基于多源資料地面弱降水質量控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

銀笛

（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象信息中心 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051）

1 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，由東北向西南斜伸，呈狹長形，東西直線距離2400 多公里，南北直線距離1700 公里。近年來，隨著綜合氣象觀測現(xiàn)代化建設快速發(fā)展，內(nèi)蒙古目前建有119 個國家級地面氣象觀測站，2162 個區(qū)域站（包括交通站），實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)蘇木多要素自動氣象站全覆蓋，降水觀測主要以雨量筒為主。

降水自動觀測資料是準確反映實時降水量的重要依據(jù)，傳統(tǒng)的地面自動站觀測降水量數(shù)據(jù)質量控制方法主要是自動觀測站界限值和范圍值檢查、要素間的時間一致性與站點間的空間一致性檢查。由于無人站和區(qū)域站建站時間較短，沒形成長時間序列的觀測產(chǎn)品，無法利用臺站界限值和范圍值、時間一致性方法對無人站、區(qū)域站數(shù)據(jù)進行質量控制。同時內(nèi)蒙古橫跨中國東北、華北、西北三大地區(qū)，觀測站總體空間分布不均勻，自動氣象站平均間距25.3 公里，阿拉善盟、錫林郭勒盟等地廣人稀且地形間距50km 以上，無法利用常規(guī)空間一致性方法對無人站、區(qū)域站數(shù)據(jù)進行質量控制。因此，現(xiàn)用的質量控制方法在對無人站和區(qū)域站降水量要素數(shù)據(jù)進行質量控制判斷時，無法判別觀測降水量是否準確。多數(shù)據(jù)區(qū)域站和區(qū)域站安裝點遠離有人觀測站，儀器維護不能頻繁進行。翻斗式雨量計在大雨情況下由于翻斗來不及翻動造成雨量流失而使得觀測值有較大誤差；樹葉污泥等遮擋、雜物堵塞、人為澆水、破壞以及維護不當?shù)纫蛩鼐梢栽斐捎炅繙y量的誤差等等情況，都無法通過人工或自動判別降水的真實性，因此需要引入其它種類觀測資料輔助現(xiàn)有的質量控制系統(tǒng)實現(xiàn)對無人站、區(qū)域站數(shù)據(jù)進行自動質量控制。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設計

多源資料實時質控地面弱降水系統(tǒng)分為如下四個子系統(tǒng)：常規(guī)質控子系統(tǒng)、雷達輔助質控子系統(tǒng)、衛(wèi)星輔助質控子系統(tǒng)和展示結果與分析，總體框架如圖1 所示。

2.2 常規(guī)質控系統(tǒng)

常規(guī)質控系統(tǒng)為目前正在業(yè)務運行的質控系統(tǒng)，主要采用氣候學界限值以及站點間的時空相關性對自動站進行質量控制，該模塊主要實現(xiàn)獲取地面觀測站降水量和質控碼，為下一步與雷達和衛(wèi)星資料融合提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 雷達輔助質控系統(tǒng)

圖1：總體框架

雷達輔助質控系統(tǒng)包括兩個部分：雷達資料預處理模塊和雷達資料輔助降水質控模塊。其中雷達資料預處理模塊通過定時任務每個時次的45 分下載國家信息中心推送的雷達PQE 產(chǎn)品，并在本地服務器備份。下載過程中，程序會自動識別當前資料是否下載完整、是否已經(jīng)在本地存儲，大大節(jié)省了資源和時效。雷達資料輔助降水質控模塊解析PQE 產(chǎn)品，依據(jù)雷達質量控制算法，融合自動站降水數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的閾值范圍對自動站進行質量控制，將質控結果存儲在數(shù)據(jù)庫中，流程如圖2 所示。

2.4 衛(wèi)星輔助質控系統(tǒng)

衛(wèi)星輔助質控系統(tǒng)包括二個部分：衛(wèi)星資料預處理模塊和衛(wèi)星資料輔助降水質控模塊。其中衛(wèi)星資料預處理模塊首先根據(jù)臺站信息表的站點經(jīng)緯度信息找出與之相對應區(qū)域的9 個點在云分類產(chǎn)品數(shù)組中對應的數(shù)組下標，生成衛(wèi)星信息匹配表，此匹配表只需要在衛(wèi)星數(shù)據(jù)有變化的時候生成一次即可，然后通過定時任務每個時次的45 分下載國家信息中心推送的風云2E、2G 云分類產(chǎn)品。衛(wèi)星資料輔助降水質控模塊結合預處理生成的匹配文件，解析云分類產(chǎn)品，獲得每個站點對應區(qū)域9 個點的云量信息，根據(jù)所制定的質控策略，計算質控結果并存儲在數(shù)據(jù)庫中，流程如圖3 所示。

2.5 展示結果與分析

由于系統(tǒng)整個處理流程均基于Linux 系統(tǒng)，采用Python 腳本和java 語言開發(fā)，程序運行也都是通過后臺調(diào)度定時運算，為了提高用戶體驗，基于B/S 架構開發(fā)了可視化頁面展示質量控制信息結果，用戶可以在頁面很直觀的獲取到臺站降水信息、常規(guī)質控碼、雷達衛(wèi)星質控碼和質控事件，直觀的反映臺站小時弱降水數(shù)據(jù)質量控制結果，展示頁面。

圖2：雷達輔助質控子系統(tǒng)

圖3：衛(wèi)星輔助質控子系統(tǒng)

圖4

3 結語

通過本系統(tǒng)建設，實現(xiàn)了雷達、衛(wèi)星資料輔助質控自動對內(nèi)蒙古地區(qū)地面觀測降水數(shù)據(jù)質量控制，提高了業(yè)務人員對地面降水數(shù)據(jù)的質控效率。通過引入弱降水數(shù)據(jù)質量控制方法，與常規(guī)數(shù)據(jù)質量控制系統(tǒng)在日常對降水要素的質量控制中，約99.78%的數(shù)據(jù)經(jīng)本系統(tǒng)直接判定為正確數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可疑率為0.22%。即與常規(guī)數(shù)據(jù)按質量控制相比較，1974 條數(shù)據(jù)可以不用人工干預直接可以判定為正確數(shù)據(jù)，可疑數(shù)據(jù)人工干預處理量降低0.17%；212 條錯誤數(shù)據(jù)不用人工干預直接可以判定為正確數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)業(yè)務質量控制系統(tǒng)比較，錯誤數(shù)據(jù)人工干預處理量降低0.02%。