天津市信息化地面氣候資料質(zhì)量評(píng)估

任建玲，徐 梅

(天津市氣象信息中心 天津300074)

0 引 言

地面氣象觀測(cè)資料是研究區(qū)域乃至全球氣候變化與預(yù)測(cè)、天氣動(dòng)力分析、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式研究、資料同化的基礎(chǔ)，是雷達(dá)與衛(wèi)星定標(biāo)、水文設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)決策的重要依據(jù)[1]。在2004 年自動(dòng)觀測(cè)儀器使用前多以紙質(zhì)記錄為主，1979 年按照中央氣象局業(yè)務(wù)管理處下發(fā)的《全國(guó)基本站地面氣象資料信息化基本模式暫行規(guī)定》，天津市氣象局氣候資料室(信息中心前身)啟動(dòng)了地面氣候資料信息化工作。氣候資料的信息化工作，就是把氣象臺(tái)站觀測(cè)的各類原始?xì)庀笥涗?，?jīng)過(guò)人工輸入微機(jī)處理，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收和處理的信息[2]。初期是使用紙帶穿孔方法對(duì)紙質(zhì)地面氣象觀測(cè)記錄月報(bào)表進(jìn)行信息錄入操作，用手工打鍵的方法，把手工記載的氣象資料變成電子計(jì)算機(jī)能接收識(shí)別的信息，記入紙帶、卡片、磁帶或膠片等信息載體[3]，將資料進(jìn)行紙帶穿孔后利用光電機(jī)進(jìn)行復(fù)查，后用DJS-6-108 機(jī)進(jìn)行邏輯檢查。1985 年9 月國(guó)家氣象局配備了CCS400 型微機(jī)，從此氣候資料信息化工作全部轉(zhuǎn)入CCS400 型微機(jī)上；1989 年底完成了天津市全部臺(tái)站歷史氣候資料的信息化任務(wù)，形成了A0 模式數(shù)據(jù)文件；1990 年底又完成了全部信息化資料的標(biāo)準(zhǔn)處理和信息載體的轉(zhuǎn)換工作。A0 文件作為重要的信息化氣候資料為之后的氣象事業(yè)發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源[3]。

1987 年配置了電子計(jì)算機(jī)后，開(kāi)始用計(jì)算機(jī)審核、修改和打印氣象觀測(cè)報(bào)表。1997 年全市所有臺(tái)站的資料均由臺(tái)站直接將地面資料信息化處理后以D文件的形式上傳到市氣象局，全部機(jī)審和制作機(jī)制報(bào)表。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，氣象資料的傳輸方式發(fā)生了根本變化，由以前的人工報(bào)送或郵寄紙質(zhì)報(bào)表，改變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸，1999 年國(guó)家氣象局規(guī)定停止報(bào)送紙質(zhì)報(bào)表，只報(bào)送經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2005 年開(kāi)始，天津市所有臺(tái)站改為自動(dòng)氣象站，大部分觀測(cè)項(xiàng)目實(shí)行自動(dòng)儀器觀測(cè)。由于歷史地面信息化資料時(shí)間跨度大，地面氣象觀測(cè)規(guī)范也做過(guò)多次修改，數(shù)據(jù)格式(特別是信息化數(shù)據(jù)格式)變動(dòng)非常大，信息化工作參與人員眾多等因素或多或少影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估意義非常重大。

1 評(píng)估目的

通過(guò)對(duì)天津市信息化地面氣候資料的評(píng)估，達(dá)到以下目的：

①為其他各類觀測(cè)資料的信息化工作提供參考，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)吸取教訓(xùn)，以便進(jìn)一步提高資料信息化質(zhì)量。

②讓信息化氣候資料數(shù)據(jù)的使用用戶了解各個(gè)觀測(cè)要素疑誤發(fā)生的頻次、時(shí)間分布、空間分布，以便他們使用數(shù)據(jù)時(shí)，有一個(gè)全局和客觀定量的把握。

③了解地面氣候資料整體質(zhì)量狀況、疑誤數(shù)據(jù)類別和原因，避免類似錯(cuò)誤再次發(fā)生，為確定進(jìn)一步質(zhì)量控制工作的重點(diǎn)和方法、為數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)等后續(xù)工作提供依據(jù)。

2 評(píng)估資料

本次評(píng)估主要針對(duì)信息化地面月報(bào)數(shù)據(jù)文件(A文件)進(jìn)行評(píng)估，包括：

①疑誤數(shù)據(jù)時(shí)間分布；

②疑誤數(shù)據(jù)空間分布；

③疑誤數(shù)據(jù)要素分布；

④疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因分析。

評(píng)估項(xiàng)目：新版本A 文件中所有要素。

資料時(shí)段：1951—2004年(自動(dòng)站正式使用之前)。

評(píng)估臺(tái)站：2 個(gè)國(guó)家基本站，11 個(gè)國(guó)家一般站。

使用資料：天津13 個(gè)地面站建站至2004 年共6 718 個(gè)A0 文件；天津2 個(gè)基本地面站1951—2004 年共1 296 個(gè)A6 文件。

3 評(píng)估方法

采用中國(guó)氣象局下發(fā)的省級(jí)質(zhì)量控制軟件對(duì)天津市13 個(gè)地面觀測(cè)站1951—2004 年共6 718 個(gè)A文件進(jìn)行質(zhì)量檢查，A 文件是由信息化產(chǎn)生的A0 文件和A6 文件合成轉(zhuǎn)換生成的，經(jīng)省級(jí)質(zhì)量控制軟件質(zhì)量控制，形成帶質(zhì)量控制碼的A 文件，并同時(shí)得到各月質(zhì)檢結(jié)果提示文件AIIiiiyyyymm_Check.txt(其中IIiii 為區(qū)站號(hào)，yyyy 為年份，mm 為月份)，再利用“A 文件質(zhì)檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)軟件”-Project_Count.exe，對(duì)質(zhì)檢結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出文件：ErrTXT.txt、ErrYaosu.txt 和ErrYear.txt。其中ErrTXT.txt 是經(jīng)整理確認(rèn)后的全部“錯(cuò)誤”“可疑”和“提示”內(nèi)容文本文件；ErrYaosu.txt 是按要素統(tǒng)計(jì)的“錯(cuò)誤”“可疑”和“提示”內(nèi)容文本文件；ErrYear.txt 是各要素按年份統(tǒng)計(jì)的“錯(cuò)誤”“可疑”和“提示”內(nèi)容文本文件。

評(píng)估公式：

4 評(píng)估結(jié)果分析

4.1 疑誤數(shù)據(jù)空間分布

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，天津市13 個(gè)觀測(cè)站的地面資料均有疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生。薊州、城市氣候監(jiān)測(cè)站(市區(qū))出現(xiàn)的疑誤數(shù)據(jù)明顯多于其他臺(tái)站，而大港和東麗站出現(xiàn)的疑誤數(shù)據(jù)相對(duì)較少。其中市區(qū)為687 個(gè)，是天津地區(qū)出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)最多的臺(tái)站，占全部疑誤個(gè)數(shù)的17.3%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果與觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短和數(shù)據(jù)量多少有一定的關(guān)系。

圖1 疑誤數(shù)據(jù)年際分布圖Fig.1 Interannual distribution of suspected and incorrect data

4.2 疑誤數(shù)據(jù)年際分布

圖1 給出天津市疑誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的年際分布圖。如圖所示，1951—2004 年各氣象要素的疑誤個(gè)數(shù)基本呈現(xiàn)雙峰分布，20 世紀(jì)70 年代至80 年代前期以及80 年代中后期為疑誤數(shù)據(jù)的集中分布區(qū)，2000 年以后銳減。從年際變化來(lái)看，1951、1953 年沒(méi)有出現(xiàn)疑誤數(shù)據(jù)，1987 年疑誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)最多，為220 個(gè)。

4.3 疑誤數(shù)據(jù)月際分布

從疑誤數(shù)據(jù)的逐月分布來(lái)看(圖2)，春、秋季月份出現(xiàn)的疑誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)較少，而夏、冬季月份出現(xiàn)相對(duì)較多。其中，7 月份出現(xiàn)526 個(gè)疑誤數(shù)據(jù)，是全年中最多的月份，4 月份出現(xiàn)的最少，僅為170 個(gè)。

圖2 疑誤數(shù)據(jù)月際分布圖Fig.2 Monthly distribution of suspected and incorrect data

4.4 疑誤數(shù)據(jù)要素分布

本次評(píng)估的氣象要素依次為：氣溫、降水、氣壓、濕球溫度、水汽壓、相對(duì)濕度、云量云狀、能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象、蒸發(fā)量、積雪、風(fēng)、地溫、凍土深度、自記風(fēng)、自記降水量、10 分鐘平均風(fēng)、日照。

其中：氣溫資料出現(xiàn)24 條疑誤，占總疑誤數(shù)的0.60%；降水資料出現(xiàn)539 條疑誤，占總疑誤數(shù)的13.56%；氣壓出現(xiàn)21 條疑誤，占總疑誤數(shù)的0.53%；濕球溫度資料出現(xiàn) 109 條疑誤，占總疑誤數(shù)的2.74%；相對(duì)濕度資料出現(xiàn)疑誤195 條，占總疑誤數(shù)的4.91%；云量云狀資料出現(xiàn)疑誤173 條，占總疑誤數(shù)的4.35%；能見(jiàn)度資料出現(xiàn)疑誤47 條，占總疑誤數(shù)的1.18%；天氣現(xiàn)象出現(xiàn)疑誤2 607 條，占總疑誤數(shù)的65.60%；蒸發(fā)量出現(xiàn)疑誤5 條，占總疑誤數(shù)的0.12%；雪深雪壓資料出現(xiàn)疑誤35 條，占總疑誤數(shù)的0.88%；風(fēng)速資料出現(xiàn)疑誤 36 條，占總疑誤數(shù)的0.90%；地溫資料出現(xiàn)疑誤158 條，占總疑誤數(shù)的3.97%；凍土深度資料出現(xiàn)疑誤23 條，占總疑誤數(shù)的0.58%；日照時(shí)數(shù)資料出現(xiàn)疑誤2 條，占總疑誤數(shù)的0.05%。其他要素質(zhì)量正確，沒(méi)有疑誤。具體見(jiàn)圖3。

以疑誤信息出現(xiàn)最多的要素天氣現(xiàn)象為例，疑誤產(chǎn)生原因包括：天氣現(xiàn)象終止時(shí)間小于開(kāi)始時(shí)間，終止時(shí)間輸入錯(cuò)誤；天氣現(xiàn)象代碼記錄重復(fù)，降水現(xiàn)象代碼及時(shí)間重復(fù)輸入；天氣現(xiàn)象時(shí)間格式錯(cuò)，輸入降水現(xiàn)象時(shí)間間斷出現(xiàn)沒(méi)用“′”分隔；天氣現(xiàn)象較多占行時(shí)，遇逗號(hào)程序不認(rèn)提出錯(cuò)誤；降水現(xiàn)象轉(zhuǎn)換時(shí)連接記載，程序提出錯(cuò)誤等。其他要素出現(xiàn)疑誤信息的原因包括：數(shù)據(jù)人工錄入錯(cuò)、要素方位有誤、天氣現(xiàn)象與記錄矛盾、錄入錯(cuò)、漏錄天氣現(xiàn)象符號(hào)等。

圖3 各要素疑誤數(shù)據(jù)占比分布圖Fig.3 Distribution chart of proportion of suspected and incorrect data of each element

4.5 疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因分析

按疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的方式可以分為4 種。

觀測(cè)錯(cuò)誤：地面氣象觀測(cè)記錄簿上的數(shù)據(jù)有誤，這可能是觀測(cè)員的觀測(cè)錯(cuò)誤或記錄錯(cuò)誤。

報(bào)表數(shù)據(jù)錯(cuò)誤：信息化地面氣候數(shù)據(jù)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于地面氣象記錄月報(bào)表(即氣表-1)，而氣表-1的數(shù)據(jù)來(lái)源于地面氣象觀測(cè)記錄簿，如果氣象臺(tái)站觀測(cè)員在制作氣表-1 時(shí)，數(shù)據(jù)抄錄錯(cuò)誤，將導(dǎo)致最終信息化的A 文件有誤。

信息化過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤：這類錯(cuò)誤是指在人工錄入A0 文件時(shí)，由于人為疏忽等原因產(chǎn)生的錯(cuò)誤，如將觀測(cè)的氣溫33.3 錄入為30.3。

其他錯(cuò)誤：數(shù)據(jù)不符合數(shù)據(jù)文件格式要求；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理軟件對(duì)于不同觀測(cè)規(guī)范的處理方法不同導(dǎo)致提示疑誤信息；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理軟件本身的Bug 所引起的等。

5 結(jié) 論

總體來(lái)看，信息化地面氣候資料A0 文件質(zhì)量可靠，由A0 轉(zhuǎn)換的A 文件由于種種原因出現(xiàn)的疑誤信息較多，主要集中在天氣現(xiàn)象、云、能見(jiàn)度這3 個(gè)要素。其他氣象要素是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及通過(guò)檢定部門檢測(cè)的儀器進(jìn)行觀測(cè)記錄，數(shù)據(jù)質(zhì)量是可靠的。從2020 年4 月1 日開(kāi)始，地面氣象觀測(cè)邁入全面自動(dòng)化時(shí)代，有效消除了人為觀測(cè)造成的誤差，也有效控制了天氣現(xiàn)象、云、能見(jiàn)度這3 個(gè)要素的疑誤信息。綜合所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果，天津市13 個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象臺(tái)站的平均單站月疑誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為0.57 個(gè)，疑誤數(shù)據(jù)率為0.043‰。