地面基础气象资料是指地面气象台站直接观测的各要素值，包括各要素定时值、日极值或日累计值。中国地面历史基础气象资料包括2400多个由基准基本气象站 (以下简称基准基本站) 和一般气象站 (以下简称一般站) 组成的国家级地面气象站 (以下简称国家站) 建站以来的气温、气压、湿度、风、降水、蒸发、日照、地温、天气现象、云、能见度等共20类观测项目数据^[1]。台站直接观测的气温、气压、湿度、风、降水等要素定时值、日极值或日累计值等地面基础气象资料，是研究区域乃至全球气候变化与预测、天气动力分析、数值天气预报模式研究、资料同化与再分析、公共气象服务的基础，是雷达与卫星定标、水文设计、农业决策的重要依据。若使长期保存在纸质报表上的资料发挥作用，首先要实现资料的信息化。1979年开始，各省气象局按照全国地面气象资料信息化模式的有关规定^[2], 将地面历史气象观测记录月报表中的19类观测项目 (不含雪温) 观测数据以纸带为数据存储载体进行了信息化。20世纪80年代后期以来的人工观测数据陆续改为软盘和磁带作为数据存储载体，同时也将以前归档纸带上的信息转储到磁带上。一份比较好的信息化历史基础气象资料首先应与纸质报表一致。但是在对信息化后的资料处理、应用过程中发现，除了含有纸质资料中本身存在的观测和抄录错误数据外，还存在信息化过程中 (包括转储过程中) 引起的资料错误和缺失 (无数据) 现象。只有清楚并解决信息化历史基础资料中所存在的质量问题，才能保证业务应用、研究分析以及资料统计与加工的准确性。

质量控制一直是资料工作的重点，国内外针对地面基础气象资料质量控制技术的研究与应用^[3-25]涉及到的质量控制技术主要包括气候学界限值检查、区域界限值检查、要素间内部一致性检查、时间一致性检查和空间一致性检查等。上述质量控制技术可用于观测台站、数据传输部门进行实时质量控制，也可用于数据处理部门进行非实时质量控制。中国地面历史基础气象资料在日常业务中经历了台站、省级和国家级气象资料部门三级质量控制^[5]，历次气候资料整编过程中曾进行过多次质量检查，但上述质量控制技术只可解决部分数据问题，有的数据问题仍得不到检测与解决。例如, 任芝花等^[6-7]进行1971—2000年30年气候资料整编时，通过对月统计资料的质量控制, 发现有部分明显的信息化数据录入错误或数据替代现象 (见表 1)，但是非明显的数据替代现象，如某站当年1月的观测数据用前1年1月数据替代、某站观测数据用同期邻近站数据替代、信息化时数据遗漏或因录入不符合规定而造成数据类似缺测现象等，很难通过常规的质量控制技术检测出。

表 1

表 1 1971—2000年中国基准基本站地面信息化资料错情[6] Table 1 Information about surface meteorological data in error of base stations in China from 1971 to 2000[6] 要素 错误资料站数及月数 资料年份 错误原因 地面所有要素 4站共4个月全月地面所有要素资料均错 1981，1984，1992 用其他站或其他月资料替代了本站本月的资料 1站1个月从云量开始所有要素资料均错 1994 用其他站或其他月资料替代了本站本月的资料 风速 10站共85个月全月风速资料错 1980—1994 资料均缩小10倍录入 小型蒸发 1站1个月全月蒸发资料错 1990 资料均扩大10倍录入 地温 3站10个月0cm地温全月错 1989, 1994 已取消地温观测，但全月该资料却错用0表示 3站14个月极端最高地面温度全月错 1989, 1994 已取消地温观测，但全月该资料却错用0表示 1站1个月5~15 cm地温全月错 1984 地温超刻度, 将符号位穿错 1站2个月20 cm地温全月错 1994 地温表坏，资料应缺测处理, 而信息化资料却全为0 1站8个月40 cm地温比气候平均值偏高7.5℃ 1971 地温表瓷板断裂，资料仅供参考 日照时数 1站1月1 d资料错 1976 录入错误 日照百分率 1站1月27 d资料错 1993 录入错误 极端最高气温 1站1月1 d资料错 1995 资料缩小10倍录入 相对湿度 1站1个月全月相对湿度方式位错 1995 录入错误 1站1个月11 d相对湿度错 1992 录入错误 最大冻土深度 3站3个月共15 d资料错 1980, 1987, 1992 录入错或缩小10倍录入 最大积雪深度 2站2个月共2 d资料错 1977, 1985 资料扩大10倍录入

表 1 1971—2000年中国基准基本站地面信息化资料错情[6] Table 1 Information about surface meteorological data in error of base stations in China from 1971 to 2000[6]

2010年9—12月作者首先尝试对建站至2009年全国756个基准基本站温、压、湿、风和降水观测数据进行了质量检测与质量分析，以探索数字化过程引起的地面历史基础气象资料质量问题以及国家级与省级气象部门对外服务资料的不一致问题及其解决措施，为基础气象资料建设工作^①奠定了技术基础。

① 气预函[19号].关于开展基础气象资料发展与改革专项工作的通知.2011.

本研究所用的资料包括各要素每日定时值、日极值或日累计值。数据分别来源于国家级气象资料部门 (以下简称国家级) 和省级气象资料部门 (以下简称省级) 制作的数据集。

① 国家级制作的756个基准基本站1951—2006年温、压、湿、风、降水基础资料数据集和2474个站2007—2009年温、压、湿、风、降水基础资料数据集，来源于国家级存档维护的国家站历史信息化月报数据文件。该信息化文件由省级上报而来，由国家级负责进行日常质量维护。

② 省级制作上报的2474个国家站1951—2006年温、压、湿、风、降水基础资料数据集，来源于省级存档维护的基准基本站和一般站历史信息化月报数据文件。该信息化文件由省级信息化或台站上报而来，由省级负责进行日常质量维护。

另外，2474个国家站中，国家级只存档了1954—2000年大部分基准基本站的纸质月报表和所有站年报表。基准基本站其他年份月报表以及所有一般站纸质月报表均存放在省级。因此，本研究仅利用国家级存档的基准基本站纸质月报表、部分站年报表，核实了软件检测出的基准基本站基础数据质量问题。部分问题数据由省级人员对照月报数据文件和月报表进行了核实。

本次研究主要检测信息化过程中引起的基准基本站温、压、湿、风、降水历史基础气象资料质量问题、检测国家级与省级存档而对外服务资料的不一致问题。假设提前知道基础资料中数据问题的种类及其表现形式，那么有针对性地检测与解决数据中的质量问题效果会更佳。

国家级和省级保存的基准基本站信息化历史基础资料均经过业务质量审核，并且在日常的数据处理与应用过程中，一旦发现数据问题均会对其进行维护修改。但历史基础数据从未进行过系统的质量检测，因此数据问题修改得不彻底，而且国家级和省级数据问题修改不同步，必然导致国家级和省级一方数据正确、一方数据错误的现象存在。在质量检测前，依据以前质量控制工作中发现的问题数据的种类 (如表 1) 以及国家级和省级保存的基准基本站历史基础资料的对比结果，整理出基准基本站温、压、湿、风、降水历史基础气象资料质量问题的种类，并分别给出如下检测方法。

① 不同信息化月报文件中，存在数据替代现象。该现象表现为用其他站资料或本站其他月资料替代本站本月观测资料。

检测方法：利用2474个国家站1951—2009年温、压、湿、风、降水基础数据集，通过软件输出各要素本站本月本日各定时值、日极值与本站其他日或其他站日相应值完全相同的记录，通过归纳后，人工核查报表，并进一步核查是否整月所有观测要素数据被替代。

② 要素资料中，部分要素整月无数据现象。该现象表现为某要素实际上可能有观测数据，但是由于信息化错误或遗漏，造成整月无数据现象。在数据服务时，表现为类似缺测现象。

检测方法：当有信息化月报数据文件时 (如国家级保存了基准基本站文件)，若文件中某要素表现为整月无数据现象时，则软件输出该信息，人工对照报表进行核实。当检测时无信息化数据文件，则利用2474个国家站1951—2009年温、压、湿、风、降水基础数据集，假设温、压、湿、风、降水观测项目应同时存在的情况下，当某个月台站有气温记录，筛查压、湿、风或降水要素却整月无记录现象，另外当某个月台站有其他要素记录，筛查气温要素整月无记录现象，软件结合两者统计筛查，最后人工对照报表进行核实。

③ 人工测风资料信息化错误现象。该现象表现为风速数据未按规定扩大10倍录入；风向实际上为8方位观测，却按16方位方式录入。

检测方法：由于多数情况下人工定时观测风速的分辨率为1 m·s^-1，而信息化文件要求风速扩大10倍录入，因此风速数据个位一般为0，通过软件输出个位数非0的风速数据，核查报表后，确定数据正确与否；另外，人工测风向普遍为16方位，但也曾出现过风向只为8方位观测的情况，因此对于8方位观测却用16方位表达的数据信息需要更正。通过软件输出整月风向用16方位方式表达，却未出现8方位之外的风向信息，人工核查后确定是否正确。

④ 省级与国家级保存的相应站资料不一致现象。该现象表现为国家级和省级保存的资料中，同要素同观测时次的数据却不同，缘自日常数据维护不同或数据来源不同。

检测方法：利用2007年省级上报的1951—2006年731个基准基本站数据集及国家级保存的相应站信息化文件，通过软件输出1951—2006年省级和国家级保存的基准基本站7种要素资料中不一致的数据，进行人工查阅报表来进一步核对。

对1951—2009年2474个站信息化资料的质量检测发现，837对月报数据文件中整月所有要素数据完全相同，另外58对月报文件中部分要素整月数据相同、或连续某几天各要素或部分要素数据相同现象。上述相同现象缘自一个文件中的数据是用其他文件中的数据替代的结果，被替代文件的时空分布见图 1。由图 1可见，替代现象主要出现在我国东部地区，20世纪60年代替代现象较多。

图 1

图 1. 1951—2009年被替代的信息化数据文件时间 (a) 和空间 (b) 分布 (图b中圆点表示台站位置，数字表示所属省份的站月数) Fig 1. Temporal distribution (a) and spatial distribution (b) of the number of replaced electronic monthly data files from 1951 to 2009 (dots denote station location and figures denote the total number of replaced electronic monthly data files in a province in Fig. 1b)

837个月报数据文件替代现象通过征询省级资料部门后发现，703个月报文件替代现象是因为迁站或台站任务变更造成的，替代的目的是为了资料序列的连续应用和完整性。但作为档案资料这种替代是不恰当的，实际上只需记录迁站、台站任务变更等元数据信息即可，在后期的数据处理与服务时可考虑通过插补技术保证资料序列的连续性和完整性。另外，134个月信息化数据文件被错误地用其他站或本站其他月资料替代，其中一种替代是本站资料缺测而人为地用邻近站资料替代，另一种是明显的信息化错误。58对月报文件中部分要素整月数据、或连续某几天各要素或部分要素数据替代现象，也是由于资料缺测用邻近站数据替代或明显的信息化错误造成的。

该项检测综合利用了国家级和省级制作的1951—2009年温、压、湿、风、降水基础资料数据集，利用了国家级归档保存的基准基本站信息化月报数据文件和基准基本站1954—2000年月报表。

国家级和省级保存的基准基本站、一般站各要素整月无数据情况如图 2所示。由图 2可见，各要素整月无数据现象普遍集中在20世纪70年代之前，但20世纪90年代一般站湿度资料 (包括水汽压和相对湿度) 整月无数据现象比较高，由于国家级无月报表，原因有待基础资料建设工作完成后查明。20世纪50年代末至70年代中，省级保存的风速资料无数据现象比国家级保存的资料严重，主要原因为有9个台站共898个站月的风向、风速均有观测数据，省级可能在由纸带向磁带进行信息转储时，造成风数据丢失而产生类似缺测现象。国家级保存的基准基本站信息化文件中，降水资料整月无数据现象比省级保存的资料明显严重。造成上述各要素整月无数据的原因包括下列3种情况：① 台站早期无该要素观测任务或观测仪器故障；② 观测仪器质量较差，按规定可不信息化；③ 信息化时遗漏或信息化错误。本次检测主要检查信息化遗漏或信息化错误造成的整月无数据现象。

图 2

图 2. 1951—2009年各要素整月无数据站月数历年变化情况 Fig 2. Annual number of whole-month data missing of air temperature, air pressure, vapor pressure, relative humility, wind and precipitation amount from 1951 to 2009

国家级保存的基准基本站月报数据文件中，各要素整月无数据现象统计与核查结果见表 2。由表 2可见，各要素共检测到12859个站月无数据现象，根据国家级存档的月报表情况，实际仅对其中6279个站月核对了纸质报表，共核查到1749个站月数据应补录或更正。其中1276个站月气压由空盒气压表观测，859个站月风速采用风力等级或轻便风速表观测，按规定均可不信息化。

表 2

表 2 国家级存储的1951—2009年756个基准基本站资料各要素整月无数据核查结果 (单位：站月) Table 2 Verification results of whole month data missing of 6 meteorological elements observed by 756 national surface base stations from NMIC during 1951—2009(unit: month) 要素 整月无数据 现象发生的 时间 整月无数 据量 已核查 报表量 原因及相应站月数 信息化遗 漏或错误 有观测数据，按 规定可不信息化 无观测任务 或缺测 气温 1951—1965年 20 20 8 0 12 气压 1951—1984年 7525 3613 22 1276 2315 水汽压 1951—1969年 465 160 142 0 18 相对湿度 1951—1969年 314 154 139 0 15 风向风速 1951—1997年 3062 881 6 859 16 降水 1951—2006年 1473 1451 1433 0 18 合计 12859 6279 1749 2135 2395

表 2 国家级存储的1951—2009年756个基准基本站资料各要素整月无数据核查结果 (单位：站月) Table 2 Verification results of whole month data missing of 6 meteorological elements observed by 756 national surface base stations from NMIC during 1951—2009(unit: month)

由图 2及表 2可见，国家级保存基准基本站信息化文件中，降水信息化问题比较明显，共1433个站月数据需要补录或更正。其中除了5个站月有明显的降水现象而未信息化外，剩余1428个站月整月日降水量实际均为0或微量 (小于0.05 mm)，而信息化月报数据文件中均作了缺测处理。可能省级在日常数据维护中，对信息化数据文件做了更正，因此降水信息化问题较轻。

经核查报表，国家级和省级保存的基准基本站数据中，共发现10个站月整月风速资料录入错误。其中，新疆5个站月、西藏和海南各1个站月整月风速比观测值缩小了10倍。而福建出现3个站月整月风速大于10.0 m·s^-1时，应在末位补0，错将0补在高位，如应为110，错为011。

国家级保存的基准基本站风向资料中，整月风向记录只属于规定的8方位却用16方位方式表达的有1979个站月，主要集中在1970年之前。对照报表只核查了其中的1511个站月，核查结果表明均属于8方位观测，因此应更正信息化文件中的数据记录方式。1511个站月风向8方位观测资料中，有300个站月省级资料记录正确。

从省级存储的基准基本站资料与国家级存储的相应站资料对比结果来看，除存在上述一方整月无数据而另一方数据存在外，还有以下3类不一致现象。

① 国家级存储基准基本站资料与省级上报资料在时间跨度上的差异。

总体来讲，国家级存储的基准基本站资料在时间跨度上短于省级存储的数据。将省级上报的731个站1951—2006年的数据与国家级存储的同站数据进行对比，结果显示国家级比省级缺少28298个站月。共有133站国家级存储的资料时间长度短于省级资料，其分布如图 3所示，主要集中在华中、华南地区。

图 3

图 3. 国家级与省级存储基准基本站资料时间跨度差异分布 Fig 3. Distribution of the time span difference between NMIC and provincial data observed by national base stations

造成国家级保存的基准基本站资料少的原因主要是由于台站任务变更造成的。由于2007年之前，按规定国家级资料部门只收集归档基准基本站观测资料，当某个站由过去的基准基本站变为一般站时，资料不再上传，而当某站由一般站升为基准基本站时，才开始上传升级后的观测资料。

② 国家级资料与省级上报资料在观测数据源上的差异。

自动气象站业务运行或试运行以来，国家级和省级对外服务存在提供自动观测资料还是人工观测资料的差异。从国家级和省级分别制作的2001—2006年731个基准基本站基础数据集中可见，有173个站因为人工和自动观测数据来源上的差异，使得国家级存储的业务数据和省级数据出现不同。其中，9个站差异小于6个月，136个站差异为12个月，1个站差异为24个月。2001—2006年，只有2002年未出现观测数据源的差异，出现差异站月数较多的年份为2004年和2005年。

③ 其他不一致。

除了发现①、② 整月数据不一致现象外，还发现部分零散的数据不一致现象，主要因为原数据录入时发生错误，但省级或国家级仅一方做了修正。对比结果如表 3所示，731个基准基本站资料中有292263个 (组) 数据不同，通过报表核查了其中约52%的数据。从核查结果看，省级、国家级正确比例基本各半。

表 3

表 3 1951—2006年731个基准基本站不一致数据核查结果 Table 3 Verification results of the difference between NMIC and provincial data observed by 731 national base stations from 1951 to 2006 要素 不一致总数 核查数 省级正确率/% 国家级正确率/% 均不正确率/% 气温 15672 12633 37.6 62.3 0.1 气压 22053 16387 44.9 55.0 0.1 水汽压 109963 14082 36.1 63.6 0.3 相对湿度 34838 16835 43.6 56.2 0.2 风向 53762 47869 64.8 35.1 0.1 风速 35809 26894 21.3 78.1 0.6 降水量 20166 18299 27.3 72.5 0.2 合计 292263 152999 43.33 56.45 0.22

表 3 1951—2006年731个基准基本站不一致数据核查结果 Table 3 Verification results of the difference between NMIC and provincial data observed by 731 national base stations from 1951 to 2006

上述地面历史基础气象资料质量问题检测结果分析表明，利用常规的质量控制方法很难检查出资料替代、要素整月无数据、观测数据源不同造成的国家级与省级资料不一致等问题。例如，某站2002年1月的气温数据用该站2001年1月的观测数据替代，或用同期邻近站观测数据替代现象，气候极值检查、空间一致性检查等常规质量控制技术一般很难检测发现。此外，资料工作是一个不断深入的过程，只有切实了解基础资料中可能存在的问题，才能有针对性地制定有效的检测方法。

通过温、压、湿、风、降水基础资料数据质量检测，发现国家级和省级存储的资料中均存在大量与实际观测数据不符的信息化问题，包括：① 1951—2009年2474个国家站中存在837个月数据替代现象；② 国家级存储的1951—2009年756个基准基本站资料中，1749个站月要素资料信息化遗漏、10个站月风速资料错误、1979个站月风向表达方式不准确；③ 国家级和省级存储的731个基准基本站资料，有133站国家级资料的时间长度短于省级、173站存在人工和自动观测数据来源上的差异、因数据维护不同步造成国家级和省级存储的数据中约29万不同。上述资料问题通过常规的质量控制技术很难发现，只有针对特殊问题采用特殊的检测手段方可达到目的。

检测出的问题数据量比较大，但是占整个资料量的比例并不高。如按照每个站平均观测时间50年计算，2474个站中，约0.6‰的数据存在整月资料被替代现象；国家级存储的756个基准基本站降水资料中，约3.4‰的整月实有观测数据在信息化文件中表现为类似缺测现象。

本次检测只是针对月报信息化文件20类观测项目中的气温、气压、水汽压、相对湿度、风向、风速、降水量数据开展的工作，仅通过基准基本站月报表进行了部分数据问题核实。有必要在本次数据质量分析与检测经验的基础上，对所有历史月报数据文件中的所有要素观测值进行彻底检测与更正。广泛发动省级资料主管部门的力量，利用其存档月报数据文件和纸质报表，对发现的所有问题数据进行核查与更正。在核查与更正工作完成后，国家级和省级统一保存一套完整、一致的历史基础数据，同时制定有效的数据更正机制，确保今后国家级和省级在数据存储与对外服务中资料的一致性。