地面集成觀測業務軟件（ISOS）

臺站級質量控制介紹2013年11月地面集成觀測業務軟件（ISOS）簡介二.質量控制對象2三.質量控制輸出代碼四.質量控制流程一、地面集成觀測業務軟件（ISOS）簡介ISOS是根據中國氣象局自動化觀測系統發展需求，立足于自動化觀測和自動化業務流程，開發能對多種地面觀測設備進行統一管理且靈活配置的綜合集成業務軟件.以充分發揮自動化觀測設備效能，節約臺站人力資源，加強基層臺站氣象服務保障能力，提升自動探測網的建設效益，為防災減災和國民經濟發展提供基礎信息支撐。主要功能包括：參數設置、數據采集、人工觀測、數據顯示、數據處理、質量控制、數據存儲、編制業務報表、數據審核、數據流傳輸、報文傳輸、工作管理、任務調度。地面觀測業務軟件設計思路按照如下目標，地面綜合觀測業務軟件系統的總體設計主要突出以下幾點：未來現代氣象業務對觀測系統的需求： 資料的準確性、傳輸的及時性、產品的綜合性充分發揮自動觀測和現代網絡技術的特點： 高時效的觀測資料、快速的寬帶網絡考慮基層臺站觀測人員職責的轉變： 設備保障、質量控制、資料分析地面綜合觀測業務軟件系統的總體設計

ISOS-SS特點動態擴展性能強：通過動態的配置管理，可對各種新觀測設備進行靈活擴充和配置管理；采用模塊化的數據質量管理方式，可擴充數據質量控制規則，并實現了對多種觀測資料的綜合校驗；

自動控制功能強：可實現對觀測設備的不同層次和級別的監控報警；不僅能上傳輸觀測數據，還可上傳設備的狀態數據，為設備的運行監控提供了基礎；功能、性能強：采用靈活配置的方式，可支持串口、網絡等多種聯接方式；可靠性、穩定性高；自動站、云、能、天等設備通過串口服務器的方式集成，首次構建中國地面綜合氣象觀測系統（ISOS），實現采集、傳輸、處理的全自動一體化。自動化觀測(硬件)觀測資料自動化處理與傳輸(軟件)

地面綜合自動化觀測試點

ISOS-SS臺站軟件組成圖（SMO+MOI）ISOS-SS系統主要由SMO和MOI兩部分構成，其中SMO負責自動觀測，MOI完成業務處理

通過FTP的方式上傳長Z文件與現有業務接軌，通過數據流的方式與ISOS-PS系統進行交互臺站軟件ISOS-SS總體功能圖簡介：ISOS-SS系統主要由SMO和MOI兩部分構成，其中SMO負責自動觀測，MOI完成業務處理

通過FTP的方式上傳長Z文件與現有業務接軌，通過數據流的方式與ISOS-PS系統進行交互SMO功能結構臺站軟件之MOI主要功能介紹MOI主要功能包括：觀測與編報模塊數據維護模塊報表制作模塊參數設置模塊質量控制模塊設備維護模塊質量控制發展情況介紹數值預報技術的發展以及全球氣候與大氣環境的深入研究，對氣象觀測資料的質量要求越來越高。針對不同的氣象資料，國內由此而研制了許多質量控制(QC)系統。隨著地面觀測自動化技術的發展，西方發達國家紛紛研制了地面自動觀測資料質量控制系統。北歐5國(丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典)對自動站資料控制流程分4級：臺站級資料質量控制、入庫前實時資料質量控制、入庫后非實時資料質量控制以及人工質量控制。美國由1100多個觀測站組成的地面自動觀測系統，在業務運行中，通過對資料進行臺站級、州級、國家級三級質量控制，及時發現并反饋觀測資料的質量問題，保證資料的準確性。現狀介紹截至2005年底，我國氣象部門約有600多個國家級地面站、1200多個地面一般站已使用自動氣象站進行地面氣象觀測。觀測系統的變化使得觀測儀器、觀測方法、觀測資料的密度及信息量、數據文件格式等均發生了巨大改變。隨著中國氣象臺站地面自動氣象觀測系統的逐步布設，地面自動站觀測資料質量控制系統的研制已成為業務急需。2004年，由國家氣象信息中心牽頭，聯合安徽省氣象局、湖北省氣象局開始研制由氣象臺站，到省級、國家級資料部門的地面自動站觀測資料三級質量控制業務系統(以下簡稱“三級質量控制系統”)，制定各級數據質量控制方案，開發相應的業務適用軟件。目前，該系統的研制工作已完成。各級質量控制系統融合了自動控制技術和交互式應用技術，提高了自動進程能力，允許在必要時對特殊資料進行詳細的人工分析判斷與修正。現有的三級質量控制體系介紹三級質量控制系統業務流程的建立以現行業務觀測體制中常規資料的采集傳輸流程為依據，包括臺站級QC、省級QC和國家級QC。臺站級QC是指臺站在實時資料采集、質量控制的基礎上，對本站形成的A、J、R月數據文件及年報文件Y文件，利用臺站級質量控制軟件進行質量檢查和預審，認為合格后上報到省級資料處理部門；省級QC是指在每月規定時間內收集本省范圍內由臺站上傳的上述數據文件，利用省級質量控制軟件對其進行質量檢查和人機交互審核，同時向臺站反饋審核信息，經復查合格后，按要求上報至國家氣象信息中心；國家級Qc是指在每月規定時段內收集各省上傳來的數據文件，利用國家級質量控制軟件對其進行滾動格式檢查和質量檢查，利用人機交互界面進行數據檢查處理，同時向各省反饋最終質量控制信息，確認合格后，歸檔存儲到國家氣象信息中心氣象資料室。ISOS-SS質量控制介紹在地面觀測業務集成平臺軟件中，質量控制子系統主要功能是根據業務配置和質量控制規則，進行實時數據的質量控制，對于明顯錯誤數據進行處理，并輸出相同格式的質控數據和質量控制信息。其中質量控制算法、參數、規則等都可以由業務人員進行動態編輯和修訂。多要素的質量控制綜合判別算法建設內容為建立一套遵循大氣狀態的基本規律、能多方面檢查各要素之間的相互關系，嚴謹且合理的質量控制算法。在現有可行的、較為成熟的質量控制基本流程的基礎上，加入自動化云、天觀測與常規要素的多要素綜合判別，對現有的、基于半人工半自動化觀測的質量控制算法進行修改和補充。質量控制在軟件系統中負責監控數據質量，在數據出現問題時，及時提醒工作人員。質量控制對象4級數據：第1級：設備端輸出的采集數據，即分鐘數據和小時數據；第2級：經過臺站級質量控制的數據，即上傳數據，長Z文件或數據包）；第3級：省級質量控制后的數據（即打包上傳數據，數據文件或數據包）；第4級：國家級質量控制的數據。質量控制對象4級數據：第1級：設備端輸出的采集數據，即分鐘數據和小時數據；第2級：經過臺站級質量控制的數據，即上傳數據，長Z文件或數據包）；第3級：省級質量控制后的數據（即打包上傳數據，數據文件或數據包）；第4級：國家級質量控制的數據。高效、簡單易行質量控制代碼代碼值含義0數據正確，未作過修改1數據可疑，未作過修改2數據錯誤，未作過修改3數據缺測，未作過修改4數據有訂正值5原數據可疑，對數據進行過修改6原數據錯誤，對數據進行過修改8

原數據缺測，對數據進行過修改9未作數據質量控制采用當前業務使用的質量控制編碼質量控制結果輸出代碼采用我國2010年1月頒布的氣象行業標準《地面氣象觀測資料質量控制》規定的質量控制碼。質量控制流程1.格式檢查

檢查結果：正確、錯誤

依據：數據格式要求2.設備狀態檢查

檢查結果：錯誤數據缺測處理，其余不變

依據：設備狀態檢查輸出結果3.數據質控碼檢查

檢查結果：錯誤數據缺測處理，其余不變

依據：文件中數據質控碼結果質量控制流程4.

氣候學界限值檢查：檢查結果：正確、錯誤依據：CIMO、行標、設備量程5.

氣候極值檢查：檢查結果：正確、可疑依據：臺站氣候統計值要素指標范圍氣溫℃[-8060]本站氣壓[5001100]海平面氣壓[8701100]1相對濕度[0100]2分鐘平均、10分鐘平均、最大瞬時風的風向[0360]2分鐘平均、10分鐘平均風速[075]瞬時風速[0150]1分鐘降水量[040]露點溫度[-8035]地表溫度[-8080]土壤溫度[-5050]草面溫度[-8060]1太陽輻射[01600]云高[1515000]2能見度[1050000]2質量控制流程6.

時間一致性檢查：最大變率檢查結果：正確、可疑、錯誤依據：CIMO、設備特點最小變率檢查結果：正確、可疑依據：CIMO要素名最大變率檢查范圍可疑錯誤氣壓0.5hPa2hPa溫度3℃露點溫度2℃或3℃24℃相對濕度10%15%2分鐘平均風速10m/s20m/s地面溫度10℃5cm地溫0.5℃1℃10cm地溫0.5℃1℃15cm地溫0.5℃31℃320cm地溫0.5℃1℃40cm地溫0.5℃31℃350cm地溫0.3℃0.5℃100cm地溫0.1℃0.2℃80、160、320cm地溫0.1℃30.2℃3太陽輻射800Wm-21000Wm-2十分鐘能見度≤30km3km430km≤能見度≤50km5km4質量控制流程6.時間一致性檢查：最大變率檢查結果：正確、可疑、錯誤依據：CIMO、設備特點最小變率檢查結果：正確、可疑依據：CIMO要素名最小變率檢查范圍氣壓0.1hPa溫度0.1℃露點溫度0.1℃相對濕度1%（相對濕度＜95%）風速0.5m/s風向10°（10分鐘平均風速大于0.1m/s）地面溫度0.1℃（除雪融狀況）5cm地溫土壤溫度可能會很穩定，沒有最小變率要求10cm地溫15cm地溫20cm地溫50cm地溫100cm地溫7.

內部一致性檢查：同類要素檢查結果：正確、可疑依據：邏輯關系不同類要素檢查結果：正確、可疑依據：CIMO特點：1.復雜、地域性強

2.不斷完善質量控制流程質量控制流程要素算法氣溫氣溫≤最高氣溫氣溫≥最低氣溫本站氣壓氣壓≤最高氣壓氣溫≥最低氣溫相對濕度相對濕度≥最小相對濕度風速十分鐘風速≤最大風速兩分鐘風速＜極大風速極大風速＞最大風速地表溫度地表溫度≤最高地表溫度地表溫度≥最低地表溫度草面溫度草面溫度≤最高草面溫度草面溫度≥最低草面溫度降水小時降水

=分鐘降水之和同類要素質量控制流程(a)風向和風速在下列情況下，風質控為錯誤：十分鐘內風向沒有任何變化，而風速≠0；十分鐘內風向在變化，而風速=0；瞬時風速≤風速；(b)氣溫和露點溫度在下列情況下，溫度質控為錯誤：露點溫度>氣溫；氣溫-露點溫度>5℃，且視程障礙來自霧。不同類要素質量控制流程(c)氣溫和現在天氣在下列情況下，要素質控均為可疑：氣溫>5℃，而降水類型來自雪；氣溫<-2℃，而降水類型來自雨、毛毛雨；(d)現在天氣、云和降水在下列情況下，要素質控為可疑：總云量=0，而有降水現象發生；總云量=0，而降水量>0（或大于雨量計的最小分辨率）；(e)云信息和日照持續時間在下列情況下，云和日照持續時間質控為可疑：總云量100%，而日照持續時間>0；ISOS-SS質控模塊介紹ISOS-SS質控模塊介紹ISOS質控錯誤碼格式定義位數含義1表示小時或分鐘文件（5為分鐘6為小時）2表示哪一步質控檢查未通過（1-8）3相應要素編號（分鐘數據文件要素編號對應表5中要素序號；小時數據文件要素編號對應表6中要素序號。）456設備端指控碼71-3步未通過每次加184-6步未通過每次加191表示第1步未通過101表示第2步未通過111表示第3步未通過121表示第4步未通過131表示第5步未通過141表示第6步未通過15預留16預留17預留18預留ISOS-SS質控模塊介紹地面集成觀測業務軟件（ISOS）視程障礙綜合判別算法2013年11月主要內容一、算法執行依據二、特征和區別三、自動化判別算法天氣現象自動化觀測介紹降水類天氣現象傳感器凍雨傳感器雷暴傳感器自動氣象站綜合判別或直接觀測地面凝結視程障礙需通過項目支持開展多傳感器集成觀測技術研究一、判別算法執行依據類別地面氣象觀測規范中的定義霧大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1.0km輕霧微小水滴或已濕的吸濕性質粒所構成的灰白色的稀薄霧幕，使水平能見度大于等于1.0km~小于10.0km霾大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0km的空氣普遍混濁現象沙塵暴由于強風將地面大量塵沙吹起，使空氣相當混濁，水平能見度小于1.0km。（出現沙塵暴一般風力大于四級（約10m/s））揚沙由于風大將地面塵沙吹起，使空氣相當混濁，水平能見度大于等于1.0km~小于10.0km浮塵塵土、細沙均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0km。浮塵多為遠處塵沙經上層氣流傳播而來，或為沙塵暴、揚沙出現后尚未下沉的細粒浮游空中而成。主要內容一、算法執行依據二、特征和區別三、自動化判別算法歷史數據分析視程障礙現象2分鐘平均風速（m/s）相對濕度（%）平均值標準差平均值標準差浮塵3.21.73211揚沙7.92.724.610沙塵暴17.66.810.53.8二、6種視程障礙現象的特征和區別現象名稱能見度（km）相對濕度風速大致出現時間霧V＜1.0接近100%小鋒面過境前后輕霧1.0＜V＜10.0較潮濕（80%~95%）、穩定小早晚較多霾V＜10.0較干燥（小于80%）、氣團穩定小任何揚沙1.0＜V＜10.0

風較大冷空氣過境或雷暴、颮線影響時，北方春季易出現沙塵暴V＜1.0

風較大浮塵V＜10.0

無風或風較小冷空氣過境前后主要內容一、算法執行依據二、特征和區別三、自動化判別算法試點站--判別條件現象名稱判別條件能見度（km）相對濕度（%）風速（m/s）24小時變溫（℃）霧V<1.0U＞80W≤10.0

輕霧1.0≤V<10.0U＞80W≤10.0

霾V<10.0U≤80W≤10.0

揚沙1.0≤V<10.0U≤80W>10.0

沙塵暴V<1.0U≤80W>10.0

浮塵V<10.0U≤80W≤10.0T≥5（1）、視程障礙識別算法總流程提取自動能見度數據、自動站數據及上次天氣現象判別數據。判斷是否有降水現象，若有則返回；若沒有降水現象，考慮上次是否有視程障礙現象，若沒有視程障礙現象，按初次判別方法；若有，按二次判別方法。（2）、初次判別算法二次判別流程二次判別流程二次判別流程二次判別算法數據評估視程障礙類天氣現象評估

總體上霧識別的準確率較高。

人工觀測能見度數據與能見度儀數據偏差造成統計的視程障礙現象的準確率較低。建議觀測時人工參考自動能見度數值。視程障礙類天氣現象評估評估期間，各站均觀測到輕霧和無現象，安徽、北京、湖北、江蘇、重慶觀測到霧現象，除安徽外各站均觀測到霾現象，僅北京出現浮塵，揚沙、沙塵暴未出現。現象集中發生在相對濕度大于等于80%風速小于10m/s時或相對濕度小于80%風速小于10m/s情況下，總體上誤判率高于漏判率。二次判別算法數據評估現象安徽北京廣東浙江湖北江蘇上海重慶平均值霧9250--9082-7578霾-010094086408958輕霧3843851006055644561揚沙---------浮塵-50-------沙塵暴---------1.準確率視程障礙現象準確率（%）1、準確率評估2.誤判率現象濕度風速安徽廣東浙江江蘇上海重慶霧相對濕度≥80%風速≥10m/s0--0-0風速＜10m/s8--0-25相對濕度＜80%風速≥10m/s0--0-0風速＜10m/s0--18-0霾相對濕度≥80%風速≥10m/s-00000風速＜10m/s-06055相對濕度＜80%風速≥10m/s-00000風速＜10m/s-0014553輕霧相對濕度≥80%風速≥10m/s000000風速＜10m/s471201867相對濕度＜80%風速≥10m/s000000風速＜10m/s134026047揚沙相對濕度≥80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------相對濕度＜80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------浮塵相對濕度≥80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------相對濕度＜80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------沙塵暴相對濕度≥80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------相對濕度＜80%風速≥10m/s------風速＜10m/s------視程障礙現象誤判率表（%）現象濕度風速安徽廣東浙江江蘇上海重慶霧相對濕度≥80%風速≥10m/s0--0-0風速＜10m/s0--0-0相對濕度＜80%風速≥10m/s0--0-0風速＜10m/s0--0-0霾相對濕度≥80%風速≥10m/s-00000風速＜10m/s-00000相對濕度＜80%風速≥10m/s-00000風速＜10m/s-00002輕霧相對濕度≥80%風速≥10m/s000000風速＜10m/s1001301相對濕度＜80%風速≥10m/s000000風速＜10m/s100100揚沙相對濕度≥80%風速≥10m/s------風