氣象科技管理信息系統

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行業專項成果綜述-中國近60年地面關鍵氣候要素均一性檢驗與訂正技術及站址變動影響研究

發布者:張岳   來源:   發布時間:2019/8/26 17:25:16   標簽:   瀏覽次數:2871

項目編號GYHY201206013

研究周期2012年1月2015年12月

國撥經費251.5萬元

項目負責人唐國利

項目骨干成員張強、曹麗娟、嚴中偉、陳鮮艷、朱亞妮、鞠曉慧、李珍、周月華、安月改、陳學君、王秋香、遠芳、趙煜飛、許艷、陳哲、王艷姣、任玉玉、王凱、楊溯、張志富、臧海佳、楊燕茹、秦莉、張金龍、李仲龍、韓海濤、白冰、周昊楠、胡義成、秦榕、夏江江、裴琳、高媛、張雷

項目承擔單位國家氣象信息中心

項目協作單位】國家氣候中心、甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心、中國科學院大氣物理研究所、河北省氣候中心、武漢區域氣候中心

主要研究成果

1.發展了一種基于小波分析的逐日氣溫序列均一化方法

為了檢驗和訂正天氣變率偏差造成的逐日氣候序列中的非均一性,發展了一種基于小波分析的逐日氣溫資料均一化方法。該方法利用Morlet小波對目標站和參考站逐日氣溫序列分別進行分解,并對特定尺度的相對波譜功率差值序列做統計檢驗確定間斷點,根據訂正過的各尺度波譜重建序列。該方法具有檢驗訂正隱藏在逐日氣候序列特定時間尺度天氣變率/波動中非均一性的能力,通過與一些傳統的均一化方法對比分析,驗證了新方法的成效。這一成果填補了國內學術界在均一化方法發展領域的空白

2. 發展了多元分析方法(MASH)與經驗累計概率方法(ECDF)相結合的逐日降水序列均一化方法

降水作為一個重要的氣候要素,是研究水資源、水循環和量化氣候變化的基礎。在全球變暖和極端氣候事件頻發的背景下,氣候變化研究對高質量均一化的逐日降水資料需求日益增大,發展新的逐日降水序列的均一化方法是迫切需要。多元分析方法(MASH)與經驗累計概率方法(ECDF)相結合的新方法同時考慮了氣候均值和極值,其主要思路是充分利用兩種方法的技術特點,在MASH檢驗和訂正基礎上,再利用ECDF對間斷點進行進一步訂正,而ECDF訂正的基本概念是保持間斷點前后降水序列的分布特征沒有異常突變。新方法通過同時考慮氣候均值和極值,改善了降水、特別是極端降水變化研究的數據基礎,也為發展基于分布特征的均一化方法提供了探索性的思路。

3. 提出了均一化氣溫記錄物理關系可能不一致問題的解決方案,研制了全國500余站均一化逐日氣溫數據集(CHTM 2.0)

在均一化實踐中發現,某個要素被校訂后,與其他要素的物理關系可能被顛覆。這種物理關系的不一致在物理氣候學上顯然是錯誤的,解決這一問題無疑是均一化研究面臨的一個重要問題。為了保持均一化后逐日氣溫記錄的物理一致性(PI),首次提出了分步調整訂正量,直至沒有PIs(不一致)的解決方案。同時,為驗證要素物理關系校訂方法和開展不同均一化方法對比研究,基于MASH方法和上述校訂方案,發展了全國545站均一化逐日氣溫數據集(CHTM 2.0),實現了所有逐日氣溫記錄保持Tmax>Tm>Tmin的物理關系。新的校訂方案解決了氣候序列集內在物理關系不一致問題,也為考慮多要素的物理約束, 發展多要素序列協同的均一化方法提供了參考。目前該校訂思路也已應用于國家氣象信息中心的均一化產品研發中。

4. 研制了適用于不同氣候要素的均一化總體技術方案和技術流程,開展了均一化關鍵技術方法研究

根據非均一性問題的一般規律和各要素特點,綜合考慮主、客觀檢驗方法的特點和氣候資料序列均一化的各關鍵技術環節,研究制定基本技術思路,研制完成均一化總體技術方案和技術流程以及適用于不同要素的技術方案。圍繞重點、難點等關鍵技術問題,開展了均一化方法適用性研究、參考序列構建試驗、不同信度標準效果對比試驗、多要素多時間分辨率均一化試驗、元數據應用、不確定性誤差分析等一系列創新性研究。針對不同氣候要素特點發展不同的參考序列選取方案及標準,建立了一套可靠的參考序列資料庫,設計完成多種要素各具特色、針對性和適用性強的包括單一要素和關聯要素的參考序列構建方案以及有無參考序列均一性檢驗方案和適用于不同要素特點的單要素均一化方案。該方案和技術流程及關鍵技術方法   的應用大幅減少了誤報誤判問題,顯著提高了斷點檢測的準確性和可靠性以及均一化產品的整體質量水平。

5. 研發建立了系列化的中國國家級氣象臺站(2400站)地面氣溫、降水量、相對濕度、風速和氣壓等關鍵氣候要素的均一化數據集和區域平均氣候序列

首次結合臺站元數據信息研制完成系列化、高質量的中國近60年2400站地面氣溫、降水量、相對濕度、風速和氣壓等關鍵氣候要素的均一化數據集和區域平均氣候序列。盡可能地減少了人為因素造成的序列不均一性,解釋分析了產生非均一性斷點的各類原因,提高了對中國地面關鍵氣候要素非均一性問題的認識水平。該系列化產品提供了更高臺站密度和更高時間分辨率的多氣候要素的均一化數據集,其成功發布,極大地改變了國內缺少國家級高密度臺站關鍵氣候要素均一化產品的局面,為氣候與氣候變化業務、科研及更準確地量化我國氣候變化提供了更可靠的基礎數據支持,有利于提高中國氣候變化監測檢測分析的準確性和氣候業務質量和水平。

6. 開展了兩套中國均一化逐日氣溫數據集(分別基于RHtest和MASH方法)的對比研究

項目分別利用RHtest和MASH方法建立了兩套中國均一化逐日氣溫數據集(CHHTD 1.0,2419站;由CHTM 2.0升級后的CHTM 3.0,753站)。為了比較應用兩種方法的差異和實際效果,對CHTM3.0 和CHHTD 1.0均包含的751個臺站的氣溫序列進行了比較分析,結果表明:兩套數據集的差異主要與所用方法、參考站構建原則、訂正量計算法則和元數據應用等因素有關,基于RHtest的CHHTD 1.0同時反映了氣候變化的大尺度空間結構和局地特征;而基于MASH的CHTM 3.0則更多地反映了大尺度氣候變化結構。通過對比研究,提升了對MASH和RHtest兩種方法特點和應用效果的認識深度。

7. 研制了中國區域地面多要素均一化格點數據集

利用本項目研制的均一化產品,采用薄盤樣條方法,針對不同要素特點,分別研制了插值方案,同時引入數字高程資料以盡可能地消除中國區域獨特地形條件下高程對空間插值精度的影響,研制完成了1951-2015年中國區域地面降水、氣溫日值/月值及相對濕度、風速月值0.5°×0.5°均一化格點數據集。同時,采取交叉驗證和誤差檢驗的方法,診斷和分析插值過程中的誤差,并從時間和空間上量化格點數據的不確定性。首次建立了以均一化數據為基礎的格點化數據集,為更全面地描述中國區域關鍵氣候要素的時空特征和變化趨勢、幅度及應用提供了網格化數據基礎。

8. 研制建立了中國典型區域氣象臺站遷移前后對比觀測數據集,開展了站址變動對氣候資料序列的影響研究

以河北、湖北、甘肅和新疆作為典型區域,收集、整理了區域內81個站建站以來的遷站對比觀測資料以及全國范圍2007-2013年95個國家級臺站新舊站址對比觀測資料。經過信息整合、數字化及質量控制,研制完成包含176站的目前國內最完整的中國典型區域氣象臺站遷移前后對比觀測資料數據集,彌補了之前沒有完整信息化對比觀測資料集的缺憾。同時,基于歷史資料和對比觀測數據,采用統計檢驗和相關分析等方法對站址變動的影響,包括水平距離和垂直距離變化的影響規律等進行了進一步的分析研究。為今后繼續開展相關研究提供了重要數據基礎,對氣象站址遷移工作及其影響分析具有十分重要的意義。

9. 研制建立了氣象觀測站站址變動對氣象觀測資料影響的定量評估指標

通過站址變動影響分析,在綜合分析定量結果的基礎上,研制建立了可用于站址遷移業務的氣象觀測站站址變動對氣象觀測資料影響的定量評估指標。形成了分別適用于對歷史上有過遷站行為的臺站進行綜合分析和對某次遷站行為進行分析的兩種評估指數。實現了對臺站遷移影響的定量評估,且具有較強的可操作性,有助于影響評估從定性向定量轉變。這不僅可對已經遷移的臺站進行分析總結和定性,而且也為氣象行業站址變動評估工作科學化、定量化,充分考慮觀測場址變動對氣候要素的可能影響提供了科學依據。對于在站址遷移工作中優化地面觀測系統、提高遷址和選址的科學性都具有十分重要的意義。

10. 開展了中國各關鍵氣候要素變化區域氣候一致性特征研究,分析了其成因機制

氣候區域一致性及成因分析研究主要包括以下幾個方面:1)采用統計分析方法,分析給出中國氣候變化基本特征;2)采用EOF分解和REOF方法,結合趨勢分析法,提取出中國主要氣候特征空間分布型及其趨勢變化特征;3)研究分析各關鍵氣候要素的區域一致性特征及形成原因和機制。通過歐亞高度場變化分析、東亞遙相關型和各環流因子分析以及季風變化分析等,指出降水區域性特征與東亞季風環流系統和西太平洋副熱帶高壓等變化的密切聯系,解釋了我國北方和南方氣溫增加趨勢存在明顯差異的環流背景原因,揭示出中國風速區域一致性變化與季風的年代際變化關系密切,同時分析了相對濕度區域一致性變化特征與降水變化的關系。研究結果一方面提升了對各關鍵氣候要素區域一致性特征及其形成原因的認識水平,為進一步研究站址遷移對氣候要素區域一致性的影響提供了科學基礎。同時也為國家級和省級氣候業務單位的氣候監測、診斷和預測業務提供了一定的理論依據和技術支持。

11. 開展站址變動對氣候序列區域一致性的影響研究,研制建立了站址變動對氣候序列區域一致性影響的定量評估指標

在氣候要素區域一致性特征分析基礎上,從相同氣候區內選取參考站并計算目標站與參考站的差值序列,基于差值穩定性理論,使用標準差作為評價標準,綜合檢驗分析站址變動對氣候序列區域一致性的影響。為了進行定量評估,采用一階差分方法,利用目標站與周邊參考站構建氣候年際波動序列并進而構建正態分布的觀測值波動差異序列,以檢驗統計量結合不同信度標準劃分級別,研制建立了站址變動對氣候序列區域一致性影響的定量評估指標。為氣候業務科研和氣候資料均一化研究及站址變動影響評估提供了有力支持。對站址遷移工作中優化地面觀測系統、提高遷址和選址的科學性也同樣具有十分重要的意義。

成果應用情況

1. 均一化方法、關鍵技術和方案研究一方面為均一化研究和數據集研發提供了方法論基礎和技術思路及解決方案,同時也推動了均一化業務發展和研究不斷深入

項目發展的基于小波分析的逐日氣溫序列均一化方法,為發展能夠檢驗訂正特定時間尺度天氣變率中非均一性的均一化方法提供了新的思路。針對均一化后氣溫三要素物理關系不一致問題提出的校訂方案技術思路已應用于全國2400站均一化氣溫序列集研發和國家級氣象數據單位的均一化業務中。通過開展兩套中國均一化逐日氣溫數據集的對比研究,加深了對兩種方法MASH和RHtest特點和應用效果的認識,為后續應用提供了借鑒。能夠同時考慮氣候均值和極值的多元分析方法(MASH)和經驗累計概率方法(ECDF)相結合的逐日降水序列均一化方法,不僅可改善極端降水變化研究的數據基礎,也為發展基于分布特征的均一化方法提供了探索性的思路。研制完成的均一化總體技術方案和技術流程以及適用于不同要素的技術方案和關鍵技術方法已應用于發展多種要素的均一化數據集研發中,大幅減少了誤報誤判率,顯著提高了斷點檢測的準確性和可靠性以及均一化產品的整體質量水平。方案、流程和技術方法不僅適用于地面要素序列,其技術思路和基本方法也同樣適用于高空、海洋等多種其他要素序列。已在國家級均一化產品研發業務中推廣應用。

2. 研發建立的多要素、系列化的均一化數據集正式發布,投入了業務應用

高質量的中國近60年2400站地面氣溫、降水量、相對濕度、風速和氣壓等關鍵氣候要素的均一化數據集均已正式發布并投入業務使用。其中氣溫、降水兩個要素的日值和月值數據集于2013年12月在中國氣象局預報與網絡司主辦的“基礎氣象數據產品發布會”上率先發布并向全國氣象系統推廣應用,而相對濕度、風速和氣壓數據集研制完成后也陸續在氣象業務內網面向全國氣象系統正式發布。基于均一化數據集成果研制的氣溫、相對濕度和氣壓格點化數據集也已在氣象業務內網發布。據統計,自正式發布以來(截止至2017年底),數據集的總訪問量達到33.55萬次,數據下載量達到878.47Gb。該系列化產品極大地改變了國內缺少國家級高密度臺站關鍵氣候要素均一化產品的局面,為氣候與氣候變化業務、科研及更準確地量化我國氣候變化提供了更可靠的基礎數據支持,有利于提高中國氣候變化監測檢測分析的準確性和氣候業務質量和水平。目前也已應用于國家氣候中心的氣候變化監測檢測、極端氣候事件分析、氣候影響評估等業務與科研及《中國氣候變化監測公報》等業務產品中。

3.臺站遷移對比觀測數據集和站址變動的影響研究成果已在實際業務中得到應用

項目研制的中國典型區域氣象臺站遷移前后對比觀測數據集(V1.0),彌補了之前沒有完整信息化對比觀測資料集的缺憾,為開展臺站遷移前后對比評估等相關研究提供了重要數據基礎,目前已在中國氣象檔案館正式歸檔。研制建立的氣象觀測站站址變動對氣象觀測資料影響的定量評估指標具有較強的可操作性,可用于站址遷移業務,將對促進影響評估從定性向定量轉變產生推動作用,為氣象行業站址變動評估工作科學化、定量化提供了科學依據。湖北省氣候中心應用上述成果開展了臺站遷移對主要要素影響的定量評估,針對遷站后氣溫普遍偏低的現狀,探討了湖北省冬季影響評價中冷/暖冬的客觀判別,進而對湖北省冬季氣候評價結論進行客觀修正,增強了結論的客觀性、科學性。在河北省氣候中心承擔的幾個大型工程氣象論證項目中,均參考了站址遷移的評估結果、訂正了歷史資料序列,為得出準確的論證結論提供了數據支持。新疆氣象信息中心根據典型干旱區遷站影響的分析結果提出建議,指導氣象站遷站工作,已應用于托克遜氣象站、阿克蘇氣象站、喀什氣象站等10多個站的新站選址工作,取得了明顯效果。包括對比觀測數據集和定量評估指標在內的站址變動影響研究成果對于氣象站址遷移業務工作,以及優化地面觀測系統、提高遷址和選址的科學性都具有十分重要的意義。

4. 氣候區域一致性和成因研究、站址變動對氣候序列區域一致性影響研究以及站址變動對區域一致性影響的定量評估指標等成果提升了對各關鍵氣候要素區域一致性特征及其形成原因的認識水平,為氣候業務科研提供了一定的理論依據,也為氣候資料均一化業務及站址變動影響評估提供了技術支持

    氣候區域一致性及成因研究揭示了中國氣溫、降水、風速和相對濕度等關鍵氣候要素的區域一致性特征,分析了其形成原因和機制。研究結果提升了對多種氣候要素場區域一致性特征及其影響因子和形成原因的認識水平,為進一步研究站址遷移對氣候要素區域一致性的影響提供了科學基礎。同時也為國家級和省級氣候業務單位的氣候監測、診斷和預測業務提供了一定的理論依據和技術支持。項目開展的站址變動對氣候序列區域一致性影響的研究成果,可為氣候業務科研和氣候資料業務及站址變動影響評估提供有力支持。項目建立的站址變動對氣候序列區域一致性影響的定量評估指標,適用于對遷站臺站的多種要素進行評估,已在國家氣候中心的實際業務中得到應用。

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