般要经过界限和要素允许值范围检查，考虑到正点资料时效性，将气候极值检查和界限值结合在一起进行，即气候极值范围检查。 3.4 内部一致性检验方法 在进行单个气象要素观测质量控制的基础上,可以根据气象要素之间的逻辑关系进行内部一致性检查,确认测量值的合理性。 该
10、检验一般包括某个单站所观测的 2 个或更多不同参数的逻辑关系比较。 例如假如地面温度超过 10,而当时的天气现象为下雪,可以肯定温度观测值是错误的。 3.5 时间一致性检验方法 观测要素中的有些数据与时间具有良好的一致性，将此类数据与其时间上前、后的测值相比较，来判断其数据是否发生异常。要素时间变化检查主要是根据要素在某一时段内可能变化范围判断该要素值质量。通过对台站历史资料分析，建立各要素 1h 时变检查上下界值如表 1,对数据进行 1h 要素时间变化检查,设置相应质量控制码。 表 1 各要素 1h 时变检查上下界值 4结束语 本文初步分析了自动站资料可能的误差原因,并在此基础上介绍了一个基
11、本的四层质量控制流程。 在观测资料质量控制的各个层面,排除自动站本身所造成误差,一般质量控制检验主要可分为:时间连续性检验、 空间连续性检验、 气候极值检验、内部一致性检验、时间一致性检验。 通过对各种检验的分析可知:质量控制应该贯穿在整个数据采集到可用的气象参数等整个过程。 在数据转换过程,应尽可能减少由于转换过程或者计算本身所造成的误差。 各种质量控制检验方法应互为补充,并贯穿在整个四层质量控制流程是提高质量控制标准的关键。 参考文献： 1何志军,封秀燕,何利德,等.气象观测资料的四方位空间一致性检验J气象,2010,36 （5）. 2 王海军,杨志彪,杨代才,等.自动气象站实时资料自动质量控制方法及应用J 气象,2007,33 （10）.
