雙套自動站數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

山東煙臺市氣象局　哈艷麗　黃本峰

雙套自動站數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

山東煙臺市氣象局哈艷麗黃本峰

目前各地臺站均逐步建成了雙套自動氣象站，以期增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性。本文以雙套站運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為研究對象，通過與極值表、差值表等進(jìn)行對比分析，利用編程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時誤差的監(jiān)控，同時提供了分析評估功能，為故障的早期發(fā)現(xiàn)、設(shè)備的運(yùn)行狀況以及后期的設(shè)備選型提供參考。

雙套自動站；觀測數(shù)據(jù)；對比分析系統(tǒng)

0　引言

自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分為設(shè)備運(yùn)行保障質(zhì)量和觀測值班質(zhì)量兩部分，設(shè)備運(yùn)行保障質(zhì)量又分為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行率、到報(bào)率、數(shù)據(jù)可用率。觀測數(shù)據(jù)的異常可以從時間和空間兩個方面進(jìn)行分析，當(dāng)前國家級雙套自動氣象站的運(yùn)行大大提升了我國地面氣象觀測的自動化和現(xiàn)代化水平，兩套自動氣象站同時運(yùn)行，互為補(bǔ)充，增強(qiáng)了觀測資料的準(zhǔn)確性、可靠性和完整性［1］，對此，趙寶義［2］等利用差值分析的方法在雙套站數(shù)據(jù)差異性方面做過分析與評估，楊波，張昆［3］在數(shù)據(jù)一致率、粗差率和超差率方面做過對比分析及評估，溫華陽［4］、白水成［5］等亦對雙套站的數(shù)據(jù)進(jìn)行過評估研究或誤差分析方面的研究。由于各地雙套自動站均建設(shè)于同一觀測場內(nèi)，能有效地解決了觀測數(shù)據(jù)空間性的問題，由此，在基本空間一致的情況下，如何發(fā)現(xiàn)同一時間兩組觀測數(shù)據(jù)之間的差異，并對差異及時警示顯得十分重要，也成為值班過程中能否第一時間發(fā)現(xiàn)記錄異常的關(guān)鍵一環(huán)。在數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)警方面鄭嶠［6］做過類似的研究，但其在極值的對比、后期綜合評價以及對多站的分析等方面未做進(jìn)一步探討。本文以山東煙臺市氣象部門為例，對其所屬的11個國家級氣象站配備的雙套站數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，從數(shù)據(jù)的獲取，極值、差值等閾值的對比、數(shù)據(jù)存儲、差異報(bào)警以及后續(xù)的分析評估等方面做了分析研究，對數(shù)據(jù)異常、儀器性能變化、傳感器運(yùn)行狀況等提供了進(jìn)一步的參考。

1　設(shè)計(jì)思路

目前，煙臺市各國家級氣象臺站所配雙套站分別是江蘇無線電科研所生產(chǎn)的DZZ4型新型站和北京華創(chuàng)生產(chǎn)的CAWS系列老站，兩套自動站同時運(yùn)行，通過不同的計(jì)算機(jī)和傳感器同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中傳感器均安裝在同一觀測場，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)安裝，采集形成相同數(shù)據(jù)格式文件。將雙套自動站采集后的實(shí)時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路，推送到處理服務(wù)器，在處理服務(wù)器端，通過與極值庫、差值庫比對，對發(fā)現(xiàn)的異常記錄直接寫入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)異常記錄，開展后續(xù)的工作，如實(shí)時報(bào)警、分析評估等，功能流程圖見表1。

2　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1數(shù)據(jù)文件的命名及結(jié)構(gòu)

目前雙套自動站數(shù)據(jù)以長Z文件的形式進(jìn)行傳輸，其文件名及結(jié)構(gòu)符合《地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)文件格式（V1.0）》的命名要求和存儲要求，長Z文件名的格式如下：

Z_SURF_I_IIiii_yyyyMMddhhmmss_O_AWS_FTM［-CCx］.txt

其文件內(nèi)容分為13段，我們選取其中的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、地溫、降水量等基本要素進(jìn)行監(jiān)控，詳細(xì)監(jiān)控項(xiàng)目見表1。

表1　監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)列表

2.1.2要素差值數(shù)據(jù)庫

要完成數(shù)據(jù)的比對就需要確定兩套自動站要素?cái)?shù)據(jù)的差異值。當(dāng)超過要素差值即作為一次異常值進(jìn)行處理。要素差值的采用的是自動站與人工站并軌運(yùn)行期間中國氣象局對兩套觀測數(shù)據(jù)提出的差異范圍，即：氣壓≥0.8hpa，氣溫≥1.0℃，風(fēng)速≥1.0m/s，過程降水量≥4%，地溫日極值≥2.0℃，淺層地溫≥1.5℃，深層地溫≥0.5℃，風(fēng)向≥22.5°（風(fēng)速＞0.2m/時），我們單獨(dú)將其存放到數(shù)據(jù)庫的表中，以便于自動比對操作。

2.1.3要素極值數(shù)據(jù)庫

在實(shí)際工作中，自動氣象站軟件給出了采樣時間的一致性檢查、瞬時值合理性檢查，以及各要素的氣候?qū)W界限值檢查等，但缺少對各要素值系統(tǒng)性偏差，例如要素值持續(xù)偏高或偏低的現(xiàn)象等的檢查，同時對要素的缺測異常等現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)不能第一時間明確示警，因此，我們在設(shè)計(jì)中，增加了本站要素極值比對監(jiān)控的功能，當(dāng)雙自動站有要素超出本站的歷史極值，也作為異常事件進(jìn)行記載。各要素的本站極值均取自本站歷史上出現(xiàn)的累年值。當(dāng)其中有一個站出現(xiàn)缺測，同樣給出提示。

2.2數(shù)據(jù)傳輸及解析處理

（1）數(shù)據(jù)的獲取。通過ftp方式在處理服務(wù)器上分別建立對應(yīng)的文件夾，同一個臺站文件夾的命名以“區(qū)站號_序號”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如煙臺站對應(yīng)的兩個文件夾為“54765_1”和“54765_2”，各站將實(shí)時的雙套站數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)文件夾下。

（2）數(shù)據(jù)的解析和處理。對各站傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，系統(tǒng)根據(jù)長Z文件結(jié)構(gòu)，首先依據(jù)標(biāo)記定位到各個數(shù)據(jù)段，根據(jù)表1所設(shè)定的所要監(jiān)控的項(xiàng)目，確定要監(jiān)控的數(shù)據(jù)。然后統(tǒng)計(jì)雙套站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對應(yīng)要素之間的差值，將差值與差值表進(jìn)行核對，若在差值允許范圍內(nèi)，則通過檢查，若達(dá)到或超出，則作為一條異常記錄進(jìn)行記載。另外，當(dāng)兩套自動站數(shù)據(jù)有達(dá)到或超過極值表中的設(shè)定值，則也作為一條異常記錄進(jìn)行記載。

（3）疑誤差數(shù)據(jù)的存儲。對監(jiān)控到超過差值閾值和極值閾值的數(shù)據(jù)，分別加標(biāo)志進(jìn)行區(qū)別。我們在數(shù)據(jù)庫中建立實(shí)時疑誤記錄表用以記錄每次的疑誤信息，其表結(jié)構(gòu)見表2。其中對疑誤信息的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)時間和人工響應(yīng)時間均進(jìn)行了存儲，便于日常管理。

表2　疑誤信息存儲表設(shè)計(jì)

2.3疑誤信息的分析及應(yīng)用

2.3.1實(shí)時報(bào)警

實(shí)時獲取各地自動站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)疑誤信息進(jìn)行提示。報(bào)警界面分三部分，第一部分是臺站參數(shù)，提供了本站的經(jīng)緯度、觀測要素?cái)?shù)、自動站型號、廠商等參數(shù)。第二部分顯示的是最后一條疑誤報(bào)警信息，當(dāng)次條報(bào)警信息未經(jīng)人工確認(rèn)，會顯示未處理狀態(tài)提示和立即處理按鈕，工作人員通過點(diǎn)擊按鈕即完成本次的人工響應(yīng)。第三部分是歷史疑誤報(bào)警信息，按時間順序逆序排列，見圖2。

圖2　實(shí)時報(bào)警功能界面

2.3.2分析評估

工作人員可以通過系統(tǒng)，快速查看各監(jiān)控要素的疑誤信息情況，使之能了解和掌握各要素疑誤的變化。同時可以定期比如以月為單位對各要素的疑誤信息進(jìn)行匯總，給出初步的評估結(jié)論，便于工作人員能了解設(shè)備更深層次的問題。

2.3.3極值表和差值表的參數(shù)修改

可通過系統(tǒng)功能，對本站的極值表和雙套站對比的差值表各參數(shù)進(jìn)行修改，以便于條件變化后，能按照新的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行。

3　小結(jié)

通過PHP編程以及數(shù)據(jù)庫等計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的雙套自動氣象站氣象要素對比分析系統(tǒng)，能夠更加方便的發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的差異，進(jìn)而通過報(bào)警提醒解決，成功的將記錄異常的早發(fā)現(xiàn)成為可能，同時通過對要素的分析評估，有利于直觀的發(fā)現(xiàn)傳感器的性能差異，進(jìn)而為傳感器的異常診斷提供依據(jù)，并最終達(dá)到觀測質(zhì)量提高的目的。系統(tǒng)在2016年5月開始在部分臺站測試運(yùn)行，取得了不錯的應(yīng)用效果。今后需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善，使其更加穩(wěn)定和可用。

［1］王剛，張曉峰，黃勇，等.雙套自動氣象站數(shù)據(jù)初步分析與評估［J］.城市建設(shè)理論研究，2012，2（26）：41-45.

［2］趙寶義，溫華洋，錢毅.安徽省雙套站數(shù)據(jù)差異性分析與評估［J］.氣象水文海洋儀器，2014（2）：112-114.

［3］楊波，張昆.寶坻雙套自動氣象站數(shù)據(jù)對比分析及評估［J］.氣象水文海洋儀器，2016（2）：19-21.

［4］溫華洋，徐光清，譚常春，張虎，等.雙套自動氣象站數(shù)據(jù)評估及其優(yōu)勢探討［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（12）：748-752.

［5］白水成，李社宏.雙套自動站地面溫度觀測數(shù)據(jù)差異分析［J］.氣象科技，2016，44（6）：354-362.

［6］鄭嶠.雙套站比對監(jiān)控軟件（TOMMA 2012 V1.0）的設(shè)計(jì)與使用［J］.第九屆長三角氣象科技論壇論文集，2012.

哈艷麗（1979—），女，山東蓬萊人，大學(xué)本科，工程師，主要從事大氣探測工作。

黃本峰（1975—），男，山東臨邑人，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事氣象服務(wù)工作。