1979—2012年中国探空相对湿度资料的非均一性检验与订正

利用加拿大环境部气候研究中心研发的PMTred非均一性检验方法,以ERA interim资料作为参考序列,应用中国区域各探空台站详细的元数据信息为主要断点判断依据,对1979—2012年我国125个探空台站各标准等压面月平均探空相对湿度资料进行了非均一性检验和订正。并结合详细的元数据信息分析了造成我国探空相对湿度序列非均一问题形成的主要原因及对资料的影响程度。结果表明：仪器换型、探测系统资料整理计算方式变化以及辐射订正方法改变和探测系统升级等是造成这一时段中国区域月平均探空相对湿度资料不均一的主要原因。其中,2002年以后的L波段雷达 电子探空仪换型造成了相对湿度资料非常明显的不连续问题,这主要是由于早期59 701型探空仪穿云挂水,造成探测到的相对湿度资料明显偏湿。两个观测时次相对湿度序列不均一的台站数和断点数随高度的增加而增加。各标准等压面上月平均相对湿度序列不均一的探空台站平均订正幅度也随着高度的升高而增大,并且订正量为负值的比例在整套订正资料中所占的比例较高,说明我国的探空月平均相对湿度原始观测资料有明显高估的问题。1979—2012年以来,从全国的情况来看,订正前全国850~300 hPa 5个标准等压面全部为相对湿度降低趋势。但是订正后,850~300 hPa这5个标准等压面在1979—2012年相对湿度的变化趋势均不显著。     

中国探空位势高度资料的非均一性检验与订正

利用加拿大环境部气候研究中心研发的PMFT均一化检验方法,结合国家气象信息中心整理的中国区域各探空台站元数据信息,对我国123个探空台站各标准等压面月平均探空位势高度资料进行了非均一性检验和订正。结果表明：仪器换型、探测系统升级以及辐射订正方法改变是造成中国区域月平均探空位势高度资料不均一的主要原因。两个观测时次位势高度序列不均一的台站数随高度的增加而增加。各标准等压面上月平均位势高度序列不均一的探空台站平均订正幅度也随着位势高度的升高而增大。并且两个观测时次各标准等压面位势高度序列均为负订正,表明我国各标准等压面位势高度资料存在系统性偏高的问题。123个探空台站在对流层顶和对流层高层位势高度序列订正前是位势高度降低趋势,订正后位势高度序列呈增高趋势。对流层中低层原始位势高度序列呈增高趋势,订正后这种增高趋势更加明显。     

基于昼夜温差序列非均一性的高空温度订正

利用中国东部地区75个高空探测站1958－2005年逐日08：00和20：00资料和元数据信息,采用昼夜温度对比和二相线性回归方法,对不同等压面的温度序列进行均一性检测和订正。在此基础上,以最大缺测率30 %作为序列取舍标准,对49个探空站订正前后的年平均温度变化趋势进行了对比分析。结果表明：探空仪器变化和辐射订正方法改变是造成中国东部地区高空温度序列非均一性的主要原因,1966年前后和2000年前后是两个较为可靠的间断点,且1966年前后的非均一性更突出。非均一性最明显的等压面主要在100 hPa。1958－2005年,500 hPa以下等压面温度的上升趋势较订正前减弱,但200 hPa到50 hPa等压面温度的下降趋势也被削弱,削弱幅度为0.04－0.08 ℃/10 a。与1958－2005年相比,1979年以来东部地区对流层各层温度增温趋势明显,而平流层底层降温趋势也更加显著,该时段内订正前后温度变化趋势差异较小。     

3种方法对中国探空温度资料均一性检验对比分析

利用美国国家气候数据研究中心开发的Pairwise均一性检验订正方法,加拿大环境研究中心开发的PMFT方法和PMT方法,结合20世纪再分析资料和详细的元数据信息对1951-2008年中国123个探空台站的温度资料进行均一性检验和订正。结果表明：3种方法对中国探空温度资料订正幅度和订正前后的趋势变化存在差异。产生差异的主要原因,一方面是由于Pairwise方法设计的问题,导致对中国大部分台站同时改变辐射误差订正方法和系统升级造成的断点检测能力较弱;另一方面是由于PMFT方法未使用参考序列,不能去除气候变化本身的变化趋势,导致PMFT方法在断点判断上存在漏判的现象。而PMT方法结合20世纪再分析资料的客观判断方法较适合中国探空资料的均一性检验和订正,其订正结果表明,利用该方法得到的中国探空温度数据的统计学特征在低层小于全球尺度探空温度的订正结果,而在高层基本和全球探空数据的订正尺度相当。两个间断点和0.0-0.2℃的订正量所占的比例最大。从全国的来看,对流层为增温趋势,这种增温趋势随高度的增加逐渐减弱,至对流层顶100 hPa转为弱的降温趋势。     

RHtest方法对我国降水资料的均一性检验试验

应用RHtest方法结合台站元数据信息对我国1725个气象台站1961-2009年月降水资料进行了均一性检验试验和订正,并以波密站、元阳站和巢湖站为例介绍了检验过程.结果表明:该方法能够适用于对我国降水资料均一性检验且具有较高的应用前景.2400台站高密度月降水资料的使用更加有益于参考序列的选取,采用数理统计分析和结合元数据主观判断的方式来对序列进行均一性检验更加合理.检验出存在非均一性断点的台站仅占2.1％,表明我国降水资料序列均一性情况良好,台站较大距离的迁移是造成部分降水序列非均一的重要原因之一.对检验出存在断点的降水序列采用RHtest提供的订正方法进行了订正和趋势分析,发现订正后降水序列的年变化趋势具有明显的改变,均一性也有很大改善.     

中国地面相对湿度非均一性检验及订正

利用加拿大环境部气候研究中心研发的PMTred和PMFT方法,选取均一的邻近站为参考站,使用相关系数权重平均构建参考序列,结合元数据信息,对1951-2014年中国2400多个国家级地面站月平均相对湿度进行了非均一性检验与订正,并分析了造成相对湿度序列非均一的主要原因。结果表明,中国地面相对湿度资料存在较严重的非均一问题,68%的台站存在断点,人工观测转自动观测、迁站和时次变化是造成序列非均一的主要原因。整套资料负订正量所占比例较高,订正范围主要集中在-5%～0之间,这种负订正量与人工转自动观测后相对湿度观测值偏低有密切关系。这也使得订正后中国平均相对湿度趋势与订正前存在明显差异,订正前中国平均相对湿度呈下降趋势,订正后相对湿度没有趋势性变化。     

喀什站高空温度资料均一性检验与订正

利用加拿大环境部气候研究中心研发的RHtest均一化检验方法,结合历史台站沿革信息对喀什站各标准等压面高空温度资料进行了均一性检验和分析。结果表明:850～300 hPa共6个层次的高空日温度观测资料序列完整性较好。08时100 hPa月平均温度的缺测率3%,完整性较差,20时100 hPa的完整性最差,缺测率高达11.44%,其他层次的完整性则较好。喀什站温度资料的非均一性主要是由于台站位置变动、观测仪器换型、观测规范变更和辐射误差订正方法的变化引起的。在订正过程中发现,为了保证订正序列的可信度,需要充分考虑到原始观测序列的缺测率。08时年温度序列的断点数量要明显多于20时,08时序列的订正率达到了85.71%,而20时仅有100 h Pa一条序列做了订正。     

近60年中国探空观测气温变化趋势及不确定性研究

基于118站探空资料研究了近60年中国850—100 hPa气温变化趋势及季节和区域特征,并通过与1979—2017年卫星微波气温的对比研究了中国探空气温均一化的不确定性。研究表明,1958—2017年中国平均对流层气温呈上升趋势,300 hPa升温最为显著,平流层下层（100 hPa）为降温趋势。冬季对流层上层升温趋势和夏季平流层下层降温趋势较强。1979—2017年较整个时段对流层升温趋势较强,平流层下层降温趋势较弱。青藏高原和西北地区对流层上层升温趋势较强。通过与卫星微波气温和邻近探空站探空气温的对比以及均一化前后日夜气温差值检测出中国探空均一化气温仍残存非均一性问题。由于参照序列的局限性,均一化未能完全去除21世纪最初10年中国探空系统变化造成的对流层中、上层至平流层下层气温系统性下降的影响,导致中国对流层上层升温趋势被低估和平流层下层降温趋势被高估。未来可通过参考卫星微波气温和邻近探空站序列调整非均一性订正顺序并增加合理性检验等方法改进中国探空气温均一化方案。      

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。     

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。     

Impacts of Reference Time Series on the Homogenization of Radiosonde Temperature

Using radiosonde temperatures of 92 selected stations in China,the uncertainties in homogenization processes caused by different reference series,including nighttime temperature,the NCEP (National Centers for Environmental Prediction) and ERA-40 (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) forecasting background,are examined via a two-phase regression approach.Although the results showed limited consistency in the temporal and spatial distribution of identified break points (BPs) in the context of metadata events of instrument model change and correction method,significant uncertainties still existed in BP identification,adjustment,and impact on the estimated trend.Reanalysis reference series generally led to more BP identification in homogenization.However,those differences were parts of global climatic shifts,which may have confused the BP calculations.Discontinuities also existed in the reanalysis series due to changes in the satellite input.The adjustment values deduced from the reanalysis series ranged widely and were larger than those from the nighttime series and,therefore,impacted the estimated temperature trend.     

中国825个基准、基本站地面气压系统误差的检验与订正

使用RHtest均一化方法结合元数据信息对中国825个基准、基本站的地面气压月值数据进行均一性检验与订正,结果发现有400个站的气压数据均一,425个站存在系统误差。对于后者,使用静力模式订正可消除255个站的系统误差,另外170个站采用均值订正,均值订正的断点共245个。对气候趋势和个例的分析表明,上述方法对气压数据均一化订正效果明显。均一化之后站点气压长期趋势的空间一致性更好,中国东南沿海和西北部的新疆地区气压表现出下降趋势,中部地区主要表现出上升趋势。     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。