基于EEMD-CES的单站地面气温资料质量控制方法研究

为了去除或减少我国地面气温观测资料中含有的噪声成分,提高观测资料质量,提出了一种新的单站质量控制算法。该算法融合了集合经验模态分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和三次指数平滑法(Cubic Exponential Smooth,CES)。利用EEMD方法将气温观测资料分解为一系列相对平稳的本征模分量,并基于能量密度和相关性准则从中分析筛选出目标分量,以完成资料重构;利用CES方法对重构资料建立单站质量控制模型,形成了一种基于EEMD-CES的地面观测资料质量控制算法。为检验该方法的可行性与适用性,选取2008年全国9个观测站地面逐时气温观测资料进行质量控制,并对比传统的单站质量控制法、经验模态分解法和三次指数平滑法的质量控制效果。试验结果表明,基于EEMD-CES的质量控制方法能有效地标记出数据的可疑值,相比传统方法,具有更高的检错率和更强的适应性。     

PSO-PSR-ELM集成学习算法在地面气温观测资料质量控制中的应用

针对台站密度低、新建台站以及特种单要素站等无法获得有效邻站或内部参考资料情况下的质量控制问题,从气温时间序列的混沌特性出发,考虑气温在短时间内的连续性和稳定性,提出一种基于粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)改进的相空间重构法(Phase Space Reconstruction,PSR)和极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)的集成学习算法的地面逐时气温观测资料的单站质量控制方法,实现气温资料的质量控制。为检验该方法的适用性,运用该方法对江苏省八市2007~2009年的地面气温观测资料进行质量控制,并与传统单站方法及切比雪夫多项式内插法(Tshebyshev Polynomial Interpolation,TPI)进行对比。实验结果表明,该方法相比较于TPI和传统方法可以更有效地标记出可疑数据,具有检错率高、地区和气候适应性、可控性强等优点。     

空间面板数据模型在地面气温观测资料质量控制中的应用

由于地面气温观测资料的时空分布符合空间面板数据结构特征,提出一种基于改进空间面板数据模型的地面气温观测资料质量控制算法(ST-RH算法)。该算法在利用邻近站地面气温观测资料时空相关性信息对目标站气温观测资料进行质量控制的基础上,兼顾了地面气温与相对湿度之间的强耦合关系,将相对湿度作为解释变量融入算法,增加了算法的内部复杂度,提高了算法的动态稳定性。为了检验该算法的有效性及适应性,利用ST-RH算法对多个场景地面气温观测资料进行质量控制,并与反距离加权算法(IDW算法)和空间回归算法(SRT算法)进行比较分析。试验结果表明,ST-RH算法相对于IDW算法和SRT算法更能有效地标记出地面气温观测资料中的存疑数据,同时多组独立案例的分析结果说明ST-RH算法具有更好的稳定性和适用性。     

我国地面气温参考站点遴选的依据、原则和方法

由于城市化和观测环境变化的影响,我国现有国家级气象台站网观测的地面气温资料许多已不能满足气候变化检测研究的要求。利用我国全部气象观测站网的台站信息,对地面气温资料序列质量进行了系统评价,遴选出可用于气温变化研究的参考站点。这项工作建立了地面气温参考站点遴选的原则、方法和步骤,并据此确定了138个地面气温参考站。这些台站可代表背景地面气温场,其长期气温观测资料可用作城市台站或国家级台站城市化增温评价的参考,也可直接用于我国地面气温变化的检测分析。     

一种基于PSO-MEF的地面气温观测资料的质量控制方法

考虑气温在空间上的相关性,提出一种基于粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）改进的多面函数内插算法（Multi-quadric Equations Fitting,MEF）的地面逐时气温观测资料的多站联网质量控制方法。为检验该方法的可行性和适用性,运用该方法对江苏省四站2006—2008年地面气温观测资料进行质量控制,并与反距离加权法（Inverse Distance Weighting,IDW）进行比较。试验结果表明,该方法相对于IDW法可以更有效地标记出人为模拟的随机误差,具有识别精度高,地区和气候适应性强等优点。      

自动观测与人工观测相对湿度比对分析

为了确定现有相对湿度自动观测与人工观测数据是否具有可比较性以及它们之间的偏差情况,利用全国保留人工观测的8个国家基准气候站2007—2013年的自动与人工观测相对湿度的整点资料进行比对分析,结果表明:自动气象站相对湿度的观测结果系统性低于人工观测结果,且随着相对湿度增加,两者系统偏差增大,系统偏差为-5.69%~-0.1%,标准偏差为2.02%~4.71%;夏季自动观测与人工观测相对湿度的差异最大且与环境风速有关,在低风速下自动观测与人工观测差异较大,随着风速增大,差异逐渐减小;气温对相对湿度观测也有一定影响;两类观测逐小时数据未见明显的时间差异;自动观测与人工观测相对湿度偏差,清晨相对湿度较高时高湿地区台站偏差较大,下午相对湿度低时偏差较小。     

新建地面气象自动站资料质量控制方法设计

随着观测系统的加强,中国陆续出现许多新建的地面台站、地面自动观测站,但对这些新出现的台站由于缺少长时间序列的历史观测资料,无法通过本站观测统计分析建立质量控制技术.本文在传统的质量控制方法基础上,将全国地面观测站按照地域和气候特征分为8个区域,利用过去25 a存档的地面观测资料建立一套适合于新建地面自动站资料控制技术,对气压和温度采用极值检查、时间一致性检查和空间一致性检查等方法进行质量控制.并利用该质量控制技术对华南、长江中下游及华北地区2005年地面资料进行质量控制,结果表明:该控制方案能有效地将有问题的资料标识出来,可为新建地面自动站资料的应用提供一定的质量保障.不同区域的资料质量控制检查需依据不同地区的气候特点进行划分和统计,这样更能保障质量控制后资料的质量.     

基于分段三次样条函数逐时气象资料模拟方法研究

精细化的逐时气象资料是气候可行性论证的基础,本文利用河南省5个气象观测站逐日4次定时气温观测资料及日最高气温和日最低气温观测资料,基于分段三次样条函数插值法模拟计算逐时气温,并以2006—2015年郑州气象观测站气温观测资料为例分析观测气温与模拟气温之间的差异。结果表明:分段三次样条函数插值法可以有效模拟实际气温的变化特征,但考虑日最高气温和日最低气温后,"六点"插值法模拟效果优于"四点"插值法,2006—2015年郑州气象观测站模拟气温与观测气温之间呈极显著的正相关关系(R~2=0.99,n=73 040);特别是在气温要素没有连续跃变时,利用分段三次样条函数插值法可以使4次气温观测资料有效转换为逐时气温资料,三次样条函数插值法也适宜于其他连续性变化的气象要素(如水汽压、相对湿度和风速等)的逐时模拟,且模拟效果基本不受地域影响;从郑州气象观测站模拟气温与观测气温之间的偏差及其变化幅度来看,计算结果可以满足气候可行性论证对气象要素时间精度的要求和气候应用服务的需求。     

一种基于改进克里金法的地面气温质量控制算法

依据气温间的空间相关性,将地统计学中的普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)引入地面气温资料的质量控制。考虑气温在空间上的连续性,提出一种基于高斯模型改进的普通克里金(Improved Ordinary Kriging,IOK)质量控制方法。为评估该方法的性能,运用IOK法对江苏省67个台站2008年地面日平均气温资料进行质量控制,并与OK法以及反距离加权法(Inverse Distance Weighted,IDW)进行比较。试验结果表明,IOK法的检验效果优于OK法与IDW法,且稳定性与适用性较高,能有效地标记出气温观测数据中的可疑数据。     

中国区域多种数值模式资料的地面气象要素评估

利用中国气象局国家级自动站(2421个站)的观测资料,分别对2010年7月1日至2013年6月30日的欧洲中期数值预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)和美国国家海洋大气局的全球预测系统(GFS)数值模式资料的地面气温、相对湿度和风速在中国区域的适用性进行了比较研究。结果表明,3种数值模式资料都能在一定程度上反映观测资料所具有的时间和空间分布特征,东部地区的适用性要高于西部地区。不同的地面气象要素,差异较大:对于地面气温和地面相对湿度,ECMWF比JMA和GFS更接近实际观测,ECMWF和JMA的分析场数据质量要好于预报场;ECMWF和JMA地面气温在冬季与观测差异最大,GFS地面气温在夏季与观测差异最大;3种数值模式资料的地面相对湿度在秋季和冬季与观测差异最大;对于地面风速,在江淮流域和华南等东部区域JMA与实际观测差异最小,在北部和西部区域ECMWF最好,JMA和GFS地面风速在冬季与实际观测差异最大。     

2种统计方法对气象要素均一性的影响

利用陕西6个基准站1994-2009年的人工及2004-2009年自动气象站24次逐时观测资料(简称24次)或4次定时观测资料(简称4次),分别统计气温、气压、相对湿度及2 min风速的均值,分析其差异,并对1961-2009年长序列气温资料进行显著性t检验及Mann-Kendall检验.结果表明:24次较4次统计的气温、气压、风速偏高,相对湿度偏低;2种统计方法气温差异较大,其他要素差异较小,而且气温在春秋季节差异较大;统计方法的改变不会引起气温长序列资料的显著性差异.     

近50 a青藏高原地面气温序列的重建

利用NCEP／NCAR500hPa高空再分析资料插补得到青藏高原1950—2000年50个海拔在3000m以上台站500hPa完整可靠的月平均温度序列。基于青藏高原地面气温和其上空500hPa温度有着密切关系，设计了这50个台站地面月平均温度序列的回归方案，用回归估计值将近50a各台站的现有月平均气温记录进行补齐、延长，得到重建的高原台站完整连续的地面月平均气温资料，并对回归效果进行独立样本实验。重建的青藏高原地面气温资料能够真实地反应高原实际气温的变化特征。     

地面站点观测降水资料与CMORPH卫星反演降水产品融合的试验效果评估

选取2008年9月—2010年2月的中国2 400个国家级地面观测站降水资料和美国NOAA研发的CMORPH卫星反演降水产品,利用最优插值方法开展了两类降水资料的融合试验,并对试验效果进行评估。结果表明,利用OI方法形成的融合降水产品和地面观测降水分布特征基本一致,能反映西部台站稀疏地区的降水特征以及陆地与海洋之间降水系统的空间连续性。此外,该融合产品保留了高分辨率的卫星观测信息,在台站稀疏地区,一些通过地面观测无法反映出来的中尺度对流系统在融合产品中得到体现。交叉检验结果显示,融合结果和地面观测降水量、台站密度高度相关。样本网格分析结果显示,融合结果和地面降水的逐日时间序列具有较强的一致性。总的来说,OI方法在降水资料融合研究中具有较好的应用效果。      

一种新的地面气压插值方案在计算低于模式地形的观测相当量中的研究

中国地形复杂,致使特定分辨率的模式地形与实际地形常存在一定差别。如何在复杂地形条件下设计数值预报模式中合理的地面气象要素的计算方案,对我国地面观测资料在中尺度数值模式中的充分应用有着非常重要的意义。利用GRAPES模式变量计算低于模式面的实际台站高度上的气压方案,采用基于静力平衡的气压外推方法计算地面气压,并与实际观测的地面气压进行比较,两者基本吻合。又利用新的计算方案讨论了地面气压观测的质量控制问题,新的质量控制方案大大扩充了目前地面资料在同化中的使用率。     

AI方法在地面气温观测资料质量控制中的应用

提出一种基于自回归与反距离加权的空间质量控制方法——AI方法,该方法能够在时间维度和空间维度对气象资料进行质量控制。选择不同地区4个地面气象观测站(南京58238站,连云港58044站,无锡58353站,徐州58027站)2007年逐时气温观测数据作为被控对象,检验该方法在气温资料质量控制中的适用性。通过对添加的随机人为误差的检验发现,该方法能够有效地标记出存疑数据,相对于反距离加权和空间回归,该方法具有更好的检验效果,稳定性高、适应性强,适用于平原或丘陵地带。     

全国自动气象站实时观测资料三级质量控制系统研制

迄今,中国气象局已在全国建立了55000余个地面自动气象站（含国家级自动站和区域自动站）。为了促进众多台站观测资料质量提高,在实时业务中保障用户用到基本正确有效的数据,2009年底中国气象局启动了“全国自动站实时资料质量控制与综合评估系统建设”工程,旨在研制一套基本适用于全国自动站实时观测数据的质量控制技术方法,建立台站、省级、国家级资料部门的地面自动站实时资料三级质量控制与反馈业务系统。在探究自动站错误数据表现形式的基础上,研制了自动站实时观测数据质量控制技术;从业务分工与应用角度,设计建立了台站负责质量监控、省级负责质量控制和国家级主要负责质量评估的自动站实时资料三级质量控制系统。该系统已在2400多个国家级气象台站、31个省级和国家级资料部门安装部署与业务应用。通过系统建设与应用,实时上传的自动站数据质量得到明显改善。主汛期全国自动站逐小时气温、降水数据可用率分别从2009年的88%、83%提升到2012、2013年的98%左右。     

贵州辐射雾的时空变化特征及其气象要素分析

选取2008—2012年贵州省3646站次的辐射雾天气过程,根据08时能见度大小将其划分为4级雾、3级雾、2级雾和1级雾四个等级,利用常规地面观测资料分析其时空变化特征,并根据辐射雾多发生区选取出修文、三穗和凤冈3个分布在贵州省高速干道上的站点,利用相应地面气象观测台站的逐日逐时实测气象要素资料,分析其不同等级的气象要素特征。结果表明:各等级辐射雾在10月—次年1月发生较多;空间分布呈"东多西少"格局,4级雾主要分布中心为修文和岑巩,其余等级辐射雾主要分布中心为三穗、凤冈、平塘、正安、松桃和锦屏;修文站的4级雾偏多与其平均相对湿度明显偏高、风速小于3 m/s和风向主要为偏东风相关性较高;三穗站和凤冈站的平均相对湿度与当日08时和前一日20时的气温差相对利于雾的生成,但其风速较小,垂直混合较弱,故其主要为较低等级雾。     

MDOS系统新型自动站异常数据质量控制

MDOS系统提高了国家、省、台站三级气象资料数据质量控制时效,但仪器故障时,台站如何对MDOS中的数据做正确处理尤为重要。利用MDOS(气象资料业务系统)和CDQC(地面自动站观测资料三级质量控制软件)对黄龙站和洛川站2016年7月异常数据进行质控分析,得出遇仪器故障时异常记录的处理方法,为台站处理此类问题提供参考。     

一种基于空间相关性和B样条曲面拟合的地面气温质量控制算法

将B样条曲面拟合算法引入到地面气温观测资料的质量控制当中,考虑到区域内各参考站与目标站观测值之间的空间相关性,提出了一种基于空间相关性和B样条曲面拟合的地面气温观测资料质量控制算法(Spatial Correlation and B-spline Surface Fitting,BSF)。选择2012—2014年南平站、南京站、太原站、拉萨站、景洪站和长春站以及周围300 km内参考站的02:00、08:00、14:00、20:00定时气温作为观测资料,结合平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、一致性指标(Index of Agreement,IOA)和纳什系数(Nash-sutcliffe Model Efficiency Coefficient,NSC)这4种评价参数对目标站地面气温资料进行质量控制分析。将BSF算法的质量控制效果分别与传统的反距离加权法(Inverse Distance Weighted,IDW)和空间回归检验法(Spatial Regression Test,SRT)进行对比,试验结果表明:在不同案例下,BSF算法的质量控制效果均优于IDW算法和SRT算法,能更有效地标记出气温观测数据中的可疑值。     

适用于全国自动站小时降水资料的质量控制方法

区域自动站逐小时降水资料对于气象预警、决策服务、预报验证等非常重要。资料在提供使用前其质量状况应是可知的。在制作的区域自动站逐小时降水资料数据集基础上,并结合国家级台站观测的小时降水资料,通过深入分析错误数据的存在方式,研制形成全国自动站逐小时降水资料质量控制方案。该方案适用于全国范围内区域站和国家站,实时和非实时上传的逐小时降水资料自动质量控制。最后介绍了利用该方案对2006—2009年实时上传的全国自动站小时降水资料的质量评估结果。