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Introduction à BUFR FM 94 BUFR Organisation Météorologique Mondiale

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1 Introduction à BUFR FM 94 BUFR Organisation Météorologique Mondiale
Version française: Benjamin SACLIER (METEO-France- International) Gilles Gelly (METEO-France) Organisation Météorologique Mondiale

2 Qu’est-ce que BUFR? Binary Universal Form for the Representation
of Meteorological Data Utilisé pour des données qui ne sont pas sur une grille régulière telles que les observations Conceptuellement équivalent à CREX, mais le format est binaire et non alphanumérique

3 A quoi ressemble un message BUFR ?
(En d’autres mots , juste une rangée de 0 et 1 distribués au hasard!?)

4 Sections d’un message BUFR
0 Section Indicatrice 1 Section d’identification 2 (Section facultative) 3 Section de Description des données 4 Section des données 5 Section de fin Chaque section contient toujours un nombre pair d’octets, des bits mis à zéro étant ajoutés le cas échéant

5 Section 0 – Section Indicatrice
Cette section contient: Le champ de caractères “BUFR” qui indique le début du message La longueur totale du message Le numéro de l’édition de BUFR utilisée (important si l’on veut traiter des archives)

6 Section 0 - Détails Longueur toujours de 8 octets (1 octet = 8 bits)
Octets 1-4 “BUFR” (en alphabet CCITT IA5) Binaire Octets 5-7 : Longueur totale du message en octets (y compris la section 0) 3octets : = octets Octet 8 : Numéro d’édition BUFR (actuellement 3)

7 Section 1 – section d’identification
Cette section contient: La version des tables (locales et OMM) utilisées dans le message. D’autres descriptions sur le contenu du message : Le centre d’origine et secondaire La catégorie et la sous catégorie des données Une date et une heure représentatives des données Présence ou non de la section facultative.

8 Section 1 - Détails Taille d’au moins 18 octets
Octets Longueur de la section, en octets Octet Table principale du code BUFR (0=OMM) Octet Centre d’origine de production Octet Centre secondaire d’origine de production (défini si nécessaire par le centre principal) Octet Numéro de mis à jour du message Octet Flag. Bit 1 = 1 section 2 incluse Octets Catégorie des données (Table A) Octets Sous-catégorie internationale des données Octets Sous-catégorie locale des données Octets N° de version tables principales (3 actuellement ) et locales Octets Date et heure caractérisant le message Octets 23-?? Réserve pour des besoins locaux

9 Section 2 – section facultative
Cette section est réservée et définie pour les besoins locaux des centres de traitement des données. Un exemple type d’utilisation est celui du contexte d’une base de données. Database keys, pour faciliter la recherche de données spécifiques sans décoder l’ensemble du message. Domaine géographique des séries de données Toute autre chose qu’ un centre de traitement peut trouver utile.

10 Section 3 – Description des données
Cette section contient: Le nombre de sous-séries de données dans le message, chaque séries du message sont toutes du même format. Très utilisé. Un Flag indiquant si les données sont codées en utilisant la compression ou non. Un autre flag pour préciser si ce sont des données observées ou prévues. Une liste de descripteur qui définissent la forme et le contenu de chaque sous-série de la section des données.

11 Section 3 - Détails La taille est d’au moins 10 octets
Octets 1-3 Longueur de la section, octets Octet 4 Mis à zéro Octets 5-6 Nombre de sous-séries Octet 7 Bit1 = 1 observées 0 autres Bit2 = 1 comprimées 0 non Octets 8-?? Liste des descripteurs Chaque descripteur 2 bits F, 6 bits X, 8 bits Y

12 Section 4 – Section des données
Cette section contient: L’ensemble des données comme spécifiées dans la section 3. Un des deux formats est utilisé: Compressé Non-compressé

13 Section 4 - Détails Octets 1-3 Longueur de la section
Octet 4 Mis à zéro Octets 5-?? Données binaires telles qu’elles sont définies par les descripteurs de la section 3.

14 Section 5 – section de fin
Cette section contient: La chaîne de caractère “7777” indiquant la fin du message. La vérification de cet indicateur permet de détecter une erreur des données (en particulier octets absents dans le reste du message) en fonction de la taille totale connue dans la section 0.

15 Maintenant, regardons encore le message BUFR!
‘B’ ‘U’ ‘F’ ‘R’ end of section 0  + octet number | | | | | | | | | | binary string octet number | | | | | | | | | | binary string   end of section 1  + octet number | | | | | | | | | | binary string   end of section 3  + octet number | | | | | | | | | | binary string end of section 4  ‘7’ ‘7’ octet number | | | | | | | | | | binary string ‘7’ ‘7’  end of section 5 octet number | | binary string

16 Exemple Section 0 Longueur du message en octets Bufr edition
OCTET NO BINARY HEXADECIMAL DECODED B U F R Longueur du message en octets Bufr edition

17 Exemple section 1(Edition 3)
OCTET NO BINARY HEXADECIMAL A DECODED length of section standard BUFR tables originating center (US Navy - FNOC) Section 2 not included OCTET NO BINARY HEXADECIMAL D D C DECODED data category data category sub-type version of master tables version of local tables year of century month day hour OCTET NO BINARY HEXADECIMAL DECODED minute local use

18 Exemple Section 3 O C T E T N O . 1 2 3 4 5 6 7
BINARY HEXADECIMAL E DECODED Longueur de la section En réserve Nombre de sous-séries de données flag d’indication de données observée Données non compressées OCTET NO BINARY HEXADECIMAL C DECODED descripteurs F X Y Une section est toujours constituée d’un nombre paire d’octets

19 Descripteurs BUFR Les descripteurs BUFR sont listés dans la section 3
Ils décrivent la nature et la structure des données qui sont contenues dans la section 4. Les descripteurs sont référencés dans les tables du Manuel: Tables BUFR B, C et D. En utilisant la liste de descripteurs de la section 3, et les tables correspondantes du Manuel, il est alors possible de décoder les données de la section 4.

20 Types de descripteurs BUFR
Descripteur d’élément (définis dans la Table B) Descripteur de répétition Descripteur d’opération (définis dans la Table C) Descripteur de séquence (définis dans la Table D) Un descripteur se représente de la manière suivante, 3 chiffres sur 16 bits (2 octets) : F: 2 bits 0-3 X: 6 bits 0-63 Y: 8 bits 0-255

21 Descripteur d’élément
Il est défini par une entrée dans la Table B du Manuel. F = 0 Chaque descripteur d’élément décrit la manière de coder une valeur : La valeur d’un paramètre météorologique: température, pression niveau mer, humidité … Le type d’un instrument Des informations sur la position et la date de la mesure Des informations sur les contrôles de qualité

22 Descripteur de répétition (1)
Il définit la répétition d’un seul ou d’un groupe de descripteurs un certains nombre de fois. Les descripteurs répétés peuvent être des descripteurs d’élément, d’opération, de séquence ou même de répétition Comme dans un message TEMP où un groupe de paramètres est répété pour chaque niveau Il peut être de 2 types: Fixe – le nombre de répétitions est pré-déterminé et sera le même pour toutes les séries de données Variable – le nombre de répétitions varie d’une série a l’autre , on parle de répétition différée

23 Descripteur de répétition (2)
F = 1 X est un entier entre 1 et 63, il indique le nombre de descripteurs à répéter Y est un entier entre 0 et 255; il indique le nombre total de répétitions des X descripteurs Ex : Si Y = 0, il s’agit d’une répétition différée, le descripteur d’élément suivant indique alors le nombre de répétitions (stocké dans la section des données 4) Ex: Le nombre de répétition peut donc changer d’une série à l’autre.

24 Descripteur d’opération
Le descripteur d’opération est défini dans la Table C F = 2 La valeur de X indique un type d’opération La valeur de Y dépend de l’opération Permet de modifier les caractéristiques d’un descripteur Différents type d’opérations existent: Changer l’échelle et/ou le champ de données Ajouter des informations sur la qualité ou des champs associés Ajouter des valeurs substituées tout en gardant la valeur d’origine

25 Descripteur de séquence
Renvoie à une des entrées de la Table D F = 3 Énumère une série de descripteurs d’élément, d’opération, et /ou de séquences Son utilisation permet de réduire la taille de la section 3, contribuant ainsi beaucoup à l’efficacité du code BUFR Un seul descripteur de séquence peut être présent dans la section 3 pour d écrire un type d’observation (même complexe)

26 Revue des Tables BUFR dans le Manuel
Le code BUFR utilise plusieurs types de tables: Table A Catégories des données utilisées dans la section 1 (octet 9) Table B Descripteurs d’élément, utilisés dans la section 3 Table C Descripteurs d’opération, utilisés dans la section 3 Table D Descripteurs de séquence, utilisés dans la section 3 Tables de Code et d’Indicateurs Il faut alors se reporter à la table de code correspondante pour connaître la signification du champ numérique codé. Utilisés dans la section 4

27 Table A Définition du type de données représentées dans le message BUFR Encodé dans la section 1 (octet 9) Examples of typical entries: Code figure Meaning 0 Surface data – land 1 Surface data – sea 2 Vertical soundings (non-satellite) 3 Vertical soundings (satellite) … … 6 Radar data 10 Radiological data 12 Surface data (satellite) 31 Oceanographic data

28 Table B Classification des éléments
Décrit de quelle manière est codée le paramètre Les colonnes sont: Descripteur Nom de l’élément Unité Échelle Valeur de référence Champ de données (en bits) L’échelle et le champ de données sont déterminées en fonction des valeurs possibles du paramètre pour qu’il puisse être stocké dans le BUFR en entier positif. Le BUFR est ainsi indépendant de la machine

29 Table B Décrit comment chaque valeur doit être encodée
Les descripteurs d’élément sont groupes en classes (i.e. la valeur X) Class Number Class Name Class Number Class Name 01 Identification Temperature 02 Instrumentation Hydrological … … Radiation and radiance 04 Location (time) … … 05 Location (horizontal-1) Synoptic features 06 Location (horizontal-2) Observed phenomena 07 Location (vertical) Radar data … … … … 11 Wind and turbulence Quality information

30 Table B référence Les descripteurs sont toujours exprimés sous la forme F X Y (2 bits 6 bits 8 bits) F = 0 pour un descripteur d’élément X est compris entre 0 et 63 qui correspond à une classe d’élément Ex: classe 12 – classe des températures Y est compris entre 0 et 255 qui correspond au numéro du descripteur dans la classe Ex: Température du point de rosée

31 Class 01 – Identification (extrait)
TABLE REFERENCE F X Y ELEMENT NAME UNIT SCALE VALUE DATA WIDTH (BITS) WMO block number Numeric 7 WMO station number 10 WMO region number Code table 3 Buoy/platform identifier 17 Aircraft flight number CCITT IA5 64 Satellite identifier Ship or mobile land station identifier 72 Station or site name 160 ICAO location indicator

32 Class 11 – vent et turbulence (extrait)
TABLE REFERENCE F X Y ELEMENT NAME UNIT SCALE VALUE DATA WIDTH (BITS) Wind direction Degree true 9 Wind speed m s-1 1 12 U-component -4096 13 V-component Relative vorticity s-1 -65536 17 Degree of turbulence Code table 4 Height of base of turbulence m -1 -40 16 Height of top of turbulence Vertical gust velocity -1024 11

33 Table B nom de l’élément
Commentaire décrivant la signification de la valeur Par exemple: Précipitation totale sur les 3 dernières heures Vitesse du vent à 10 mètres

34 Table B unité Unités utilisées pour les valeurs:
Dans la plupart des cas, des unités de base en SI (mètre, Pa, Kelvin …) “CCITT IA5” (the international version of ASCII) est utilisé pour les caractères tel que les indicatifs (nom d’un navire, nom d’un aéronef) “Table de Code” utilisé pour la communication des informations qualitatives où seulement une valeur est possible “Table d’indicateurs” utilisé pour la communication des informations qualitatives où plusieurs valeurs sont possibles

35 Exemple table de code et d’indicateur
Obscurcissement Numéro de bit 1 Brouillard 2 Brouillard glacé 3 Brouillard d’évaporation 4-6 En réserve 7 Brume 8 Brume sèche 9 Fumée 10 Cendre volcanique 11 Poussière 12 Sable 13 Neige En réserve 21 Valeur manquante Intensité du phénomène Chiffre Du code 0 Pas de phénomène 1 Léger 2 Modéré 3 Fort 4 Violent 5-6 En réserve 7 Valeur manquante

36 Table B échelle Échelle
Avant le codage on multiplie la valeur de la donnée par 10 échelle Elle permet de conserver la précision souhaitée de la donnée transmise Une échelle de 2 signifie 2 décimales de précision (ex: T° = température transmise de l’ordre du centième) En revanche, certaines unités (Pa) entraînent la transmission de chiffres d’une précision inutile On utilise alors une valeur d’échelle négative (ex: échelle –1 ce qui donne une valeur arrondie au multiple de 10)

37 Table B Valeur de référence
La valeur de référence est un nombre qui doit être soustrait à la donnée, après multiplication par le facteur d’échelle, afin que la valeur ne soit en aucun cas NEGATIVE Exemple, échelle=2, valeur de référence = -9000 valeur à coder latitude = : -35.50*102 = -3550 -3550 – (-9000) = 5450 sera la valeur chiffrée dans la section 4 Lors du décodage on retrouve la valeur originale en faisant le calcul inverse

38 Table B champ de données
Nombre de bits utilisés pour encoder la valeur après multiplication par le facteur d’échelle et soustraction de la valeur de référence Par convention si tous les bits sont positionnés à 1, cela doit être interprété comme valeur manquante Valeur de (2n-1) lorsque n est le champ de donnée Si l’échelle est s, la valeur de référence r, le champ de donnée n, alors la plage de valeur est: Minimum (10-s  r) Maximum (10-s  (2n-2+r)) et (10-s  (2n-1+r)) pour la valeur manquante.

39 Table B De toute évidence sans table B à jour, impossible de décoder le contenu d’un BUFR Table reference F X Y Element name Unit Scale Reference value Data width Wind speed at 10m m s-1 1 12 Total precipitation past 3 hours kg m-2 -1 14 Present weather Code table 9 Vertical sounding significance Flag table 7

40 Table B exemples – (1) 0 11 012 – vitesse du vent à 10m
Échelle = 1, Référence = 0, Champ = 12 Précision au dixième (ie. 0.1 m s-1) Valeur Minimum représentable : (10-1×0) = 0.0 m s-1 Valeur Maximum représentable : (10-1×( )) = m s-1 Valeur manquante “Missing” : (10-1×( )) = m s-1

41 Table B exemples – (2) 0 13 020 – Précipitation totale sur 3 heures
Échelle=1, Référence =-1, Champ=14 Précision en dixième (ie. 0.1 kg m-2) Pour ce descripteur, -0.1 kg m-2 est une valeur spéciale pour indiquer les « traces » (voir note dans la Table B) Valeur Minimum : (10-1×-1) = -0.1 kg m-2 (= trace) Valeur Maximum : (10-1×( )) = kg m-2 Valeur manquante “Missing”: (10-1×( )) = kg m-2

42 Table B exemples – (3) 0 20 003 – Temps présent
Échelle=0, Référence =0, Champ=9 bits Les valeurs codées sont entières: Échelle=0 Valeur Minimum : (100×0) = 0 Valeur Maximum : (100×(29-2+0)) = 510 Valeur manquante “Missing” : (100×(29-1+0)) = 511 Il faut alors se référer à la table de Code pour connaître le type de temps présent correspondant à la valeur codée.

43 Table C Descripteurs d’opérations
Utilisée pour redéfinir temporairement les caractéristiques de la tables B, ou ajouter des champs associés, ou ajouter des chaînes de caractères F = 2 X = un entier entre 0 et 63 Y = Opérande, un entier entre 0 et 255 Nom de l’opérateur: décrivant le type d’opération Définition de l’opération: description détaillée de l’opération et de ses effets

44 Table C exemple (1) Référence F=2 X=01
Opérande, dans ce cas représentée par Y Nom de l’Opérateur “Changer de champ de données” Définition: « Ajouter (Y-128) bits au champ de données indiqué pour chaque élément de données de la table B, autre que des données CCITT IA5 , une table de code ou une table d’indicateurs » Pour supprimer la valeur redéfinie on inclus l’opérande appropriée avec Y = 000 ou à la fin de chaque sous-série de données. Ex :

45 Table C exemple – (2) L’opérateur “Changer de champ de données” (2 01 Y) permet de coder des valeurs sur un plage de bits plus grande (ou plus petite) que celle qui est donnée par défaut dans la table B: Encoder des valeurs trop grandes pour être représentées avec le nombre de bits usuel (table B) et éviter ainsi de créer une nouvelle entrée dans la table B. Dans ce cas Y > 128 Réduire le champ de données (réduire ainsi la taille du BUFR) pour coder des valeurs plus petites et pour lesquelles on sait qu’on n’utilisera jamais la totalité du champ défini dans la table B Dans ce cas Y < 128

46 Table C exemple – (3) Un descripteur classique pour coder la hauteur est le avec unité= m, échelle=0, référence=-1000 et champ de donnée =17, permet de coder des valeurs comprises entre –1000 m et m. Si on veut coder une valeur plus grande que m (ex: hauteur d’un satellite) il faudra utiliser le descripteur d’opération 2 01 Y pour augmenter le nombre de bits du champ de données. Ex: descripteur d’opération suivi de pour augmenter le champ de données de 2 bits, ainsi on pourra coder des valeurs sur un champ de 19 bits (soit la valeur maximum de m).

47 Table C TABLE REFERENCE F X OPERAND OPERATOR NAME OPERATOR DEFINITION
Y Change data width Add (Y-128) bits to the data width given for each data element in Table B, other than CCITT IA5, code or flag tables Change scale Add (Y-128) to scale in Table B for elements which are not CCITT IA5, code or flag tables Change reference value Subsequent element descriptors define new reference values for corresponding Table B entries. Each new reference value is represented by Y bits in Section 4… Add associated field Precede each element with Y bits of information (e.g. quality marker). Signify character Y characters from CCITT IA5 are inserted as a field of (Y*8) bits in length. Signify data width for following local descriptor Y bits of data are described by the immediately following local descriptor from Table B This is just an excerpt – there are many other (even more complicated!) operators in Table C. There are also many important notes to Table C describing, e.g. how to cancel an operator.

48 Table D Descripteurs de séquences Séquence de descripteurs
F = 3 X = un entier compris entre 0 et 63 (classe) Y = un entier compris entre 0 et 255 Séquence de descripteurs La liste des descripteurs, pouvant être des descripteurs d’élément (table B), des descripteurs de répétition, des descripteurs d’opération (table C) et aussi des descripteurs de séquences (table D) Nom de l’élément Description sur le type de paramètre

49 Table D exemple Table reference F X Y Table References Element name
(Buoy/platform – fixed) Buoy/platform identifier Type of station Date Time Latitude and longitude (high accuracy)

50 Table D exemple – (1) Dans cet exemple la séquence comporte 5 descripteurs Deux sont des descripteurs d’élément (table B) Les 3 autres sont des descripteurs de séquences (table D) qui représentent eux-même une liste d’éléments Toutefois ce n’est pas récursif ! Un descripteur de séquence ne peut pas faire référence à lui-même.

51 Table D categories Categories correspond to the X value of the underlying sequence descriptor. Category number Category name 01 Location and identification sequences 02 Sequences common to surface data 03 Sequences common to vertical soundings data 04 Sequences common to satellite observations 05 Sequences common to hydrological observations 06 Sequences common to oceanographic observations 07 Surface report sequences (land) 08 Surface report sequences (sea) … … 18 Radiological report sequences 21 Radar report sequences

52 Category 01 – Location and Identification Sequences (excerpt)
TABLE REFERENCE TABLE REFERENCES ELEMENT NAME WMO block number WMO station number Year Month Day Hour Minute Latitude (coarse accuracy) Longitude (coarse accuracy) Height of station (Land station for vertical soundings) WMO block and station number Radiosonde type Radiosonde computational method Date Time Lat/long (coarse accuracy), height of station

53 Table D example Table reference F X Y Table References Element name
(Buoy/platform – fixed) Buoy/platform identifier Type of station Date Time Latitude and longitude (high accuracy)

54 Descripteurs de répétition - exemple
Les 4 descripteurs: Repeat three descriptors twice Direction of swell waves Period of swell waves Height of swell waves Sont équivalents aux 6 descripteurs:

55 Descripteurs de répétition différée - exemple
Les 3 descripteurs: Delayed replication of one descriptor Replication factor (8 bit) Winds at pressure levels sont équivalents à: … autant de fois que spécifiée par le descripteur Le nombre de répétitions est stocké dans la section 4 ainsi chaque sous-série de données peut avoir un nombre de répétitions différent Suivant la valeur du nombre de répétition, un descripteur différent ( bit, bits et bits)

56 Section 4 La structure des données dans la section 4 dépend directement des descripteurs et des flags utilisés dans la section 3: Une des principales différences vient de l’utilisation ou non du mécanisme de compression. La répétition différée et la compression peuvent être combinés, mais seulement dans le cas ou le nombre de répétitions est le même dans chaque sous-séries de données du message BUFR.

57 Section 4 – Données non-compressées
Chaque donnée « occupe » le nombre de bits indiqué par le « champ de donnée » de la table B, ajusté en fonction des descripteurs d’opérations utilisés. N séries avec chacune M paramètres : Obs1 value1, Obs1 value2, Obs1 value3, ... Obs1 valueM Obs2 value1, Obs2 value2, Obs2 value3, ... Obs2 valueM .... ObsN value1, ObsN value2, ObsN value3, ... ObsN valueM

58 Section 4 – Données compressées
Chaque item d’un type de paramètre est codé par : sa valeur minimum parmi toute les séries (en utilisant le champ de bits indiqué dans la table B), le nombre de bits utilisés pour le codage des incréments (lui-même codé sur 6 bits) et une liste d’incréments qui doit être ajouté à la valeur mini pour retrouver la valeur initiale. N séries avec chacune M paramètres  Min1, Nbits1, obs1inc1, obs2inc1, … obsNinc1 Min2, Nbits2, obs1inc2, obs2inc2, … obsNinc2 MinM, NbitsM, obs1incM, obs2incM, … obsNincM

59 Conclusion BUFR est d’utilisation souple et déterminé par des tables
BUFR peut représenter un large éventail de données BUFR est auto-descriptif La méthode de répétition et les séquences de descripteurs peuvent être utilisés pour réduire la taille de la section 3 La compression permet de réduire notablement la taille totale du BUFR

60 Remerciements Référence: WMO No. 306 Manual on Codes, Volume I.2
(http://www.wmo.int/web/www/DPS/NewCodesTables/WMO306vol-I-2PartB.pdf) Guide to WMO Table-Driven Code Forms FM94 BUFR and FM95 CREX (http://www.wmo.int/web/www/WDM/Guides/BUFR-CREX-guide.html) Remerciements: Charles Sanders BOM-Australia Simon Elliott EUMETSAT Joël Martellet WMO


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