CN106096266A - 一种自动气象站质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动气象站质量控制方法，通过对多种质量控制算法的组合，更加准确的实现质量控制；而且通过增加算法元数据的更新功能使得气象自动站的质量控制算法更加符合本地化的需要。与传统的质量控制算法相比，本发明大大减少了预测所需的误差，提高了预测精度。

Description

一种自动气象站质量控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动气象站质量控制方法，属于气象数据质量控制技术领域。

背景技术

通过自动气象站可以完成多种气象要素的自动采集、传输、记录和处理,大大降低了采集工作的人力投入与风险,为气象服务工作提供了方便。近几年，随着我国地面气象现代化建设进度迅猛推进，全国的自动气象站数量已经超过三万。由于竞争激烈，有些厂家已经开始尝试在中心站软件中增加质量控制功能，用来保证资料的质量，减少错误数据对气象预报的干扰。

目前国内外使用的质量控制算法主要有：气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查。这些算法直接应用于自动气象站的实时数据处理时，会产生如下问题：

1、气候极值范围难以精确：随着全球气候变化的影响，极端天气、气候事件频发，固定的气候极值范围太大，则形同虚设；范围过于精确，一旦出现极端天气，将误判实况值；

2、按年尺度分析，空间一致性前提难以满足。空间一致性算法的前提是：假设空间距离较近的气象站点的特征值比距离较远的站点具有更多的相似性。由于受各地经济条件不平衡的制约，自动站网布局不合理。中东部经济较发达地区自动站间隔较小，西部地区自动站间隔较大，特别是有些天气敏感区、灾害易发区处于空白盲区，无自动站点。因此，气象自动站数量也会随着气象事业的发展，动态的增加或减少。故而，在实际应用中，空间上相邻站点是动态变化的。

以上两点问题使得自动气象站陷入实时数据质量控制效果不理想与算法阈值升级难度大的困难中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动气象站质量控制方法，通过对多种质量控制算法的组合，更加准确的实现质量控制；而且通过增加算法元数据的更新功能使得气象自动站的质量控制算法更加符合本地化的需要。与传统的质量控制算法相比，本发明大大减少了预测所需的误差，提高了预测精度。

本发明提供一种自动气象站质量控制方法具体步骤如下：

步骤1，气候业务人员根据实际需要选择激活自动气象站中预设的质量控制算法，其中，质量控制算法包括气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查；

步骤2，根据激活的质量控制算法，对自动气象站采集到的气象数据进行实时质量检查，并根据以下公式对检查结果进行计算：

$g\left(x_i\right)=\frac{A\·R_1+B\·R_2+C\·R_3}{A+B+C}$

式中，g(x_i)为自动气象站第i条气象数据x_i的质量检查结果；A、B、C分别为气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查的算法标记，若算法处于激活状态则取值为1，否则取值为0；R₁为气候极值范围检测的结果，若气象数据处于气候极值的置信区间内，则R₁取值为1，否则取值为0；R₂为时间一致性检查的结果，若该站前后两次采集到的气象数据变化率小于预设的时间变化率的阈值，则R₂取值为1，否则取值为0；R₃为空间一致性检查的结果，若该站采集到的气象数据与邻近自动气象站同时间段采集到的气象数据的偏差小于预设的相邻偏差阈值，则R₃的取值为1，否则取值为0；

步骤3，气候业务人员根据步骤2中计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，从而实现自动气象站的质量控制。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中气候业务人员根据步骤2中计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，具体为：

若g(x_i)＞0.7，则判定第i条气象数据x_i合理；若0.7≥g(x_i)≥0.3，则判定第i条气象数据x_i可疑；若g(x_i)＜0.2，则判定第i条气象数据x_i可抛弃。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中的质量控制算法的元数据由气候业务人员根据自动气象站的历史观测数据进行调整。

作为本发明的进一步优化方案，质量控制算法的元数据包括气候极值范围检测算法的气候极值置信区间、时间一致性检查算法的时间变化率阈值和空间一致性检查算法的相邻偏差阈值。

作为本发明的进一步优化方案，自动气象站采集到的气象数据包括温度、雨量、气压、风向和风速要素值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明将多种质量控制算法通过组合引入气象终端自动站质量控制系统中，并且在质量控制算法的基础上增加了算法元数据的更新功能，可长年无人值守自动实现质量控制算法自动化，经过测试证明，本发明的方法能大大减少了预测所需的误差，提高了预测精度，在气象数据质量控制方面具有较强的实用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

传统的质量控制算法通常运行于自动气象站中，且算法中的检验阈值固定不变。中国区域经纬度跨度范围大，自动气象站在质量控制算法中使用统一或固定不变的检验阈值，使得气象数据的质量控制效果较差。

本发明提供一种自动气象站质量控制方法，将多种质量控制算法进行组合后，依据算法元数据对气象自动站采集到的观测数据进行检验，可以更加准确的实现质量控制。

以下通过对某市某气象自动站的质量控制，对本发明的方法流程进行阐述。该气象自动站包括上位机和下位机两个部分。下位机负责采集数据，上位机负责对下位机采集的数据进行收集并质量控制处理。

质量控制方法运行在气象自动站上位机上，首先，获取气象自动站下位机采集到的观测数据，其中包括气象自动站下位机的内部温度传感器、湿度传感器、风向风速仪的数据；然后，通过集成的气候极值范围检测、时间一致性检查、空间一致性检查这三种质量控制算法，利用算法元数据进行灵活检验。

其中，当“气候极值范围检测”处于激活状态时，首先对该记录中的温度、雨量、气压、风向和风速要素值进行过界限检查和要素合理值检查，排除非法数据，如风向必须不超过360度，温度不超过100度等；然后判断这些要素值是否处于算法元数据中气候极值的置信区间内。当“时间一致性检查”处于激活状态时，将该站当前时次与上一时次要素之差与算法元数据中时间变化率阈值。当“空间一致性检查”处于激活状态时，首先获取邻近站同一时间段的气象记录，然后计算该站与周边站温度之差，并将其与算法元数据中相邻偏差阈值进行比较。

由于本发明方法集成气候极值范围检测、时间一致性检查、空间一致性检查这三种质量控制算法，首先，气候业务人员根据喜好在气象自动站上位机中指定处于激活状态的质量控制算法。

然后，根据激活的质量控制算法，对自动气象站采集到的气象数据进行实时质量检查，并根据以下公式对检查结果进行计算：

$g\left(x_i\right)=\frac{A\·R_1+B\·R_2+C\·R_3}{A+B+C}$

式中，g(x_i)为自动气象站第i条气象数据x_i的质量检查结果；A、B、C分别为气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查的算法标记，若算法处于激活状态则取值为1，否则取值为0；R₁为气候极值范围检测的结果，若气象数据处于气候极值的置信区间内，则R₁取值为1，否则取值为0；R₂为时间一致性检查的结果，若该站前后两次采集到的气象数据变化率小于预设的时间变化率的阈值，则R₂取值为1，否则取值为0；R₃为空间一致性检查的结果，若该站采集到的气象数据与邻近自动气象站同时间段采集到的气象数据的偏差小于预设的相邻偏差阈值，则R₃的取值为1，否则取值为0。

最后，气候业务人员根据上述计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，从而实现自动气象站的质量控制。

进一步地，气候业务人员根据计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，具体为：若g(x_i)＞0.7，则判定第i条气象数据x_i合理；若0.7≥g(x_i)≥0.3，则判定第i条气象数据x_i可疑；若g(x_i)＜0.2，则判定第i条气象数据x_i可抛弃。

进一步地，本发明中质量控制算法的元数据可以由气候业务人员根据自动气象站的历史观测数据进行调整，包括：对某气象自动站的历史观测数据求取气候极值，其中包括极大值与极小值；对某气象自动站的历史观测数据求取变化差值；对某气象自动站与周边站的历史观测数据求取空间变化差值，其中，周边站的指定由气候业务人员根据周边站的关联性进行调整。

由于质量控制算法的算法元数据处理需要使用气象自动站的大量历史观测数据进行统计分析，因此，可将质量控制方法与算法元数据处理部分进行逻辑上分离，质量控制方法运行在功能单一的气象自动站上位机中，算法元数据处理部分放在高性能计算机上且允许多个气象自动站使用相同的高性能计算机进行自己的算法元数据处理，这样做即降低了气象自动站的硬件成本，又可以动态获取质量控制方法所需要的算法元数据，条件检测的范围上要比传统的质量控制算法要更严谨，更精细。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种自动气象站质量控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，气候业务人员根据实际需要选择激活自动气象站中预设的质量控制算法，其中，质量控制算法包括气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查；

步骤2，根据激活的质量控制算法，对自动气象站采集到的气象数据进行实时质量检查，并根据以下公式对检查结果进行计算：

$g\left(x_i\right)=\frac{A\·R_1+B\·R_2+C\·R_3}{A+B+C}$

式中，g(x_i)为自动气象站第i条气象数据x_i的质量检查结果；A、B、C分别为气候极值范围检测、时间一致性检查和空间一致性检查的算法标记，若算法处于激活状态则取值为1，否则取值为0；R₁为气候极值范围检测的结果，若气象数据处于气候极值的置信区间内，则R₁取值为1，否则取值为0；R₂为时间一致性检查的结果，若该站前后两次采集到的气象数据变化率小于预设的时间变化率的阈值，则R₂取值为1，否则取值为0；R₃为空间一致性检查的结果，若该站采集到的气象数据与邻近自动气象站同时间段采集到的气象数据的偏差小于预设的相邻偏差阈值，则R₃的取值为1，否则取值为0；

步骤3，气候业务人员根据步骤2中计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，从而实现自动气象站的质量控制。

2.根据权利要求1所述的一种自动气象站质量控制方法，其特征在于，步骤3中气候业务人员根据步骤2中计算得到的检查结果，对气象数据的质量进行判断，具体为：

若g(x_i)＞0.7，则判定第i条气象数据x_i合理；若0.7≥g(x_i)≥0.3，则判定第i条气象数据x_i可疑；若g(x_i)＜0.2，则判定第i条气象数据x_i可抛弃。

3.根据权利要求1所述的一种自动气象站质量控制方法，其特征在于，步骤1中的质量控制算法的元数据由气候业务人员根据自动气象站的历史观测数据进行调整。

4.根据权利要求3所述的一种自动气象站质量控制方法，其特征在于，质量控制算法的元数据包括气候极值范围检测算法的气候极值置信区间、时间一致性检查算法的时间变化率阈值和空间一致性检查算法的相邻偏差阈值。

5.根据权利要求1所述的一种自动气象站质量控制方法，其特征在于，自动气象站采集到的气象数据包括温度、雨量、气压、风向和风速要素值。