李慶祥

（國(guó)家氣象信息中心，北京 100081）

我國(guó)氣候資料均一性研究現(xiàn)狀與展望

李慶祥

（國(guó)家氣象信息中心，北京 100081）

時(shí)空均一的氣候資料是氣象科研、業(yè)務(wù)和服務(wù)的基礎(chǔ)。介紹了氣候資料均一性的基本概念、涉及范圍、主要原因以及解決非均一性問題的意義。在此基礎(chǔ)上，闡述了國(guó)際上氣候資料均一性研究的動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展歷程，指出以高時(shí)空分辨率的均一化為標(biāo)志的第二代氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)趨勢(shì)為氣候資料均一性研究帶來良好的發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；結(jié)合對(duì)我國(guó)地面、高空和輻射三類氣候資料均一性概況和相關(guān)研究現(xiàn)狀的總結(jié)，分析了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域研究的深度和廣度上存在的差距和不足，以及當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。最后，就如何正確認(rèn)識(shí)氣候資料的均一性，如何深化我國(guó)氣候資料均一性研究，加強(qiáng)氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)和管理水平上一個(gè)新臺(tái)階等提出了建議。

氣候資料，均一性，氣候變化，城市化，第二代數(shù)據(jù)產(chǎn)品

0　引　言

和天氣資料不同，在某種意義上氣候資料是“二手”資料，即需要對(duì)采集、積累的原始資料進(jìn)行加工，才能形成。資料的均一性是氣候資料的核心要件之一。氣候資料均一性一般可用其反面更加清晰地闡述：即所謂氣候資料的非均一性，就是氣候資料序列中由于非氣候原因造成的、相對(duì)于自然變率不可忽視的系統(tǒng)性差異。從時(shí)空的角度上講，氣候資料的非均一性可以分為空間的非均一性和時(shí)間上的非均一性（不連續(xù)性）。在同一觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)得到的觀測(cè)序列中，一般考慮得較多的是時(shí)間上（即氣候序列）的均一性。而采用不同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（如不同國(guó)家的站網(wǎng)，不同類型、級(jí)別的站網(wǎng)）的資料進(jìn)行合并處理時(shí)，則還需要考慮空間的均一性。

均一性的氣候數(shù)據(jù)對(duì)歷史氣候趨勢(shì)和變率的研究，尤其對(duì)于氣候態(tài)和極端事件的研究非常重要，然而長(zhǎng)序列的氣候數(shù)據(jù)記錄不可避免地存在由于觀測(cè)儀器改變、觀測(cè)方式改變、臺(tái)站遷移乃至臺(tái)站環(huán)境的變化（如城市化）等非氣候因素造成的非均一性（不連續(xù)）斷點(diǎn)[1-2]。根據(jù)上述產(chǎn)生非均一性的原因，如儀器變化、觀測(cè)方式、臺(tái)站遷移等一般會(huì)引起突然“跳躍式”的非均一性，而臺(tái)站環(huán)境變化（如城市化）則更可能導(dǎo)致漸變的非均一性[3]（圖1）。

圖1　氣候資料非均一性的實(shí)例及其產(chǎn)生原因［3］（a）站點(diǎn)觀測(cè)中的站址遷移；（b）站點(diǎn)序列處理中的單位換算；（c）站點(diǎn)觀測(cè)的城市化影響；（d）大氣再分析數(shù)據(jù)中的同化數(shù)據(jù)種類Fig. 1 Examples of inhomogeneity of climatic data and causes［3］（a） observation station relocation； （b） unit conversion in station series processing； （c） urbanization effect on the observation；（d） assimilation data types in atmospheric reanalysis data

IPCC歷次評(píng)估報(bào)告將全球氣溫變化序列作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)性成果，而高質(zhì)量、均一性的全球數(shù)據(jù)集產(chǎn)品正是建立全球氣溫變化曲線的基礎(chǔ)。同樣，對(duì)于區(qū)域性，特別是局地性長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)，則更易受到資料非均一性的困擾。以我國(guó)20世紀(jì)以來平均氣溫的變化為例，已有的數(shù)條序列彼此間存在相當(dāng)大的分歧，而最重要的原因就是因?yàn)楦髯圆捎玫馁Y料均一化處理不同，導(dǎo)致了較大的差異和不確定性[4]。嚴(yán)格來講，只有均一的資料方能作為氣候分析和服務(wù)的基礎(chǔ)。同樣，歷史天氣事件的統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模式的驗(yàn)證、遙感數(shù)據(jù)的定標(biāo)定位、新型觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和檢驗(yàn)、大氣再分析產(chǎn)品的評(píng)估檢驗(yàn)等等，都需要用到均一性的氣候數(shù)據(jù)。因此，在某種意義上講，氣候資料的均一性，既是具有“氣候質(zhì)量”要求的氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品的核心要件，同時(shí)也是準(zhǔn)確應(yīng)用所有長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的重要保障。

1　國(guó)際上氣候資料均一性研究進(jìn)展與發(fā)展

許多專家對(duì)國(guó)際氣候資料非均一性研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)與論述[5-6]。國(guó)際上氣候資料均一性研究大體可以分為三個(gè)階段。從最初（1930s或1940s以來）氣候資料非均一性問題的提出，到大約20世紀(jì)80年代，這一階段可以稱為均一性問題提出和探索時(shí)期。最初，氣候資料非均一性（一致性）的概念是在處理現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（in situ）氣候序列過程中提出的[7-9]。此后，歐美一些專家[10-16]開始在氣溫、降水和一些海洋氣象要素上進(jìn)行了一些數(shù)據(jù)比較和方法探討。

20世紀(jì)80年代后期到21世紀(jì)前10年，可以稱為氣候資料均一性研究體系形成和第一代均一化數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)國(guó)家氣候資料中心（NCDC）、英國(guó)氣象局Hadley中心、英國(guó)東安吉利爾大學(xué)氣候研究中心（CRU）、瑞典氣象水文研究所（SMHI）等機(jī)構(gòu)的一批代表性專家將相關(guān)研究推向一個(gè)高潮，主導(dǎo)形成了較為完善的氣候資料均一化技術(shù)體系，并且開始推出了本國(guó)乃至全球均一化氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品（主要以月及以上尺度的氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品為主，稱之為第一代均一化數(shù)據(jù)產(chǎn)品），大大提高了氣候變化研究的精度與水平[17-24]。這其中，最有代表性的全球數(shù)據(jù)集有CRU的全球氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品CRUTemp[25]，NCDC的全球地面氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品GHCN（Global Historical Climate Network）[26]，NASA的戈達(dá)德空間研究所（GISS）的全球地面氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品GISSTemp等[27]，區(qū)域性的數(shù)據(jù)集，如NCDC的USHCN（US Historical Climate Network）[28]，加拿大的AHCCD（Adjusted and Homogenized Canadian Climate Data）[23]等。此外，NCDC的高空均一性氣溫?cái)?shù)據(jù)集、全球海表氣溫?cái)?shù)據(jù)集，英國(guó)氣象局Hadley中心的HadAT[29]、HadSST[30-31]等全球性的高空、海洋氣候數(shù)據(jù)集產(chǎn)品也得到了廣泛的關(guān)注。

21世紀(jì)前10年以來，稱為氣候數(shù)據(jù)均一化技術(shù)發(fā)展與第二代均一化數(shù)據(jù)集研發(fā)時(shí)期。傳統(tǒng)的均一化數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)基本滿足長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)的檢測(cè)需要，不斷加劇的極端氣候事件及其長(zhǎng)期變化的研究迫切得到均一化的逐日資料。但由于逐日資料的隨機(jī)性大，傳統(tǒng)的氣候資料均一性方法難以奏效。因此，近10多年來，許多國(guó)家的專家開始探討逐日氣候資料的均一化方法，提出了一系列關(guān)于逐日氣候要素均一性檢驗(yàn)的方法，得到了比較廣泛的應(yīng)用[6,32-38]。一些國(guó)家的數(shù)據(jù)中心或者研究機(jī)構(gòu)研制了均一化的逐日數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。迄今為止，已有澳大利亞、加拿大和中國(guó)在國(guó)際主流期刊上發(fā)表了本國(guó)基于逐日氣溫序列的均一性檢驗(yàn)基礎(chǔ)上的第二代均一化氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品[39-41]。2009年“氣候門”事件以后，由NCDC、Hadley中心聯(lián)合發(fā)起了國(guó)際地面氣溫?cái)?shù)據(jù)集計(jì)劃ISTI（International Surface Temperature Initiative）[42]，旨在推出第二代的全球氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品。此外，美國(guó)Berkeley的一個(gè)以物理學(xué)家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家、氣象學(xué)家為主組成的小組，也研發(fā)了一套全球氣溫?cái)?shù)據(jù)集產(chǎn)品并已被IPCC AR5所引用評(píng)述[43]。

2　中國(guó)氣候資料的均一性狀況以及研究的差距

盡管我國(guó)專家注意到這個(gè)問題較早，但中國(guó)氣候觀測(cè)資料的均一性狀況并不樂觀。研究人員從上述第二個(gè)階段加入了相關(guān)研究行列，通過近20多年的努力，研制了一些均一性數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并得到了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。但實(shí)事求是地講，無論從研究的系統(tǒng)性上，還是從產(chǎn)品的豐富性上講，還存在著不小的差距和不足。

2.1地面資料

圖2是貴陽(yáng)站（貴州也是近年被認(rèn)為臺(tái)站環(huán)境破壞較為突出的省份）年平均最高、最低氣溫訂正前、后的變化序列（這個(gè)站的站址在1999年從城區(qū)貴陽(yáng)站遷到了市郊東山上）。顯然，訂正前，無論是年均最高氣溫序列，還是最低氣溫序列，其60年變化趨勢(shì)都是負(fù)值，但均一性訂正后的序列則明顯呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)大約35%左右的基本和基準(zhǔn)站因?yàn)檫w址而導(dǎo)致氣溫序列出現(xiàn)非均一性[41,44]?；谏鲜?，2006年，中國(guó)氣象局發(fā)布了我國(guó)第一個(gè)均一化的氣溫?cái)?shù)據(jù)集CHHT1.0[32]，并且在2013年完成了該數(shù)據(jù)集的升級(jí)更新[41]。國(guó)內(nèi)一批大專院校、科研院所專家也不斷認(rèn)識(shí)到其重要性，并參與到了氣候序列均一性研究的行列[45-66]。但客觀地講，大部分的研究在研究的深度和廣度上還有較大的差距，研究方法和思路上仍然有待于進(jìn)一步成熟和完善。

圖2　訂正前（紅色）、后（黑色）的貴陽(yáng)站1951—2011年年平均最高（a）、最低氣溫（b）變化序列［41］Fig. 2 Raw （red） and adjusted （black） annual mean maximum （a） and minimum temperature （b） series during 1951-2011 at Guiyang station［41］

2.2探空資料

我國(guó)的探空資料非均一性問題似乎更加突出。不同于地面資料，探空資料的非均一性主要來源于幾個(gè)方面：儀器的變化、輻射訂正、計(jì)算方法的改變等。Zhai等[67]、翟盤茂[68]較早對(duì)我國(guó)高空資料的均一性問題進(jìn)行了討論；郭艷君等[69]、Guo等[70]、陳哲等[71]采用多種方法對(duì)高空氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了訂正，并分別用均一性訂正前、后的高空氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算了中國(guó)（分為5個(gè)區(qū)域）近50年高空氣溫變化幅度，發(fā)現(xiàn)訂正前、后溫度變化趨勢(shì)存在著較大的差距，各個(gè)區(qū)域也存在明顯差異。

2010年以來，國(guó)家氣象信息中心對(duì)全國(guó)近60年來的200多個(gè)探空站報(bào)表信息化資料進(jìn)行了全方位的質(zhì)量梳理，首次完成了我國(guó)真正意義上基于高空?qǐng)?bào)表的歷史探空資料檔案。通過查閱臺(tái)站元數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1964年高空觀測(cè)規(guī)范的修改，對(duì)位勢(shì)高度的計(jì)算精確度有明顯提升。換言之，1964年之前的位勢(shì)高度資料則明顯存在非均一性（圖3）。

圖3　我國(guó)高空探測(cè)位勢(shì)高度數(shù)據(jù)逐年（a）、在各規(guī)定層（b）的錯(cuò)誤率分布Fig. 3 Error rate distribution for upper air potential height data in each year （a） and mandatories layer （b） over China

Zhao等[72]對(duì)1951—2009年高空濕度資料進(jìn)行了均一性研究。此外，近年我國(guó)探空系統(tǒng)的濕度傳感器從59型探空儀的腸膜濕元件改為L(zhǎng)波段電子探空儀的碳濕敏碳質(zhì)電阻后，雖然敏感度極大提高，滯后誤差明顯減小，但是在中低空經(jīng)常出現(xiàn)極度偏干的現(xiàn)象，而且偏干層的厚度很大（圖4a）。這主要是濕度傳感器的性能造成的問題，并與濕度傳感器穿過的云型特點(diǎn)有關(guān)[73]。顯然，這也會(huì)導(dǎo)致L波段換型后的濕度觀測(cè)的非均一性（圖4b）[74]。

圖4　（a）中國(guó)91個(gè)L波段探空站2008年12月—2009年11月相對(duì)濕度觀測(cè)異常偏干樣本總數(shù)和出現(xiàn)層次［73］；（b）嫩江站00時(shí)的逐月溫度露點(diǎn)差與20世紀(jì)再分析差值序列［74］Fig. 4 （a） The total number of samples and occurrence layers of abnormally dry in relative humidity at 91 L-band radiosonde station during Dec 2008 to Nov 2009［73］；（b） Series of monthly differences between depression of the dew point observed at 00UTC， Nenjiang Station and the reanalysis of 20CR［74］

2.3輻射資料

輻射資料對(duì)于全球和區(qū)域氣候變化的能量平衡和輸送的研究至關(guān)重要，但它同樣存在明顯的非均一性。鞠曉慧等[75]曾利用觀測(cè)站網(wǎng)密度明顯高于輻射站網(wǎng)的日照時(shí)數(shù)資料作為參考，對(duì)全國(guó)100來個(gè)站的總輻射資料進(jìn)行了初步的均一性研究與訂正試驗(yàn)，但由于畢竟是不同要素之間互為參考，其訂正的精確性有待于提高。最近的分析表明，全國(guó)和區(qū)域平均輻射資料計(jì)算的輻射變化序列（曲線），明顯無法代表全國(guó)（或者區(qū)域性）的真實(shí)氣候變化特征[76-77]，需要很好地加以分析和研究。

3　當(dāng)前氣候資料的均一性研究的難點(diǎn)

3.1氣候資料的均一性研究技術(shù)發(fā)展

一般來說，氣候資料非均一性處理技術(shù)包括兩個(gè)步驟：一是檢驗(yàn)，即發(fā)現(xiàn)資料序列的非均一性位置和幅度；二是訂正（或更準(zhǔn)確地稱之為“調(diào)整”），即處理或去除這種序列中非均一性。從方法上，氣候資料均一性檢驗(yàn)有兩種方法：主觀方法和客觀方法。主觀方法主要通過元數(shù)據(jù)信息和簡(jiǎn)單的主觀對(duì)比，采用主觀調(diào)整的方法進(jìn)行斷點(diǎn)的檢查與訂正，并直觀地判斷序列產(chǎn)生非均一性變點(diǎn)的時(shí)間及原因。然而，受歷史多種因素影響，詳盡的臺(tái)站元數(shù)據(jù)信息很難獲取，因此，采取一定的統(tǒng)計(jì)量和顯著性檢驗(yàn)為工具，對(duì)序列中的非均一性（不連續(xù)性）信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，使得其在統(tǒng)計(jì)上體現(xiàn)出來的客觀方法被越來越多的科學(xué)家采用[2,5]。

WMO氣候?qū)W委員會(huì)（CCl）推薦的客觀方法有10多種，每一種具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。近年來，中國(guó)專家也提出了一些方法[46,48,56]。目前應(yīng)用比較廣泛、檢驗(yàn)精度優(yōu)勢(shì)較明顯的幾種方法有：標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)（SNHT）[19]、二項(xiàng)回歸技術(shù)（TPR）[15,20]、多元線性回歸（MLR）[23]和序列均一性多元分析（MASH）[55]等，但這些方法也隨著均一性研究精度要求的提高不斷得以發(fā)展，形成了一系列更為完善的均一性檢驗(yàn)方法、思路和軟件[78-87]，但解決氣候資料非均一性的研究方法還遠(yuǎn)未完美。

國(guó)際上有人把氣候資料均一性研究工具歸納為三個(gè)要素：1）元數(shù)據(jù)；2）數(shù)學(xué)（統(tǒng)計(jì)）；3）軟件。并且用很形象的比喻說明了三者的相互依存關(guān)系：沒有元數(shù)據(jù)，氣候資料均一化是一種“賭博”，沒有數(shù)學(xué)（統(tǒng)計(jì)）理論支撐，則它是“石器時(shí)代”+“比爾·蓋茨”，沒有一套好用的軟件，則只能是“坐而論道”，毫無裨益[88-91]。

3.2當(dāng)前氣候資料均一性研究的幾個(gè)關(guān)鍵問題

3.2.1均一性檢驗(yàn)與訂正的不確定性問題

1）非均一性信號(hào)的辨識(shí)困難。氣候資料序列中的長(zhǎng)期變化信號(hào)可能是非均一性，但也可能僅是局地氣候的一個(gè)階段性突變，非均一性的幅度有時(shí)和真實(shí)氣候變化的數(shù)量級(jí)相同甚至更小。根據(jù)是否使用參考序列，可以將均一性檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分為絕對(duì)方法和相對(duì)方法。絕對(duì)方法中，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)獨(dú)立應(yīng)用于各個(gè)臺(tái)站，相對(duì)方法中應(yīng)用臨近站（或參考站，假設(shè)均一）的記錄參與均一性的檢驗(yàn)。兩種方法都有一定意義，但也都有其不足。絕對(duì)方法必須依賴于非常詳盡的臺(tái)站歷史元數(shù)據(jù)的記錄，以支持對(duì)可能不連續(xù)點(diǎn)的驗(yàn)證和檢驗(yàn)；然而，如果觀測(cè)站網(wǎng)等同時(shí)變化就會(huì)產(chǎn)生問題，如觀測(cè)方法同期改變，使得所有序列同時(shí)受到影響，相對(duì)方法就檢驗(yàn)不出來。

2）氣候序列訂正的不確定性。目前大多數(shù)、且最可靠的均一性檢驗(yàn)與訂正仍然是建立在有效參考序列的基礎(chǔ)上，好的參考序列應(yīng)該是均一性的，并且與要檢驗(yàn)的目標(biāo)序列高度相關(guān)。在斷點(diǎn)的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，專家經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)往往非常重要，訂正的方法也不完全一致（目前可能采取的方法有平均值訂正和分位數(shù)概率匹配方法）。因此，從這個(gè)角度上講，不同的研究者（團(tuán)隊(duì)）對(duì)同一個(gè)氣候序列的均一性訂正可能是有一定差異的，當(dāng)然，這種差異范圍應(yīng)該是有一定限度的。

3）訂正后序列的驗(yàn)證。氣候序列均一性訂正序列的檢驗(yàn)也只能依賴于周圍參考站點(diǎn)，或者其他類型的氣候數(shù)據(jù)（事實(shí)上，均一性的器測(cè)氣候資料才是其他所有氣候資料的檢驗(yàn)的“基準(zhǔn)”數(shù)據(jù)）。缺乏檢驗(yàn)的“真實(shí)值”是其一個(gè)重要的特點(diǎn)。目前在氣候資料均一性研究中，參考數(shù)據(jù)可以是周圍的高相關(guān)站點(diǎn)序列（最常用），高相關(guān)的不同要素（如總輻射和日照時(shí)數(shù)）以及完全不同的氣候資料種類（如大氣再分析數(shù)據(jù)，衛(wèi)星遙感氣候序列，多源資料融合分析序列等），但無論是哪種參考序列，都不能100%代表真實(shí)的氣候序列。對(duì)于氣候資料均一化效果的檢驗(yàn)，盡管產(chǎn)品研發(fā)者自身評(píng)估是非常有必要的，但實(shí)際很多時(shí)候只能是通過在實(shí)踐中得到用戶的檢驗(yàn)。

3.2.2緩慢變化的非均一性信號(hào)檢測(cè)和去除問題

由于氣象站點(diǎn)受到城市化的影響，許多站點(diǎn)需要遷址到郊區(qū)，甚至野外，導(dǎo)致這兩段觀測(cè)資料序列無法連接使用。另外，一些站點(diǎn)雖然沒有遷址，但環(huán)境變化導(dǎo)致站點(diǎn)位置已經(jīng)嚴(yán)重城市化，其觀測(cè)序列也顯然無法反映當(dāng)?shù)氐恼鎸?shí)氣候特點(diǎn)。這些都是由于城市化導(dǎo)致氣候資料非均一性的表現(xiàn)。因此，我國(guó)氣候資料中城市化信號(hào)的檢測(cè)和處理，已經(jīng)成為需要解決的當(dāng)務(wù)之急。

城市化信號(hào)不同于前面所述的突然變化的非均一性信號(hào)，其檢測(cè)和處理均存在相當(dāng)大的難度[69]。其中最突出的是兩方面：1）對(duì)城市化影響的評(píng)估方法比較單一。以往很多研究采用人口數(shù)據(jù)作為城市鄉(xiāng)村站的劃分依據(jù)[18,21]。而Balling等[92]研究指出，即使是人口少于1000人的城市，城市化影響也顯著存在。許多研究者用到了衛(wèi)星觀測(cè)的夜間燈光來對(duì)城鄉(xiāng)臺(tái)站進(jìn)行劃分[93-95]，但考慮到中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平很不平衡，生活習(xí)慣、能源節(jié)約意識(shí)等因素對(duì)這種指標(biāo)也帶來很多偏差。對(duì)于城市化量度指標(biāo)的選取也直接影響到研究結(jié)論[96]，等等；2）對(duì)城市化的影響幅度的研究也受到參考資料的限制。國(guó)內(nèi)外很多研究者考慮了將高空資料[97]、衛(wèi)星資料[98-102]、再分析資料[103]、甚至海溫資料[104]作為對(duì)比的參考。但不管哪種資料，均有其優(yōu)勢(shì)和不足，因此研究結(jié)論中存在的不確定性還非常大。最近我們研究[105]指出：城市化對(duì)平均氣溫變化和對(duì)極端氣溫變化的影響幅度和方式也存在較大的差別，更顯示了這個(gè)問題的復(fù)雜性。

3.2.3高時(shí)間分辨率的氣候資料的非均一性問題

目前的氣候資料均一性研究思路，主要是從年尺度—月尺度的方式進(jìn)行（對(duì)于月以下尺度，多以統(tǒng)計(jì)平滑插值為主），月及月以下尺度的均一性檢驗(yàn)方法也是目前需要發(fā)展的主要方向之一。但隨著時(shí)間分辨率的增加，序列的隨機(jī)性、波動(dòng)性明顯加大，勢(shì)必給傳統(tǒng)的均一性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法帶來挑戰(zhàn)。因此對(duì)高分辨的氣候資料進(jìn)行系統(tǒng)的均一性處理，也是當(dāng)前均一性研究中的難題之一。

3.2.4不同要素均一化氣候資料的相互匹配問題

對(duì)于不同的氣候要素，其概率分布類型、空間分布結(jié)構(gòu)等均有所差異，非均一性斷點(diǎn)位置也難以完全統(tǒng)一。這就可能導(dǎo)致不同氣候要素經(jīng)過均一化以后，其內(nèi)部一致性可能會(huì)受到破壞。比如在對(duì)平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫分別進(jìn)行均一性檢驗(yàn)并訂正后，可能出現(xiàn)最高氣溫比最低氣溫更低的情況；對(duì)高空、輻射資料進(jìn)行單個(gè)要素均一化以后，彼此的計(jì)算或物理關(guān)系等也可能被打破，等等。這些現(xiàn)象都可以認(rèn)為是“人為”地引入了新的非均一性，這是在均一性研究，特別是訂正和調(diào)整中必須注意和避免的問題。

4　結(jié)語與未來展望

綜上所述，對(duì)于氣候資料均一性研究，我們有如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1）氣候資料均一化工作是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性、研究型業(yè)務(wù)工作。氣象部門肩負(fù)著長(zhǎng)期天氣與氣候觀測(cè)的職責(zé)，同樣承擔(dān)著保障氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的職責(zé)。其在原始資料及其元數(shù)據(jù)收集等方面有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而研究院所、高校則具有開展相關(guān)研究的人才和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，需強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，從國(guó)家需求層面統(tǒng)籌考慮，凝聚一支穩(wěn)定的較高水平技術(shù)隊(duì)伍，有計(jì)劃、分步驟地推進(jìn)我國(guó)氣候資料的均一性研究和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化工作。

2）氣候資料均一性研究兼具一定科學(xué)和技術(shù)難度。2011年，Science雜志數(shù)據(jù)專輯社論[106]指出：“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)著科學(xué)發(fā)展”。數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)者所具有的相關(guān)科學(xué)素養(yǎng)，往往直接決定了其研發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量水平，不當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)往往導(dǎo)致相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期對(duì)科學(xué)事實(shí)的歪曲。氣候資料均一性研究及全球和區(qū)域高質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)所涉及研究范圍較為廣泛，有的甚至還是當(dāng)前國(guó)際上的前沿科學(xué)和技術(shù)問題，具有相當(dāng)?shù)碾y度；長(zhǎng)期以來在氣候資料處理領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的滯后，導(dǎo)致我國(guó)目前仍以依賴國(guó)外的模型、方法甚至軟件為主，也在一定程度上制約了相關(guān)工作的發(fā)展進(jìn)程。

3）我國(guó)氣候資料均一性研究任重道遠(yuǎn)。在我國(guó)，對(duì)氣候數(shù)據(jù)的訂正調(diào)整的效果和意義目前還未在大范圍的資料用戶、甚至行業(yè)專家內(nèi)部得到充分理解和正確認(rèn)識(shí)，一些較粗糙的資料訂正也影響了研究者對(duì)此的信心。氣候資料均一性研究需要以科學(xué)研究與技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，抓住第二代氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品的研發(fā)浪潮的有利時(shí)機(jī)，將傳統(tǒng)的氣候資料處理加工和現(xiàn)代氣象數(shù)據(jù)研究技術(shù)緊密結(jié)合，充分考慮我國(guó)的實(shí)際情況和外部條件，對(duì)我國(guó)氣候資料開展系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)研發(fā)中國(guó)區(qū)域乃至全球高質(zhì)量的氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提高我國(guó)在氣候數(shù)據(jù)和氣候變化領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力和話語權(quán)。

今天，隨著全球氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，天氣、氣候數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，從最初的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基準(zhǔn)氣候序列，到遙感、多源數(shù)據(jù)融合再分析氣候數(shù)據(jù)，歷史氣候模擬與長(zhǎng)期預(yù)估數(shù)據(jù)等，氣候資料均一性的內(nèi)涵和涉及范圍也得到了不斷豐富和擴(kuò)展，它成為了所有氣候資料的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)與核心理念。加強(qiáng)各類氣候資料的均一性管理與保障，將有助于帶動(dòng)我國(guó)整個(gè)氣象資料及相關(guān)業(yè)務(wù)、研究與服務(wù)能力上一個(gè)新臺(tái)階。

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Climate Data Homogeneity Studies in China: Progresses and Prospects

Li Qingxiang
（National Meteorological Information Centre， Beijing， 100081）

The homogenous climate data is the foundation of meteorological research, operation and services. This paper introduces the basic concept, the scope, main reasons of the data inhomogeneityand the importance to solve the problem in China. Firstly, we introduce the development history and the current progresses in the field of climate data homogenization, and point out that the development boom of the second generation data products, which is featured by the high temporal and spatial resolutions in meteorological data, will bring good opportunities and severe challenges to climate data homogenization studies； then， we summarize the related researches on three kinds of climate data （surface， radiosondes and radiation） and present the existing gaps and deficiencies in China on the depth and breadth of research in related fields， and point out the needs to solve the key problems in science and technology. Finally,we suggest how to correctly understand and deepen climate data homogenization studies, and how to strengthen the climate data product research and development, so that we may step forward a new stage of the climate data products development and of management level in China.

climate data, homogeneity, climate change, urbanization, the second generation of data products

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.009

2014年10月13日；

2015年8月12日

李慶祥（1973—），Email: liqx@cma.gov.cn

資助信息： 中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)項(xiàng)目（CCSF201338）