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。      

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。     

复杂地形区域平均气温空间插值方法研究

采用反距离权重、克立格、径向基函数法、三维二次趋势面和地理加权回归5种方法,对云南125个站1月、4月、7月、10月和年的30年平均气温进行空间插值并比较分析发现:反距离权重、克立格、径向基函数法3种常规插值方法对地形复杂的云南气温空间分布模拟精度不高;三维二次趋势面和地理加权回归模型对云南气温空间分布模拟较好,交叉检验结果显示前者的平均绝对误差(MAE)为0.43~1.02℃,均方根误差(RMSE)为0.67~1.77℃,其推算的云南气温栅格数据能较好地反映出云南各地气温的分布和差异;GWR模型对气温的交叉验证在5种插值方法中误差最小,插值结果 MAE在0.65℃以下,RMSE在0.8℃以下;进而使用"地理加权回归模型插值+反距离权重残差内插"叠加法对抽取的10个检验站平均气温进行插值检验,64%的插值结果绝对误差在0.5℃以内,74%的插值结果相对误差在5%以内,且实测值与插值估算值回归关系决定系数R2在0.9以上。     

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。      

空间回归检验方法在气象资料质量检验中的应用

该文详细介绍了空间回归检验方法, 并使用2003年我国671站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、平均水汽压、平均风速、平均0 cm地温、降水量资料, 检验该方法在气象资料质量检验中的适用性。按区号将全国划分为10个区, 利用该方法分别对各区7个要素进行了检验试验。结果表明:空间回归检验方法能够有效检验出可疑数据, 适用于对单一要素的检验; 对降水、风速等空间变化比较大的要素, 该方法有比较好的检验效果; 应用该方法计算时, 在不同地区、不同要素之间存在差异; 当固定出错比率时, 各区应该选择不同的f值。与一般空间检验方法相同, 该方法也与地理环境、周边台站分布有关, 并受台站密度的影响。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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DEM修订的新疆区域气温空间插值精度优化研究

为研究新疆地区气温的空间变异性,以新疆66个国家气象台站1981—2010年月平均气温和30 m空间分辨率DEM数据为基础,采用传统插值法、基于DEM多元线性回归插值和基于DEM修正的空间插值方法对新疆区域气温数据进行栅格化,并分析年平均气温与海拔的相关关系。通过采用反距离权重法(IDW),普通克里格法(Kriging),样条函数法(Spline)和趋势面分析法(Trend)4种空间插值方法对气象要素进行直接插值、气温多元回归模型残差结果插值、基于DEM修正插值对比分析。通过针对插值方法进行基于MAE和RMSIE的交叉验证,结果表明传统插值方法、基于多元线性回归和基于DEM修正4种空间插值精度均为IDWKrigingSplineTrend。反距离权重(IDW)空间插值方法最优,基于DEM修正IDW插值、基于多元线性回归IDW插值与传统IDW插值精度分别是0.039、0.477、1.038,插值结果客观的表达了新疆区域气温随空间梯度的变化趋势。     

基于西南地区台站降雨资料空间插值方法的比较

以西南地区1996～2000年93个气象台站观测的月均降雨量为基础,对各月降雨量进行空间自相关性,变异特征等空间分析后,采用反距离加权法(IDW)和以不同变异函数模型(指数模型、球面模型、高斯模型)为基础的普通克里金(O-Kriging)两种方法进行空间插值,通过交叉验证结果对两种方法进行分析比对。结果表明:(1)西南地区月均降雨量存在明显的空间集聚现象,并具有显著的空间自相关性和变异特征,可对该研究区域降雨量进行空间插值研究。(2)在O-Kriging插值时,变异函数选用指数模型的效果最好,球面模型次之,高斯模型最差。(3)两种方法对月均降雨量及其极大值和极小值插值时,O-Kriging的插值误差均小于IDW,插值误差整体上与降雨量呈正相关关系。在剔除各月降雨量极大值较为集中的两个站点后进行插值,插值结果的误差均明显降低。(4)对研究区域整体来说,O-Kriging的插值效果优于IDW,但就单个站点来看,结果并非如此。在降雨量的空间插值中,由于研究区域和时间尺度的不同,并不存在绝对的最优方法,应根据实际应用效果选择最适方法。     

东北地区逐日气象要素的空间插值方法应用研究

针对作物生长动力模型区域应用时对高精度格点逐日气象要素输入值的需要，以东北地区为例，选用克立格法 (Kriging)、以经纬度分布方向为权重的距离权重反比法（IDW）及带高度梯度订正的距离权重反比法（GIDW）3种插值方法进行有限气象站点4~10月逐日气象要素空间插值方法研究，并进行插值的统计量分析和估值的交叉验证。结果表明，对温度而言，GIDW方法估值精度较高，插值结果的平滑程度适中，插值结果分布趋势也较为接近实际站点的分布。对降水而言，IDW估值精度高于Kriging, 而且插值结果的平滑程度较小，更适合于日降水量的空间插值。GIDW、IDW估值精度较高的原因是研究中考虑到日最高温度、最低温度和降水量的经向、纬向梯度、海拔高度梯度存在明显的季节性变化，采用了根据气象要素经纬度方向确定权重，以及根据气象要素高度梯度年内变化进行高度订正的结果。     

地面气象台站元数据质量控制分析

气象台站元数据包含了可能影响气候资料序列均一性的重要信息,是分析、检验、订正气候资料序列的科学参考依据,只有经过质量控制与处理的气象台站元数据才能真实的反应其对气候资料序列非均一性的影响程度。针对气象台站元数据可能存在的疑误信息,设计了一套适用于地面气象台站元数据的质量控制技术,采用格式检查、内部一致性检查、时间连续性检查等方法进行质量控制。利用该质量控制方法对全国31个省(区、市)的1428个国家站1951—2011年的台站历史沿革数据文件进行质量控制,结果表明:该质量控制方法能够有效地将疑误信息进行标识,可为气象台站元数据的应用提供可靠的质量保障。该质量控制方法已应用于气象资料业务系统(MDOS)中,并在全国省级气象资料部门业务运行。     

地面自动站观测资料三级质量控制业务系统的研制

随着我国气象台站地面自动气象观测系统的逐步布设，地面自动站观测资料质量控制系统的研制亦成为业务急需。2004年开始，研制由台站，到省级、国家级资料部门的地面自动站观测资料三级质量控制业务系统。各级质量控制系统融合了自动控制技术和交互式应用技术，允许在必要时对疑误资料进行详细的人工分析、判断与修正。文章介绍了整个质量控制系统的业务流程设置、质量控制技术以及质量控制信息。