Метеорологический архив "ТМ1-СРОКИ" содержит результаты основных 4-х срочных метеорологических наблюдений на станциях СССР за период 1936 - 1965 г.г. Этот архив включен с 1985 г. в Государственный фонд данных о состоянии природной среды (г. Обнинск, ВНИИГМИ-МЦД), а также является частью информационной базы банка данных "Метеорология и климат". Данный документ содержит описание архива "ТМ1-СРОКИ", разработанное в рамках второй очереди банка данных "Метеорология и климат". Основой для разработки данного описания архива "ТМ1- СРОКИ" послужило аналогичное описание, представленное в Государственный фонд данных о состоянии природной среды при оформлении заявки на создание этого архива в 1984 г.[1]. В связи с тем, что указанное описание недостаточно полное, требует использования труднодоступной дополнительной литературы, была предпринята попытка разработки замкнутого описания, содержащего все необходимые для пользователя данного архива сведения. Результат этой попытки - данный документ - имеет заметно больший объем, чем прежнее описание. Это, в некоторой мере, может затруднить его использование, но замкнутость документа, позволяющая основной части пользователей избежать необходимости привлечения дополнительной литературы, должна в какой-то мере скомпенсировать увеличение объема. С другой стороны, в дальнейшем планируется включение сведений из данного документа в "электронную книгу", которая будет содержать в организованном виде описание всей информационной базы банка данных "Метеорология и климат". В этом случае полнота информации в "электронной книге" будет уже ее достоинством.

Естественно ожидать, что данный документ не лишен недос- татков. Поэтому с благодарностью будут приняты любые замечания, рекомендации, позволяющие его улучшить. Просим направлять письменные сообщения по адресу: 249020, г. Обнинск, ул. Королева, 6, ВНИИГМИ-МЦД, отдел климатологии.

1. Общее описание архива

1.1. Происхождение архива

Архив "ТМ1-СРОКИ" был создан в результате перезаписи данных с таблиц ТМ-1 на МЛ ЕС ЭВМ. Первоначально перфокартотеки с данными суточного разрешения из таблиц ТМ-1 за 1936-1965 г. создавались с ориентацией на обработку с использованием счетно-перфорационных машин (СПМ). С учетом этого таблицы ТМ-1 были представлены в виде, удобном для дальнейшего переноса на перфокарты (таблицы ТММ-1). А именно, в таблицах ТММ-1 данные записаны в том порядке, в каком они должны заноситься на перфокарту, а в "шапке" таблицы указаны позиции на перфокарте для каждого элемента данных. На этапе подготовки таблиц ТММ-1 и последующих этапах занесения данных использовалось несколько вариантов инструкций, подобных [2, 3, 4]. Порядок записи данных в таблицы ТММ-1 регламентировался "Наставлениями гидрометеорологическим станциям и постам", выпуски 3, части 1 и 2 [5, 6].

1.2. Состояние архива

1.2.1. Состав архива

Архив состоит из отдельных наборов данных (файлов). Один файл содержит данные основных метеорологических наблюдений на станциях на территории СССР за период 1 января 1936 года по 31 декабря 1965 г.

Перечень метеорологических элементов содержащихся в архиве:

• температура воздуха;
• характеристика влажности воздуха (относительная и абсолютная влажность, дефицит насыщения и температура точки росы);
• характеристики ветра (направление, скорость ветра и характеристика его регулярности);
• характеристики облачности (высота нижней границы; общая и нижняя облачность; формы облаков);
• характеристики погоды (в срок и между сроками);
• количество осадков;
• горизонтальная видимость;
• характеристики поверхности почвы (состояние поверхности и ее температура).

1.2.2. Оценка качества архива

Данный метеорологический архив содержит данные, полученные в результате большого числа операций тысяч людей. Это наблюдатели на метеорологической сети, персонал по перфорации данных, работники бюро по обработке данных на счетно-перфорационных машинах, программисты, операторы ЭВМ и т.д. На всех стадиях обработки возможно возникновение ошибок в данных, поэтому в структуре архива предусмотрен ряд средств, позволяющих указывать пользователю на уже обнаруженные дефекты в данных.

Во-первых, пользователя интересует полнота рядов данных. Нужно различать пропуски в данных, носящие систематический характер (отсутствие данных в результате перерывов в работе станции или потери данных из-за деградации перфокартотек), пропуски, носящие случайный характер. В отношении пропусков систематического характера данный архив, в целом, может быть использован для массовой обработки, хотя сколь-нибудь полного контроля данных не производилось. Разработана программа логического контроля данных архивов "ТМ1-СУТКИ" и "ТМ1-СРОКИ" [11], но она пока не использовалась систематически.

В то же время, имеется группа станций, данные по которым достаточно полные. Это, в первую очередь, метеорологические станции, включенные в Международный Метеорологический ежемесячник (так называемые, станции ММЕ).

Далее, для оценки возможности использования значений метеовеличин, каждый элемент архива сопровождается дополнительным признаком, называемым "признаком качества", принимающим значения:

0 - значение достоверно
2 - значение сомнительно
3 - значение забраковано
4 - наблюдения не проводились

При значениях признака качества 3 или 4 поле элемента заполняется символом 9. Во всех позициях поля ключевые элементы записей элемента признака качества не имеют.

Отсутствие данных за некоторый день отмечается установкой поля "день" в состояние "99" (см. раздел 1.6.2."Структура файла данных").

1.2.3. Рекомендации пользователям по обработке отдельных метеоэлементов

Приборы на станциях, используемые для измерения скорости ветра (флюгеры с легкой и тяжелой доской, анеморумбометры) обладают разной точностью в различных диапазонах скоростей. В практике обработки данных скорости ветра в срочном разрешении принято приведение данных к условному прибору, например, к анеморумбометру. Для этого необходимо использовать данные истории конкретной станции. База данных "История станций" формируется в отделе климатологии ВНИИГМИ-МЦД, но необходимые сведения можно получить в Управлении гидрометеорологии (УГМ), в которое входит интересующая станция. При этом можно также учесть возможные переносы станции.

В разделе "Описание метеоэлементов" дано краткое описание каждого элемента, способа его определения, единиц измерения, диапазонов изменения, правил записи элемента, правил его кодирования, положения поля в записи.

1.2.4. Перечень программных средств в ОФАП Госкомгидромета, позволяющих обработку данных архива

a) Программа логического контроля архивов основных метеонаблюдений периода 1936-1965 годов (CNTR4).[10]

б) Программы окружения СУД-АИСОРИ [11-20]

1.3. Перспективы развития архива

Предполагается создать архив по полному перечню станций территории бывшего СССР (около 2 тыс.).

1.4. Пространственное размещение пунктов наблюдений

Пункты наблюдений (станции) распределены по территории бывшего Советского Союза неравномерно. Более плотная сеть станций в Европейской части бывшего СССР.

1.5. Периоды времени наблюдений

Сведения о периоде наблюдений и о перерывах внутри него указывается в ЯОД-описании данной станции, в разделе "Реферат".

Наблюдения проводились в климатологические сроки, связанные с определенным положением солнца относительно плоскости меридиана пункта наблюдений. Сроки наблюдений на протяжении работы сети метеорологических станций изменялись неоднократно. При описании сроков наблюдений мы полностью приводим часть раздела "Сроки наблюдений" из [7], касающуюся периода 1936-1965 г.г.

В 1935-36 г.г. были введены четыре равноотстоящих срока наблюдений - 1 час, 7 час., 13 час., 19 час. (при непрерывном, введенном ранее счете времени 0-24 с 12 час.ночи), которые должны были обеспечить лучшее освещение суточного хода метеорологических элементов.

После введения четырех сроков наблюлений, все явления, наблюдаемые после 19 час. и в течение ночи, записываются в строку следующего дня, в хронологическом порядке. Явления, наблюдаемые ночью, могут сопровождаться краткой пометкой времени "n" вместо точно указанного времени.

При подсчете числа дней с явлениями сутки считаются с 19 час. до 19 час. в соответствии с указанным выше.

Для станций, на которых с 1 января 1936 года не удалось по тем или иным причинам ввести ночной срок наблюдений, временно, для увязки, сохранялся срок 21 час. Полные ряды наблюдений производились в 7 час., 13 час. и 19 час. В 21 час производились наблюдения по сокращенной программе - над облачностью, ветром, температурой и влажностью, по руководству 1940 г., наблюдения над видимостью и давлением.

Наблюдения над осадками производились на станциях вначале в 8 ч.у. и в 8 час.в.; в 1870 году - в 7 час.у.- летом и в 8 час.у. зимой; в дальнейшем - в 7 час.у. весь год; после введения четырех сроков наблюдений - в 7 час. и в 19 час.

Наблюдения над снежным покровом производятся в утренний срок наблюдений или близко к нему, когда становится достаточно светло.

С 1941 года наблюления на станциях 3 разряда (на постах) производятся в 8 час. и в 20 час. по местному гражданскому времени. Сутки считаются с 20 час. до 20 час.

Для станций, обслуживающих авиацию, особым распоряжением вводятся еще добавочные сроки.

1.6. Структура файла данных

Архив записан на стандартные 0,5 дюймовые магнитные ленты в формате, ориентированном на обработку в среде ЕС ЭВМ в коде ДКОИ (IBM 360, 370 и совместимые с ними модели ЭВМ в коде EBCDIC). Организация данных в архиве подчинена требованиям Государственного фонда данных о состоянии природной среды. Это, в первую очередь, структура файлов, организация данных на томе МЛ. Структура файлов обеспечивает формальное описание на языке описания гидрометеоданных (ЯОД-описание) [12], принятое обязательным в системе Госкомгидромета. Это описание имеется на каждом архивном томе МЛ (обычно, последний файл на томе) и может быть предоставлено пользователю. Плотность записи данных на МЛ равна 800 BPI, но при копировании может быть изменена на 1600 BPI или 6250 BPI. Имя файла данных и ЯОД-описания совпадает с названием станции (на русском языке). Файл, содержащий ЯОД-описание данного архива, записан перед файлом данных. Пример ЯОД-описания архива прилагается.

Файл данных содержит записи длиной 3581 байт. Записи в архиве не блокируются. При копировании данных записи могут быть сблокированы по указанию пользователя. Записи файла упорядочены по возрастанию ключевых элементов записи: год, месяц, срок.

"Год" принимает значения 936,..., 965. Поле "год" занимает в записи позиции 10-12.

"Месяц" принимает значение от 1 до 12, причем, как правило, незначащий нуль присутствует, т.е., например, январь может быть закодирован 01 или в1, где в - код пробела. Поле "месяц" занимает в записи позиции 13-14.

"Срок" принимает значение 01, 07, 13, 19. Поле "срок" занимает в записи позиции 15 - 16.

В каждой записи в позициях 1-9 размещен код станции, называемый "координатным номером". Структура координатного номера следующая:

позиции 1-4 определяют широту местоположения станции с точностью до 0,1 градуса (например, 375с - это 37,5 градуса северной широты); позиции 5-9 определяют долготу станции с точностью до 0,1 градуса (например: 1257в - это 125,7 градуса восточной долготы; 0025з - это 2,5 градуса западной долготы).

Вслед за ключом (станция, год, месяц) в записи размещена 31 строка длиной 115 байт с данными соответствующих суток месяца (первая строка - первые сутки, вторая строка - вторые сутки, и т.д.). При описании каждого метеоэлемента определены позиции его в строке данных соответствующих суток словами "позиция поля в строке". Первые две позиции в каждой строке непользуются для записи специального признака, который условно называется "день". Признак "день" может принимать следующие значения:

• 99, если в данной строке данных нет, т.е. за i-день (i-порядковый номер строки) данные отсутствуют. Это может быть естественным, например, для 30, 31 февраля, 31 апреля и т.д. Но может быть следствием отсутствия данных по каким-либо причинам. Следует отметить, что, к сожалению, имеются случаи ложного "наличия данных", т.е. случаи, когда признак "день" имеет недействитель ные значения. Например, данные за 29 февраля в невысокосные годы. Это следствие позднее исправленного дефекта в программных средствах формирования архива. Поэтому отсчет "календаря" должен вести сам пользователь;
• от 01 до 31, если в строке есть данные и они не подвергались исправлению. В этом случае значение "день" соответствует номеру суток в месяце.

2. Описание элементов массива данных

2.1. Условные обозначения, используемые при описании элементов

При описании форматов полей записи используются следующие условные обозначения:

• символом D обозначается позиция поля, в которой записана цифра (DIGIT);
• символом С обозначается позиция поля, в которой записана дополнительная характеристика (COMPLEMENT);
• символом Q обозначается позиция, занимаемая характеристикой качества (QUALITY);
• символом S обозначается позиция, в которой может быть знак числа (SIGN);
• символом Z обозначается позиция, в которой незначащие нули могут быть заменены пробелом (ZERO). Для обозначения форматов каждой составляющей поля используются обозначения языка PL/1;
• Q02 означает, что характеристика качества принимает значение Q=0 (значение метеовеличины достоверно) или Q=2 (значение метеовеличины сомнительно);
• Q34 означает, что характеристика качества принимает значение Q=3 (значение метеовеличины забраковано) или Q=4 (наблюдения не проводились).

2.2. Относительная влажность

Относительная влажность воздуха есть отношение упругости водяного пара к максимальной упругости при данной температуре, выраженное в процентах. На станциях относительная влажность определяется с помощью психрометра.

Таблица 2
Формат записи относительной влажности

2.3. Упругость водяного пара

Упругость водяного пара - основная характеристика влажности воздуха, определяемая с помощью психрометра; парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе, выражается в гектопаскалях или миллиметрах ртутного столба, так же как и давление воздуха.

Таблица 3
Формат записи упругости водяного пара

Примечание: Иногда абсолютной влажностью называют упругость водяного пара. При температуре 16 числовая величина абсолютной влажности в г/м равна числовой величине упругости пара в мб. При других значениях температуры, встречающихся в атмосферных условиях, величины их достаточно близки.

2.4. Атмосферное давление на уровне моря

Давление на уровне моря - это атмосферное давление на среднем уровне моря. Это- либо давление, непосредственно измеренное на уровне моря, либо давление, измеренное на уровне местности и приведенное к уровню моря: вычисляется с помощью барометрической формулы по фактически наблюдаемому давлению и по температуре воздуха того атмосферного давления, которое было бы на станции, если бы она находилась на уровне моря. Давление на станциях, расположенных выше 800 м, к уровню моря не приводится.

Таблица 4
Формат записи давления на уровне моря

2.5. Дефицит влажности (недостаток насыщения)

Дефицит влажности - это разность между насыщенной и фактической упругостью водяного пара при данных температуре и давлении. Выражается дефицит влажности в гектопаскалях или миллиметрах ртутного столба.

Таблица 5
Формат записи дефицита влажности

2.6. Характеристика регулярности ветра

Краткая характеристика: ветер может быть ровный или порывистый, постоянного или меняющегося направления.

Ровным называется ветер в том случае, если скорость его в течение времени (2 мин.) наблюдения остается более или менее постоянной, если же скорость его резко меняется - ветер порывистый.

Направление ветра принимается как постоянное в том случае, если в течение времени (2 мин.) наблюдений оно удерживаетя в пределах одного румба, если же направление менялось более чем на 1 румб - ветер меняющийся.

Как сильный, так и слабый ветер в равной мере может быть порывистым или ровным, меняющимся или постоянным.

Таблица 6
Формат записи характеристики регулярности ветра

Таблица 7
Кодирование характеристики регулярности ветра

2.7. Характеристика барической тенденции

Характеристика барической тенденции определяется по виду записи кривой барографа за трехчасовой промежуток времени. По виду кривой можно определить ход давления, падает оно или растет.

Таблица 8
Формат записи характеристики барической тенденции

Таблица 9
Правила кодирования характеристики барической тенденции

2.8. Величина барической тенденции

Величина барической тенденции вычисляется как разность двух показаний ртутного барометра, которые были отмечены в срок и за 3 часа до срока наблюдения. Если давление в срок было больше, чем за 3 часа до срока, то барическая тенденция считается положительной (давление росло); если меньше, то отрицательной (давление падало).

Таблица 10
Формат записи величины барической тенденции

Для получения значения барической тенденции из приведен- ных в архиве данных необходимо выполнить сцепление (конкатенацию)

PPP = C !! KK

При этом PPP будет иметь формат PIC'99V9'.
Авторы архива использовали поле С для размещения раздела "десятки", т.е.

если PPP <= 9.9, то D1=0;
если PPP > 9.9, то D1=1.

Внимание! Авторы архива отметили следующие исключения из указанного правила:

если "год" = 953 (1953 г.), то при PPP=9.9 в архив занесено 10.1.

2.9. Горизонтальная видимость

Горизонтальной видимостью называют то наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток можно различать на фоне неба вблизи горизонта абсолютно черный объект достаточно больших угловых размеров (больше 15 угловых минут), а ночью становится неразличимым нефокусируемый источник света определенной интенсивности. При этом предполагается, что геометрически объект всегда доступен наблюдению.

Величина горизональной видимости зависит от атмосферных явлений. Так в тумане может убывать почти до нуля, а в арктическом воздухе достигать сотен километров.

Горизонтальная видимость измеряется и инструментально и визуально.

Таблица 11
Формат записи горизонтальной видимости

Таблица 12
Кодирование метеорологической дальности видимости в горизонтальном направлении (видимость)

2.10. Высота нижней границы облаков

Под высотой облаков понимается высота их нижней границы над уровнем станции. Высота нижней границы определяется для облаков нижнего яруса и для облаков среднего яруса, если они расположены не выше 2500 м над уровнем станции.

Таблица 13
Формат записи высоты нижней границы облаков

Таблица 14
Кодирование высоты нижней границы облаков

2.11. Температура точки росы

Точка росы - это температура, при которой воздух достигает состояния насыщения (по отношению к воде) при данном содержании водяного пара и неизменном давлении. Определяется с помощью психрометра. При относительной влажности меньше 100% точка росы всегда ниже фактической температуры воздуха; разность этих температур тем больше, чем меньше относительная влажность, поэтому, чтобы довести температуру воздуха до точки росы, воздух нужно охладить.

Таблица 15
Формат записи точки росы

2.12. Состояние поверхности почвы

Состояние поверхности почвы одна из характеристик местности, прилегающей к метеорологической площадке; оценивается наблюдателем на глаз ежедневно в сроки, ближайшие к 8 и 20 ч декретного времени часового пояса станции. Указывается,является ли почва сухой, влажной, мокрой и т.д. (см. Табл.17)

Таблица 16
Формат записи состояния поверхности почвы

Таблица 17
Кодирование состояния поверхности почвы.

2.13. Количество общей облачности

Количество общей облачности по всему видимому небосводу оценивается на глаз по 10-балльной системе. Мысленно суммируются покрытые облаками всех родов части небосвода. Суммированию не подлежат просветы между отдельными облачными элементами, характерные для некоторых форм облаков (например перистых, высоко-кучевых, слоисто-кучевых).

Таблица 18
Формат записи количества общей облачности.

Таблица 19
Кодирование количества общей облачности

Примечание: Ситуацию, когда небо не видно или же количество облаков невозможно определить,можно определить лишь косвенно по коду "8" формы облачности.

2.14. Количество облаков нижнего яруса

Количество облаков нижнего яруса по всему видимому небосводу оценивается на глаз по 10-балльной системе. Мысленно суммируются покрытые облаками части небосвода. Суммированию не подлежат просветы между отдельными облачными элементами, характерные для некоторых форм облаков (например, слоисто-кучевых, кучевых, кучево-дождевых).

Таблица 20
Формат записи количества облаков нижнего яруса

Таблица 21
Кодирование количества облаков нижнего яруса

2.15. Направление ветра

Ветер - это движение воздуха относительно земной поверхности. Обычно подразумевается горизонтальная составляющая этого движения; именно она определяется с помощью станционных приборов. Движущей силой ветра является сила барического градиента. Направление ветра - откуда дует ветер. Выражается в румбах горизонта. Направление ветра определяют на высоте 10-12 м от поверхности земли станционными приборами.

Таблица 22
Формат записи направления ветра

Примечание: При браковке значений направления и скорости ветра одновременно бракуется "характеристика регулярности ветра". (См. п.2.5.)

Таблица 23
Правила кодирования направления ветра

2.16. Скорость ветра

Под скоростью ветра понимают расстояние, на которое перемещаются частицы воздуха за единицу времени. Скорость ветра на метеостанциях определяют на высоте 10-12 м от поверхности земли станционными приборами.

Таблица 24
Формат записи скорости ветра

Примечание: при браковке значения скорости и направления ветра одновременно бракуется "характеристика регулярности ветра". (См. п.2.5.)

2.17. Количество осадков

Количество осадков определяется высотой (в миллиметрах) слоя воды, образовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавших осадков при отсутствии стока, просачивания и испарения. Приемная поверхность прибора для измерения осадков находится на высоте двух метров от поверхности земли и снежного покрова и строго горизонтальна. Осадки измеряются до десятых долей мм, в сроки 3 и 15 час, московского декретного времени, а также в сроки, ближайшие к 8 и 20 час по декретному времени того часового пояса, в котором расположена станция.

Таблица 25
Формат записи осадков

2.18. Атмосферное давление на уровне станции

Атмосферное давление представляет собой гидростатическое давление столба атмосферы, обусловленное весом всех вышележащих слоев воздуха. Атмосферное давление на уровне станции измеряется с помощью станционного чашечного ртутного барометра.

Таблица 26
Формат записи давления на уровне станции

2.19. Температура поверхности почвы

Наблюдения над температурой поверхности почвы проводятся на ровном, не затененном от солнца, оголенном от растительности участке. С установлением снежного покрова термометры помещают на поверхности снега и измеряют температуру снежного покрова. На МЛ температура записана в целых градусах Цельсия.

Таблица 27
Формат записи температуры поверхности почвы

Примечание: При температуре на поверхности почвы ниже -36 градусов Цельсия берутся показания инимального термометра.

2.20. Погода в срок наблюдения (текущая погода)

Общее состояние погоды наблюдается непрерывно. Текущая погода - это условное наименование сведений о явлениях погоды, шифруемых в метеорологических телеграммах под рубрикой кода WW, наблюдаемых в срок наблюдений или в течение последнего часа.

Таблица 28
Формат записи текущей погоды

Таблица 29
Кодирование погоды в срок наблюдения

2.21. Погода между сроками наблюдений (прошедшая погода)

Общее состояние погоды наблюдается непрерывно. Прошедшей погодой называют условное наименование сведений о явлениях погоды, передаваемых в метеорологических телеграммах под рубрикой W, наблюдаемых за период между последними двумя сроками наблюдений (текущим и предшествующим).

Таблица 30
Формат записи прошедшей погоды

2.22. Температура воздуха

За температуру воздуха принимается температура, измеряемая ртутным термометром, установленным на высоте 2 м над поверхностью почвы или снега, вдали от жилых помещений, защищенным от действия прямой и солнечной радиации и хорошо вентилируемым.

Таблица 32
Формат записи температуры воздуха

2.23. Атмосферные явления (АЯ)

В данном архиве отмечаются АЯ, наблюдавшиеся только в срок, причем за срок принимается промежуток времени 30 мин. (15 мин. до и 15 мин. после полного часа). Для срока 19 час, например, принимается время от 18 час 45 мин до 19 час. 15 мин. АЯ наблюдаются визуально, на глаз оценивается и их интенсивность. Интенсивность АЯ разделяют на слабую, умеренную и сильную.

Таблица 33
Формат записи групп АЯ

Продолжение таблицы 33

Ситуация Группы АЯ 1 - 7

2.24. Форма облаков

Наблюдения над облачностью включают в себя и определение их формы. В зависимости от высоты нижней границы облака разделяют на три яруса:

1. Облака верхнего яруса; их нижняя граница лежит выше 6000м - это перистые (Сi), перисто-кучевые (Сс), перисто-слоистые (Сs) облака.
2. Облака среднего яруса; их нижняя граница лежит между 2000-6000м - это высоко-кучевые (Ac) и высоко-слоистые (As) об лака.
3. Облака нижнего яруса; их нижняя граница расположена ниже 2000м и может начинаться от поверхности земли - это слоисто-кучевые (Sc), слоистые (SC), слоисто-дождевые (Ns), кучевые (Сu) и кучево-дождевые (Cb) облака.

При определении форм облаков необходимо руководствоваться "Атласом облаков", принимая во внимание сходство их с одной из фотографий атласа.

Таблица 34
Код формы облачности и формат записи

Продолжение таблицы 34