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。     

一种基于GEP的地面气温观测资料的质量控制方法

地面观测资料的单站质量控制是气象业务中不可或缺的环节,特别在台站密度较低或新增台站的地区,单站质量控制是观测资料有效性的基本保障。在研究传统单站质量控制方法的基础上,利用气温与相对湿度之间的耦合关系,提出一种基于基因表达式编程(GEP)算法的地面逐时气温资料单站质量控制方法,实现相对湿度对气温的质量控制。并利用该方法对江苏省六市2005—2007年地面观测的逐时气温资料进行质量控制,以评估其适用性,并将控制效果与传统方法进行比较。结果表明,GEP质量控制方法能有效标记出可疑数据,具有可控性强、识别精度高等优点,尤其在每年5—9月的检验效果优于传统的单站质量控制方法。      

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。     

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。     

空间差值检验方法在地面气象资料质量控制中的应用

将差值稳定性原理引入气象资料质量控制中,形成了一种新的资料空间一致性检验方法——空间差值检验法,并利用2007年代表我国7个行政区的7个基本观测站的逐日平均气压、最高气压、最低气压、平均气温、最高气温、最低气温、平均水汽压、平均地表温度、最高地表温度和最低地表温度共10个要素的观测资料,检验该方法在气象资料质量检验中的适用性。结果表明空间差值检验方法能有效的检验出可疑数据,并且可以给出具有明确统计意义的误判率。通过对添加的随机人为误差的检验,可以证明该方法相对于目前广泛使用的空间回归法具有更好的检验效果,但是与一般空间检验方法相同,该方法的检验效果与观测站间待检要素的相关程度有关。     

基于空间回归的B样条拟合在地面气温资料质量控制中的应用

将B样条拟合算法引入到地面气温资料的质量控制当中,在分析地面气温资料空间相关性的基础上,提出一种基于空间回归的B样条拟合地面气温资料质量控制方法(SRT_BSF方法)。为了检验SRT_BSF方法的有效性及适应性,利用SRT_BSF方法对多个场景地面气温资料进行质量控制,并与反距离加权方法(IDW方法)和空间回归方法(SRT方法)进行比较分析。试验结果表明,SRT_BSF方法相对于IDW方法和SRT方法更能有效地标记出地面气温资料中的存疑数据,同时多组独立案例的分析结果说明SRT_BSF方法具有更好的稳定性和适用性。     

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。      

综合一致性质量控制方法及其在气温中的应用

由于历史逐日气温资料在气候分析、气候变化研究中的基础性作用,其数据质量状况日益受到关注。利用邻近参考站日平均气温、最高气温和最低气温资料及线性回归模型,设计了基于线性回归数据估计方法的质量检查算法,该算法同时包含了时间一致性和空间一致性两种检查方法。通过数据植入误差检测以及与单一空间回归检查方法的比较,该算法的错误数据检测性能较高,可检测出与正确日气温数据相差3℃左右的可疑值。在该算法的基础上,研制了综合一致性数据质量控制方法,该方法具有以下特点:第一类错误发生率较低;保持了时间、内部和空间一致性的逻辑关系;参考了天气因素。因此,与一般的数据质量控制方法相比,综合一致性数据质量控制方法具有较高的错误数据检测性能。经过在华中区域湖北、湖南和河南三省251个站1961—2009年逐日气温资料的应用,取得了较好效果。各要素奇异值检出率平均气温为0.001%,最高气温为0.05%,最低气温为0.04%。     

Rec-EOF质量控制方法在地面观测2m比湿中的应用

针对地面观测站资料,从资料同化的角度出发,通过引入递归的概念,提出了递归经验正交质量控制(Rec-EOF QC)方法,并将该方案应用于不同时段的地面观测资料和不同种类的背景场资料中。结果表明:Rec-EOF QC方法一般在递归4次之后,质量控制过程达到稳定状态。通过递归方法,该质量控制方案能够通过资料本身调整质量控制的临界值,对资料具有普适性。而且与传统EOF QC方法相比,Rec-EOF QC方案能识别出更多的离群值,并且可以使观测偏差也更接近于高斯分布。另外还研究了背景场差异对质量控制的影响,分别利用FNL、ERA-Interim和JRA-25三组资料作为背景场进行地面质量质量控制试验,结果表明JRA-25剔除的资料最多,ERA-Interim次之,FNL最小。无论选用何种资料作为背景场,冬季的资料剔除率始终大于夏季的。     

双偏振雷达在地面自动雨量观测资料质量控制中的应用研究

采用雨量计联合双偏振天气雷达对雨量计数据进行综合质量控制,使用反距离权重法(inverse distance weighting,IDW)从空间一致性上对自动雨量计进行质量控制,并用质量控制后的数据对双偏振雷达定量降水估测值(quantitative precipitation estimation,QPE)进行订正。利用订正后的QPE与雨量计观测值进行统计分析以确定质量控制规则,从空间及观测一致性上对自动雨量计进行综合质量控制。使用一次台风降水过程对质量控制算法的效果进行了验证,结果表明:单纯使用IDW法对雨量计进行空间一致性质量控制存在较多误判,主要是由于降水的局地突发性、结构不均匀性以及雨量计分布的稀疏性造成。结合偏振雷达,能够有效降低单纯使用空间一致性质量控制所引起的误判。经过雨量计校准订正后的QPE有了较大改善,从而提高了偏振雷达对雨量计质量控制的有效性。在台风降雨过程中,平均每小时约有5%的雨量计被认为是错误站点。综合质量控制法在雨量计分布稀疏或者处于降水边缘地带时存在一定的误判。     

台站温度质量控制中IDW算法改进及应用

在反距离加权插值算法的基础上,结合气象上温度随高程的变化,以及各测站垂直方向上温度场与气压场的关系,对国内地面气象观测站的温度数据进行插值算法改进。然后,从搜索半径与距离权重系数的关系,以及参与插值站点数量与距离权重系数的关系两个方面进行试验数据分析,试图找出相对最佳的算法参数和最小的插值误差。最后,将改进的算法应用到温度观测数据的质量控制中。结果表明:改进后的算法可明显改善因近地面逆温造成的插值误差,在台站分布较密集的我国中东部地区,温度质量检验的灵敏度可达到1至5摄氏度。     

A Spatial Consistency Quality Control Method for Daily Surface Temperature Observations

A new spatial consistency quality control method (SRF) based on the spatial regression test (SRT) and random forest (RF) was adapted to identify potential outliers in daily surface temperature observations in this article. For the new method, the SRT method was used to filter the data and the RF method was used to conduct regression. To evaluate the performance of the quality control method, the SRF, SRT and RF methods were applied to a surface temperature dataset with seeded errors from different regions of China from 2005 to 2014. Compared to SRT and RF, the results indicate that the SRF method outperforms the other two methods for the most cases. And the results of the comparison led to the recommendation that the SRF method improves the regression accuracy of traditional spatial consistency quality control methods and reduces the runtime of random forest through data refinement.     

全球逐时地面气温质量检测方法及应用

基于国家气象信息中心全球地面气象观测站及非气象观测站逐时气温数据,应用分月阈值、区块阈值、纬带阈值及空间一致性综合检测方法,构建了 2016-2020年全球逐时地面气温数据集,并设计了可实时更新的质量检测流程,为全球预报服务和科研业务提供可靠的数据保障.近5年数据的检测结果表明,全球总的可疑错误数据率为0.85％,亚洲...     

自动站温度、雨量数据的质量控制方法和应用研究

针对南宁市自动站布设的特点,结合多年来在自动站温度、雨量监测和数据传输所遇到的问题,分析了影响自动站数据质量的原因;在总结以往自动站数据质量控制方面的成功经验和借鉴近年的研究成果的基础上,提出了利用统计检验、极值检验,时间一致性、空间一致性和内部一致性检验等对南宁市自动站温度、雨量数据的质量进行控制方法,为防灾减灾天气预报和气象服务提供及时、准确的自动站资料.     

地面自动站资料质量控制方案及应用

为满足精细、 短时天气预报的需求, 我国地面自动站（AWS）观测系统的建设日趋完善。AWS资料在数值预报系统中没得到充分使用的原因之一是AWS观测资料的特殊性及数值预报系统缺少有效针对AWS观测资料的质量控制(QC)方案。本文AWS QC方案在参考国际先进的AWS QC方案基础上, 根据我国地面自动站的特点和数值天气预报模式对地面资料应用的要求设计。其目的是解决AWS观测资料在数值预报中应用的质量问题。本方案采用多种质量控制技术, 其中包括台站气候极值检查、 要素间一致性检查、 时间一致性检查、 持续性检查、 背景场一致性检查、 空间一致性检查、 综合决策算法、 自动统计评估反馈技术。本文从检查方法对错误资料的敏感度和确定性进行理论分析表明, 该方案具有更强的敏感度和确定性。将该方案应用于北京地区2006年8月AWS实际观测资料检验, 结果表明, 该方案能有效地识别观测资料中存在明显错误的资料, 有效地为地面自动站资料在数值模式中的应用提供客观质量依据。     

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。     

强度尺度分解方法在气候温度场检验中的应用

本文首次将Casati等提出的强度尺度分解方法应用到气候地表温度场的检验中,探讨此方法用于评估气候模拟场误差的详细空间信息的适用性。以新一代气候系统模式模拟的月平均地表温度为例,传统的统计分析方法（较为常用的是空间相关系数和均方根误差、EOF分析等）不能完全反映模拟场误差的空间信息;强度尺度分解方法可计算不同阈值和空间尺度上的均方误差和模拟技巧,评估对应的模拟能力,定量给出模拟场主要误差的空间信息（误差范围即温度阈值及对应的空间尺度）,例如,亚洲东部地区1月单年及多年平均的模拟场在230 K阈值1600 km模拟技巧非常低。本研究表明强度尺度分解方法适用于气候温度场的检验评估,能定量给出误差的空间信息。