董德保, 錢(qián) 毅, 吳奇生, 竇煒明

(安徽省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,安徽合肥230031)

0 引言

隨著地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)改革的推進(jìn),自動(dòng)觀測(cè)逐步取代了人工觀測(cè),觀測(cè)業(yè)務(wù)從以數(shù)據(jù)采集為主逐步向儀器設(shè)備運(yùn)行保障、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理分析為主的綜合觀測(cè)轉(zhuǎn)變。地面氣象觀測(cè)資料由自動(dòng)氣象站自動(dòng)采集、處理和上行傳輸,通過(guò)監(jiān)控分析上行傳輸數(shù)據(jù)文件(Z文件)的到報(bào)、文件格式解析和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況,可以評(píng)估自動(dòng)氣象站運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。由于自動(dòng)氣象站容易受到雷擊、電磁脈沖干擾、人為操作失誤以及頂層設(shè)計(jì)等因素影響[1-2],導(dǎo)致自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行故障,自動(dòng)觀測(cè)資料缺測(cè),影響氣象資料的連續(xù)性、及時(shí)性、完整性。因此,提高自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性對(duì)于發(fā)揮觀測(cè)資料的應(yīng)用效益具有重要的意義。

1 自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)文件特征

自動(dòng)氣象站觀測(cè)的數(shù)據(jù)每小時(shí)正點(diǎn)向中國(guó)氣象局以數(shù)據(jù)文件形式上行傳輸,對(duì)原始上傳數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析,解析后的數(shù)據(jù)文件由4條記錄組成:

第1行(測(cè)站基本參數(shù)):包括區(qū)站號(hào)、經(jīng)度、緯度、觀測(cè)場(chǎng)海拔高度、氣壓傳感器海拔高度、觀測(cè)方式共6組項(xiàng)目3個(gè)字,每組用一個(gè)半角字符分開(kāi)。

第2行(器測(cè)項(xiàng)目):包括觀測(cè)時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、地溫以及氣壓和能見(jiàn)度等共52個(gè)要素值262個(gè)字節(jié),每組用一個(gè)半角字符分開(kāi)。

第3行(分鐘雨量):120個(gè)字節(jié),每分鐘2個(gè)字節(jié),即1～2位為第1分鐘的記錄,3～4位為第2分鐘的記錄……,如此類推,119～120位為第60分鐘的記錄;每分鐘內(nèi)無(wú)降水時(shí)存入“00”,微量存入“,,”,降水量≥10mm時(shí),一律存入99,缺測(cè)存入“//”。

第4行:共23個(gè)要素值,每組用1個(gè)半角空格分隔,無(wú)該條記錄內(nèi)容時(shí)則省略,“=”加在分鐘降水量之后。文件最后一條記錄為NNNN,表示文件結(jié)束[3]。

2 自動(dòng)氣象站運(yùn)行效能指標(biāo)分析

2.1 運(yùn)行監(jiān)控概述

CAWS600型自動(dòng)氣象站在中國(guó)氣象臺(tái)站已廣泛投入業(yè)務(wù)使用,由于頂層設(shè)計(jì)缺少數(shù)據(jù)采集器模塊、傳感器模塊以及通信網(wǎng)絡(luò)等硬件的監(jiān)視參數(shù),一般利用上傳數(shù)據(jù)文件到報(bào)監(jiān)視、格式解析、質(zhì)量控制等方法進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控,對(duì)于上傳數(shù)據(jù)文件的診斷分析,可以方便自動(dòng)氣象站故障報(bào)警,提高裝備保障的時(shí)效性?；凇熬C合氣象觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)”(Atmospheric Observiug System Operations and Monitoring,ASOM)和安徽省級(jí)監(jiān)控平臺(tái),并結(jié)合自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行特點(diǎn),從上傳數(shù)據(jù)文件通信能力、設(shè)備運(yùn)行能力、設(shè)備故障情況方面進(jìn)行運(yùn)行能力評(píng)估[4-5]。通過(guò)上傳每小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件(Z文件)時(shí)次與數(shù)據(jù)文件格式檢查,得出未到報(bào)時(shí)次與格式錯(cuò)誤時(shí)次的文件,這些時(shí)次的數(shù)據(jù)文件將不能錄入數(shù)據(jù)庫(kù);從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等管理角度來(lái)看,均視為無(wú)效數(shù)據(jù)文件,統(tǒng)計(jì)時(shí)用到報(bào)率指標(biāo)評(píng)估。從時(shí)間一致性、空間一致性、氣候極值、內(nèi)部一致性等檢查方法對(duì)數(shù)據(jù)文件中的觀測(cè)要素項(xiàng)進(jìn)行質(zhì)量控制[6-8],分析出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)次文件,其可反映自動(dòng)站觀測(cè)要素采集通道或傳感器運(yùn)行能力;結(jié)合上述3種因素,用可用性指標(biāo)(即:應(yīng)觀測(cè)時(shí)次減去未到報(bào)時(shí)次、數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤再與應(yīng)觀測(cè)時(shí)次之比)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控評(píng)估。

2.2 運(yùn)行效能指標(biāo)分析

通過(guò)ASOM和安徽省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控2010～2011年安徽省國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站運(yùn)行效能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析,圖1為2010年、2011年自動(dòng)氣象站運(yùn)行效能指標(biāo)逐月變化曲線,2011年運(yùn)行效能指標(biāo)優(yōu)于2010年,從圖中可以看出,2010年4月自動(dòng)站運(yùn)行效能指標(biāo)較差,到報(bào)率和可用性僅為98.58%和98.45%,之后自動(dòng)站運(yùn)行效能指標(biāo)呈迂回上升趨勢(shì);從中可知到報(bào)率與可用性變化趨勢(shì)基本相同,具有一致性的特征且到報(bào)率(評(píng)估數(shù)據(jù)文件未到報(bào)時(shí)次和數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤時(shí)次)是影響可用性高低的首要因素。

眾所周知,安徽省81套自動(dòng)氣象站可分為3種站類,分別為基準(zhǔn)站(3個(gè))、基本站(21個(gè))和一般站(57個(gè));圖2為不同站類運(yùn)行效能指標(biāo)逐月變化,其中,2010年1～8月3種站類運(yùn)行效能指標(biāo)具有明顯的階梯性,一般站優(yōu)于基本站,基本站優(yōu)于基準(zhǔn)站;到9月基準(zhǔn)站的運(yùn)行效能指標(biāo)明顯上升,10～11月一般站和基準(zhǔn)站運(yùn)行較好,而基本站運(yùn)行效能呈下降趨勢(shì),到12月,3種站類運(yùn)行效能指標(biāo)均較高;2011年3種站類逐月運(yùn)行效能指標(biāo)均在99.85%以上,無(wú)明顯特征,自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。依照地面氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定,基準(zhǔn)站每天通過(guò)OSSMO2004地面測(cè)報(bào)軟件定時(shí)觀測(cè)人機(jī)交互操作24次,基本站8次,一般站3次;對(duì)于同種型號(hào)觀測(cè)儀器業(yè)務(wù)運(yùn)行,2010年8月之前3種站類運(yùn)行效能指標(biāo)具有明顯的階梯性,可能與人機(jī)交互操作頻次高低有著密切關(guān)系。

針對(duì)影響自動(dòng)氣象站運(yùn)行效能指標(biāo)的3個(gè)因素:未到報(bào)、數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,以2010年11月省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行情況為例。圖3為自動(dòng)氣象站運(yùn)行故障逐日變化與類型分布,從圖3(a)知,出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤時(shí)次高于未到報(bào)時(shí)次與數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)次,三者逐日變化無(wú)明顯特征,伴有隨機(jī)性;從圖3(b)知,11月數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤時(shí)次占故障頻次89.22%,未到報(bào)時(shí)次占故障頻次7.43%,數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)次占故障頻次3.35%;顯然,數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤是影響自動(dòng)站運(yùn)行效能的主要因素。

3 數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤分析

3.1 數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤類型

根據(jù)上傳數(shù)據(jù)文件編碼特征,利用ASOM和省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)視數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤出現(xiàn)頻次較高的類型列舉如下:

(1)第二行記錄字符長(zhǎng)度短于相應(yīng)文件格式編碼長(zhǎng)度,第三行分鐘雨量均為缺測(cè)記錄,如:

(2)第二行觀測(cè)要素字符長(zhǎng)度少于相應(yīng)字段文件格式編碼長(zhǎng)度,主要是第52個(gè)觀測(cè)要素(最小能見(jiàn)度出現(xiàn)時(shí)間)缺少一個(gè)字節(jié),此類格式錯(cuò)誤較高,如:

(3)第二行觀測(cè)記錄缺失的文件格式錯(cuò)誤,如:

(4)第三行分鐘雨量觀測(cè)記錄缺失的文件格式錯(cuò)誤,如:

3.2 文件格式錯(cuò)誤診斷分析

地面氣象觀測(cè)場(chǎng)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器至值班室業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)通信故障時(shí),正點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤為上述的第(1)類,做好自動(dòng)氣象站運(yùn)行監(jiān)控,及時(shí)排除故障,可避免相應(yīng)文件格式錯(cuò)誤的發(fā)生。重點(diǎn)分析影響后3類文件格式錯(cuò)誤的因素,以58531、58428和58102測(cè)站為例。圖4為58531測(cè)站(基準(zhǔn)站)2010年8～9月出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個(gè)字節(jié)格式錯(cuò)誤時(shí),對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互保存發(fā)送文件操作時(shí)間散點(diǎn)圖,圖中縱坐標(biāo)為正點(diǎn)(00分00秒)之后的時(shí)間,不難看出,出現(xiàn)此類數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤時(shí)次對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互操作時(shí)間均45s;此外,在8月下旬安徽省大氣探測(cè)中心以該測(cè)站進(jìn)行試驗(yàn),規(guī)范該測(cè)站觀測(cè)員人機(jī)交互操作時(shí)間＞45s,9月較8月發(fā)生此類格式錯(cuò)誤明顯減少,即基準(zhǔn)站運(yùn)行效能指標(biāo)明顯上升的緣故。對(duì)于58428測(cè)站(一般站)其人機(jī)交互操作時(shí)間逐日變化如圖5所示,該測(cè)站人機(jī)交互保存發(fā)送文件操作時(shí)間均＞45s,上傳數(shù)據(jù)文件到報(bào)率和可用性均為100%,臺(tái)站2010年10～11月未出現(xiàn)此類格式錯(cuò)誤時(shí)次。結(jié)合圖4～5分析,若定時(shí)觀測(cè)人機(jī)交互保存發(fā)送文件操作時(shí)間＞45s,測(cè)站上傳數(shù)據(jù)文件未出現(xiàn)第2類格式錯(cuò)誤時(shí)次。

通過(guò)地面測(cè)報(bào)軟件OSSMO2004的監(jiān)控軟件(SAWSS)與數(shù)據(jù)采集器通信時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析如圖6所示,58102站10～11月寫(xiě)入定時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間與自動(dòng)彈出天氣、航空等定時(shí)觀測(cè)對(duì)話框時(shí)間近于30s左右,寫(xiě)入定時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間基本上略早于啟動(dòng)定時(shí)觀測(cè)時(shí)間,分鐘數(shù)據(jù)卸載時(shí)間主要在41～42s波動(dòng);人機(jī)交互輸入能見(jiàn)度等目測(cè)要素并保存發(fā)送操作時(shí)間(45s)與SAWSS數(shù)據(jù)流進(jìn)程時(shí)間沖突,導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個(gè)字節(jié)格式錯(cuò)誤。另外,從圖中推知,若自動(dòng)氣象站受到電磁等干擾,寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件中第二行定時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間延遲于分鐘雨量數(shù)據(jù)卸載成功時(shí)間,上傳數(shù)據(jù)文件第二行記錄將缺失,即為(3)類文件格式錯(cuò)誤;若分鐘數(shù)據(jù)卸載成功時(shí)間延遲于Z文件上傳時(shí)間,即為第三行記錄缺失的格式錯(cuò)誤。由于自動(dòng)氣象站為中國(guó)氣象局定型設(shè)備,需要廠家對(duì)軟件頂層設(shè)計(jì)優(yōu)化,如:在正點(diǎn)45s后自動(dòng)彈出人機(jī)交互操作對(duì)話框,以及進(jìn)行自動(dòng)氣象站電磁干擾防護(hù)等優(yōu)化措施;或是業(yè)務(wù)管理部門(mén)規(guī)范各級(jí)測(cè)站正點(diǎn)45s之后進(jìn)行人工交互操作;可減少相關(guān)數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤發(fā)生的概率。

圖6 58102測(cè)站業(yè)務(wù)軟件與數(shù)據(jù)采集器通信時(shí)間節(jié)點(diǎn)逐日變化

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)ASOM和安徽省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控自動(dòng)氣象站運(yùn)行效能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析,得出了影響自動(dòng)氣象站業(yè)務(wù)運(yùn)行的主要因素為數(shù)據(jù)文件格式錯(cuò)誤。論述了不同類型文件格式錯(cuò)誤的特點(diǎn),依據(jù)地面觀測(cè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和人機(jī)交互輸入定時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的操作時(shí)間分析,得到了出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件第二行缺少一個(gè)字節(jié)的格式錯(cuò)誤與人機(jī)交互操作時(shí)間45s的關(guān)系。為保障地面觀測(cè)資料的連續(xù)性和完整性,生產(chǎn)廠家需要優(yōu)化自動(dòng)氣象站頂層設(shè)計(jì),地面觀測(cè)業(yè)務(wù)管理部門(mén)需要規(guī)范觀測(cè)員恰當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互操作時(shí)間,以達(dá)到提高自動(dòng)氣象站運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的目標(biāo)。

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