四川省多种土壤水分资料对比分析

从降水响应、指标评估两个方面对比分析了四川省西昌、宜宾和乐至3站2017~2018年CLDAS土壤湿度产品、人工观测和自动土壤水分站3种土壤水分资料。结果表明,3种资料的土壤相对湿度对降水都有较好的响应,其中自动站对土壤水分变化的响应最为明显,而CLDAS的响应则较为平缓,CLDAS体积含水量对降水的响应不如CLDAS相对湿度好,特别是在深层,基本没有响应降水影响。对比评估指标显示,各站土壤相对湿度人工观测与自动站的相关性最好,西昌站3种资料两两间相关性最好,乐至站各资料间的相关性较差,偏差和均方根误差也较大,体积含水量各站各资料间相关性没有相对湿度高。总体看,CLDAS土壤湿度产品,特别是相对湿度在浅层对降水的响应要好于深层,与人工观测和自动站的相关性也好于深层,CLDAS土壤湿度产品在浅层可以弥补四川部分地区自动站稀疏的缺陷。      

四川地区自动土壤水分站数据质量控制方法研究

本文利用各类人工、自动土壤水分资料,统计得到不同层次土壤水分各观测要素的气候极值和时变阈值,研发了适用于四川地区自动土壤水分资料的质量控制方法,具体包括站点参数信息检查、数据缺测检查、体积含水量界限值检查、气候极值检查、时间一致性检查(时变检查和持续性检查)。并对2014年21个自动土壤水分站218个S文件进行了检查测试,检查数据约500万个,质控结果显示,数据缺测约占总数据量的1.6%,超过气候极值数据约占总数据量9%,未通过时间一致性检查的数据约占0.5%,超出体积含水量界限值的数据约占0.3%。在所有疑误信息中,超过气候极值所占比例最大,土壤水分各要素历史气候极值有待进一步完善。      

CLDAS数据质量在线评估系统的设计与实现

数据质量评估是模式业务运行中重要环节。本文利用土壤水分观测数据和中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)产品数据,采用MySQL数据库和html、JavaScript、HighChart等Web技术,建立CLDAS数据质量在线评估系统。系统采用相关系数、均方根误差、相对偏差和平均偏差等统计指标,实现对任意站点及省份、任意时段、不同土壤层次的土壤湿度的评估分析,并以时间序列图,散点图等多种方式对比显示土壤湿度观测与模拟值。系统具备各类统计指标的实时计算,并通过Web页面实时展示评估结果,实现对模式产品的数据质量进行实时监视。     

GLDAS和CLDAS融合土壤水分产品在青藏高原地区的适用性评估

利用第三次青藏高原(下称高原)大气科学试验(TIPEXⅢ)和高原周边自动土壤水分观测站0~10 cm层次土壤湿度观测资料,通过计算全球陆面同化系统(GLDAS-NOAH)和中国气象局陆面同化系统的融合产品(CLDAS-V1.0)与观测资料之间的相关性和偏差,综合评估了融合土壤水分产品在高原的适用性。结果表明,两种融合资料在安多、那曲、聂荣、Sta-ave区域(小嵩草高寒草甸)4个站点表现较优,而融合资料在班戈(禾草高寒草原)、嘉黎(亚高山常绿叶灌丛)和比如(亚高山常绿叶灌丛)质量较差,阿里站(矮半灌木荒漠)是融合资料与观测相差最大的站点;融合土壤湿度产品的质量存在明显的日变化,并在14:00-20:00(北京时)表现为最差;融合资料的质量2014年整体上优于2013年,其中2013年8月中下旬和10月中旬两种资料质量较差,进一步分析发现当降水强度急剧增强时,融合资料的质量变差;融合产品质量在高原地区由东南向西北方向递减,相对于GLDAS资料,CLDAS在对四川东南地区和新疆地区大部分站点的土壤湿度描述能力上有了较大的改善,两种资料在四川东北部地区有较好的一致性。     

自动站实时数据质量控制失败的案例分析

通过2次自动站实时数据质量控制失败的案例,分析总结了自动气象站实时数据质量控制的经验教训。结果表明:(1)值班员必须严格执行地面气象观测规范和各项规章制度;必须充分认识建立和运行实时自动气象站的目的,打破传统地面气象观测侧重于定时观测的思维定势,牢固树立随时要对自动站实时数据进行质量控制的意识。(2)要灵活运用自动气象站监控软件(SAWSS)实时分析观测数据的质量,并及时正确地处理异常数据。(3)自动站实时数据质量控制最好按照如下顺序依次进行:时间一致性检查,内部一致性检查,气候一致性检查。(4)解决台站实时数据质量控制问题的最好方法是研制以保证数据真实准确为核心目标的自动化质量控制软件。     

四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性分析

利用国家气象信息中心提供的"中国农业气象土壤水分数据集(1981-2010年)(V1.0)"中150个农业气象站的土壤湿度观测资料,对2001-2010年CFSR、ERA-Interim、NCEP R-1和NCEP R-2四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性进行了比较与评估。结果表明:(1)从空间分布来看,四套再分析资料都可以正确描述出中国区域土壤湿度的分布特征,但是NCEP R-1对于青藏高原土壤湿度的模拟存在一定的问题;(2)从时间变化来看,CFSR再分析资料能够较好地描述了土壤湿度的时间变化,而NCEP R-2再分析资料表现得较差;(3)从土壤湿度的季节循环看,在表层,CFSR和ERA-Interim再分析资料模拟地比较好,而NCEP R-1和NCEP R-2再分析资料出现了高估现象;而在深层,除NCEP R-1外,其他三种再分析资料都可以较好地模拟出土壤湿度的季节循环。     

北京自动气象站实时数据质量控制应用

自动气象站(AWS)观测资料是中尺度、短时效天气预报不可缺少的重要资料源之一.但由于AWS观测资料的特殊性,其质量问题不同程度地阻碍了它的使用.因此,AWS观测资料的质量控制越显重要.北京市气象局设计的自动气象站观测数据质量控制的方案主要是物理极值检查、历史极值检查、内部一致性检查、时间一致性检查、空间一致性检查等方法并把它应用于北京地区2007年奥运气象服务演练,取得了令人鼓舞的效果.结果表明:该质量控制方案的建立,能够实时反映北京市气象局自动站观测数据的可靠性,同时也反映出数据的缺测和及时性也存在一些问题.此系统的运行对2008年奥运气象服务,特别是对INFO2008和城市运行实时数据服务的可靠性将会发挥重要作用.     

基于名单控制方法的探空测风数据质量分析

提出一种基于观测数据获取率、获取准时率、质量控制正确率和模式一致率的综合名单控制方法,使用2019年全国120个探空站测风数据对该方法进行验证,并对观测数据质量进行分析。结果显示:名单控制可以有效检查出观测数据存在问题的站点,名单站点观测数据相对于模式数据存在明显的系统性偏差,偏差和均方根误差相对于全国平均值都显著偏大。探空测风数据质量较好,四季风向、风速观测数据和模式数据较为一致,偏差分别在±1°和±1.5 m·s~(-1)内;秋季风向一致性较好;夏季和冬季风速一致性低于春季和秋季;风向一致性春季和夏季随气压减小先减小后增大,秋季和冬季则相反;风速一致性随气压减小基本呈三峰型变化。     

自动土壤体积含水量异常数据分析和判定

以琼中2014—2021年自动土壤体积含水量数据为例,研究自动土壤体积含水量异常数据的判定方法,分析造成数据异常的原因。结果表明：依据降水与土壤水分自然变化规律,采用界限值检查和空间、时间一致性检查等数据质量控制方法,分析自动土壤水分历年数据年、月、旬、日变化趋势,可快速判定自动土壤水分历史数据集中异常数据出现时段;结合异常时段同期的降水量和台站值班记录及当地墒情实况可判定异常数据的正误。造成自动土壤体积含水量数据异常主要原因有：①传感器故障;②强降水天气,雨水冲刷石块移动造成土壤环境发生变化;③仪器安装不当,套管管壁与土壤开孔的孔壁之间存在缝隙,强降水造成传感器对应部位积水;④对套管管壁与土壤开孔的孔壁之间缝隙灌浆填补时,未严格按规范要求操作,破坏了土壤原有结构。     

人工与自动土壤水分平行观测资料对比分析

采用对比差值、差值概率和相关分析等方法对南城2005年9月8日至2007年1月28日期间HYA-SF型土壤水分自动监测站与人工平行对比观测的土壤湿度资料进行统计和一致性分析。结果表明,人工与自动观测资料的一致性在40 cm、50 cm土层表现最好,在5 cm、10 cm土层表现相对最差;总体上自动观测值高于人工观测值,二者数据差异在少雨或干旱季节常小于多雨季节;对比观测时段内人工与自动观测数据序列的相关性在各层均表现为显著,多项式回归趋势基本能反应土壤含水量的变化趋势。分析结果可为评估HYA-SF型土壤水分自动站的监测能力提供客观依据。     

能见度气象监测数据质量检查方法初探

运用河北省境内103套交通气象监测站逐分钟的能见度气象监测数据,结合气象台站自动站和人工观测资料,探讨了能见度气象监测数据的质量问题和质量检查方法。归纳出3类能见度监测数据的质量问题,提出允许值检查、时间一致性检查、内部一致性检查、空间一致性检查、人为识别法等几种可用于能见度气象监测数据的质量检查方法,同时给出了雾和强降雨造成的低能见度数据质量检查和控制指标。     

内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响

利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。     

云南省自动气象站土壤湿度数据质量控制

土壤湿度是控制陆地和大气间水分和能量交换过程的重要变量,而自动气象站观测是获取地表土壤湿度的主要手段。地表自动气象站观测的准确性能够直接影响其应用效果,因此, 开展自动气象站土壤湿度质量控制分析具有重要意义。基于2010—2014年云南省37个自动气象站土壤湿度数据,采用谱分析方法,以观测值及其Savitzky-Golay二次导数的平均值、均方差、变化率等统计量为判据,筛选剔除了观测数据中的随机噪声、异常峰值和异常平稳值。结果表明:云南省自动气象站观测数据均有缺测,两种异常值中,异常平稳值占绝大部分。与降水时间序列对比发现,不同降水强度下各层土壤湿度变化存在一定差异,砂质土站点对降水的响应最为明显,黏质土站点雨后土壤湿度变化幅度最小。     

烘干称重法与自动观测土壤湿度的差异分析

利用2008年12月至2009年2月烘干称重法、自动观测的土壤湿度及同期气象资料进行统计分析得出:(1)在同一气候环境、同一地段烘干称重法与自动观测的土壤湿度变化趋势是一致的,0～10cm土壤湿度一致性最好。(2)烘干称重法测得数据所反映土壤湿度的变化程度大于自动观测。⑶烘干称重法、自动观测的0～50cm土壤湿度与降水、气温相关密切,建立的回归方程通过0.01的显著性检验,采用烘干称重法测得的土壤湿度与气温、降水的响应程度好于自动观测。     

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.     

肇源新型自动土壤水分观测仪与人工平行观测资料对比分析

采用对比差值、差值概率等方法对肇源2012年5月3日-11月13日期间GStar DZN2型自动土壤水分观测仪与人工平行对比观测的土壤湿度资料进行统计。结果表明,人工与自动观测资料的一致性在20和40 cm土层表现最好,60 cm土层表现最差,总体上人工观测值高于自动观测值。     

DZN3自动土壤水分观测仪的误差分析

对2014年4月8日-11月8日共22次DZN3自动土壤水分观测仪和人工烘干称重法测定的土壤相对湿度资料进行对比分析,结果显示0-20 cm自动土壤水分观测的土壤相对湿度小于人工烘干称重法测量值,20-30 cm自动观测土壤相对湿度最接近人工烘干法测量值,30-50 cm前期自动观测土壤湿度小于人工烘干法测量值,后期自动观测数据大于人工烘干法测量值。可反映出旱涝趋势。     

土壤水分观测历史数据集奇异值分析与校正

针对中国247个农业气象土壤水分观测站点1981 2010年逐旬土壤重量含水量、逐年田间持水量、凋萎湿度和土壤容重,考虑地区气候特点和土壤质地,依据土壤水分极值和水文常数关系理论,制定了土壤水分观测历史数据集质量控制方法,对土壤水分数据奇异值进行分析与校正。结果表明:土壤水分观测历史资料中,奇异值问题可以归结为人工录入误差、多地段水文常数混用误差和年际变化异常;土壤重量含水量数据异常问题归结为小于风干土含水量和大于理论饱和含水量的极端情况。通过对历史数据集质量控制后,可以对土壤水分观测数据进行有效推广应用,为针对土壤水分的研究提供重要科学基础。     

再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明:整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产品模拟的冬季土壤湿度和观测值相关性是全年中最小的;不同土壤湿度产品在干旱区以模拟偏湿为主,GLDAS-Noah模拟效果最佳,但模拟土壤湿度峰值和谷值的出现时间较观测较早,GLDAS-Noah、CRA40、ERA5能较好模拟季风区干、湿土壤的持续时段和土壤湿度变化振幅,大部分产品能模拟出夏季风影响过渡区较干土壤和较湿土壤的出现时间。     

农作物实景监测中的图像数据质量控制方法研究

农作物实景自动监测系统具有自动、非接触、非破坏性等优点,是传统农业气象观测的补充。开展图像质量控制是合理使用农作物实景自动监测系统资料的基础。利用郑州、泰安和固城三地的历史农作物实景图像资料,设计了基于颜色特征参数检测和基于暗通道先验直方图检测的图像数据质量控制方法。通过对2010—2012年三年夏玉米和冬小麦等不同天气条件下得到的农作物实景自动观测资料进行质量控制与应用效果检验。结果表明:两种质量控制方法均可判断出农作物实景自动监测系统中图像观测资料的异常数据;基于颜色特征参数检测方法可有效识别出像素缺失图像,准确率达100%;基于暗通道先验直方图检测方法能有效识别出污染图像,平均准确率为95.7%,平均召回率为87.5%。该质量控制方法可减小模型估算值与观测数据之间的误差,目前已应用于省级农业自动观测业务系统。