探空资料中的人为误差对中国温度长期变化趋势的影响

利用1958～2005年探空温度序列, 通过质量控制、均一化处理和序列缺测率分析, 探讨了探空资料中人为误差对中国高空气温变化趋势的影响。中国探空温度序列存在明显的间断点, 72%的序列包含2～4个间断点。相应的订正总体上降低了1958年以来平流层低层降温和对流层升温趋势, 如700 hPa和100 hPa平均趋势值分别降低0.12 K/10 a和0.04 K/10 a。缺测率是气温区域平均趋势估算的重要参数, 30%作为最大缺测率是中国探空温度序列适宜的取样标准。提高取样标准 (台站数减少) 使1958～2005年间对流层上层和平流层下层的降温趋势减弱。中国高空气温变化趋势与全球或北半球大体一致, 但也有不同特点: 500 hPa以下大气趋于升温, 以上则趋于降温, 最大降温趋势位于对流上部的300 hPa, 而且各气候区间区域差异性十分明显。     

近60年中国探空观测气温变化趋势及不确定性研究

基于118站探空资料研究了近60年中国850—100 hPa气温变化趋势及季节和区域特征,并通过与1979—2017年卫星微波气温的对比研究了中国探空气温均一化的不确定性。研究表明,1958—2017年中国平均对流层气温呈上升趋势,300 hPa升温最为显著,平流层下层（100 hPa）为降温趋势。冬季对流层上层升温趋势和夏季平流层下层降温趋势较强。1979—2017年较整个时段对流层升温趋势较强,平流层下层降温趋势较弱。青藏高原和西北地区对流层上层升温趋势较强。通过与卫星微波气温和邻近探空站探空气温的对比以及均一化前后日夜气温差值检测出中国探空均一化气温仍残存非均一性问题。由于参照序列的局限性,均一化未能完全去除21世纪最初10年中国探空系统变化造成的对流层中、上层至平流层下层气温系统性下降的影响,导致中国对流层上层升温趋势被低估和平流层下层降温趋势被高估。未来可通过参考卫星微波气温和邻近探空站序列调整非均一性订正顺序并增加合理性检验等方法改进中国探空气温均一化方案。      

1958～2005年中国高空大气比湿变化

利用经过质量控制和均一化的92站探空露点温度序列,研究了中国高空大气比湿气候学特征和1958～2005年比湿时间、空间演变以及不同时段线性变化趋势地区和季节差异。中国比湿气候场特征显示,垂直方向上90%以上的水汽集中在对流层中低层,空间呈南高北低的纬向分布。通过累积距平、滑动平均和突变点分析等方法研究了中国平均高空比湿的年代际变化,得到1958～2005年中国对流层中低层大气比湿经历“湿”、“干”、“湿”阶段性变化。不同时段线性变化趋势分析表明,1958～2005年对流层低层比湿呈上升趋势,对流层中层、高层和平流层下层为下降趋势;1979～2005年对流层低层上升趋势和对流层高层下降趋势均较整个时段明显增强。近50年来中国高空各层温度与比湿变化基本同步,统计达到显著相关,说明温度是影响比湿变化的重要因子。趋势的空间分布显示对流层下层全国大部比湿为上升趋势,且1979以来上升趋势更加明显,对流层中层趋势呈北升南降分布,对流层高层多为下降趋势。中国五个分区中西北地区对流层低层比湿上升趋势最明显,长江和华南地区升幅较小。1958～2005年对流层下层各季节比湿变化趋势差异较明显,上升趋势发生在夏、冬两季,1979～2005年四季比湿均呈上升趋势,其中夏季上升趋势最为明显。     

基于昼夜温差序列非均一性的高空温度订正

利用中国东部地区75个高空探测站1958－2005年逐日08：00和20：00资料和元数据信息,采用昼夜温度对比和二相线性回归方法,对不同等压面的温度序列进行均一性检测和订正。在此基础上,以最大缺测率30 %作为序列取舍标准,对49个探空站订正前后的年平均温度变化趋势进行了对比分析。结果表明：探空仪器变化和辐射订正方法改变是造成中国东部地区高空温度序列非均一性的主要原因,1966年前后和2000年前后是两个较为可靠的间断点,且1966年前后的非均一性更突出。非均一性最明显的等压面主要在100 hPa。1958－2005年,500 hPa以下等压面温度的上升趋势较订正前减弱,但200 hPa到50 hPa等压面温度的下降趋势也被削弱,削弱幅度为0.04－0.08 ℃/10 a。与1958－2005年相比,1979年以来东部地区对流层各层温度增温趋势明显,而平流层底层降温趋势也更加显著,该时段内订正前后温度变化趋势差异较小。     

青海省高空异常气候研究

根据青海省7个探空站1970—2001年的探测资料,主要对高空对流层中上部、平流层底部的高度和温度进行异常、突变等研究。30多年来,对流层高度、温度的正异常站次多于负异常站次,1970—1986年负异常比例较大,1987—2001年正异常比例较大;20世纪80年代中后期温度、高度均发生由低向高的突变;对流层年平均高度和温度的年代际变化趋势不尽相同,但总体上对流层增暖,高度抬升;秋冬季500hPa高空温度分型情况一致,区域特征比较明显。平流层温度负异常站次多于正异常站次,高度负异常站次少于正异常站次,高度变化呈上升趋势,温度呈降温趋势。     

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明:高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

1980—2009年中国东部上空温度变化特征

采用中国地区137个探空站及地面160站资料,分析了1980—2009年中国东部上空温度变化特征。近30年来中国东部对流层上层至平流层中下层的降温幅度大于对流层中下层的增温幅度。东北地区上空温度季节变化幅度较大,东南地区上空温度季节变化幅度较小。中国东部中低空（近地面至500 hPa）温度在不同区域、不同季节对全球变暖的响应不同：35°N以北无降温,以南有降温;冬季均升温,夏季有降温。     

近40年中国高空温度变化的初步分析

为了了解高空气温的长期变化趋势,利用中国28个高空探空站1961—2000年间地面至高空10hPa的温度资料进行了统计分析,结果表明:从地面到高空200hPa最冷在1月,最热在7月;但是在最冷的100hPa层以上,其气温年变化位相相反,即1月最热,8月最冷;50hPa层以上温度的年变化不大。近40余年来,年平均气温变化趋势自地面至700hPa,绝大部分地区温度上升,尤其是地面增温最为显著,而西南地区有降温趋势;对流层上层至50hPa的平流层的温度在降低,尤其是50hPa降温最为显著。北半球的较强火山喷发对中国32°N以南的低纬与32°N以北的中高纬地区高空温度的影响不同。火山喷发后,低纬地区平流层第1~26个月温度均有不同程度增温,其中在第7~8个月增温最明显;在对流层以下,第6~11个月、第16~27个月出现2次明显降温时段,第1次降温最明显。中高纬地区平流层在第1~16个月、第20~29个月出现2段增温,第1段增温时间跨度长、强度大,第17~19个月出现了降温。在对流层以下第2~5个月、第14~18个月、第21~30个月出现3次明显降温时段,第3次降温持续时间长,整体降温强度较大。     

中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的对比研究

为评估中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的差异,基于ERA-Interim、JRA-55、MERRA和CFSR再分析和中国118探空站1979-2015年逐月850-300 hPa大气比湿和相对湿度的原始值及均一化序列,通过分析探空与再分析资料的相对偏差、相关系数、标准差比和变化趋势,研究了两者在多年平均值、年际变率、离散度及长期变化趋势等方面的差异。结果表明,中国探空原始湿度序列存在显著的非均一性问题,均一化提高了序列的连续性,但存在显著的低偏差,总体较原始湿度偏低5%-43%。再分析中国平均对流层大气比湿和相对湿度较探空观测偏高,相对湿度的偏差幅度（7%-48%）较比湿大（4%-13%）,对流层高层较低层大,春秋季偏差较夏季显著。各再分析资料间的差别较小,JRA-55在对流层高层较其他再分析资料偏低,与探空观测较接近。再分析与均一化后中国探空比湿和相对湿度年际变率和离散度在对流层低层较为一致,对流层中高层再分析资料的离散度明显高于探空。再分析与均一化探空中国平均比湿在对流层低层一致呈上升趋势;对流层中层探空为上升趋势,再分析资料为下降趋势。再分析与均一化探空相对湿度变化趋势差异较大,探空为上升趋势且对流层中高层上升显著,对流层再分析为下降趋势。      

高空大气温度变化研究

近年来高空大气温度变化方面的研究取得了长足的进展,内容涉及高空温度序列不同数据集、温度序列的均一化、最新观测研究结果及其温度变化趋势的分歧等。较为一致的结论是：自1979年以来,全球平流层温度趋于下降,对流层温度趋于上升,但升降的幅度仍然存在一定的差异。     

近30 a华北地区高空温度时空演变特征

根据华北地区12个探空站近30 a(1979-2008年)的各标准等压面月平均气温资料,对该地区高空年、季气温时空演变特征进行了分析.结果表明:华北地区高空年、季平均气温变化均具有非常高的空间一致性,其中冬季的一致性特征最明显;华北地区高空年、季平均气温大致以150-100 hPa层为界,以上(平流层下层)和以下(对流层)的气温存在着不同的变化特征:从近地面到200 hPa冬(夏)季最低(高),但在年平均气温最低的100-70 hPa,气温季节变化位相与对流层相反,50 hPa层以上气温的年变化不大;近30 a来华北地区对流层中下层的年、季平均气温变化以上升为主,而对流层上层至平流层下层则以下降为主.低层的变暖始于20世纪80年代后期,高层的变冷普遍始于20世纪90年代.     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。      

3种方法对中国探空温度资料均一性检验对比分析

利用美国国家气候数据研究中心开发的Pairwise均一性检验订正方法,加拿大环境研究中心开发的PMFT方法和PMT方法,结合20世纪再分析资料和详细的元数据信息对1951-2008年中国123个探空台站的温度资料进行均一性检验和订正。结果表明：3种方法对中国探空温度资料订正幅度和订正前后的趋势变化存在差异。产生差异的主要原因,一方面是由于Pairwise方法设计的问题,导致对中国大部分台站同时改变辐射误差订正方法和系统升级造成的断点检测能力较弱;另一方面是由于PMFT方法未使用参考序列,不能去除气候变化本身的变化趋势,导致PMFT方法在断点判断上存在漏判的现象。而PMT方法结合20世纪再分析资料的客观判断方法较适合中国探空资料的均一性检验和订正,其订正结果表明,利用该方法得到的中国探空温度数据的统计学特征在低层小于全球尺度探空温度的订正结果,而在高层基本和全球探空数据的订正尺度相当。两个间断点和0.0-0.2℃的订正量所占的比例最大。从全国的来看,对流层为增温趋势,这种增温趋势随高度的增加逐渐减弱,至对流层顶100 hPa转为弱的降温趋势。     

Intercomparison of Humidity and Temperature Sensors: GTS1, Vaisala RS80, and CFH

GTS1 digital radiosonde, developed by the Shanghai Changwang Meteorological Science and Technology Company in 1998, is now widely used in operational radiosonde stations in China. A preliminary comparison of simultaneous humidity measurements by the GTS1 radiosonde, the Vaisala RS80 radiosonde, and the Cryogenic Frostpoint Hygrometer (CFH), launched at Kunming in August 2009, reveals a large dry bias produced by the GTS1 humidity sensor. The average relative dry bias is in the order of 10% below 500 hPa, increasing rapidly to 30% above 500 hPa, and up to 55% at 310 hPa. A much larger dry bias is observed in the daytime, and this daytime effect increases with altitude. The GTS1 radiosonde fails to respond to humidity changes in the upper troposphere, and sometimes even in the middle troposphere. The failure of GTS1 in the middle and upper troposphere will result in significant artificial humidity shifts in radiosonde climate records at stations in China where a transition from mechanical to digital radiosondes has occurred. A comparison of simultaneous temperature observations by the GTS1 radiosonde and the Vaisala RS80 radiosonde suggests that these two radiosondes provide highly reproducible temperature measurements in the troposphere, but produce opposite biases for daytime and nighttime measurements in the stratosphere. In the stratosphere, the GTS1 shows a warm bias (<0.5 K) in the daytime and a relatively large cool bias (-0.2 K to -1.6 K) at nighttime.     

1961—2017年中国华东区域高空温度变化特征

利用中国华东六省一市13个探空站1961—2017年高空温度数据,对850 hPa、500 hPa、200 hPa高空温度的时间变化特征和空间变化特征进行分析,结果表明：1961—2017年中国华东区域对流层中下层增温趋势明显,向上增温趋势减弱,对流层顶增温趋势有所增强。850 hPa、500 hPa温度的年代际变化均呈现出先降低后升高的趋势,而200 hPa温度的年代际变化则呈现持续升高的趋势。秋、冬季在各个层次上均为显著的增温趋势,冬季的增温趋势明显大于其他季节,500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降温趋势。不同层次年平均气温的空间分布均有明显的南北差异,且随着高度的增加,南北平均温差先增大后减小。850 hPa、500 hPa年平均温度的空间变化趋势一定程度上呈现出华东沿海地区增温趋势大于内陆的特征,200 hPa则呈现华东南部的增温趋势大于北部的特征。850 hPa各季节呈现出中国华东沿海地区增温、内陆增温趋势不如沿海地区或内陆呈现降温趋势,500 hPa的春季和200 hPa的夏、秋季则呈现出中国华东南部地区增温、北部地区降温的趋势。