青藏高原多源气象辐射数据整合与评估

基于中国气象局气象业务观测站、青藏高原大气科学试验站及中国科学院野外试验站多源辐射观测数据,经过质量控制和拼接整合,形成1993年以来青藏高原多源气象辐射基本要素逐小时曝辐量整合数据集(Integrated of Multi-source Radiation Data over Qinghai-Tibet Plateau,IRDQTP)。各辐射要素实有率均超过99.4%,光合有效辐射正确率低于76%,其他辐射要素正确率超过96.7%。相同或相近观测站址的大气科学或野外试验站(试验站)与气象业务观测站(业务站)向下短波辐射R>0.88,阿里相同站址两种来源数据对比Mbias(RMSE)为-0.006(0.141)MJ·m^(-2)·h^(-1),99.8%的偏差分布在±1.0 MJ·m^(-2)·h^(-1),那曲相近站址两种来源数据对比Mbias(RMSE)为-0.028(0.615)MJ·m^(-2)·h^(-1),84.6%的偏差分布在±1.0 MJ·m^(-2)·h^(-1)。试验站和业务站数据差异呈现明显的季节变化和日变化规律,秋冬季节较小,夏季较大,日出时段(日落时段)随着向下短波辐射强度快速升高(快速降低),差异逐渐变大,当向下短波辐射变化率达到最大时,差异也达到最大。向下短波辐射和净全辐射分布具有明显的日变化特征,春秋季节向下短波辐射、净全辐射均在12:00(地方时,下同)达到最大,夏季和冬季在13:00达到最大。受气候条件和地形因素影响,向下短波辐射和净全辐射分布具有明显的空间变化特征,向下短波辐射自西向东呈现逐渐减少的分布形态,净全辐射自西向东呈现“低-高-低”的分布形态。

全国综合气象信息共享系统的设计与实现

为满足对海量气象数据管理和服务的需求,国家气象信息中心设计开发了全国综合气象信息共享系统(CIMISS)。该文描述了系统基本设计思路、功能结构、基础平台体系结构、信息流程,阐述了系统为用户提供的基础数据使用环境。系统由数据收集与分发系统、数据加工处理系统、数据存储管理系统、数据共享服务系统、业务监控系统5个业务子系统组成,承担数据收集、加工处理、存储管理、共享服务和业务监控任务。系统设计和开发采用了一系列现代信息技术,包括基于消息和文件共享的平台内信息交换、气象数据标准化分类、数据处理作业调度和算法的动态扩展、元数据的设计和应用、公共配置信息管理、全流程业务监视和调度控制、面向服务的多维度数据存储策略、全局数据访问视图和统一访问接口设计等。该系统为我国国家级和省级气象业务提供了统一规范的气象数据使用环境。

观测仪器和百叶箱的变化对地面气温观测值的影响及其原因分析

在未来的几年来,中国几十年以来一直使用的地面人工气象观测系统将全部被自动观测系统所取代,观测系统的变化(对气温观测而言,主要是感应器的变化和百叶箱的变化)导致气象要素观测值的系统偏差将是不可避免的。检测地面自动观测与人工观测的地面气温的差异,并分析产生这种差异的原因,对于分析我国气温时间序列的均一性,科学合理使用我国长期气候序列进行气候变化研究具有重要的科学意义,同时对于改进我国地面自动观测系统,减少观测值的系统误差,具有重要的业务应用价值。选取在同一观测场观测、具有同种防辐射百叶箱、不同感应仪器的人工和自动两种地面气温观测系统所获取的5个国家基准站的平行观测资料,分析了不同时间尺度(小时、日、月)的观测和统计值的差异,揭示了两种系统获得的气温测值的偏差,并分析了产生这种偏差的原因,近似估算了仪器精度、仪器灵敏度、太阳辐射和红外辐射等影响因子导致的偏差值。观测仪器的变化对气温测值有较明显的影响,日、月、年平均气温相差0.2左右,太阳辐射对不同仪器的影响不同是主要原因,同时,两种仪器存在0.1左右的系统观测误差,对环境温度变化的敏感性的差异也可引起一天中的不同时段存在0.1—0.15的差异。通过对3个台站不同百叶箱、相同仪器的对比观测试验资料的分析,表明从总体上看,百叶箱的变化对气温观测值的影响不大,但玻璃钢百叶箱内的气温对环境气温变化较木质百叶箱更灵敏。

青藏高原地气系统气象科学数据集成和共享

观测资料匮乏是制约青藏高原地球科学问题深入研究的关键因素。中国气象局国家气象信息中心联合中国气象科学研究院、中国科学院青藏高原研究所和西北生态环境资源研究院对近几十年来我国青藏高原区域的地气系统的大气和陆面观测资料及相关分析产品进行了整合集成,获得了高原区域长年代、多要素的地气系统综合气象数据,研发了综合气象数据库及其数据共享平台。本文系统介绍了相关科学数据的观测及数据情况,包括中国气象局长期业务观测数据、历次青藏高原大气科学试验数据、中国科学院部分野外台站长期观测试验数据和一些科学研究项目的产出数据成果,描述了多种数据的标准化集成技术和成果,设计并发布了青藏高原地气系统多源信息共享平台,为研究和解决青藏高原地球科学问题提供宝贵的数据资源。

气候平均值和方差的次序统计估计量

给出了估计样本平均值和方差的次序统计量——中值、伪标准差、加权均值、加权标准差的数学描述,对其统计估计性能——一致性、无偏性和有效性进行了模拟评估,评估分析结果表明:这些次序统计量具有一致性和无偏性,有效性在正态总体下低于传统统计量,在偏态总体下接近或超过传统统计量,加权均值和加权标准差的有效性高于中值和伪标准差,接近传统统计量。模拟和实例均表明,与传统的均值和标准差估计量相比,当资料存在特异值时,次序统计量具有明显的优越性。

90年代长江中游异常多雨的气候变化背景分析

利用小波变换技术 ,对与长江中游地区夏季降水密切相关的赤道东太平洋海温、西太平洋副高、南海夏季风等物理因子进行时间变化的尺度分离 .通过对年代际变化和长期趋势等不同尺度变化的分析 ,揭示出 90年代长江中游异常多雨和频繁洪涝产生的气候变化背景 .

赴美国参加第93届美国气象学会年会总结

1概况2013年1月6-10日，第93届美国气象学会年会在美国得克萨斯州奥斯汀市举行。本届年会的主题是“让预测更加精准：现今天气、水文、气候预报和预测的发展与超越”，年会共设有大气-海洋-陆地综合观测与同化系统、气候变率与变化、应用气候、水文等36个主题联合会议和13个全体会议，以及30多个其他专题会议。来自美国、澳大利亚、中国等国家约3000人参加了本届年会。中国气象局国家气象信息中心气象数据研究室主任熊安元、师春香研究员和徐宾应邀参加。

全国综合气象信息共享平台架构设计技术特征

全国综合气象信息共享平台(CIMISS)是依托天气雷达数据共享平台工程项目建成的国省统一数据环境,实现各类气象数据的规范管理,直接支撑气象业务应用。该文介绍了CIMISS架构设计及核心内容,结合业务应用效果的实例分析,阐述架构设计如何有效提升数据和应用的集约高效。借鉴企业架构(EA)方法,建立了业务架构、数据架构、应用架构、技术架构和标准规范体系。采用一系列架构优化设计,包括实现元数据统一管理同步、数据质量控制、统一业务监控、异构数据库统一数据服务、优化信息流程、分层设计和集群技术应用等,满足CIMISS标准性、扩展性、稳定性等需求,获得良好的全流程数据服务时效,核心资料接收入库总耗时均小于3 min,数据访问效率较国家级气象资料存储检索系统提升2~5倍。继承现有CIMISS架构设计成果,正在设计中的气象大数据平台整体技术架构将向云平台、分布式存储等新技术升级。

中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission,3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project,1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008-2010年5-9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。

降水测量对比试验及其主要结果

为了实现国内固态降水测量的自动化,同时了解我国降水测量与国际标准仪器DIFR间降水测量的差异,2006年中国气象局在大西沟、长春、通河气象站进行了为期近1年的降水测量对比试验。分别针对固态和液态降水分析了我国台站长期使用的普通雨量器的捕捉率大小及其与风速的简要关系、不同安装方式的雨量器间的防风效果。根据降水捕捉率及观测过程中的实际状况,对参加对比试验的7种自动化雨量计进行了性能分析,为业务上完全实现降水自动化观测而提供依据及建议。

中国区域地理、地形因子对降水分布影响的估算和分析

不同与以往基于最小二乘的多元线性回归方法,本文首次尝试将新型的第二代回归分析方法——偏最小二乘回归分析方法应用到中国区域的降水建模中.利用区域内394个气象观测站建站到2000年45年(及以上)的降水资料,建立了一个简单的年、季降水量和地理、地形因子(包括纬度、经度、地形高程、坡度、坡向和遮蔽度)的关系模型,估算了区域降水量中地理、地形的影响部分,并分析了这种影响的特征.结果表明,用此方法建立的模型能够解释70%以上的因变量的变异,相关系数基本都在0.84以上,经交叉有效性检验,模型的回归效果较显著.分析表明,在多元线性回归不适用的情况下,本文基于偏最小二乘法的简单模型能够比较准确地定性、定量地再现实际降水分布.

基于贝叶斯融合方法的高分辨率地面-卫星-雷达三源降水融合试验

为了探讨一种适用于区域性的地面、雷达、卫星等多源降水资料融合的方法,一种曾用于高分辨雷达、卫星土壤湿度产品反演的贝叶斯融合(Bayesian Merging)方法被尝试应用于江淮地区1 h-0.05°×0.05°经纬度高分辨率的雷达估测降水、卫星反演降水与地面站点观测降水3种资料的融合。在应用该方法时,通过2009年8月样本统计分别估计卫星和雷达反演降水的误差关系,通过曲线拟合建立误差方程,并以卫星资料作为背景场,但在融合时将雷达估测降水作为新的观测信息与地面观测降水同时引入。融合试验检验结果表明:贝叶斯融合方法能够有效实现雷达、地面、卫星3种不同来源资料的融合,该方法生成的多源融合产品的精度均优于任何单一来源的降水产品。

湖北的气候生产力与农业持续发展

基于对湖北省主要农作物气候生产力的估算，分析了目前气候生产力利用的现状。由于受到自然条件和社会条件的限制，在目前大田生产的条件下，湖北粮食气候生产力利用率相对较低，即使是利用率稍高的中稻，其历史最高产量也仅为气候生产力的一半，气候生产潜力较大。因此，如何加强农业气候生产力的开发利用，最大限度的发挥气候资源的作用，将是实现湖北农业持续发展需要解决的重大问题之一。根据影响农作物气候生产力的因子分析，从提高光能利用率、增加光合产量；合理利用热量资源、促进粮食作物的合理布局以及防灾抗灾、改善气候生态环境等不同角度，就如何提高气候资源利用率、实现农业持续发展提出了相应的对策。在此基础上。

玻璃钢百叶箱与木制百叶箱内温湿度测量的对比分析

通过分析2005年2—7月玻璃钢百叶箱与木制百叶箱内温湿度对比试验资料,得到了两种材料百叶箱内温湿度测量的差异以及两种百叶箱间对大气温湿度变化反应速度的差异,并分别讨论了不同云量、不同风速条件下,两种材料百叶箱气温测量差值的变化。结果表明:两种材料百叶箱内测量的气温平均差值在0.1℃以内,差值标准差在0.2℃以内,相对湿度平均差值在0.4%以内,差值标准差在2.1%以内;玻璃钢百叶箱对大气温湿度的反应比木制百叶箱快或相当;无论在多云和少云条件下,还是高风速和低风速条件下,两种百叶箱内测量的气温差值普遍在0.1℃以内。

北京奥运会期间的气象条件分析

利用北京1951--2003年气象要素的时值、日值和旬值等资料，对北京7—9月尤其是奥运会比赛期间的气温、降水、湿度、风和人体舒适度指数等要素的平均状况、演变特征和极值等变化特征进行了统计分析。结果表明：北京奥运会期间的气温较适宜，对赛事有重要影响的高温天气出现概率较小；8月8—24日，平均2～3d出现1次降水；风速具有明显日变化，01：00-07：00（北京时）较小，12：00--18：00较大；沙尘、冰雹、雾和暴雨等不利天气较少发生。

强对流天气人工智能应用训练基础数据集构建

基于业务观测、历史灾情及互联网媒体等多源数据整编形成强对流天气人工智能应用训练基础数据集(Severe Convective Weather DataSet for AI application,SCWDS)。SCWDS包括2012—2019年中国大陆区域的雷暴、雷暴大风、短时强降水、冰雹及龙卷5种强对流天气,共184865个个例(站次),9256405个样本,每个样本包含强对流天气过程标注及对应时空窗口范围内的地面观测数据、探空数据、闪电定位数据、雷达基数据、卫星多通道数据和再分析产品等。雷暴、短时强降水、冰雹主要出现在6—8月,雷暴大风主要出现在4—5月,龙卷主要出现在6—8月和4月。短时强降水发生时间呈03:00—04:00(北京时,下同)和15:00—16:00时段双峰分布,雷暴、雷暴大风、冰雹、龙卷主要发生在13:00—19:00时段。雷暴主要出现在华南、江南及青藏高原、云贵高原,雷暴大风主要出现在华北北部及江南沿海,短时强降水主要出现在西南、华南、江南及黄淮江淮地区,冰雹主要出现在青藏高原、云贵高原及华北北部。SCWDS作为机器学习模型训练的基础数据,为强对流天气智能识别和预报应用提供数据支撑。

晴雨(雪)和气温预报评分方法的初步研究

利用全国逐日天气预报产品和对应实况数据,分析了目前普遍使用的晴雨(雪)和气温预报评分方法存在的问题,并进行了改进尝试和研究。结果表明:由于没有考虑降水概率的影响,在降水概率全国差异较大的多数月份,晴雨(雪)预报正确率与单站无降水频率表现为正相关,具有无降水频率越大评分越高的趋势;采用绝对标准值(1℃或2℃)作为阈值进行气温预报准确率评分,评分结果与气温日际变化呈明显负相关,气温日际变化偏小则评分值偏高的趋势比较明显。该文提出的晴雨(雪)和气温预报改进评分方法能有效减少降水概率和气温日际变化对晴雨(雪)和气温预报评分的影响,提高不同气候背景地区天气预报评分结果的可比性,在天气预报质量检验和评估业务中具有一定的应用和推广价值。

中国55年来地面水汽压网格数据集的建立及精度评价

对气象要素网格化是气候变化研究中避免空间抽样误差的有效方法之一。文中采用薄盘光滑样条插值法(ANUS-PLIN),在考虑站点经度、纬度和海拔高度的基础上,对中国55年来地面水汽压站点资料进行空间插值,得到了中国陆地水汽压年和月平均值1°×1°网格数据集。精度检验表明:中国年水汽压插值误差普遍小于0.3hPa;而月水汽压的插值误差由于受水汽压周期变化的影响,表现出周期性变化的特点。一般夏季较大,最大误差在0.5hPa左右,冬季较小,约为0.2hPa。在考虑站点海拔与对应网格DEM差值大小的基础上,建立实测水汽压值与对应网格水汽压值年序列,并进一步分析二者的相关关系,表明:(1)二者具有很好的相关性,相关系数为0.88—0.96;(2)能很好地模拟地形影响,得到的网格水汽压可以较好地代表实测水汽压的变化趋势。由此建立了中国近55年来地面水汽压的年序列。其趋势表明:近55年来中国年平均水汽压呈增加趋势,其线性趋势为0.52hPa/(100a),其中西部增加趋势大于东部,且以夏季的增大趋势最为显著。结合近50年来气温的变化趋势说明:在中国,气温每增加1℃,大气中年平均水汽含量约增加3.15%。

近57年我国气温格点数据集的建立和质量评估

在普通克里金插值方法的基础上,引入高程因子并充分考虑插值的边界效应,对1951—2007年我国气温站点资料进行空间结构分析和插值,得到我国地面气温日、月、年平均值1°×1°格点数据集。数据集的质量评估结果表明:高程在我国区域气温空间结构分析和插值中起着重要作用,高程资料的引入有效提高了大部分高山地区的插值效果;相比站点资料,所建立的格点数据集在描述我国年平均气温以及季节平均气温分布时更为合理,突出了温度场的大尺度特征;数据集反映出了我国年平均气温变化趋势主要的空间差异;数据集较好地反映了我国年平均气温变化状况,1951—2007年气温变暖幅度约为1.6℃,增温速率0.28℃/10 a,比全球或半球同期平均增温速率明显偏高,且气温增暖主要发生在最近的20余年之内。另外,格点数据集显示,1998—2007年是1951年以来最暖的10年,其中2006年全国平均气温距平接近2000年之前的历史最高年份1998年,而2007年全国平均气温距平值超过1998年,达到1951年以来的历史最高值1.3℃,为最暖的一年。

湖北省1957-2009年降水时空变化特征分析

利用湖北省21个气象站1957-2009年的逐日降水资料,采用EOF、REOF和小波分析对湖北省年降水的空间分布和周期特征进行初步研究。研究结果表明:EOF分析得到的前3个典型场可以很好的反映湖北降水空间分布的特征,即具有整体一致、南北相反及中部和周围地区相反。REOF分析得到的前6个空间模态可以较好地代表湖北年降水的6个异常敏感区,分别为鄂西北区、鄂北区、鄂东北区、鄂东南区、鄂中南区、鄂西南区。利用复Morlet小波函数对湖北年降水的周期性进行研究,表明湖北年降水存在着明显的3 a、7 a、14 a的特征时间尺度和周期性振荡;从大的周期转变来看,今后一段时间内,湖北省的年降水量会逐年减少,之后可能进入一个相对干旱时期。