地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)缺測原因與處理措施分析

摘 要：地面自動氣象觀測站在提供高時空分辨率的氣象數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著重要作用，這些數(shù)據(jù)對天氣預(yù)報、氣候監(jiān)測和環(huán)境評估至關(guān)重要。而在實際操作中，數(shù)據(jù)缺測現(xiàn)象時有發(fā)生，影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量和后續(xù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性?；诖耍诜治龅孛孀詣託庀笥^測數(shù)據(jù)缺測原因的基礎(chǔ)上，探討了異常觀測數(shù)據(jù)的判斷方法，針對性地提出了氣象觀測數(shù)據(jù)缺測的處理措施，以期提高地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：氣象觀測；數(shù)據(jù)缺測；處理措施

中圖分類號：P415.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

隨著社會對精確氣象信息需求的增長，地面自動氣象觀測站扮演著越來越重要的角色。其能夠提供連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)，對天氣模型初始化、氣候變化研究和災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)至關(guān)重要，是氣象部門開展氣象服務(wù)、氣候分析、天氣預(yù)報和研究氣象科學(xué)的基礎(chǔ)[1]。而在選擇自動化觀測儀器設(shè)備開展地面氣象測報時，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測的情況，影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且難以保障數(shù)據(jù)的安全性和完整性。觀測人員應(yīng)準(zhǔn)確分析研究數(shù)據(jù)缺測處理的方法，并給予有針對性的解決辦法，以短時間內(nèi)解決數(shù)據(jù)缺測方面的問題，不斷提高地面自動氣象觀測質(zhì)量，從而提升地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)的可靠性，為氣象學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域提供堅實的數(shù)據(jù)支持[2]。

1 地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)缺測的原因

1.1 計算機(jī)病毒攻擊

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，地面自動氣象觀測系統(tǒng)越來越依賴于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理。然而，這也使得系統(tǒng)面臨來自計算機(jī)病毒攻擊的威脅。計算機(jī)病毒攻擊可能導(dǎo)致地面自動氣象觀測系統(tǒng)的計算機(jī)感染病毒，從而引發(fā)數(shù)據(jù)缺測的情況。病毒也能破壞系統(tǒng)文件，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)文件丟失，或使采集軟件和感應(yīng)軟件出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，使得原始數(shù)據(jù)無法自動下載[3]。

1.2 臺站選址

臺站選址是影響地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)完整性的因素之一。不恰當(dāng)?shù)呐_站位置可能會導(dǎo)致觀測設(shè)備暴露于不利的環(huán)境中，增加數(shù)據(jù)缺測的風(fēng)險。若氣象站位于山谷、陡坡或其他地形復(fù)雜區(qū)域，則風(fēng)向和風(fēng)速的測量誤差可能會增大，同時降水量的觀測也可能因地形遮擋而失真；在城區(qū)或周邊地區(qū)建設(shè)氣象站，易受到城市化帶來的熱島效應(yīng)影響，導(dǎo)致氣溫、濕度等氣象要素測量值與周邊鄉(xiāng)村或自然環(huán)境下的真實情況產(chǎn)生偏差，同時也可能由于建筑物遮擋造成太陽輻射和風(fēng)速數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；自動氣象站通常需要實時將觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，若選址地通信條件差（如偏遠(yuǎn)山區(qū)、信號覆蓋盲區(qū)），則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法及時上傳的情況，進(jìn)而出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測[4]。

1.3 人為誤操作

工作人員在安裝、調(diào)試或維護(hù)自動氣象站設(shè)備時，可能由于不熟悉操作規(guī)程或操作失誤，導(dǎo)致設(shè)備設(shè)置錯誤、傳感器位置擺放不當(dāng)、參數(shù)配置不合理等，從而影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性甚至造成數(shù)據(jù)無法正常采集；在對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲和上傳過程中，人工操作可能出現(xiàn)誤刪除、誤錄入、文件格式轉(zhuǎn)換錯誤等問題，直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或損壞；未能按照規(guī)定的時間表對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)、清潔和檢查，導(dǎo)致儀器性能下降、故障頻發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺測現(xiàn)象。例如，未及時更換失效的電池、清理傳感器上的塵?；虮┑?，都可能干擾數(shù)據(jù)的正常獲取。

1.4 軟、硬件故障及電磁干擾

軟件故障可能導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)在記錄、傳輸或處理方面出現(xiàn)問題。例如，觀測軟件中的錯誤或漏洞可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄不完整或格式錯誤。軟件的兼容性問題或與其他系統(tǒng)的沖突也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測。硬件故障是另一個導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測的重要原因。傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電源等關(guān)鍵硬件組件的故障都可能影響數(shù)據(jù)的正常采集和傳輸。例如，傳感器因老化、損壞或安裝不當(dāng)而無法準(zhǔn)確測量氣象要素，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測。電磁干擾是指來自外部環(huán)境的電磁波對觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，其可能導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差或丟失。例如，雷電、無線電信號、高壓電線等都可能產(chǎn)生電磁干擾，影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.5 備份方法不合理

觀測數(shù)據(jù)需要定期備份，以確保在數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題時能夠及時恢復(fù)。若備份不及時，則在數(shù)據(jù)發(fā)生缺測時，可能沒有足夠的備份數(shù)據(jù)可供恢復(fù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；備份周期的設(shè)置應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性和變化頻率調(diào)整。若備份周期過長，則在數(shù)據(jù)發(fā)生變化或損壞時，可能無法及時捕獲到最新的數(shù)據(jù)狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)恢復(fù)不完整或無法恢復(fù)；備份存儲介質(zhì)的選擇應(yīng)考慮到數(shù)據(jù)的可靠性、安全性和可訪問性。若選擇的存儲介質(zhì)不穩(wěn)定、易損壞或不可讀，則備份數(shù)據(jù)可能無法被正確讀取或恢復(fù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測[5]。

1.6 軟件故障

（1）Bug導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失：在地面自動氣象觀測系統(tǒng)的軟件中，若存在bug，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄得不完整或丟失。（2）異常數(shù)據(jù)記錄：軟件故障可能會導(dǎo)致系統(tǒng)記錄異常數(shù)據(jù)，這些異常數(shù)據(jù)可能無法被正確處理，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到影響。例如，溫度計數(shù)值異常波動、氣壓計數(shù)值異常偏離等情況都可能源于軟件故障。（3）數(shù)據(jù)處理錯誤：地面自動氣象觀測系統(tǒng)的軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸?shù)裙δ?，若軟件出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理錯誤，進(jìn)而影響最終的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。例如，數(shù)據(jù)存儲位置錯誤、數(shù)據(jù)傳輸格式錯誤等都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。（4）系統(tǒng)崩潰：嚴(yán)重的軟件故障可能導(dǎo)致整個地面自動氣象觀測系統(tǒng)崩潰，造成數(shù)據(jù)丟失和停止記錄。系統(tǒng)崩潰可能有多種原因，如內(nèi)存泄漏、程序邏輯錯誤等。（5）數(shù)據(jù)保護(hù)問題：軟件故障可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制失效，使數(shù)據(jù)容易遭受病毒攻擊、黑客入侵等威脅，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或被篡改。

2 異常觀測數(shù)據(jù)的判斷

2.1 結(jié)合常規(guī)界面來判斷異常數(shù)據(jù)

自動氣象站通常配備實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過該界面可以快速發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失或異常波動情況。監(jiān)控界面會顯示當(dāng)前及歷史觀測數(shù)據(jù)的時間序列圖，異常數(shù)據(jù)可能表現(xiàn)為突然的尖峰、谷底或長時間的數(shù)據(jù)空白；利用軟件工具統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，包括計算平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等基本統(tǒng)計量。通過對比實際觀測值與歷史同期或相鄰時段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，識別偏離正常范圍的觀測值。應(yīng)用箱線圖等可視化手段，直觀地找出離群點，即超出上下四分位數(shù)外的極端值。

2.2 結(jié)合曲線來判斷異常數(shù)據(jù)

（1）質(zhì)量控制軟件。預(yù)置的質(zhì)量控制算法會在接收到數(shù)據(jù)后立即執(zhí)行。在選擇該軟件判斷異常數(shù)據(jù)信息時，主要存在2個方面的弊端：一是不能將當(dāng)日RTD文件打開，否則很難確保分鐘數(shù)據(jù)的完整性水平；二是不能查看地溫曲線圖[6]。

（2）RTD圖形曲線。根據(jù)RTD圖形曲線顯示軟件判斷異常數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件存在一定弊端，為了抑制該弊端，在值班過程中可隨時將“RTD圖形曲線顯示軟件”打開，以檢查臺站內(nèi)逐日、逐時的氣壓、溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、地溫等不同氣象要素數(shù)據(jù)的變化曲線，結(jié)合曲線變化情況判斷觀測數(shù)據(jù)異常與否。RTD軟件通常會以不同顏色或樣式標(biāo)記出缺失的數(shù)據(jù)點。

（3）決策氣象服務(wù)網(wǎng)。本地決策氣象服務(wù)網(wǎng)通常會集成多個站點的觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)某一站點出現(xiàn)疑似異常數(shù)據(jù)時，可以通過與周邊其他站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。若同一時段內(nèi)周圍站點的數(shù)據(jù)均正常或變化趨勢一致，則可初步判斷該站可能存在異常觀測；利用服務(wù)網(wǎng)提供的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)分析功能，查看數(shù)據(jù)的時間序列是否具有良好的連續(xù)性和合理性。

（4）ASOM系統(tǒng)。ASOM系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收和處理各氣象站上傳的數(shù)據(jù)，并具備自動化監(jiān)測功能。一旦發(fā)現(xiàn)某個站點數(shù)據(jù)出現(xiàn)長時間無記錄（即數(shù)據(jù)缺測）或數(shù)據(jù)明顯偏離正常范圍（異常數(shù)據(jù)），系統(tǒng)會觸發(fā)報警機(jī)制，提醒相關(guān)運維人員進(jìn)行關(guān)注；利用ASOM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性監(jiān)控模塊，定期檢查各個氣象要素的觀測記錄是否完整，對于連續(xù)缺測時段，分析其可能的原因，如通信故障、儀器故障或供電中斷等，并指導(dǎo)運維人員及時排查修復(fù)；ASOM通常集成了多種統(tǒng)計和動態(tài)的質(zhì)量控制方法，如時間一致性檢驗、空間一致性檢驗、極值篩選、內(nèi)部一致性檢查等，這些算法可以有效識別出超出物理意義范圍的異常觀測值；當(dāng)某一站點數(shù)據(jù)可疑時，通過ASOM系統(tǒng)調(diào)取周邊其他氣象站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若同一區(qū)域內(nèi)的多個站點數(shù)據(jù)一致，則可初步判斷該站點可能存在觀測異?；蛟O(shè)備故障。

3 氣象觀測數(shù)據(jù)缺測的處理措施

3.1 降水量異常的分析處理

（1）若觀測區(qū)域內(nèi)未有降水天氣出現(xiàn)，但臺站記錄了非零降水量。需要檢查傳感器狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常，排除設(shè)備誤報的可能性。若設(shè)備無故障，考慮是否存在其他導(dǎo)致錯誤記錄的因素，如雨水回流、蒸發(fā)水汽凝結(jié)等非氣象性降水影響。若確認(rèn)為設(shè)備是因環(huán)境原因引起的誤報，則需修正異常數(shù)據(jù)，刪除錯誤的降水量記錄，并在相關(guān)報告中說明[7]。

（2）若在降水天氣結(jié)束后仍有降水量記錄，考慮是否存在降水延遲效應(yīng)，即實際降水已經(jīng)結(jié)束，但儀器內(nèi)部仍有殘留水分導(dǎo)致繼續(xù)記錄降水。檢查儀器的排水系統(tǒng)是否正常工作，確保沒有堵塞或泄露。此外，確認(rèn)儀器的時間設(shè)置是否正確，時間不同步也會導(dǎo)致記錄錯誤。若存在滯后降水量，需第一時間發(fā)現(xiàn)并采取科學(xué)有效的處理辦法，或在下一個正點前進(jìn)行處理，這些都被允許。

（3）若某時段內(nèi)臺站觀測到的降水量數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測，應(yīng)將規(guī)定記錄時間段內(nèi)的降水量根據(jù)缺測情況處理。例如，若臺站在7：34～8：19時出現(xiàn)了降水現(xiàn)象，而

降水記錄出現(xiàn)缺測，需要將該時間段內(nèi)的降水根據(jù)缺測處理，若影響對應(yīng)分鐘的降水量數(shù)據(jù)信息，需根據(jù)缺測情況處理。與此同時，將會對06：00～09：00的3 h累計降水量產(chǎn)生影響，在編報降水量時，需要將

06：00～09：00的降水量按照人工雨量筒觀測到的累計降水量輸入進(jìn)去。由于一般站夜間實行不守班制度，只能對20：00～08：00的累計降水量進(jìn)行觀測；而05：00

～09：00時降水量為人工雨量筒20：00～翌日09：00段累計降水量與20：00～翌日06：00自動氣象站觀測的累計降水量之差。在實際的氣象觀測工作中，由于降水量觀測時段不同，兩個數(shù)值相減時可能會有負(fù)值出現(xiàn)，此時需將其按照0.0 mm進(jìn)行處理。

（4）臺站有微量降水出現(xiàn)時，應(yīng)確認(rèn)儀器的靈敏度設(shè)置是否合適，過高的靈敏度會導(dǎo)致微量降水被記錄。設(shè)置合理的閾值，低于該閾值的降水量可以視為無降水或微量降水，不予以記錄。分析微量降水的記錄頻率和模式，判斷是否為常見現(xiàn)象還是儀器誤差。若微量降水恰好出現(xiàn)在雨量傳感器停用期間，在正點時刻應(yīng)在編報降水量中輸入00，而小時與分鐘降水量均為缺測時，不用修改降水量數(shù)據(jù)信息[8]。

3.2 氣候觀測、發(fā)報時次的自動觀測記錄缺測

為提高地面氣象天氣報告質(zhì)量和氣象上傳數(shù)據(jù)的及時性、準(zhǔn)確性和完整性水平，一旦發(fā)現(xiàn)氣候觀測、發(fā)報時次的自動觀測記錄出現(xiàn)缺測，應(yīng)及時啟動應(yīng)急措施，將地面自動氣象觀測項目選擇人工觀測和人工補(bǔ)測資料進(jìn)行替代。補(bǔ)測的時間需選擇在2：00、8：00、14：00、20：00及規(guī)定氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量等規(guī)定編發(fā)氣象觀測報告時次內(nèi)的記錄缺測，一般時次內(nèi)不進(jìn)行補(bǔ)測，可選擇人工觀測儀開展補(bǔ)測處理[9]。若地面氣象觀測輻射項目出現(xiàn)缺測或異常情況，可選擇毫伏表進(jìn)行人工補(bǔ)測工作。若在對應(yīng)時次內(nèi)拍發(fā)航危報發(fā)現(xiàn)地面觀測資料缺測或異常，可選擇人工航危報所需資料開展人工補(bǔ)測和發(fā)報。

針對正點地面氣象觀測數(shù)據(jù)缺測，在獲取非正點分鐘數(shù)據(jù)后，可優(yōu)先考慮選擇A文件中正點前后

10 min同正點接近的記錄進(jìn)行替代。具體操作方法是：若正點前10 min內(nèi)有數(shù)據(jù)信息，可以選擇同正點記錄接近的正點前10 min數(shù)據(jù)進(jìn)行替代；若正點前10 min的觀測數(shù)據(jù)缺測，則可以選用正點后10 min同正點記錄較為接近的數(shù)據(jù)替代，極值項和時累積值不在考慮范圍內(nèi)。

3.3 日極值缺測的處理

實際上，臺站一天內(nèi)觀測到的氣象要素種類較多。當(dāng)發(fā)現(xiàn)觀測到的相對濕度、風(fēng)速、地面溫度、草面溫度、氣溫、氣壓等觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測或極值異常的情況，若可以準(zhǔn)確判斷異常時間段內(nèi)未有日極值出現(xiàn)，可從其他正常時次的記錄中對當(dāng)天的日極值進(jìn)行挑

選[10]。如果確認(rèn)缺測，需要進(jìn)一步檢查缺測的原因，如儀器故障、數(shù)據(jù)記錄錯誤等。對于日極值缺測，可以考慮使用當(dāng)日其他時次的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)或估算。例如，若最高溫度缺測，可以嘗試使用當(dāng)日其他時次的最高溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。插補(bǔ)和估算的數(shù)據(jù)應(yīng)注明來源和估算方法，避免混淆和誤解。若自動觀測站附近有人工觀測站，可以考慮參考人工觀測站的日極值數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。但需要注意，人工觀測和自動觀測可能存在一定的差異，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚驼{(diào)整?？梢允褂脷v史同期的日極值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和參考，了解當(dāng)前缺測數(shù)據(jù)可能的大致范圍。但需要注意的是，歷史數(shù)據(jù)可能受到不同氣候條件和其他因素的影響。

4 結(jié)論

地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)缺測是一個需要持續(xù)關(guān)注和處理的問題。通過地面自動氣象站的廣泛使用，在減輕測報人員工作強(qiáng)度的同時，還為氣象事業(yè)提供了便利，而觀測數(shù)據(jù)缺測則阻礙了觀測工作的順利開展。針對該現(xiàn)象，氣象部門需要找出根本原因，從源頭上解決該問題，確保地面氣象觀測工作有序進(jìn)行，為社會大眾及各個行業(yè)提供高質(zhì)量的氣象服務(wù)。

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收稿日期：2024-03-11

作者簡介：彭濱（1971—），男，重慶人，工程師，主要從事綜合氣象觀測、氣象裝備保障工作。