鐘艷雯 朱亮 夏正龍 朱宏武 歐陽計躍

摘要：“天擎·湖南”的區(qū)域站降水分鐘數(shù)據(jù)存在多個獲取途徑且數(shù)據(jù)不完全相等，測試選取了不同來源、不同數(shù)據(jù)頻次、相同數(shù)據(jù)頻次的3組降水數(shù)據(jù)，使用Bland-Altman、數(shù)值比較等方法，檢測了天擎中不同來源的降水分鐘數(shù)據(jù)一致性及完整性，為數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供參考與依據(jù)。結(jié)果顯示所有接口小時數(shù)據(jù)完全一致，逐小時累加值與日值完全一致;分鐘數(shù)據(jù)大部分樣本值處于95%置信區(qū)間內(nèi)，一致性較好，但是達不到完全一致。數(shù)據(jù)完整性僅有第二組完整性良好。

關(guān)鍵詞：降水1;一致性2;Bland-Altman3;天擎4

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0028-04

準確的降水資料對于氣象業(yè)務(wù)至關(guān)重要，目前中國氣象局氣象建立了大數(shù)據(jù)云平臺（“天擎”）為氣象部門提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)，天擎提供的降水數(shù)據(jù)中包括了分鐘級降水數(shù)據(jù)，高頻次、低時延的分鐘級降水數(shù)據(jù)對于預(yù)報預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)作用尤為明顯，同時也是業(yè)務(wù)應(yīng)用與大氣科學(xué)深入研究的基礎(chǔ)。但是分鐘降水數(shù)據(jù)存在與小時數(shù)據(jù)、日值數(shù)據(jù)不一致情況。多位學(xué)者或從地面氣象測報業(yè)務(wù)軟件、降水測量儀器、風(fēng)場變形與微量降水等方面對降水誤差進行分析與處理研究 [1-5]，或是通過將測站降水與TRMM估測降水、衛(wèi)星、雷達等對比進行評估校驗 [6-8]。但是基于氣象大數(shù)據(jù)云平臺進行的降水一致性研究還較少。

2020年12月湖南省氣象大數(shù)據(jù)云平臺即“天擎·湖南”（以下簡稱天擎）正式上線投入業(yè)務(wù)試運行。天擎為用戶提供了統(tǒng)一、便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)，同時還提供兼容接口，保障使用CIMISS（全國綜合氣象信息共享平臺）接口的業(yè)務(wù)應(yīng)用平滑過渡、無縫對接。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)天擎接口、天擎兼容接口（以下簡稱兼容接口）的區(qū)域站降水分鐘數(shù)據(jù)存在多個獲取途徑且數(shù)據(jù)不完全相等，因此本文選取了同一時段同一站點不同來源、同一時段同一來源同一站點不同數(shù)據(jù)頻次、同一時段同一來源同一站點同一數(shù)據(jù)頻次3組降水數(shù)據(jù)，對天擎的湖南省區(qū)域站降水數(shù)據(jù)進行一致性分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

按照國際慣例，氣象觀測數(shù)據(jù)采用協(xié)調(diào)世界時（UTC），因此本文涉及的數(shù)據(jù)樣本時間為UTC。降水量單位為mm，取一位小數(shù)[9-10]。時間選取原則為時間段在某日00時00分至次日00時00分之間，并且該時間段內(nèi)有降水值。數(shù)據(jù)選取原則為分鐘數(shù)據(jù)無長時間缺測;小時數(shù)據(jù)與日值數(shù)據(jù)無缺測、無更正報且質(zhì)控碼為正確。

對比參照數(shù)據(jù)為進行了質(zhì)量控制的區(qū)域站1小時降水數(shù)據(jù)與08-08時降水量日值數(shù)據(jù)。小時降水來源為天擎接口SURF_CHN_MUL_HOR（中國地面逐小時資料）PRE_1h（過去1小時降水量）要素值;日值降水來源為天擎接口SURF_CHN_MUL_DAY（中國地面日值資料）的PRE_Time_0808（08-08時降水量）要素值。

1.2 數(shù)據(jù)對比

1） 不同來源對比

本組測試選取天門山站點（P1801）2021年8月12日00時至8月13日00時天擎接口與兼容接口降水數(shù)據(jù)進行對比， 測試不同數(shù)據(jù)來源不同接口的數(shù)據(jù)一致性。兼容接口無SURF_CHN_MUL_MIN（中國地面分鐘數(shù)據(jù)），因此進行4組樣本的對比。

樣本1：逐小時降水量，來源為兼容接口SURF_CHN_MUL_HOR（中國地面分鐘數(shù)據(jù)），要素名：PRE_1h。

樣本2：逐分鐘降水量1小時累加，來源為兼容接口SURF_CHN_PRE_MIN（中國地面分鐘降水實時資料），要素名：PRE，每小時數(shù)量：60。

樣本3：逐5分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_MUL_MIN（中國地面分鐘數(shù)據(jù)），要素名：PRE，每小時數(shù)量：12。

樣本4：逐分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_PRE_MIN（中國地面分鐘降水實時資料），要素名：PRE，每小時數(shù)量：60。

逐小時降水值與對應(yīng)時次的分鐘累加降水值如下：

2） 不同數(shù)據(jù)頻次對比

本組測試選取馬跡塘鎮(zhèn)百樂村站點（P2842）2021年8月24日00時至8月26日00時降水數(shù)據(jù)進行對比，測試不同數(shù)據(jù)頻次的數(shù)據(jù)一致性。

樣本1：逐5分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_MUL_MIN（中國地面分鐘數(shù)據(jù)），要素名：PRE，每小時數(shù)量：12。

樣本2：逐分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_PRE_MIN（中國地面分鐘降水實時資料），要素名：PRE，每小時數(shù)量：60。

3） 相同數(shù)據(jù)頻次對比

銅官站點（P5114）已經(jīng)實現(xiàn)了1分鐘觀測數(shù)據(jù)接入，本組測試選取天擎接口該站點2021年8月12日00時至8月13日00時、8月24日00時至8月25日00時降水數(shù)據(jù)進行對比，測試同一數(shù)據(jù)頻次的數(shù)據(jù)一致性。

樣本1：逐分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_MUL_MIN（中國地面分鐘數(shù)據(jù)），要素名：PRE，每小時數(shù)量：60。

樣本2：逐分鐘降水量1小時累加，來源為天擎接口SURF_CHN_PRE_MIN（中國地面分鐘降水實時資料），要素名：PRE，每小時數(shù)量：60。

2 結(jié)果分析

2.1 一致性

Bland-Altman法是近年來在定量數(shù)據(jù)一致性評價方面得到廣泛認可的方法之一，它將一致性界限的定量分析與散點圖分布的定性描述相結(jié)合， 能夠直觀地定量和定性地考察數(shù)據(jù)間的一致性。以下分析圖中橫坐標為參照值與樣本的均值，縱坐標為參照值與樣本的差值。Mean為差值的均值，差值的±1.96倍標準差（±1.96*SD）之間為置信區(qū)間[11-13]。

一致性測試方法為：剔除無降水時次后，使用Bland-Altman法對小時降水量與對應(yīng)時次60分鐘累加降水量進行一致性檢驗;以日值為參照值與24小時累加降水量、1440分鐘累加降水量進行對比。

1） 不同來源對比

由上圖可見樣本1與參照值完全一致，樣本2-4均有偏倚值，樣本2、4一致性較好。11個時次中，小時降水一致性：參照值=樣本1>樣本4>樣本2>樣本3。

日值與逐小時累加值、分鐘累加值對比結(jié)果如下：

由測試結(jié)果可見日值與逐小時累加值完全一致，日值與分鐘累加值樣本2、3、4均有偏差，其中與樣本3偏差較大。一致性：參照值=樣本1>樣本2>樣本4>樣本3。

2） 不同數(shù)據(jù)頻次對比

由上圖可見樣本1、2均有不一致值;樣本1完全一致率僅有9.1%，在降水較大時偏倚較大。22個時次中，小時降水一致性：樣本2>樣本1。

日值與逐小時累加值、分鐘累加值對比結(jié)果如下：

由測試結(jié)果可見日值與逐小時累加值完全一致，日值與分鐘累加值樣本1、2均有偏差，其中與樣本1偏差較大。一致性：參照值=天擎小時降水>樣本2>樣本1。

3） 相同數(shù)據(jù)頻次對比

由上圖可見樣本1、2均有不一致值;29個時次中，小時降水一致性：樣本2>樣本1。

日值與逐小時累加值、分鐘累加值對比結(jié)果如下：

12日日值數(shù)據(jù)為29.6與天擎小時降水、樣本2累加值相等，13日為142.6，與天擎小時降水累加值相等、與分鐘累加值樣本1、2均有偏差。一致性：參照值=天擎小時降水>樣本2>樣本1

2.2 完整性

完整性計算公式為：

S=（∑X/∑Y）*100%

其中，S為完整率，X為樣本實際數(shù)量，Y為樣本應(yīng)收數(shù)量。各組測試結(jié)果如下：

3 結(jié)論與應(yīng)用

3.1 結(jié)論

1）所有接口小時數(shù)據(jù)完全一致，逐小時累加值與日值完全一致。分鐘數(shù)據(jù)大部分樣本值處于95%置信區(qū)間內(nèi)，一致性較好，但是達不到完全一致。不僅兼容接口分鐘降水數(shù)據(jù)與天擎接口分鐘降水數(shù)據(jù)不完全一致，天擎接口之間的分鐘降水數(shù)據(jù)也不完全一致。總體一致性逐分鐘降水高于逐5分鐘降水。

2）數(shù)據(jù)完整性僅有第二組完整性良好。其中天擎接口SURF_CHN_MUL_MIN（中國地面分鐘數(shù)據(jù)）分鐘數(shù)據(jù)缺失較多。

3）綜合比較結(jié)果，天擎接口SURF_CHN_PRE_MIN（中國地面分鐘降水實時資料）的分鐘降水數(shù)據(jù)一致性、完整性較好。

4）由于兼容接口僅提供最近10天的分鐘降水數(shù)據(jù)，天擎接口僅在2021年7月5日之后能獲取31站1分鐘的降水數(shù)據(jù)，同時要綜合考慮降水、缺測、質(zhì)控、更正等因素，樣本的選取范圍受到一定限制。本研究還需要大量的、長序列的數(shù)據(jù)對結(jié)果進行進一步驗證。

3.2 應(yīng)用

分析結(jié)果已應(yīng)用于湖南省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)平臺（簡稱內(nèi)網(wǎng)平臺）中。內(nèi)網(wǎng)平臺在計算任意時段分鐘降水累加時盡量使用小時或日值數(shù)據(jù)替換對應(yīng)時次的分鐘降水值以提高準確性;同時在降水數(shù)據(jù)展示與分析時，結(jié)合每個要素的質(zhì)控碼，提供“正確”“可疑”及“錯誤”數(shù)據(jù)質(zhì)量組合選項，滿足用戶在總結(jié)匯報、形勢分析、預(yù)警發(fā)布等不同的應(yīng)用場景的需求。以天門山站點為例，8月12日00時00分至13日00時00分的分鐘累加降水、小時累加降水、08-08時日值降水均為103.3mm，詳見圖10。

本研究檢測了天擎中不同來源的降水分鐘數(shù)據(jù)一致性，為降水分鐘數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供參考與依據(jù)，同時希望研究成果能夠助力分鐘降水數(shù)據(jù)的完整率、可用率的提高，依托“天擎·湖南”提供更加客觀、準確的高質(zhì)量地面氣象觀測數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1] 丁善文，王玉河，朱霞.OSSMO軟件數(shù)據(jù)維護中降水不一致現(xiàn)象分析與處理[J].山東氣象，2013，33（2）：36-38.

[2] 吳宜，劉西川，張軍，等.Parsivel激光雨滴譜儀與雨量計觀測降水的一致性分析[J].氣象科技，2020，48（2）：147-153.

[3] 何純麗，肖斌.自動站降水誤差存在的原因和處理方法的探討[C].廣西氣象學(xué)會2014年學(xué)術(shù)年會.廣西氣象學(xué)會， 2014.

[4] 李娜，李毅，張文萍.湖南省降水量觀測誤差分析及其校正[J].水電能源科學(xué)，2017，35（2）：21-23，57.

[5] 譚玉坤.降雨資料一致性檢驗實例計算分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（3）：223.

[6] 羅布堅參，翟盤茂，假拉，等.西藏高原測站降水與TRMM估測降水一致性評估[J].氣象，2015，41（9）：1119-1125.

[7] 楊星，王永前，劉志紅.四川省2013年夏季衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)的對比研究[J].高原氣象，2016，35（4）：1039-1049.

[8] 李雁，張樂堅，梁海河，等.天氣雷達與地面自動站降水觀測一致性校驗分析[J].氣象科技，2013，41（3）：436-442.

[9] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[10] 中國氣象局監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)司.氣象信息網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)手冊[M].北京：氣象出版社，2006.

[11] 寧錚美.Bland-Altman分析法在兩種化學(xué)發(fā)光儀器一致性評價上的應(yīng)用案例[J].運動精品，2018（2）：52-54.

[12] 萬毅，潘峰，楊喆，等.自動血壓計測量值一致性評估方法的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（1）：17-18，24.

[13] 朱令宇，李永杰，張蒙生，等.Bland-Altman法在煙草測量儀器一致性評價中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2009（5）：82-84.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-08-24

基金項目：湖南省氣象局2017年氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)平臺項目

作者簡介：鐘艷雯（1976—），女，廣西柳州人，高級工程師，碩士，研究方向為氣象信息技術(shù)應(yīng)用;朱亮（1986—），女，湖南雙峰人，高級工程師，碩士，研究方向為氣象信息技術(shù)應(yīng)用;夏正龍（1980—），男，江蘇省建湖人，高級工程師，碩士，研究方向為氣象信息技術(shù)應(yīng)用;朱宏武（1978—），男，湖南常德人，高級工程師，博士，研究方向為氣象數(shù)據(jù)處理;歐陽計躍（1970—），女，湖南冷水江人，高級工程師，學(xué)士，研究方向為氣象信息技術(shù)應(yīng)用。