近50年我国探空温度序列均一化及变化趋势

利用1958—2005年我国116个站探空温度序列研究了我国高空温度变化趋势。首先通过静力学质量控制和两相回归法对原始序列进行了均一化处理。我国探空温度序列存在明显的间断点, 间断点的订正对于序列的趋势影响较为显著。缺测率是影响我国探空温度序列应用性的重要因子, 也是区域平均趋势统计中台站取舍的指标, 减少台站总数会削弱我国对流层升温和平流层降温的变化趋势。分析表明: 70%作为最小资料有效率标准最为合理。为满足最小资料有效率, 选取92个站统计我国高空温度变化趋势的区域平均值。结果表明: 1958-2005年, 平流层下层和对流层上层降温, 对流层中、低层升温; 高空温度变化趋势与研究时段明显相关, 1958-1978年我国高空大气整层均为降温; 1979—2005年, 对流层中低层升温最为明显, 增暖的幅度随高度增加而减小, 400 hPa以上各层转为降温。对流层的升温始于20世纪80年代, 升温幅度与全球尺度的平均值有所不同。     

An Analysis of the Discontinuity in Chinese Radiosonde Temperature Data Using Satellite Observation as a Reference

Reconciling upper-air temperature trends derived from radiosonde and satellite observations is a necessary step to confidently determine the global warming rate. This study examines the raw and homogenized radiosonde observations over China and compares them with layer-mean atmospheric temperatures derived from satellite microwave observations for the lower-troposphere(TLT), mid-troposphere(TMT), upper-troposphere(TUT), and lower-stratosphere(TLS) by three research groups. Comparisons are for averages over China, excluding the Tibetan Plateau, and at individual stations where metadata contain information on radiosonde instrument changes. It is found that major differences between the satellite and radiosonde observations are related to artificial systematic changes. The radiosonde system updates in the early 2000 s over China caused significant discontinuities and led the radiosonde temperature trends to exhibit less warming in the middle and upper troposphere and more cooling in the lower stratosphere than satellite temperatures. Homogenized radiosonde data have been further adjusted by using the shift-point adjustment approaches to match with satellite products for China averages. The obtained trends during 1979–2015 from the re-adjusted radiosonde observation are respectively 0.203 ± 0.066, 0.128 ± 0.044, 0.034 ± 0.039, and –0.329 ± 0.135 K decade^–1 for TLT, TMT, TUT, and TLS equivalents. Compared to satellite trends, the re-adjusted radiosonde trends are within 0.01 K decade^–1 for TMT and TUT, 0.054 K decade^–1 warmer for TLT, and 0.051 K decade^–1 cooler for TLS. The results suggest that the use of satellite data as a reference is helpful in identifying and removing inhomogeneities of radiosonde temperatures over China and reconciling their trends to satellite microwave observations. Future efforts are to homogenize radiosonde temperatures at individual stations over China by using similar approaches.     

河北保定气象站长序列气温资料缺测记录插补和非均一性订正

基于多源的气温月值资料,在数据整合和初步质量控制基础上,同时采用标准化序列法和多元线性回归法对河北保定气象站1913-2014 年月平均气温、最高气温和最低气温资料进行了插补。通过交叉检验法分析发现,标准化序列法插补得到的气温序列效果较好,并且气候统计特征与同区域周边站的研究结果更具一致性。利用惩罚最大F 检验（PMF）对插补后序列的均一性进行了检验,结果表明：通过插补得到的保定站百年气温月值序列的均一性相对较好,仅月平均最低气温序列存在2 个显著间断点,分别由同类型仪器的更换和台站迁移导致,研究中采用分位数匹配（QM）对其进行了订正,建立了保定站百年气温月值序列。通过与邻近单站及我国中东部区域均一化百年气温序列的综合对比显示,本文建立的保定站百年气温月值序列与邻近单站的相关性基本达到0.8 以上;从增暖趋势来看,保定站与中东部区域平均序列分别达0.121 ℃/10a、0.204 ℃/10a,基本在同一量级内：这一定程度上说明建立的保定站百年气温序列相对合理。     

Application of Multiple Analysis of Series for Homogenization to Beijing Daily Temperature Series （1960-2006）

Homogenization of climate observations remains a challenge to climate change researchers, especially in cases where metadata (e.g., probable dates of break points) are not always available. To examine the influence of metadata on homogenizing climate data, the authors applied the recently developed Multiple Analysis of Series for Homogenization (MASH) method to the Beijing (BJ) daily temperature series for 1960--2006 in three cases with different references: (1) 13M---considering metadata at BJ and 12 nearby stations; (2) 13NOM---considering the same 13 stations without metadata; and (3) 21NOM---considering 20 further stations and BJ without metadata. The estimated mean annual, seasonal, and monthly inhomogeneities are similar between the 13M and 13NOM cases, while those in the 21NOM case are slightly different. The detected biases in the BJ series corresponding to the documented relocation dates are as low as -0.71^oC, -0.79^oC, and -0.5^oC for the annual mean in the 3 cases, respectively. Other biases, including those undocumented in metadata, are minor. The results suggest that any major inhomogeneity could be detected via MASH, albeit with minor differences in estimating inhomogeneities based on the different references. The adjusted annual series showed a warming trend of 0.337, 0.316, and 0.365^oC (10 yr)^-1 for the three cases, respectively, smaller than the estimate of 0.453^oC (10 yr)^-1 in the original series, mainly due to the relocation-induced biases. The impact of the MASH-type homogenization on estimates of climate extremes in the daily temperature series is also discussed.     

探空温度资料质量控制技术研究

探空资料质量控制是探空资料在数值模式同化应用取得较好效果的重要保障,随着模式分辨率不断提高,探空资料飘移信息越来越需要应用到同化算子。本文通过全球谱模式T639L60(简称T639)分析场和掩星探测系统COSMIC资料对2011年7月我国119个探空站温度资料进行分析,同时结合探空气球随高度飘移信息以及温度残余误差等因素,开展探空温度质量控制技术研究。研究结果表明：探空气球飘移距离随高度而增大,在300~100 hPa之间飘移速率较大;基于探空温度资料残余误差和飘移因素建立的双权重标准质量控制方法能有效保障资料质量,是否考虑温度残余误差和飘移信息对质量控制结果有明显影响。当考虑温度残余误差时,300 hPa以上离群资料量显著减少;考虑飘移信息时,高层飘移速率较大区间离群资料量明显减少;模式地形与测站地形的高度差异对质量控制结果有明显影响,当测站地形高度低于模式地形时,易出现离群点,且两种地形差异大小与离群点呈正相关,即地形差异越大,低层离群资料越多。     

Further-Adjusted Long-Term Temperature Series in China Based on MASH

A set of homogenized monthly mean surface air temperature(SAT) series at 32 stations in China back to the 19 th century had previously been developed based on the RHtest method by Cao et al.,but some inhomogeneities remained in the dataset.The present study produces a further-adjusted and updated dataset based on the Multiple Analysis of Series for Homogenization(MASH) method.The MASH procedure detects 33 monthly temperature records as erroneous outliers and152 meaningful break points in the monthly SAT series since 1924 at 28 stations.The inhomogeneous parts are then adjusted relative to the latest homogeneous part of the series.The new data show significant warming trends during 1924–2016 at all the stations,ranging from 0.48 to 3.57?C(100 yr)~(-1),with a regional mean trend of 1.65?C(100 yr)~(-1);whereas,the previous results ranged from a slight cooling at two stations to considerable warming,up to 4.5?C(100 yr)~(-1).It is suggested that the further-adjusted data are a better representation of the large-scale pattern of climate change in the region for the past century.     

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。     

中国东北地区近百年气温序列的小波分析

利用1905-2005年中国东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连的气温时间序列资料,在分析气温变化结构的基础上进行小波分析,以揭示气温变化的多时间尺度的复杂结构。同时,分析了不同时间尺度下气温序列变化的周期性变化规律和突变点。结果表明：近100 a来中国东北地区的平均气温呈升高趋势,尤其在20世纪80年代以后升高趋势更加显著,升温率达到0.165 ℃/10 a。气温存在2～3 a、8～12 a、20～25 a和45 a左右时间尺度的多重时间尺度结构的变化特征。     

中国东北地区近百年气温序列的小波分析

 利用1905-2005年中国东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连的气温时间序列资料,在分析气温变化结构的基础上进行小波分析,以揭示气温变化的多时间尺度的复杂结构。同时,分析了不同时间尺度下气温序列变化的周期性变化规律和突变点。结果表明：近100 a来中国东北地区的平均气温呈升高趋势,尤其在20世纪80年代以后升高趋势更加显著,升温率达到0.165 ℃/10 a。气温存在2～3 a、8～12 a、20～25 a和45 a左右时间尺度的多重时间尺度结构的变化特征。     

利用多模式对中国气温序列中不连续点的检测

发展了一种对元数据依赖程度较小的气候序列均一化思路,在缺乏元数据的基础上,采取3种不同的方法,对中国东南部地区年平均最高、最低气温序列进行了均一性检验;并对其中不连续的气温序列进行了订正.对比表明,订正后序列较订正前更为合理.在检验过程中发现,对于最低气温检验可以明显得出比最高气温更多的不连续点.为了进一步认识这个问题,对此进行了进一步分析,认为最低温度对变化更为敏感主要是由于其物理特征:最低温度一般出现在夜间,夜间大气较为稳定,因此一些变化(如仪器,迁站)可能引起明显的不连续现象,而最高气温往往出现在白天,因此大气混合比较充分,空间的均一性要明显强于最低温度.另外,热岛现象、台站密度等因素均是影响气温序列均一化的因素.     

面向同化的探空温度数据质控参数优化及误差特性分析

针对双权重标准差法对探空温度质量控制中阈值参数不确定的问题,提出了以正态波形指标偏度和峰度为判定依据的阈值Z参数优化算法。利用2017年福建3部探空温度资料和ERA5模式再分析温度数据,对探空温度增量数据进行不同数据集质控前后对比分析总结出：峰偏值C_KS随阈值Z的分布曲线表明阈值Z偏大则会造成质控不完全,阈值Z偏小则会造成过度质控;以峰偏值C_KS所确定的最优阈值Z双权重标准差法比固定阈值的更符合模式同化系统正态分布要求,为探空温度数据在模式同化的应用提供了更好的质控方法。在质控前后温度增量分布特征上,温度观测增量总是以某一固定增量值在整个气压高度上剔除离群值,其中57.15%的离群点主要分布在0～100 hPa范围内,42.85%的离群点均匀分布在100～1000 hPa范围内,其中0～100 hPa范围内温度增量绝对值大于10℃的异常点是由于温度传感器受太阳辐射等因素影响超出了正常探测误差范围,这些异常点可以在质控前提前剔除,进一步提升探空温度数据质量。     

AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料的对比分析

为了解飞机观测气象资料(AMDAR资料)的可用性,推进AMDAR资料在湖南气象预报业务中的应用,对2013年5月至2016年12月的AMDAR资料时空分布特征进行了分析,并参考美国国家环境预报中心(NCEP)提供的AMDAR资料质量控制方法,对AMDAR气温资料进行质量控制,并在此基础上对湖南范围内的AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料(长沙、怀化、郴州)进行了对比分析。结果表明:我国AMDAR资料主要分布在100 h Pa气压层以下,起飞和降落阶段资料约占68. 75%。AMDAR气温资料数据质量稳定,气温疑误率低于0. 13%。在对比样本上,AMDAR观测气温(t_a)与常规高空观测气温(ts)存在非常显著相关性,相关系数为0. 9966,均方根误差为1. 065℃,AMDAR观测气温平均偏低0. 13℃,差值呈准正态分布,且73. 76%的差值在-1~1℃。AMDAR观测气温与常规高空观测气温的差值分布与飞行状态和飞行高度相关,上升状态AMDAR气温偏高,下降状态AMDAR气温偏低。500 h Pa高度以下,样本飞行状态多为下降,t_a较ts平均偏低0. 25℃; 500h Pa高度以上,样本飞行状态多为上升和平飞,t_a较ts平均偏高0. 03℃。     

基于微波辐射计和探空的FY-4A温度廓线检验

选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线,评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下,FY-4A温度比探空偏小0.51℃,两者偏差的标准差为0.50℃;FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃,两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时,下同)和12：00的温度偏差趋势一致;相对于00：00,12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时,600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大,在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃),在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃,偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时,FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同,偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时,微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃,偏差的标准差为3.79℃;探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃,偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时,晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。     

用时间序列方法预测阿克苏市气温的年际变化

利用时间序列方法阿克苏市１９５４～１９９７年月、季、年平均气温序列进行分析,建立各气温序列的时间序列预报方程,并对阿克苏市平均气温的年际变化进行预测,预测值与实况值相关较好,其中１月、９月、冬季与年４个气温预报方程的效果最为显著,信度可达９９．９％。     

中国均一化日平均温、最高温和最低温序列1960-2008

Inhomogeneities in the daily mean/maximum/ minimum temperature （Tm/Tmax/Tmin） series from 1960- 2008 at 549 National Standard Stations （NSSs） in China were analyzed by using the Multiple Analysis of Series for Homogenization （MASH） software package. Typical biases in the dataset were illustrated via the cases of Beijing （B J）, Wutaishan （WT）, Urumqi （UR） and Henan （HN） stations. The homogenized dataset shows a mean warming trend of 0.261/0.193/0.344℃/decade for the annual series of Tm/Tmax/Tmin, slightly smaller than that of the original dataset by 0.006/0.009/0.007℃/decade. However, considerable differences between the adjusted and original datasets were found at the local scale. The adjusted Tmin series shows a significant warming trend almost everywhere for all seasons, while there are a number of stations with an insignificant trend in the original dataset. The adjusted Tm data exhibit significant warming trends annually as well as for the autumn and winter seasons in northern China, and cooling trends only for the summer in the middle reaches of the Yangtze River and parts of central China and for the spring in southwestern China, while the original data show cooling trends at several stations for the annual and seasonal scales in the Qinghai, Shanxi, Hebei, and Xinjiang provinces. The adjusted Tmax data exhibit cooling trends for summers at a number of stations in the mid-lower reaches of the Yangtze and Yellow Rivers and for springs and winters at a few stations in southwestern China, while the original data show cooling trends at three/four stations for the annual/autumn periods in the Qinghai and Yunnan provinces. In general, the number of stations with a cooling trend was much smaller in the adjusted Tm and Tmax dataset than in the original dataset. The cooling trend for summers is mainly due to cooling in August. The results of homogenization using MASH appear to be robust; in particular, different groups of stations with consideration of elevation led to minor effects i     

时问序列动态学习率神经网络模型及其初步试验

神经网络在气象上的应用往往是采用固定学习率的BP算法建模,学习过程易出现振荡现象和网络存在冗余连接等缺陷,基于此对神经网络进行了改进。利用时间序列分析方法对样本数据进行处理,用改进后的神经网络对时间序列样本数据进行训练预测,创建了时间序列动态学习率神经网络模型。最后用库车县1997—2007年四季的平均气温值作样本数据进行训练,其训练精度和拟合度都达到很高的标准,用该模型预测了库车县2008年的气温。通过实例证明这个模型在气象预测领域有一定的实用价值。     

探空气球漂移特征及对三角形法计算散度的影响

利用2006—2013年南京站、安庆站和杭州站探空资料,讨论华东地区探空气球的漂移特征。设计不考虑气球漂移、考虑全部气球漂移和考虑部分气球漂移3个试验,比较3种情况下三角形法计算的散度差异。结果表明:气球漂移主要受大气环流及其变化影响,纬向上7月和8月气球随高度增加,先向东漂移、后向西漂移,其他月份以向东漂移为主,冬季漂移距离大;经向上受季风影响明显。考虑全部和部分气球漂移与不考虑气球漂移的散度对比表明,平均绝对偏差各月在对流层顶附近均有极大值;相对偏差季节分布明显,前者在6—9月较大,极大值略大于7%,后者冬季大,1月在200 hPa达到25%,在50 hPa超过50%。因此,利用三角形法计算散度所在层次较高或所使用资料中传统探空和特种探空并存时,均需考虑气球漂移影响。     

我国飞机观测气温和常规高空观测气温的对比分析

对2006年1月至2009年12月的飞机观测气温资料进行了质量控制,在此基础上通过其和常规高空气温资料的对比分析对飞机观测气温的可用性进行了评估.我国绝大部分飞机观测资料由B737-800和B737-700型飞机观测而得.统计结果表明:两种型号飞机的观测气温和常规高空观测气温的差值分布存在一定差异;差值呈准对称分布,64%的差值分布在-1℃至1℃;不同高度层上的差值不同.相对于常规高空观测气温,飞机观测气温值在700 hPa及以下偏低,在500 hPa及以上偏高.飞机观测气温和常规高空观测气温的差值大小和飞机型号及飞行状态有关.以北京地区的资料为例,利用北京首都机场上空飞机观测气温统计得到的月值和北京探空站常规高空观测气温月值没有显著性差异,各层次、时次的月值差异基本维持在-1℃至0.5℃之间.     

云南探空仪换型温度和位势高度观测数据对比分析

基于云南探空仪换型平行观测期间各标准等压面上的温度和位势高度观测数据以及对应的ECMWF模式预报场数据,利用偏差、标准差、均方根误差和相关系数等对新、旧探空仪观测数据进行对比分析和评估。结果表明:新、旧探空仪观测数据一致性较好,在100 hPa以下两者温度绝对偏差小于1.0℃,位势高度绝对偏差小于30 gpm,100 hPa以上温度和位势高度最大绝对偏差分别为3.9℃和151.0 gpm。除高层个别等压面外,新、旧探空仪观测数据离散性基本一致或新探空仪离散性相对较小。新探空仪观测数据与模式数据更为一致,在中高层表现更为明显;相对于模式数据,新、旧探空仪温度偏差分别集中在±0.7℃、±0.9℃左右,最大均方根误差分别为3.0℃、4.5℃,平均相关系数分别约为0.78、0.73;新、旧探空仪位势高度最大偏差分别为28.5 gpm、130.9 gpm,最大均方根误差分别为87.6 gpm、136.9 gpm,平均相关系数分别约为0.86、0.78。     

59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比

利用全国探空系统换型时获取的70个高空台站的对比观测数据,计算了59型探空仪和L波段探空仪温度和位势高度的差异,分析了探空仪换型对于探空数据一致性的影响。结果表明:就全国平均而言,在100 hPa特别是在400 hPa以下高度,两套系统提供的温度和位势高度观测值没有明显的系统差异;但在70 hPa以上高空,59型探空仪测定的规定等压面温度比L波段探空仪低0.1～0.7℃,导致位势高度在20 hPa高度时偏低达30 m左右,换型前后变化明显。系统差异的产生与59型探空仪的生产厂家、施放地区和季节关系较大,进一步分析表明:太原厂生产的探空仪测得的温度在对流层偏高,在平流层偏低,位势高度在对流层偏高,在平流层逐步转为偏低;上海厂生产的探空仪测得的温度全程偏低,引起位势高度也全程偏低,因此两个厂家的59型探空仪相对于L波段的温度和位势高度系统差也有明显不同。用户在使用局部地区高空站59型探空仪的观测数据时需了解该59型探空仪的生产厂家。