气象站位置信息检验与评估研究

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区域自动气象观测站(简称“区域站”)自投入使用以来,由于其具有自动监测、存储、处理及运输的优点,已经成为国家天气观测网的重要组成部分。气象观测信息和数据是开展天气预警预报、气候预测和任务类气象服务、科学研究的基础,是气象科学发展的推动力。区域站站点信息主要包括经度、纬度、测站高度,这些数据作为观测资料中的原始信息,其准确性至关重要。

随着区域站的不断增多,部分站点进行过不同程度的迁移、变更,加之区域分布范围广、数据传输复杂、无人值守等特点,导致故障率高,影响站点信息的准确性。区域站故障主要表现为位置信息异常、不连贯、变动频繁等。

目前,针对区域站位置信息检验的研究较少,同养养等依据区域站位置信息的特点,设计了一套适用于检验评估观测数据中气象站位置信息的方法;雷柱等使用 SQL 索引查询优化,汉字正则匹配技术,对区域站的高和站名、地址进行检验,评估测站地理位置的准确性。本文根据区域站位置信息的特点及传输过程中可能发生的故障问题进行分析,设计了一套站点位置信息检验方法,即对站点经度、纬度及测站高度信息进行准确性检验及评估。

1 资料与方法

1.1 资料

采用 2009 年以来福建省区域站逐小时观测数据中的经度、纬度、测站高度及气温数据。其中,区域站经度、纬度、测站高度为检验目标,气温为检验效果分析对象。

1.2 检验方法

1.2.1 检验控制码的设置

根据实际情况的需要,共设三种质量控制码(QC 码):数据正确,QC=0;数据可疑,QC=2;数据缺损,QC=8。

首先设置数据的初始 QC=9,依据完整性检查,有效性检查,输入检查,区域范围检查的先后顺序,以及时间一致性和空间一致性检查,不断地设置或修改被检数据的质量控制码。

1.2.2 检验方法

观测资料中站点位置信息为固定属性,若数据缺损,则未通过完整性检查;依据福建省地理位置分布,若待检站经纬度数据为 0,则未通过有效性检查;若测站高度数据为 0 且相同时刻的经纬度数据同时为 0,则测站高度数据未通过有效性检查;对依次通过完整性与有效性检查的数据进行输入检查,站点位置信息由人工手动输入存储于中心站,在此过程中产生的疑误为输入错误;对通过以上检查的数据进行区域范围检查,用 GPS 实现气象站与所属省份地理位置关系的判断[8]。若地理位置判断结果显示超出范围,则待检站经纬度数据未通过区域范围检查。利用高级星载热发射和反辐射仪得到的 DEM 数据统计福建省海拔的极值范围,若测站高度不包含在对应省份海拔范围内,则数据未通过区域范围检查。

用 S=(S_1,S_2,\cdots,S_n)表示经纬度在连续 n 小时内的数对,若任一数对存在 S_i≠S_j,则代表站点位置信息出现变动。为了防止因迁站等产生的正常变动被误检,对经纬度顺序时间内的跳变频率进行统计,当跳变频率 ≥ 2 时,判定待检站经纬度数据 S_i,S_j 未通过时间一致性检查。若 S_i,S_{i+1}与经度或纬度的相差值小于 σ,则默认经纬度相同。测站高度信息检查原理。

当某一时刻站点经纬度(测站高度)发生跳变,且相同时刻发生跳变的站点数量大于 N 时,判定出现跳变的待检站经纬度(测站高度)未通过空间一致性检查。

1.3 评估方法

采用 ECMWF(European Center for Medium-Range Weather Forecasting,欧洲中期天气预报中心)高分辨力温度产品作为背景场,利用时空多尺度分析系统(STMAS)方法将背景场分别与相同时次的福建省区域观测数据位置信息订正前后的小时温度数据进行融合,得到 1 km 分辨力温度融合产品。对于站点位置信息按结果为错误或可疑的数据,对照普查表进行订正,较好地保证了观测数据中位置信息的准确性。

结合福建省相应次时的 70 个国家级气象站(简称“国家站”)小时气温数据,利用双线性插值法,将融合分析产品插值到国家站所在的经纬度,与相应次的气温观测数据进行比较分析。

1.4 检验及评估指标

分别使用疑误率、平均偏差、平均绝对偏差、均方根误差、相关系数指标评价检验效果。

2 检验结果

除2009年4个区域站经纬度信息出现缺测外，2009—2020年站点经纬度信息完整性较好；测站高度信息的完整性低于经纬度，且2015年最多有53个区域站测站高度数据出现缺测。除2010,2011年外，其余年份所有站点信息均通过有效性检查，且2010年仅有27个站点信息未通过检查。输入性检查中，站点经纬度信息通过率比测站高度信息高。分析后发现，站点信息疑误原因主要有经度与纬度的数值互换、经度或纬度中的某一位数值错误及观测资料中测站高度数值是真实值的10倍。

经统计，时间一致性检查中站点经纬度及测站高度信息平均疑误率分别为4.62%和7.71%。造成位置信息异常的主要原因有站点在连续时间段内经纬度或测站高度在两个不同的地理位置持续跳变，以及站点的经度、纬度或测站高度在一段时间内跳变成另一个位置信息，随后又恢复成正常信息。空间一致性检查对区域站逐小时观测资料中站点位置信息检出率高于时间一致性检查，其中经纬度、测站高度信息平均疑误率分别为7.36%和4.44%。

区域站均通过检验的站点年平均正确率为87.24%，经纬度和测站高度年平均疑误率分别为10.02%和7.78%。其中经纬度疑误、测站高度信息正确的站点年平均数量约为89个；经纬度信息正确、测站高度疑误的站点年平均数量约为44个。经分析，造成区域站观测资料中位置信息疑误的主要因素包括测量过程造成的误差、人为因素造成的疑误，以及传输系统或设备导致站点位置信息的疑误。

3 效果评估

分别选取2010-08-30T10:00和2020-11-13T00:00的观测资料作为例评估数据。根据评估方法得到各时次站点位置信息订正前后气温效果评价指标值如表1所示。

由表1可知，除2020-11-13T00:00平均偏差外，区域站位置信息订正后气温融合效果较订正前均有提升。可以看出，在区域站气温数据不变的前提下，位置信息的检查和订正能有效提高气温融合效果。

对区域站位置信息订正前后气温融合效果差异进行分析，结果如图1、图2所示。由图1(a)(b)可知，整体上订正后的平均绝对偏差较订正前有明显减小，两者差距较大的地区主要集中在福建北部(南平市)。通过对疑误的站点位置信息进行查找，发现引起该变化的原因主要是地市中心站故障，导致区域站位置信息发生了错误变动。由图1(c)(d)可知，南平市的区域站经纬度信息出现明显错误，部分站点位置偏离严重，导致区域参与气温融合的准确数据减少，融合效果不理想。

由图2(a)和图2(b)可知，订正前后的融合产品平均绝对偏差变化较小，原因是参与站点位置信息质量的1433个区域站中仅对30个区域站的经纬度或测站高度进行了订正。其中有一个站点位置信息订正前气温的平均绝对偏差由4.34℃经订正后降低至0.68℃。由图2(c)和图2(d)可知，站点位置信息订正前后气温融合产品偏差变化大的位置站点变动较大。根据区域站订正前后的经纬度信息可知，两个区域站的经度均是一位数字导致的错误信息，属于人为输入错误造成的误差。

4 结束语

文章对2009—2020年福建省地面气象区域站逐小时观测数据中的站点位置信息进行检验，并利用站点气温数据对检验效果进行评估，得到的主要结论如下。

1）福建省区域站观测资料中位置信息检验年平均正确率为87.24%，经纬度和测站高度信息年平均度误差分别为10.02%、7.78%。其中经纬度度误、测站高度信息正确的站点年平均数量约为89个，经纬度信息正确、测站高度度误的站点年平均数量约为44个。

2）时间一致性检查中区域站经纬度与测站高度信息年平均度误差为4.62%、2.71%。空间一致性检验中年平均度误差为7.36%、4.44%。导致出现该数据的主要因素是数据传输系统未及时更新站点位置信息或设备故障造成站点位置信息的错误变动。

3）对站点位置订正前后的气温融合产品进行检验，发现区域站位置信息订正后的融合产品各评价指标较订正前均有改进，说明订正前错误的站点位置信息对气温融合有负效果，从而导致融合产品表现较差。