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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

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/8/26 17:25:16   标签:   浏览次数:2422

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

項目骨幹成員張強、曹麗娟、嚴中偉、陳鮮豔、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、許豔、陳哲、王豔姣、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

爲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,並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

降水作爲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後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,也爲發展基于分布特征的均一化方法提供了探索性的思路。

3. 提出了均一化气温记录物理关系可能不一致问题的解决方案,研制了全国500余站均一化逐日气温数据集(CHTM 2.0)

在均一化实践中发现,某个要素被校订后,与其他要素的物理关系可能被颠覆。这种物理关系的不一致在物理气候学上显然是错误的,解决这一问题无疑是均一化研究面临的一个重要问题。为了保持均一化后逐日气温记录的物理一致性(PI),首次提出了分步调整订正量,直至没有PIs(不一致)的解决方案。同时,为验证要素物理关系校订方法和開展不同均一化方法对比研究,基于MASH方法和上述校订方案,发展了全国545站均一化逐日气温数据集(CHTM 2.0),实现了所有逐日气温记录保持Tmax>Tm>Tmin的物理关系。新的校订方案解决了气候序列集内在物理关系不一致问题,也为考虑多要素的物理约束, 发展多要素序列协同的均一化方法提供了参考。目前该校订思路也已应用于國家氣象信息中心的均一化产品研发中。

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

根据非均一性问题的一般规律和各要素特点,综合考虑主、客观检验方法的特点和气候资料序列均一化的各关键技术环节,研究制定基本技术思路,研制完成均一化总体技术方案和技术流程以及适用于不同要素的技术方案。围绕重点、难点等关键技术问题,開展了均一化方法适用性研究、参考序列构建试验、不同信度標准效果对比试验、多要素多时间分辨率均一化试验、元数据应用、不确定性误差分析等一系列创新性研究。针对不同气候要素特点发展不同的参考序列选取方案及標准,建立了一套可靠的参考序列资料库,设计完成多种要素各具特色、针对性和适用性强的包括单一要素和关联要素的参考序列构建方案以及有无参考序列均一性检验方案和适用于不同要素特点的单要素均一化方案。该方案和技术流程及关键技术方法   的应用大幅減少了誤報誤判問題,顯著提高了斷點檢測的准確性和可靠性以及均一化産品的整體質量水平。

5. 研發建立了系列化的中國國家級氣象台站(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

首次結合台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。盡可能地減少了人爲因素造成的序列不均一性,解釋分析了産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。該系列化産品提供了更高台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台站關鍵氣候要素均一化産品的局面,爲氣候與氣候變化業務、科研及更准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准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

项目分别利用RHtest和MASH方法建立了两套中国均一化逐日气温数据集(CHHTD 1.0,2419站;由CHTM 2.0升级后的CHTM 3.0,753站)。为了比较应用两种方法的差异和实际效果,对CHTM3.0 和CHHTD 1.0均包含的751个台站的气温序列进行了比较分析,结果表明:两套数据集的差异主要与所用方法、参考站构建原则、订正量计算法则和元数据应用等因素有关,基于RHtest的CHHTD 1.0同时反映了气候变化的大尺度空间结构和局地特征;而基于MASH的CHTM 3.0则更多地反映了大尺度气候变化结构。通过对比研究,提升了对MASH和RHtest两种方法特点和应用效果的认识深度。

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産品,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,並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爲基礎的格點化數據集,爲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台站遷移前後對比觀測數據集,開展了站址變動對氣候資料序列的影響研究

以河北、湖北、甘肅和新疆作爲典型區域,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範圍2007-2013年95個國家級台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台站遷移前後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,基于曆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。爲今後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曆史上有過遷站行爲的台站進行綜合分析和對某次遷站行爲進行分析的兩種評估指數。實現了對台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台站進行分析總結和定性,而且也爲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,爲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。同時也爲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

在气候要素区域一致性特征分析基础上,从相同气候区内选取参考站并计算目标站与参考站的差值序列,基于差值稳定性理论,使用標准差作为评价標准,综合检验分析站址变动对气候序列区域一致性的影响。为了进行定量评估,采用一阶差分方法,利用目标站与周边参考站构建气候年际波动序列并进而构建正态分布的观测值波动差异序列,以检验统计量结合不同信度標准划分级别,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。为气候业务科研和气候资料均一化研究及站址变动影响评估提供了有力支持。对站址迁移工作中优化地面观测系统、提高迁址和选址的科学性也同样具有十分重要的意义。

成果應用情況

1. 均一化方法、關鍵技術和方案研究一方面爲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

项目发展的基于小波分析的逐日气温序列均一化方法,为发展能够检验订正特定时间尺度天气变率中非均一性的均一化方法提供了新的思路。针对均一化后气温三要素物理关系不一致问题提出的校订方案技术思路已应用于全国2400站均一化气温序列集研发和国家级气象数据单位的均一化业务中。通过開展两套中国均一化逐日气温数据集的对比研究,加深了对两种方法MASH和RHtest特点和应用效果的认识,为后续应用提供了借鉴。能够同时考虑气候均值和极值的多元分析方法(MASH)和经验累计概率方法(ECDF)相结合的逐日降水序列均一化方法,不仅可改善极端降水变化研究的数据基础,也为发展基于分布特征的均一化方法提供了探索性的思路。研制完成的均一化总体技术方案和技术流程以及适用于不同要素的技术方案和关键技术方法已应用于发展多种要素的均一化数据集研发中,大幅減少了误报误判率,顯著提高了斷點檢測的准確性和可靠性以及均一化産品的整體質量水平。方案、流程和技术方法不仅适用于地面要素序列,其技术思路和基本方法也同样适用于高空、海洋等多种其他要素序列。已在国家级均一化产品研发业务中推广应用。

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並投入業務使用。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“基礎氣象數據産品發布會”上率先發布並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後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。該系列化産品極大地改變了國內缺少國家級高密度台站關鍵氣候要素均一化産品的局面,爲氣候與氣候變化業務、科研及更准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准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》等業務産品中。

3.台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

项目研制的中国典型区域气象台站迁移前后对比观测数据集(V1.0),弥补了之前没有完整信息化对比观测资料集的缺憾,为開展台站迁移前后对比评估等相关研究提供了重要数据基础,目前已在中国气象档案馆正式归档。研制建立的气象观测站站址变动对气象观测资料影响的定量评估指标具有较强的可操作性,可用于站址迁移业务,将对促进影响评估从定性向定量转变产生推动作用,为气象行业站址变动评估工作科学化、定量化提供了科学依据。湖北省气候中心应用上述成果開展了台站迁移对主要要素影响的定量评估,针对迁站后气温普遍偏低的现状,探讨了湖北省冬季影响评价中冷/暖冬的客观判别,进而对湖北省冬季气候评价结论进行客观修正,增强了结论的客观性、科学性。在河北省气候中心承担的几个大型工程气象论证项目中,均参考了站址迁移的评估结果、订正了历史资料序列,为得出准确的论证结论提供了数据支持。新疆气象信息中心根据典型干旱区迁站影响的分析结果提出建议,指导气象站迁站工作,已应用于托克逊气象站、阿克苏气象站、喀什气象站等10多个站的新站选址工作,取得了明显效果。包括对比观测数据集和定量评估指标在内的站址变动影响研究成果对于气象站址迁移业务工作,以及优化地面观测系统、提高迁址和选址的科学性都具有十分重要的意义。

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,爲氣候業務科研提供了一定的理論依據,也爲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

    气候区域一致性及成因研究揭示了中国气温、降水、风速和相对湿度等关键气候要素的区域一致性特征,分析了其形成原因和机制。研究结果提升了对多种气候要素场区域一致性特征及其影响因子和形成原因的认识水平,为进一步研究站址迁移对气候要素区域一致性的影响提供了科学基础。同时也为国家级和省级气候业务单位的气候监测、诊断和预测业务提供了一定的理论依据和技术支持。项目開展的站址变动对气候序列区域一致性影响的研究成果,可为气候业务科研和气候资料业务及站址变动影响评估提供有力支持。项目建立的站址变动对气候序列区域一致性影响的定量评估指标,适用于对迁站台站的多种要素进行评估,已在国家气候中心的实际业务中得到应用。

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