AERMOD气象数据格式

1 概述

为运行AERMOD模型,需要准备符合某种格式的原始气象数据,这些数据交由AERMET前处理程序处理原,并最终生成用于AERMOD的气象文件。

本文档说明可使用于AERMET前处理输入的气象数据文件格式,以助于在无法直接获取符合格式要求的数据时,对其他格式或形式存储的数据进行处理。

文档中的资料来源于相关模型的帮助文档及某些网站资料,所列如下:

在阅读本文档之前,笔者建议读者阅览这些文档和资料,了解一些基础知识以便能够明白本文的写作目的以及文中涉及的一些没有阐述的基础概念。

由于原始资料均为英文,文中部分术语翻译可能不够准确,因此将拿捏不准的原文和译文相应列出如下,以方便读者对照:

译文 原文
现站数据 on-site data、site-specific data
不透明云遮系数(低云量) opaque sky cover

另外,文档中出现了一些与美国数据管理规范相关的缩略词,简单说明如下:

  • CD:在数据格式前缀中出现的缩略词,表示该数据原始存放介质,CD为Card Deck缩写。
  • WBAN:Weather Bureau Army Navy (WBAN) identifier,是美国1960年代创建的首个全国范围的气象机构编码,该编码由5位字符构成[1]
  • FSL:Forecast Systems Laboratories是美国海洋与大气管理局(NOAA)下属的预报系统实验室(FSL)所使用的无线电探空仪数据格式。
  • SCRAM:EPA’s Support Center for Regulatory Air Models 为美环保局的常规大气模型支持中心所使用数据格式。
  • HUSWO:Hourly United States Weather Observation
  • ISHD:Integrated Surface Hourly Data

2 原始气象数据

原始气象数据分为3类:地表观测数据、探空数据、站点数据。

前两种数据有指定的数据格式,而站点数据没有固定格式,因此必须在预处理控制流文件中进行格式的指定。

AERMET可从多种格式的数据中获取信息,下表列出了几种常用原始气象数据格式[2]

类型 格式 作用
地表逐时观测数据 CD 144 提供地表观测数据
地表逐时观测数据 SCRAM 提供地表观测数据
地表逐时观测数据 SAMSON 提供地表观测数据
地表逐物质观测数据 TD 3280(磁带媒介) 提供地表观测数据
HUSWO 带有沉降参数的地表数据
ISHD (TD 3505) 带有沉降参数的地表数据
高层空气探测数据 TD 6201 提供高层观测数据
高层空气探测数据 FSL 提供高层观测数据
现站数据 无确定格式 (可选)提供补充数据

2.1 地表逐时观测数据

Hourly Surface Weather Observation Data

2.1.1 最小数据需求

当使用NWS数据(非现站数据)时,最小数据需求列出如下[3]

  • 风速和风向[4];
  • 环境温度;
  • 不透明云遮系数;或用总云量代替;
  • (可选,推荐)站点压力,若没有使用1013.25毫巴代替。

2.1.2 CD 144数据格式

2.1.3 SCRAM数据格式

SCRAM格式是CD 144的缩略格式,去掉了一些不使用的参数。下面就其格式进行说明。

如上为文件中的单条记录,共占据28个字符。其具体格式为[5]

字符 变量
1-5 地面站编号
6-7
8-9
10-11
12-13
14-16 云底高度(百英尺)
17-18 风向(10度)
19-21 风速(节)
22-24 干球温度(华氏度)
25-26 总云量
27-28 不透明云遮系数

2.1.4 SAMSON数据格式

此数据从SAMSON光盘中提取,每个数据文件首个记录为站点信息,其格式如下:

字符 变量 说明
001 标识符 ~浪线指示一个记录头
002-006 WBAN编码 站点标识编号
008-029 城市 站点所在城市
031-032 站点所在州
033-036 时区 The number of hours by which the local
standard time lags or leads Universal Time.
039-044 纬度 站点纬度
039 N = north of equator
040-041
043-044
047-053 经度 站点经度
047 W = 西经,E = 东经
048-050
052-053
056-059 海拔高度 以米为单位的站点海拔高度

数据文件的第二条记录是定义变量的列头,之后为数据记录:

该记录与之后的数据记录均为“自由格式”,即由至少一个空白符分隔的格式。其中出现的位置编号与相应的参数对应,该对应关系如下表所列:

位置编号 描述
年月日时 (LST), observation indicator
1 Extraterrestrial horizontal radiation
2 Extraterrestrial direct normal
radiation
3 Global horizontal radiation
4 Direct normal radiation
5 Diffuse horizontal radiation
6 Total cloud cover
7 Opaque cloud cover
8 干球温度
9 露点温度
10 相对湿度
11 站点压力
12 风向
13 风速
14 能见度
15 Ceiling height
16 Present weather
17 Precipitable water
18 Broadband aerosol optical depth
19 雪深
20 Days since last snowfall
21 Hourly precipitation amount and flag

2.1.5 HUSWO数据格式

此类数据是对SAMSON数据的补充,但不包括日照数据。

2.1.6 ISHD数据格式

ISHD数据格式是NCDC定义的新格式,其详细描述见 EPA 文档

2.2 高层空气探测数据

Upper Air Sounding Data

2.2.1 最小数据需求

当使用NWS数据(非现站数据)时,最小数据需求列出如下:

  1. 晨间探测数据(对应于美国,使用1200GMT)[6]

2.2.2 TD 6201数据格式

TD 6201有两种子格式,分别为TD 6201 FB(fixed blocks,定长格式)和TD 6201 VB(variable blocks,变长格式)。两者的区别在于单条逻辑记录中包含的真实记录数量不同。下面以定长格式为例说明数据的格式:

A) 格式(变量记录)[7]

前7个字段是ID部分,出现在每条记录的开始。接下来的10个字段包含“数据部分”。数据部分在每个观测水平上重复一次。最大的水平数为200。

每个逻辑记录最多包含7232个字符,包含一个站点在特定时间的完整观测。记录形式如下:

ID部分(32字符)Fixed Length

站点编号 纬度值 纬度代码 经度值 经度编码 时间/日期 NUMBER VALUES
XXXXXXXX XXXX X XXXXX X XXXXXXXXXX XXX
001 002 003 004 005 006 007

数据部分(36字符)重复Number-Values次

LVL-QLTY INDCTR 时间 压力 高度 温度 相对湿度 风向 风速
X XXXX XXXXX XXXXXX XXXX XXX XXX XXX
008 009 010 011 012 013 014 015
QUALITY FLAGS TYPE OF LEVEL
XXXXXX X
016 017

元素名称和定义

字段 记录位置 元素描述
001 001-008 STATION IDENTIFICATION
002 009-012 LATITUDE
003 013 LATITUDE CODE N/S
004 014-018 LONGITUDE
005 019 LONGITUDE CODE E/W
006 020-029 DATE AND TIME (YR/MO/DY/HR)
007 030-032 后续数据部分数量
008 033 LEVEL QUALITY INDICATOR
009 034-037 TIME (ELAPSED TIME SINCE RELEASE)
010 038-042 压力
011 043-048 高度
012 049-052 温度
013 053-055 相对湿度
014 056-058 风向
015 059-061 风速
016 062-067 FLAG FIELD (QUALITY FLAGS)
017 068 TYPE OF LEVEL
(1958-1972) (7125-7160) DATA GROUPS IN THE SAME FORM AS TAPE FIELDS
(1973-1987) (7161-7196) 008-017. REPEATED AS MANY TIMES AS
NEEDED
(1988-2002) (7197-7232) TO COMPLETE ONE UPPER AIR OBSERVATION. A MAXIMUM OF 200 LEVELS ARE POSSIBLE.

NOTE: TD-6201 through December 1975 will contain Type of Level Flags 0, 1, and 9 only. During
this period significant, generated, tropopause and max wind all have Flag = 9.

2.2.1 FSL数据[8]

A) 格式

The first 4 lines of the sounding are identification and information lines. All additional
lines are data lines. An entry of 32767 (original format) or 99999 (new format)
indicates that the information is either missing, not reported, or not
applicable.

数据格式如下所示:

[9]
列数
1 2 3 4 5 6 7
行类型
报头行
254 小时 (blank) (blank)
1 WBAN# WMO# LAT D LON D ELEV RTIME
2 HYDRO MXWD TROPL LINES TINDEX SOURCE
3 (blank) STAID (blank) (blank) SONDE WSUNITS
数据行
9 压力 高度 温度 DEWPT 风向 风速
4
5
6
7
8

上表中“行类型”用于描述对应的行内容,具体取值和说明见下表:

行类型 说明
254 标识输出文件的一组新的探测记录
1 站点身份行
2 探测校验行
3 station identifier and other indicators line
4 mandatory level
5 significant level
6 wind level (PPBB) (GTS or merged data)
7 tropopause level (GTS or merged data)
8 maximum wind level (GTS or merged data)
9 surface level

B) 数据获取

为获取FSL数据,可以访问http://esrl.noaa.gov/raobs,该页面为一个数据获取向导,它将引导用户选择需要的时间、地点的数据,在页面间跳转最后完成数据获取。下面简要介绍该向导的使用流程。

页面上方为一些数据库说明和新闻,中央为用户选项,第1-3步骤中,用户可选择需要数据的日期范围、观测时间段、数据行类型(水平)、风速单位和数据选择模式。在此例中,选择的数据日期从2010年1月1日0时至2012年12月31日23时,全时段全水平,风速单位为节,并按照国家选择数据。

数据输入完成后,点击“Continue Data Request”提交进入下一步。

在第4-6步骤所显示的界面,根据选择模式不同而定。本例中使用依照国家选择,因此第4步首先列出国家代码。

在第4步的最后一行,请务必选择“列出国家的站点列表”选项,否则将默认下载国家所有站点的数据,要么耗时较长,要么超出站点数据大小限制(25000条)。

在列出的站点列表中,选择距离预测地点最近的一个,此例中是沈阳东塔站点。用户还可选择数据输出的顺序,以及输出格式。由于此例是为了获取FSL格式数据,因此选择“FSL Format”一项。

选项设置完成后点击提交按钮。

系统在新页面中逐步加载数据,用户可以复制其到文本文件中。

2.3 现站数据

Site-specific Meteorological Data

除了具有预先定义格式的地表逐时观测数据和高层探空数据外,AERMET还可以通过用户指定格式来读取其他数据,这些数据往往包含了常规NWS数据所缺少的内容,如……。

作为现站数据,文件应当符合以下要求:

  1. 一个观测周期的数据可以包含多条记录,但这些记录必须是临近的(即在文件中的位置是接连的);
  2. 每小时最多包含12个等间隔的观测期(每5分钟一次);
  3. 两次观测中包含的变量应当相同(但一次观测的多条记录可包含不同的内容);
  4. 日期和时间信息必须在观测的第一条记录中包含,且必须为整数,顺序没有要求(第一条记录中可以包含气象变量);
  5. 被录入到AERMET中的观测数据变量应能够被AERMET识别,即其定义必须符合AERMET的规定[10],否则应当在控制流中指明跳过该变量;
  6. 每次观测的单层变量(热通量、混合层高度等)必须出现在多层变量(风参数、温度等)之前;
  7. 文件必须以ASCII编码,且应能被FORTRAN格式化语句读取(目前AERMET不支持自由格式)。

下面借用一个示例说明如何通过控制流文件令AERMET读取现站数据[11]

上述为某现站数据片段,每3行为一次观测(一次观测包含3条记录),片段中节选了3次观测数据。

下面给出控制流文件中的ONSITE路径(pathway)部分:

注意其中的READ和FORMAT子路径:READ依次指定每条记录中包含的需要录入的变量类型,READ字样后的整数表示记录在观测中的行号,观测中有几条记录,READ就应当出现几次;FORMAT与READ出现次数相同,相应地描述获取变量时使用的文本格式,该格式符合FORTRAN语法。


[2]更多支持的格式参见AERMET用户手册附录A中的TABLE A-4和TABLE A-6。
[3]参见AERMET用户手册2-6页(2.2小节)。
[4]文档中的风向,均为NWS的风向定义,即以正北为360度顺时针的非零角度值。
[5]SCRAM、SAMSON数据格式参见气象数据中心站点的MET Data Guide
[6]值得注意,AERMET将此时间硬编码,因此只适用于西半球,见AERMET用户手册1.1.4小节。
[7]格式说明中的示例源自AERMET测试用例,该测试用例可从美国环保部网站相关页面下载。
[9]数据可从NOAA ESRL开放网页获取,正文中亦有说明。
[10]可以被AERMET读取的变量拥有4个字符组成的名称,变量的描述、单位和QA要求详见AERMET用户手册附录B的表B-3a和B-3b。
[11]此处示例选自AERMET用户手册,详细的步骤说明见手册的第3节:高级教程。

《AERMOD气象数据格式》有1个想法

  1. 相关资料和本人亲身实践都表明:NOAA站点数据不全,数据存储结构存在问题,得出的输出文件出现了很多数据缺失和错误的现象。可在美国怀俄明州大学网站(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)下载,但该数据非标准格式,需要进行转换。现环安科技有一个软件aermodsystem可以对NOAA和UWYO数据进行下载并转换成标准格式,不付费情况下只能下载试用版,试用版不能下载数据

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