气象科技管理信息系统

气象科技管理信息系统

当前位置:首页 / 科技成果 / 成果展示 / 正文阅读

行业专项成果综述-中国近60年地面关键气候要素均一性检验与订正技术及站址变动影响研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/8/26 17:25:16   标签:   浏览次数:2429

项目编号GYHY201206013

研究周期2012年1月2015年12月

国拨经费251.5万元

项目负责人唐国利

项目骨干成员张强、曹丽娟、严中伟、陈鲜艳、朱亚妮、鞠晓慧、李珍、周月华、安月改、陈学君、王秋香、远芳、赵煜飞、许艳、陈哲、王艳姣、任玉玉、王凯、杨溯、张志富、臧海佳、杨燕茹、秦莉、张金龙、李仲龙、韩海涛、白冰、周昊楠、胡义成、秦榕、夏江江、裴琳、高媛、张雷

项目承担单位国家气象信息中心

项目协作单位】国家气候中心、甘肃省气象信息与技术装备保障中心、中国科学院大气物理研究所、河北省气候中心、武汉区域气候中心

主要研究成果

1.发展了一种基于小波分析的逐日气温序列均一化方法

为了检验和订正天气变率偏差造成的逐日气候序列中的非均一性,发展了一种基于小波分析的逐日气温资料均一化方法。该方法利用Morlet小波对目标站和参考站逐日气温序列分别进行分解,并对特定尺度的相对波谱功率差值序列做统计检验确定间断点,根据订正过的各尺度波谱重建序列。该方法具有检验订正隐藏在逐日气候序列特定时间尺度天气变率/波动中非均一性的能力,通过与一些传统的均一化方法对比分析,验证了新方法的成效。这一成果填补了国内学术界在均一化方法发展领域的空白

2. 发展了多元分析方法(MASH)与经验累计概率方法(ECDF)相结合的逐日降水序列均一化方法

降水作为一个重要的气候要素,是研究水资源、水循环和量化气候变化的基础。在全球变暖和极端气候事件频发的背景下,气候变化研究对高质量均一化的逐日降水资料需求日益增大,发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)与经验累计概率方法(ECDF)相结合的新方法同时考虑了气候均值和极值,其主要思路是充分利用两种方法的技术特点,在MASH检验和订正基础上,再利用ECDF对间断点进行进一步订正,而ECDF订正的基本概念是保持间断点前后降水序列的分布特征没有异常突变。新方法通过同时考虑气候均值和极值,改善了降水、特别是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。

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开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国家气象信息中心的均一化产品研发中。

4. 研制了适用于不同气候要素的均一化总体技术方案和技术流程,开展了均一化关键技术方法研究

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,开展了均一化方法适用性研究、参考序列构建试验、不同信度标准效果对比试验、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标准,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   的应用大幅减少了误报误判问题,显著提高了断点检测的准确性和可靠性以及均一化产品的整体质量水平。

5. 研发建立了系列化的中国国家级气象台站(2400站)地面气温、降水量、相对湿度、风速和气压等关键气候要素的均一化数据集和区域平均气候序列

首次结合台站元数据信息研制完成系列化、高质量的中国近60年2400站地面气温、降水量、相对湿度、风速和气压等关键气候要素的均一化数据集和区域平均气候序列。尽可能地减少了人为因素造成的序列不均一性,解释分析了产生非均一性断点的各类原因,提高了对中国地面关键气候要素非均一性问题的认识水平。该系列化产品提供了更高台站密度和更高时间分辨率的多气候要素的均一化数据集,其成功发布,极大地改变了国内缺少国家级高密度台站关键气候要素均一化产品的局面,为气候与气候变化业务、科研及更准确地量化我国气候变化提供了更可靠的基础数据支持,有利于提高中国气候变化监测检测分析的准确性和气候业务质量和水平。

6. 开展了两套中国均一化逐日气温数据集(分别基于RHtest和MASH方法)的对比研究

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. 研制了中国区域地面多要素均一化格点数据集

利用本项目研制的均一化产品,采用薄盘样条方法,针对不同要素特点,分别研制了插值方案,同时引入数字高程资料以尽可能地消除中国区域独特地形条件下高程对空间插值精度的影响,研制完成了1951-2015年中国区域地面降水、气温日值/月值及相对湿度、风速月值0.5°×0.5°均一化格点数据集。同时,采取交叉验证和误差检验的方法,诊断和分析插值过程中的误差,并从时间和空间上量化格点数据的不确定性。首次建立了以均一化数据为基础的格点化数据集,为更全面地描述中国区域关键气候要素的时空特征和变化趋势、幅度及应用提供了网格化数据基础。

8. 研制建立了中国典型区域气象台站迁移前后对比观测数据集,开展了站址变动对气候资料序列的影响研究

以河北、湖北、甘肃和新疆作为典型区域,收集、整理了区域内81个站建站以来的迁站对比观测资料以及全国范围2007-2013年95个国家级台站新旧站址对比观测资料。经过信息整合、数字化及质量控制,研制完成包含176站的目前国内最完整的中国典型区域气象台站迁移前后对比观测资料数据集,弥补了之前没有完整信息化对比观测资料集的缺憾。同时,基于历史资料和对比观测数据,采用统计检验和相关分析等方法对站址变动的影响,包括水平距离和垂直距离变化的影响规律等进行了进一步的分析研究。为今后继续开展相关研究提供了重要数据基础,对气象站址迁移工作及其影响分析具有十分重要的意义。

9. 研制建立了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

通过站址变动影响分析,在综合分析定量结果的基础上,研制建立了可用于站址迁移业务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。形成了分别适用于对历史上有过迁站行为的台站进行综合分析和对某次迁站行为进行分析的两种评估指数。实现了对台站迁移影响的定量评估,且具有较强的可操作性,有助于影响评估从定性向定量转变。这不仅可对已经迁移的台站进行分析总结和定性,而且也为气象行业站址变动评估工作科学化、定量化,充分考虑观测场址变动对气候要素的可能影响提供了科学依据。对于在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都具有十分重要的意义。

10. 开展了中国各关键气候要素变化区域气候一致性特征研究,分析了其成因机制

气候区域一致性及成因分析研究主要包括以下几个方面:1)采用统计分析方法,分析给出中国气候变化基本特征;2)采用EOF分解和REOF方法,结合趋势分析法,提取出中国主要气候特征空间分布型及其趋势变化特征;3)研究分析各关键气候要素的区域一致性特征及形成原因和机制。通过欧亚高度场变化分析、东亚遥相关型和各环流因子分析以及季风变化分析等,指出降水区域性特征与东亚季风环流系统和西太平洋副热带高压等变化的密切联系,解释了我国北方和南方气温增加趋势存在明显差异的环流背景原因,揭示出中国风速区域一致性变化与季风的年代际变化关系密切,同时分析了相对湿度区域一致性变化特征与降水变化的关系。研究结果一方面提升了对各关键气候要素区域一致性特征及其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。

11. 开展站址变动对气候序列区域一致性的影响研究,研制建立了站址变动对气候序列区域一致性影响的定量评估指标

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,使用标准差作为评价标准,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标准划分级别,研制建立了站址变动对气候序列区域一致性影响的定量评估指标。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。

成果应用情况

1. 均一化方法、关键技术和方案研究一方面为均一化研究和数据集研发提供了方法论基础和技术思路及解决方案,同时也推动了均一化业务发展和研究不断深入

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。通过开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,大幅减少了误报误判率,显著提高了断点检测的准确性和可靠性以及均一化产品的整体质量水平。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. 研发建立的多要素、系列化的均一化数据集正式发布,投入了业务应用

高质量的中国近60年2400站地面气温、降水量、相对湿度、风速和气压等关键气候要素的均一化数据集均已正式发布并投入业务使用。其中气温、降水两个要素的日值和月值数据集于2013年12月在中国气象局预报与网络司主办的“基础气象数据产品发布会”上率先发布并向全国气象系统推广应用,而相对湿度、风速和气压数据集研制完成后也陆续在气象业务内网面向全国气象系统正式发布。基于均一化数据集成果研制的气温、相对湿度和气压格点化数据集也已在气象业务内网发布。据统计,自正式发布以来(截止至2017年底),数据集的总访问量达到33.55万次,数据下载量达到878.47Gb。该系列化产品极大地改变了国内缺少国家级高密度台站关键气候要素均一化产品的局面,为气候与气候变化业务、科研及更准确地量化我国气候变化提供了更可靠的基础数据支持,有利于提高中国气候变化监测检测分析的准确性和气候业务质量和水平。目前也已应用于国家气候中心的气候变化监测检测、极端气候事件分析、气候影响评估等业务与科研及《中国气候变化监测公报》等业务产品中。

3.台站迁移对比观测数据集和站址变动的影响研究成果已在实际业务中得到应用

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,为开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开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. 气候区域一致性和成因研究、站址变动对气候序列区域一致性影响研究以及站址变动对区域一致性影响的定量评估指标等成果提升了对各关键气候要素区域一致性特征及其形成原因的认识水平,为气候业务科研提供了一定的理论依据,也为气候资料均一化业务及站址变动影响评估提供了技术支持

    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。项目开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。

设为首页 | 加为收藏 | 网站介绍 | 联系我们
版权所有:中国气象局  网站维护:中国气象局气象干部培训学院
业务咨询:010-68406632 技术支持:010-68406578/68409227
地址:北京市海淀区中关村南大街46号 邮编:100081 EMAIL:kjgl@cma.gov.cn 京ICP备 15008089号-2
访问次数[23321736] 当前在线[0]