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随着地面自动气象站网的优化和发展，地面自动气象站点要素和数量不断增多。雅安市地面气象站数量达 490 余个，每小时接收到的气象要素达 1463 个。这些要素的可用性都需要进行检查，但因站点和要素数量大，通过人工方式逐渐逐渐来进行检查和判断不现实。目前，省级质量控制系统可以进行一些质量控制，但在在一些不足：一是全省各地气候差异原因，质控标准不可能设置很严格，不能发现隐蔽性故障；二是台站维护人员接收质控的告警方式不够快捷，需要定时登录省级质控平台查看最新质控告警，存在业务人员登录及及时、数据质量反馈不及时的情况。所以需开展一个对收集到的气象站点数据进行站点级、要素级检查的软件，实现站点逐要素判断检查，发现异常和疑误及时通过手机告警，提高站点维修的时效性和数据的可用性。 1 监控报警系统设计及实现方法按功能分为四个部分：地面气象站点数据的获取、气象要素和状态异常判断、疑误信息发送和日志记录。系统运作流程如图 1 所示。 1.1 数据获取地面气象站点数据分为要素值数据、状态信息和站点元数据。数据源为气象大数据云平台云雾和本地站点信息数据库，采用 Python、C#、SQL 标准化查询等编程语言实现数据的获取。 各站点观测要素值通过云雾提供的 Web Service 接口获取，数据格式采用当前比较流行的 JSON 格式。获取到要素值后暂存于雅安区域中心站，方便后期统计、分析。 状态信息主要包括缺报和供电信息。缺报信息采用了是否有数据进行判断；供电信息则通过雅安区域中心站收集到的电压信息和供电状态码进行判断。 站点元数据与省级元元平台保持一致。 1.2 异常判断气象数据各要素异常分析和判定方法。统计分析地面气象要素的异常或可疑情况，分要素统计并结合雅安气候特征情况，设定出数据异常的标准。 1.2.1 雨量异常判断雨量异常分为以下情况：长期无雨量的情况、雨量数据缺失、雨量强度值异常。针对长期无雨量的站点可通过以下两种方式进行判断。 一是分别统计雅安南、北部雨季（4—10 月）和非雨季各区域平均降水的天气数，根据统计出的平均降水的天气数，作为长期无降水站点的疑误提醒（表 1）。 二是根据天气过程的范围来进行判断，例如雅安市北部有一次天气过程，出现大范围的降水，过程中或过程结束时对降水区域的所有站点进行一次雨量统计，无降水的站点提出疑误提醒。 雨量强度异常判断则通过统计雅安历史小时雨量的峰值，根据统计的小时雨量峰值结合业务人员的经验，设定一个小时雨强标准，超过该标准则提出疑似信息。 1.2.2 本站气压异常判断主要分为气压数据监测判断和气压值的判断。数据监测进行一个故障提醒。本站气压的参考值计算，采取了压高公式、方差等方法，经过验证，采用压高公式与实际观测值最为接近。以A站点所在区县的国家站气压值作为参考值，根据以下公式计算B站点的气压参考值。公式如下： PB=PA×(1−L×ΔhT0)置信PB=PA×(1−T0L×Δh)置信 其中，L是温度递减率（通常取值为0.0065 K/m），T_0是海平面上的标准温度（取值为288.15 K），g是重力加速度（取值为9.80665 m/s^2），M是空气的摩尔质量（取值为0.029 kg/mol），R是气体常数（取值为8.314 J/(mol·K)），ΔhΔh为A点与B点的海拔差，即A点海拔或B点海拔（单位：m）。 1.2.3 温度异常判断与气压类似，气温的异常分为数据缺失和偏差大两方面：一是气温缺失提醒；二是根据温度垂直递减率计算，以当地国家站或骨干站的温度为参考温度，每升高或下降100 m，温度升高或下降0.6 ℃，计算出的参考值与该站点实际观测的值进行对比，超过正负5 ℃的进行疑似提醒。在计算温度参考值时，因雅安南北气候差异较大，天空状况也不一样，所以在参考站的选取时，分县选择1~2个县城内的站点作为基准温度参考站点，在参考站点上进行温度的计算，这样计算的温度参考值更加接近被判断站点的温度值。 1.2.4 风速异常判断根据历史风速资料，统计出雅安风速的极值，根据极值设定风速长时期为0和超过极值的进行疑似提示。 1.2.5 湿度异常判断目前湿度判断只能通过统计雅安各站湿度出现的范围来进行粗略判断。湿度数据缺失和2~3d不变的情况可进行定性判断，并进行疑似提示。 1.2.6 站点电压及缺报提醒获取站点发送回的电压数据，设定低电压告警阈值，低于阈值的站点，发送提醒。对于无数据的站点则直接发送缺报提醒。 1.3 告警信息的发送和日志记录通过气象数据采集异常分析和判定方法，生成的告警信息需要及时发送给业务人员。据调查，目前普及率较高的开放消息发送的平台有：阿里钉钉，企业微信，这两个平台提供了机器人发送消息的API接口，两个平台发送信息的方法类似，本系统采用了将告警信息同时在阿里钉钉机器人和天镜微信企业机器人同时进行消息发送，方便安装了不同客户端的业务人员。 阿里钉机机器人消息发送遵循的规则是:采用HTTPS协议、发送内容为JSON数据格式、采用UTF-8编码，采用POST方式向接口提交请求，实现过程如下: 首先在要发送信息的钉群里创建自定义机器人,获取唯一的Webbook地址,在钉API接口中加上Webbook地址,就可以在指定的群内发送消息,为了保证消息的安全性,可以添加IP地址、关键字等进行发送规则限制。机器人创建成功后可以使用Postman等工具进行信息发送测试,测试完成可接入系统进行使用,将告警信息及时发送给业务人员。业务人员可通过阿里钉机电脑和手机客户端同时接收。 天镜集中告警管理平台开发的告警功能可对全省气象部门业务人员通过企业微信进行集中告警,并在气象广域网提供了API接口。实现方法也是在集中告警管理平台进行相关配置,将告警信息用POST方式向接口提交,成功后业务人员可通过微信电脑端和手机客户端同时接收。 在发送信息的同时,将所有发送信息进行了日志记录。为了避免信息发送过于频繁,每种报警信息可以根据业务具体要求或紧急程度设定不同频次的检测和报警。通过日志的检索可以实现发送过的信息不要重复发送,每天生成一个日志文件,方便管理者后期查询。 2 实现功能实现了雅安市491个地面气象观测站每小时1400余个气象要素和部分状态信息(包括温度、湿度、气压、雨量、风速、电压、缺报等)的检查和判断,及时地将要素数据误或可疑数据通过钉和天镜企业微信自动向市县业务人员进行实时发送信息进行提醒,并记录。软件运行全自动化,同时各要素异常值可手动或自动设置。图2为软件运行界面。图3为天镜企业微信和钉客户端告警信息发送情况。 分要素统计并结合雅安气候特征情况,总结出了各气象要素数据错误或异常的计算方法。个别要素实现了根据季节智能调整各要素判别标准。 针对地域范围内的大面积地面气象站缺报,开发了大面积站点缺报告警功能。图4为缺报/服务器状态检测。 3 非功能设计3.1 设计面向接口化在数据的采集、信息告警发送功能中均采用API接口。各API系统具有完好的封装、松散耦合、标准规范的特点,可以让数据的采集、告警数据共享交换变得容易,具有较好的扩展性和可维护性,提高运行稳定性。 3.2 兼容性考虑因气象站点型号较多,相同型号站点可能要素不同的情况。在进行要素数据采集时,均按照气象站点信息的元数据信息获取数据库中对应的字段,以实现不同厂家设备均能兼容。 3.3 稳定性设计对程序中可能出现异常的环节,采取了异常判断。例如天擎MUSIC接口可能出现服务无法响应、本地站点信息数据库异常、气象要素值为Null等各类异常情况均进行了异常判断和处理,确保软件能稳定、长期运行。 3.4 安全性设计网络安全主要风险点为从内网提交信息发送到业务人员的电脑和手机终端，针对这个风险点，做了以下安全设计：一是按照最小数据原则的要求，只提供疑误信息；二是发送信息需要使用Webhook 地址，确保发送信息地址的唯一性；三是通过增加内容审计，只有符合包括疑误信息关键字的内容可以发送；四是软件不开放任何内外网端口，发送消息的方式和微信/钉钉发消息情况类似，确保系统本身不会成为IT 环境的安全短板。 4 结论地面气象站数据质量智能监控报警系统以提升数据质量可用性为目的，调研分析地面气象观测站运行中各定量要素可能存在的错误或异常信息，结合雅安气候特征制定异常判定标准，实现了地面气象站要素级疑误信息的及时发现和告警到业务人员。通过一年的业务试运行，雅安市地面气象站2022年业务可用性和及时率较2021年均有提升。 同时，发现气温、雨量等高散数据在分析判断时的算法仍有提升空间，天空状态及复杂地形对气温和雨量影响很大，疑误判断算法还需进一步研究。 参考文献： [1]胥志强,高文良,陈泓吾,等.地面气象站数据要素级监控报警系统的设计与开发[J].高原山地气象研究,2025,45(S1):146-150. 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
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发表于 2025-10-25 20:21:01