应用气象学报  2010, 21 (1): 115-120   PDF    
引用本文
李伟, 张春晖, 孟昭林, 刘凤琴, 梁海河. L波段气象探测网运行监控系统设计[J]. 应用气象学报, 2010, 21(1): 115-120.
Li Wei, hang Chunhui, Meng Zhaolin, Liu Fengqin, Liang Haihe. The Design of Operation Monitoring System for L Band Upper air Meteorological Sounding Network[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(1): 115-120  
L波段气象探测网运行监控系统设计
李伟1,2,3, 张春晖4, 孟昭林2, 刘凤琴2, 梁海河2     
1. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
2. 中国气象局气象探测中心, 北京 100081;
3. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
4. 中国电子科技集团公司第28 研究所, 南京 210007
2008-12-23 收到, 2009-10-19 收到修改稿.
资助项目: 公益性行业科研专项 (GYHY (QX)2007636) 和国家自然科学基金（40975064）共同资助    
摘要: L波段气象探测网监控系统用来监视包括L波段探空设备与探空数据在内的全国高空气象探测网总体运行情况。基于L波段探空系统提供的监控信息与探空资料，结合业务运行经验与用户需求建立L波段高空气象探测网监控系统。运行结果表明：利用L波段高空监视系统，结合探空资料质量检查，能够及时发现探空系统存在的问题；高空监视系统有助于全面掌握全国探测网系统设备的运行状况，保障高空探测网稳定运行，提高气象探空数据质量，业务效果显著。但是在探空质量评估中也发现位势高度、温度以及风向与风速变化阈值存在控制过严的现象，需要加以改进，以避免虚警次数过多。
关键词: L波段    高空气象    探测网    监控系统    
The Design of Operation Monitoring System for L Band Upper air Meteorological Sounding Network
Li Wei1,2,3, hang Chunhui4, Meng Zhaolin2, Liu Fengqin2, Liang Haihe2     
1. Institute of Atmospheric Phy sics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
2. Atmospheric Observation Center of CMA, Beijing 100081;
3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
4. No.28 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007
Abstract: The operation monitoring system aims to monitor L band upper air meteorological sounding network running conditions including instrument running status and sounding data quality. Based on B/S structure, Windows platform and Oracle database, it can ensure users visit the monitoring system website at anytime and anyplace. The surface radar running condition monitoring file will be automatically generated 5 minutes after balloon releasing, and upper air sounding data monitoring file that contains upper air sounding statistics results and upper air sounding minutely data will be generated when upper air sounding process finishes. The TTAA message arrival information is used to judge whether L band upper air sounding system is working, the surface radar running condition monitoring file i s used to judge whether the surface radar working status is normal, the TTAA mes sage and upper air minutely data are used to check data quality. The monitoring system is developed fully considering monitoring information and sounding data provided by upper air meteorological sounding system, integrated operational running experience and users' requirements. The sounding parameter, surface instan taneous observation data and surface radar running status parameters can be displayed and checked, and sounding result can also be displayed and analyzed by th e system. During the sounding data quality control, first the message format is checked, and then based on WMO's reference criteria for AWS instantaneous extreme value check the surface instantaneous extreme value check is carried out. The nationwide monitoring area is divided into northeast, northwest, middle and south subareas. The geopotential height and temperature thresholds of each subarea are set using compiled upper air sounding data of CMA. Spherical coordinate data including elevation, azimuth, slant range and height are added to the monitoring file, and they are used to check the consistency of upper air sounding data and quality of the wind data. The sounding data quality check diagnoses the facility problems automatically and can improve its performance. The results show that the surface radar and radiosonde problems and current running status can be found immediately through the monitoring system integrated with sounding data quality check. The system can guarantee the operational stability of upper air mete orological sounding network, and improve meteorological sounding data quality effectively. But during the sounding data quality assessment the thresholds are found to be too strict, so it should be modified to avoid too much false warning information through further running assessment.
Key words: Lband     upperair meteorological     sounding network     monitoring system    
引言

提高观测质量并逐步实现探测现代化是大气探测工作的重要任务之一.我国自20世纪50年代起，与国际同步实施了世界天气监测 (WWW) 计划，建立了包含120个探空站的高空探测网.气象观测应具有准确性、代表性与可比较性3个特点，要为气象预报预测与气象服务提供高质量的观测数据.用数值模式做有限区域的天气预报，需要探空资料为数值模式提供初始场[1].除了08 :00 (北京时，下同) 与20 :00常规探测外，14 :00探空数据对于对流天气短时临近潜势预报作用非常明显[2]，单站探空资料用来开展辅助天气服务[3].探空资料还是风廓线、GPS/ME T水汽观测等高空遥感设备的相对比对参考标准[4].

世界气象组织认为影响观测数据质量的因素包括观测环境、观测仪器、业务规程等，同时强调要重视观测仪器的维护，开展实时的观测数据质量检查[5].为了获得满足气象预报服务的气象探测数据，国内外开展了相关的探测资料质量控制工作.北欧国家 (包括丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典) 通过NORDK LIM计划开展资料质量控制，包括台站资料质量控制 (QC0)，实时质量控制 (QC1)，非实时质量控制 (QC2) 和人工质量控制 (HQC)[6-7]；高空探测资料质量控制方法研究工作，如气候极值、上下等压面高度逻辑关系判断等多种质量控制方法，应用到高空探测资料检查中；William在NCEP再分析场中使用CQCHT算法进行数据质量控制，并采用等压面高度差作为质量控制指标之一[8-9]；周尚河利用我国30个站高空历史资料建立了高空气候数据集，阐述了包括等压面厚度差等多种高空资料质量控制方法[10].国家气象中心为监视评估所接收的全球气象观测资料的质量而设计开发了全球观测资料质量监视评估系统，该系统以资料同化的6 h预报场为背景场，计算观测资料与背景场的偏差[11].但是，到目前为止，还没有开展实时的高空探测数据质量检查.

稳定可靠的气象观测设备运行是获取稳定连续的高质量探测数据的重要保障.随着探测设备现代化的迅速发展，越来越多的气象装备已经集成了设备运行参数监控功能，例如芬兰维萨拉的自动气象站能够提供详尽的监视信息，可以监视到传感器一级，这为实现方便快捷的设备维护维修提供了极大的帮助；美国的天气雷达运行中心 (ROC) 已经实时监视全国天气雷达的运行状态，及时指导故障维修；此外，韩国、日本也实现了类似的运行监视系统，保障探测网的稳定运行.近年来国内也开始建立业务监视系统.目前，针对气象通信网络的监视系统发展较快，能够对各类气象报文传输实施自动监视，实现自动补报[12-15]；自动气象站业务布网较早，自动化程度较高，目前已经建立了实时监视系统，监视自动气象站的运行，并能以短信方式进行报警[16-19].除了设备监视，对于软件运行系统本身也实行有效监视.T213L31系统是建立在国家气象中心的网络架构和计算平台上，作为整个数值预报业务的核心和一个实时业务系统，对于各种预报产品的时效性和正确性都有较严格的要求，因此对整个运行过程实施了有效监控管理，在无人值守的运行过程中能够记录运行状态和运行过程中的故障[20]；对于国家级气象资料存储检索系统，国家气象信息中心融合多年业务运行维护经验，结合用户需求开发了监控分系统[21].

目前，中国气象局已经建立了以L波段高空气象探测系统为主体的高空探测系统.建立包括气象探测系统运行状态监视与数据质量检查功能在内的全国高空气象探测网监视系统，有助于全面掌握全国探测网系统设备的运行状况，保障设备稳定运行，提高气象探空内在数据质量.本文主要介绍L波段高空气象探测系统监视功能及其业务应用.

1 设计思路

为了保证L波段高空探测数据质量，既要监视高空探测系统本身的稳定运行，还要开展高空探测数据的质量控制.

整体功能框架如图 1所示.

图 1. 监视系统整体框架 Fig 1. The framework of monito ring system

台站高空探测软件系统在放球后5 min自动生成针对地面探空雷达的运行状态监视文件，在探空过程结束后自动生成探测数据监视文件，包括探空结果统计与探空分钟数据.

L波段高空监视系统根据探空报文T TAA报是否到达判断探空系统是否工作，根据地面雷达设备运行状态文件判断设备是否正常运行，利用探空报文与探空分钟数据进行探空数据质量检查.

2 探空设备监视系统

监视系统采用BS结构，建立在Windows平台上，后台数据库使用Oracle.这种设计可以方便用户在任何时间、任何地点访问网站，监视全国高空探测网的运行状态.

通过探空监控系统，能够检查台站参数、地面瞬时参数、地面雷达系统工作状态参数等信息，对探空结果进行分析与显示.其中台站的基本信息包括施放雷达的型号，经纬度与海拔高度信息，地面瞬时值包括地面释放瞬间的温、压、湿、风、云量与云状信息，这些都属于探空数据的元数据信息.

从表 1可见，印刷版11-2、印刷版11-3、印刷版11-6工作状态不正常，发射机过压短路不正常，因此总体表现在雷达工作状态不正常.在台站已经备份了整套的印刷版，因此针对印刷版故障，可以通过更换印刷版进行排除.此外还能够针对接收机频率、磁控管电流与接收机等数字监测，进行时间序列的统计与显示，用来检测系统的运行稳定性.

表 1 雷达运行状态参数显示界面 Table 1 The display interface of surface radar running status parameters

3 探空数据质量监视

对探空数据开展实时的检查和分析判断，进行探空数据质量监视与预警，通过数据质量问题对设备运行故障进行诊断，提高探空系统的整体性能.

按照电码要素编码规定要求，通过报文预处理、报文翻译，将合格的气象电码还原为基本气象要素值.在正确进行电码要素翻译的基础上，开展探空数据质量检查，包括地面瞬时值极值检查、探空等压面数据阈值检查、探空分钟数据质量检查等3个方面.

3.1 地面瞬时值检查

根据高空气象观测资料处理规定，地面瞬时值数据作为探空数据的第一个点替代资料，如果地面瞬时值出现错误，可能会造成逆温层的误判.

在地面瞬时数据极值检查方面参照WMO关于地面自动气象站瞬时值极值检查参考标准[21]，如表 2所示.

表 2 地面瞬时数据极值范围 Table 2 The extreme range of surface instantaneous data

3.2 探空等压面数据阈值检查

由于位势高度的计算包括气压、温度、湿度综合因子，因此等压面高度反映了高空气象探测系统探空仪的综合性能指标；欧洲数值预报中心对全球探空系统质量评估主要针对100 hPa和30 hPa等压面的探测高度，以及它们之间的厚度进行对比分析，因此，在进行方案设计时，选取了各等压面的位势高度进行阈值检查.此外，由于温度也是相对稳定的测量要素，因此还选取等压面温度进行阈值控制.

从天气环流形式分析，通常在低空500 hPa以下，东北与西北大部分地区受蒙古高压影响较多，南部地区受太平洋副热带高压影响较大，中部地区大部分时间受到蒙古高压影响，但在夏季受印缅槽的影响；越到高空，天气情况越稳定，100 hPa以上，基本上都属于西风带，只有夏季受到强大的青藏高压影响.从地面到高空，探空资料受地形等因素影响越来越小，资料的代表性越强，因此可以采用少数台站的历史统计资料来选取历史极值进行阈值设置.

国家气象信息中心气象资料室整编了我国28个高空气象站1951-2000年历年值和1971-2000年气候标准值资料，包括各等压面位势高度、气温、温度露点差、风速历年及累年各月平均值.根据上述统计资料，综合考虑区域气候特点，将全国分为东北区、西北区、中部区、南方区4个区域，见图 2.

图 2. 全国分区图 Fig 2. The subarea in China

参考区域内所属的28个高空气象站数据，提取区域内平均位势高度与温度的最大值与最小值作为分区内高空探测的设定阈值，如表 3与表 4所示.

表 3 西北区与东北区阈值 Table 3 The thresholds in the northwest and the northeast of China

表 4 中部区与南部区阈值 Table 4 The thresholds in the central and the south of China

参考区域内所属的28个高空气象站数据，提取区域内平均位势高度与温度的最大值与最小值作为分区内高空探测的设定阈值，如表 3与表 4所示.

由于选取的台站范围未能完全覆盖整个中国区域，对于超出覆盖范围的探空台站，以最邻近的区域阈值作为判断标准.此外，根据高空气象探测规范，探空记录未达500 hPa或者不足10 min者，应重放球[22]，则据此设定探空与测风终止高度不能低于5000 m.

3.3 球坐标数据连续性检查

在探空的监视文件中，增加了判断信息，包括了每分钟的球坐标数据，包括仰角、方位角、斜距、高度等信息，据此可以判断探空数据的连续性.

①高度数据检查

检查每分钟的高度数据是否出现不合逻辑之处.如果出现第n分钟的高度数据大于n +1分钟数据，由于可能会存在下沉气流，因此标志数据为可疑.

②球坐标数据检查

仰角数据监控方法:检查相邻两组仰角数据，如果数据差大于10°，仰角变化太大，标志为可疑数据.

距离数据监控方法:检查相邻两组斜距数据，如果第n组斜距数据大于第n +1组斜距数据，标志为可疑数据.

③量得风层检查

根据球坐标数据，按照高空气象规范计算量得风层，从量得风层中的风向、风速数据判断数据是否出现质量问题.

风向判断方法:判断相邻风向变化是否超过30°，如超过30°，将产生该风向数据的球坐标数据标志为可疑数据.

风速判断方法:相邻风速是否超过10 m/s, 如超过10 m/s, 将产生该风速数据的球坐标数据标志为可疑数据.

3.4 业务应用示例

通过高空探测数据质量检查，也可以帮助发现探测设备故障，通过故障排除，提高高空探测数据质量.

例如，2007年10月，中国气象局气象探测中心通过高空探测数据质量检查系统发现，昆明探空站出现500~150 hPa标准层风向偏差.现场检查结果显示故障原因是雷达同步轮系精电机上方的轴与齿轮联接故障造，成齿轮偶合误差，采取了更换配件的方法进行维修.高空探测数据质量检查系统统计显示，在这次维修之前，风向异常情况出现了75次，而在维修之后，没有再出现风向异常情况.

4 结论与展望

高空探测监视系统在中国气象局气象探测中心已经稳定运行，根据业务运行结果，可以得到以下结论:

1) 监视系统实现了从台站到国家级监视平台的自动信息采集、传输、处理与显示，自动化程度高.

2) 采用BS结构进行系统设计，功能强，界面友好.

3) 监视系统包括设备运行状态监视、探空过程与结果监视、数据质量检查，内容全面.

4) 采用多种方法对全国高空探测数据质量开展了监视与评估，包括报文格式检查、数据合理性检查、分钟数据一致性检查，能够有效检查高空探测数据内在质量.

实践证明，建立全国高空气象探测网监视系统，对于保证探测站网的稳定运行，提高探空数据内在质量，起到了积极的推动作用.随着业务的发展，未来还需要进一步完善监视系统功能，增加针对台站元数据的监视信息，包括站址环境、电磁环境，以及探测设备的更换、维护维修、标定等，重点加强探空数据质量检查功能，对于其中各种阈值的设定进行进一步的验证与调整，确保高空探测数据内在质量，以保证为预报预测服务提供高质量的探测数据.

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