高空气象探测数据质量控制方法论文

论文范文 时间:2019-12-02 我要投稿
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  摘要:指出了高空气象探测数据在天气预报、气候分析、气象服务、科学研究等方面作用重大,对高空气象探测数据进行质量控制,为使用者提供相对准确的数据资料是新时代气象科技发展的要求。阐述了质量控制的内涵,分析了影响高空气象探测数据质量的因素,探讨了高空气象探测数据质量控制的方法。

  关键词:高空气象探测数据;质量控制

  1引言

  气象数据为天气预报、气候分析、气象服务、科学研究等工作提供重要依据。在气象观测领域,高空气象探测所获得的第一手数据,揭示了各类天气现象产生的原因及其发生、发展的内在规律,因此常规高空气象探测数据非常重要。高空气象探测数据是通过每天施放无线电探空仪获取的,数据质量受到无线电探空仪、地理环境、无线电干扰、设备性能和各类异常天气的影响,探测结果与真实情况有一定的差异。随着气象科学事业的发展,科技工作者需要更高质量的观测数据。因此,对高空气象探测数据进行一定的质量控制,给使用者提供相对准确的数据资料,是高空气象探测人员必须思考和研究的课题。

  2质量控制

  质量控制是指为了达到质量要求,而采取的作业技术和活动。具体而言,质量控制是为了通过监视质量形成过程,消除质量环上所有阶段引起不合格或不满意效果的因素,以达到质量要求,获取经济效益,而采用的各种作业技术和活动。高空气象探测数据质量控制是指对观测数据质量进行检查以判断是否达到一定要求的过程,目的是对数据进行合理性检验,找出缺测的、错误的、可疑的数据,进行标记或通过数据内差等计算进行修正,确保提供的数据符合质量要求。[1]原始数据的质量对各项气候统计结果的可靠性和正确性产生直接影响,因此,质量控制是高空气象探测数据库建设非常重要的内容。一般而言,数据质量控制有以下两种方式:一是对原始探测数据在统计前进行质量检查;二是探测数据在完成信息化后对其重点进行质量控制。高空气象探测数据质量控制分为自动和人工两种,自动质量控制是根据温度、湿度、气压等曲线正常趋势,删除明显错误值后,通过最小二乘法多项式曲线拟合进行平滑。人工质量控制是操作员实时监控,通过历史数据资料库、数据变化趋势等对观测数据进行对比分析,删除明显错误值。

  3影响高空气象探测数据质量的因素

  高空气象探测数据质量受仪器精度、观测环境、人为操作的影响[2],因此,质量控制贯穿于整个观测活动。目前使用的L波段高空气象探测系统主要由GFE(L)1型二次测风雷达、GTS1型数字式电子探空仪和数据处理计算机系统组成。地面设备包括:GFE(L)1型二次测风雷达、JKZl型探空仪检测箱、地面气象要素观测设备、数据处理计算机、UPS不间断电源。升空设备由GTS1型数字式电子探空仪、携带探空仪的氢气球组成。探测过程是由氢气球携带探空仪自由升空,测量3万多m以下高空范围内,不同高度层次的温度、湿度、气压、风向、风速等要素,通过无线电方式实时发送到地面的接收设备。高空气象探测整个工作流程会因受到无线电探空仪、无线电干扰、设备性能的影响,造成探测数据有偏差。不同的地理环境,地形、土壤、气候、水系、矿藏、动物、植物以及其他生态条件等不同,高空气象探测数据也不同。天气状况,晴天、阴雨、雷暴、大风等,对于气球升空的高度和速度产生影响,探测仪会采集到不同的数据。高空气象探测人员技术水平及综合素质会影响探测数据的准确性,如业务人员不熟悉常规高空气象观测业务规范[3],出现重放球和丢球[4]现象,都会影响数据质量。

  4高空气象探测数据质量控制方法

  高空气象探测数据的质量直接影响天气预报、气候分析、气象服务的准确性。高空气象探测主要是L波段探空系统,观测气象要素为高空温度、湿度、气压、风向和风速[1]。因此,本文主要对这5个气象要素所进行的质量控制进行阐述。

  4.1与历史数据进行对比分析

  高空气象探测数据会受到地物、地形、人类活动、城市热岛效应等的影响,随着探空高度的升高,影响就越小,气象要素的变化越稳定。在短期内仅随天气系统影响而变化,但从长期来看,受季节变化和气候变化影响大,不同的季节各等压面的高度和温度都有不同程度的变化,可以将探测到的数据与历史上相应月份的数据进行比较分析,当超出历史极值时进行标注。

  4.2比照气象要素测量极值

  由电子探空仪的温度、气压和湿度等传感器感应到的电流、电压、电阻等模拟信号转换成数字信号,通过发射装置发射回地面的雷达。如探空仪设备故障或工作不稳定、受无线电干扰等,地面接收的数据可能是错误的数据。不同的传感器,测量范围不同,因此,从传感器性能来看,气象要素有一个测量的极值。如果接收到的数据超过这个极值,则该数据明显为错误数据,直接剔除处理。

  4.3检查气象要素数据的一致性

  高空气象探测各个要素之间存在关联性,而关联性最高的数据探空高度与测风高度,两者存在高度的一致性。对两者的高度取差值,寻找该差值的变化规律。当探测数据两者差异超出预设值时,进行预警提示,检查分析原因。

  4.4检查是否符合

  空间变化规律内置温度、气压和湿度感应器的探空仪在升空的过程中,实时将气象要素每1.2s一组发回地面的接收设备。气象要素具有连续性变化的规律。每个等压面的风向和风速通过采集到的仰角、方位角和斜距计算出来,而氢气球升空过程由于受高空风的作用,并非垂直上升。通过测量探空仪每分钟的仰角、方位角和斜距,可以确定探空仪每分钟位置的变化情况,而通过每分钟位置变化又可以测算出每个高度的风速和风向。仰角、方位角和斜距每秒的变化是在一定的幅度内连续变化的,在近地面高仰角时,仰角和方位数据变化较大,在高空低仰角时,仰角与方位的数据变化较小。如果探测得到的数据不符合变化规律,则需要进行预警提示。

  4.5设定较宽的时间检验范围

  在高空气象探测中,无法做到各高度上连续获取探测数据,但是按中国气象局高空气象探测规范要求,探空站每天需进行两次探测,分别是07时15分和19时15分,间隔12h。因受各种因素影响,在近地面,每次间隔12小时的探测数据变化较大,可从时间的连续性上,设定较宽的检验范围进行比较分析,对不同等压面上的数据进行正确性判断。

  4.6对特殊记录的处理方法

  对探空站特殊记录分析发现,对记录影响最多的问题是由于干扰造成的记录不完整,以及探测终止。干扰出现,探空信号飞点增多,测风观测示波器四条亮线变差,出现上下闪动,而且测风秒数据连线左右摆动。严重时计算出的风向风速数据异常,甚至无法使用,造成数据缺测或者测风观测终止。干扰可能来自外来无线电信号、探空仪、雷达等,处置方法:飞点少,较容易判断;飞点较多,仔细的判断,通过上下正常记录点之间连线,检查中间飞点是否在连线之上,来进行取舍。测风记录的影响往往在记录的后期,可根据实际情况并结合前后时次的记录,比较分析后进行取舍。探测过程出现雷达故障时,对探测接收到数据进行严格检查,判断数据是否正确。情况严重时,启用L波段备份接收机来进行数据接收,使用光学经纬仪进行测风数据的观测[5]。探空气球遇到强下沉气流时,会出现一定程度的下降,在记录时要将下沉阶段的记录进行删除处理。删除时根据气压的变化情况,做好上下气压点之间的衔接。因下沉记录删除后将无法恢复,需要仔细进行判断。探空观测中因探空仪故障或电池等原因,探空仪的无线电信号突然消失。在这种情况下记录终止。

  5结语

  高空气象探测数据在天气预报、气候分析、气象服务、气象科研等工作中起重要作用,资料的真实性、及时性和可用性及其关键。高空气象观测必须对采集到的数据进行非常严格的质量检查和处理,才能通过数据的分析,揭示出真实的大气特征与规律。高空气象探测数据多,分析量大,相似性高,需要排除特异点,设计一套质量控制软件,用自动化质量控制来代替人工质量控制,很有必要。实现自动质量控制可以避免人为原因带来的数据差异,便于对高空气象探测数据进行质量可靠性标注,并尽可能地保留原始数据,为其他工作和研究提供可靠的数据。

  参考文献:

  [1]高山.高空气象探测数据分析与质量控制系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2014.

  [2]赵建军.高空气象探测数据质量的影响因素及控制对策[J].现代农业科技,2017(3).

  [3]中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京:气象出版社,2010.

  [4]刘振伟.高空气象探测数据质量的提高措施[J].现代农业科技,2015(23).

  [5]王娜,刘春芳.浅析高空气象探测特殊记录的处理[J].黑龙江科学,2017(2).