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。      

一种基于空间相关性和B样条曲面拟合的地面气温质量控制算法

将B样条曲面拟合算法引入到地面气温观测资料的质量控制当中,考虑到区域内各参考站与目标站观测值之间的空间相关性,提出了一种基于空间相关性和B样条曲面拟合的地面气温观测资料质量控制算法(Spatial Correlation and B-spline Surface Fitting,BSF)。选择2012—2014年南平站、南京站、太原站、拉萨站、景洪站和长春站以及周围300 km内参考站的02:00、08:00、14:00、20:00定时气温作为观测资料,结合平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、一致性指标(Index of Agreement,IOA)和纳什系数(Nash-sutcliffe Model Efficiency Coefficient,NSC)这4种评价参数对目标站地面气温资料进行质量控制分析。将BSF算法的质量控制效果分别与传统的反距离加权法(Inverse Distance Weighted,IDW)和空间回归检验法(Spatial Regression Test,SRT)进行对比,试验结果表明:在不同案例下,BSF算法的质量控制效果均优于IDW算法和SRT算法,能更有效地标记出气温观测数据中的可疑值。     

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。      

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。     

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。      

中国区域多种数值模式资料的地面气象要素评估

利用中国气象局国家级自动站(2421个站)的观测资料,分别对2010年7月1日至2013年6月30日的欧洲中期数值预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)和美国国家海洋大气局的全球预测系统(GFS)数值模式资料的地面气温、相对湿度和风速在中国区域的适用性进行了比较研究。结果表明,3种数值模式资料都能在一定程度上反映观测资料所具有的时间和空间分布特征,东部地区的适用性要高于西部地区。不同的地面气象要素,差异较大:对于地面气温和地面相对湿度,ECMWF比JMA和GFS更接近实际观测,ECMWF和JMA的分析场数据质量要好于预报场;ECMWF和JMA地面气温在冬季与观测差异最大,GFS地面气温在夏季与观测差异最大;3种数值模式资料的地面相对湿度在秋季和冬季与观测差异最大;对于地面风速,在江淮流域和华南等东部区域JMA与实际观测差异最小,在北部和西部区域ECMWF最好,JMA和GFS地面风速在冬季与实际观测差异最大。     

AI方法在地面气温观测资料质量控制中的应用

提出一种基于自回归与反距离加权的空间质量控制方法——AI方法,该方法能够在时间维度和空间维度对气象资料进行质量控制。选择不同地区4个地面气象观测站(南京58238站,连云港58044站,无锡58353站,徐州58027站)2007年逐时气温观测数据作为被控对象,检验该方法在气温资料质量控制中的适用性。通过对添加的随机人为误差的检验发现,该方法能够有效地标记出存疑数据,相对于反距离加权和空间回归,该方法具有更好的检验效果,稳定性高、适应性强,适用于平原或丘陵地带。     

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。     

NCEP/NCAR再分析资料在纳木错流域湖泊/冰川区适用性分析

利用中国科学院青藏高原研究所纳木错多圈层综合观测研究站在念青唐古拉峰扎当冰川垭口(30.47°N、90.65°E,5800m)和纳木错站(30.77°N、90.99°E,4730m)的逐日平均气温、相对湿度、气压等资料,与同期NCEP/NCAR再分析资料进行了对比分析,讨论了再分析资料在纳木错流域湖泊/冰川区气候变化研究中的适用性.结果表明:扎当冰川垭口和纳木错站气压再分析资料的可信度好于气温,相对湿度稍差:扎当冰川垭口气压和相对湿度再分析值与实测值的差值在冬季偏大,夏季偏小,气温则相反.在研究期间,总体上再分析资料在冰川区的可信度好于湖泊区,再分析资料能很好地反映该地区地面气压、气温和相对湿度的日变化特征,在应用到该地区气候变化的研究时应考虑地形的影响.     

基于EEMD-CES的单站地面气温资料质量控制方法研究

为了去除或减少我国地面气温观测资料中含有的噪声成分,提高观测资料质量,提出了一种新的单站质量控制算法。该算法融合了集合经验模态分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和三次指数平滑法(Cubic Exponential Smooth,CES)。利用EEMD方法将气温观测资料分解为一系列相对平稳的本征模分量,并基于能量密度和相关性准则从中分析筛选出目标分量,以完成资料重构;利用CES方法对重构资料建立单站质量控制模型,形成了一种基于EEMD-CES的地面观测资料质量控制算法。为检验该方法的可行性与适用性,选取2008年全国9个观测站地面逐时气温观测资料进行质量控制,并对比传统的单站质量控制法、经验模态分解法和三次指数平滑法的质量控制效果。试验结果表明,基于EEMD-CES的质量控制方法能有效地标记出数据的可疑值,相比传统方法,具有更高的检错率和更强的适应性。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

近44a毛乌素沙地西缘气候特征及其未来可能变化趋势

利用1971—2014年毛乌素沙地西缘气象观测资料,分析了该地区的气温、降水、相对湿度的时空变化特征,运用R/S分析法预测未来毛乌素沙地西缘气候要素可能变化趋势。结果表明:(1)近44 a毛乌素沙地西缘气温呈显著上升趋势,降水量呈弱的增加趋势,相对湿度呈弱的下降趋势,但是二者趋势并不显著。(2)近44 a毛乌素沙地西缘气温空间分布呈南高北低,降水和相对湿度均呈东多西少,各地气候倾向率存在明显的差异性,中部气温增幅较大,东部降水增加较多,南部相对湿度减少较多。(3)近44 a来毛乌素沙地西缘各气象要素变化均表现出一定的周期性,年平均气温主要存在4~5、8~10 a的振荡周期,降水量主要存在3~4、6~8 a振荡周期,相对湿度主要存在2~4、6~8 a的振荡周期。(4)毛乌素沙地西缘未来气温仍呈上升趋势可能性较大,未来降水量可能变为减少趋势,未来相对湿度变化不稳定。     

南京城区夏季低层逆温对人体舒适状况影响初探

利用2000年夏季南京志区地面气象要素和低层探空资料，分析了该夏季南京城区早、晚低层逆温的频率、厚度和强度变化特征，着重从统计角度研究了逆温的厚度、强度与城区地面温度、相对湿度变化的关系及对人体舒适状况的影响。结果表明：低层逆温对城区地面温湿变化及其幅度影响较大，当07时有逆温层时，08时至14时的温度增加幅度变大，相对温度减小幅度也变大，人体不适指数增加幅度变大；当19时有逆温层时，20时至23时温度减小幅度变小，相对湿度增加幅度也变小，人体不适指数减小幅度变小，并通过相关分析建立了人体舒适度指数与逆温强度之间的回归方程。     

乌鲁木齐市气象塔梯度观测资料质量控制与处理

本文介绍了乌鲁木齐市建成区内5座100 m气象塔地理位置,根据逻辑极值检查、僵值检查、时间一致性检查、空间一致性检查和人工干预检查等组成的一套针对气象塔观测资料的质量控制方法和四点滑动平均插值、要素垂直分布拟合和线性回归方法组成的数据插值方法,对乌鲁木齐市从南至北5座100 m气象塔2012年4月1日至2014年4月30日的资料进行质量控制和数据插值。结果表明:该套方案能很好地找出缺测、错误和可疑的数据,结合人工干预,使得检验结果更为可靠。5座气象塔资料的质量是比较好的,正常数据占总数据的97.17%,其中红光山数据质量最好(正常数据占总数据的99.01%)。非正常数据只是少数情况(占总数据的2.83%),包括缺测和错误数据,其中缺测数据占非正常数据的6.23%(出现在米东和燕南立交),错误数据占非正常数据的93.77%。虚假数据占错误数据的89.99%(大部分为风速、风向),僵值数据占错误数据的5.47%(大部分为气温和湿度).超出逻辑极值数据占错误数据的0.41%(只出现在水塔山气温),不符合一致性数据占错误数据的4.13%(主要为湿度,主要在燕南立交)。利用四点中央插值法、每座气象塔要素垂直分布拟合和不同气象塔之间线性回归方法插值气温和相对湿度的效果较好。     

基于多源数据的地面降水质量控制方法研究北大核心

本文在研究地面小时降水量与自动站其他观测要素的关联关系和雷达定量估测降水的基础上,提出从自动站关联要素和雷达估测降水两个角度对地面降水进行综合质量控制的多源质量控制方法。利用该方法对2019年5至6月江苏省国家级自动站小时降水量进行质量控制,结果表明:1 h相对湿度变化值、1 h变温,相对湿度与小时降水量关联关系较好;基于SFLA-BP的雷达定量估测降水结果与Z-I关系法相比精度更高,提升了天气雷达对降水质量控制的有效性;多源降水质量控制方法比MDOS准确率提高1.45%,产生可疑数据量下降67.16%,该方法能有效提升现有降水质量控制方法的准确性。     

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.     

贵阳地区人体舒适度指数变化特征及分析

本文利用贵阳市8区县国家级地面观测站1987-2016年的逐日地面观测资料,运用统计分析、相关分析、通径分析等方法来分析了贵阳地区的气温、相对湿度、风速等气象要素的气候特征,并对人体舒适度指数的时空分布特征进行了分析,探讨了各气象要素与人体舒适度指数之间的相关关系。结果表明：(1)贵阳地区的气温分布存在南北差异,南部最高,中部次之,北部最低;贵阳各地每月的平均相对湿度都很大,均在75%以上;月平均风速在1.5-2.5m/s之间,空间分布差异不大。(2)4月到10月,来贵阳各地旅游都较为舒适,尤其是在夏季(6-9月),最为舒适。从空间分布来看,人体舒适度指数分布为南部＞中部＞北部。(3)人体舒适度指数和气温为明显的正相关关系,与相对湿度、风速为负相关关系。其中气温对人体舒适度指数的影响最为显著。     

河北省雾凇和雨凇气候特征及气象条件分析

利用1980—2009年河北省142个气象站的雾凇、雨凇资料、河北省南部94个气象站的地面观测资料和邢台探空资料,分析了河北省雾凇、雨凇的时空分布特征;利用箱线图分析了河北省南部适宜雾凇、雨凇出现的温度、湿度和风速等气象条件。结果表明：（1）在空间分布上,雾凇、雨凇主要出现在河北省南部,东部平原多,西部山区少;在时间分布上,雾凇、雨凇均出现在11月至次年3月。（2）适宜雾凇出现的气象条件是雾日并且气温在-7.2～-3.1℃之间、相对湿度≥92%、风速≤1.2 m·s~（-1）;雾凇出现时,95%的情况出现了逆温层。（3）适宜雨凇出现的气象条件是雨日并且气温在-4.1～0℃之间、相对湿度≥87%;雨凇出现时均有逆温层出现。（4）雾凇、雨凇高值区的相对湿度明显高于低值区,因此相对湿度大是雾凇、雨凇高值区形成的主要原因。     

Temporal evolution of surface humidity in Spain: recent trends and possible physical mechanisms

We analyzed the evolution of surface relative humidity (RH) and specific humidity (q) in Spain, based on complete records available from the State Meteorological Agency of Spain. The surface RH records used span the period 1920–2011, but because of spatial and temporal constraints in the dataset we used a subset of the data, covering the period 1961–2011. The subset contained 50 monthly series of RH, which were created through a process of quality control, reconstruction and homogenization. The data shows that there was a large decrease in RH over mainland Spain from 1961 to 2011, which was greatest in spring and summer. In contrast, there was no overall change in the specific humidity in this period, except in spring, when an increase was observed. The decrease in RH affected the entire country, but the changes in specific humidity were less homogeneous. For specific humidity there was a general increase in the northern and eastern parts of Spain, whereas negative trends dominated in the central and southern areas, mainly during the summer months. The results suggest that an increase in the water holding capacity of the atmosphere as a consequence of warming during recent decades has not been accompanied by an increase in the surface water vapor content, probably because the supply of water vapor from the main terrestrial and oceanic areas has been constrained. We discuss the implications of these findings for evapotranspiration processes, precipitation and water management in Spain.