任國玉 初子瑩

（1 中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，國家氣候中心，北京 100081；2 中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院大氣科學(xué)系，武漢 430074；3 北京市氣象局，北京 100089）

0 引言

美國具有悠久的氣象觀測歷史。自從19世紀(jì)初以來，美國就開展氣溫、水汽、氣壓、降水和風(fēng)速、風(fēng)向觀測，獲取實(shí)時(shí)天氣信息，并建立了歷史天氣資料數(shù)據(jù)庫。但是，和世界其他地區(qū)的氣象觀測一樣，美國的氣象觀測長期以來主要為天氣預(yù)報(bào)服務(wù)，幾乎沒有考慮后來氣候變化研究和監(jiān)測的需要，所獲得的歷史天氣觀測資料數(shù)據(jù)存在著較嚴(yán)重的因遷站和更換儀器等造成的非均一性誤差，以及較大的由于城市化過程引起的系統(tǒng)性偏差[1]。盡管對這些歷史天氣觀測資料進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和均一化處理，資料非均一性問題和城市化影響偏差問題仍然是當(dāng)前氣候變化觀測研究不確定性的主要來源。

為了獲取連續(xù)的、不受局地人類活動(dòng)干預(yù)的高分辨率長期地面氣候觀測記錄，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）規(guī)劃建設(shè)了美國國家氣候基準(zhǔn)站網(wǎng)（USCRN）[2-3]。結(jié)合過去長期的歷史觀測記錄，這套記錄可以為當(dāng)前的氣候變化檢測、歸因以及未來氣候變化預(yù)估奠定堅(jiān)實(shí)的觀測基礎(chǔ)[2-3]。美國本土的114個(gè)國家氣候基準(zhǔn)站于2008年建設(shè)完成；除本土站外，截止到2017年底的國家氣候基準(zhǔn)站還包括夏威夷群島的2個(gè)站點(diǎn)和阿拉斯加的21個(gè)（最終將達(dá)到29個(gè)）站點(diǎn)。至此，USCRN已基本實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化，由NOAA國家環(huán)境信息中心（NEIC，即原來的國家氣候資料中心NCDC）管理運(yùn)行，NOAA大氣湍流和擴(kuò)散部（ATDD）合作運(yùn)營。作為USCRN的補(bǔ)充，NOAA自2009年起開始著手建設(shè)區(qū)域氣候基準(zhǔn)站網(wǎng)（USRCRN）。區(qū)域氣候基準(zhǔn)站只觀測氣溫和降水，但在空間上更為密集，并且延續(xù)了與國家氣候基準(zhǔn)站同樣高的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。其長期目標(biāo)是在全美9個(gè)氣候區(qū)建設(shè)觀測站網(wǎng)，其空間分辨率大致為130 km，用于檢測區(qū)域氣候變化信號(hào)。USRCRN建成后，全美的國家和區(qū)域基準(zhǔn)氣候站數(shù)量將達(dá)到538個(gè)。

1 目的和意義

長久以來，美國科學(xué)界的許多人士都認(rèn)為，美國擁有世界上最完備的地面氣候觀測網(wǎng)，領(lǐng)先于世界大多數(shù)國家。但NOAA的管理者和研究人員也意識(shí)到，美國并沒有一個(gè)能夠避免隨機(jī)和系統(tǒng)偏差的地面觀測網(wǎng)，事實(shí)上即使很小的系統(tǒng)偏差，也足以影響對于年代以上尺度氣候變化與變異特征的解釋，并造成氣候變化監(jiān)測和檢測結(jié)果的不確定性。美國國家研究委員會(huì)（NRC）于1999年對美國氣候觀測站網(wǎng)評估后得出結(jié)論：美國需要穩(wěn)定現(xiàn)有的觀測能力，并識(shí)別那些尚未被充分觀測的關(guān)鍵氣候變量，同時(shí)，特別指出要針對氣候變化研究和具體業(yè)務(wù)需求，制定并執(zhí)行國家觀測計(jì)劃[4]。這份報(bào)告強(qiáng)調(diào)，美國需要一套新的觀測系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠真正有效地增進(jìn)人類對于自然和人為氣候變化的理解，而且不僅可以服務(wù)于當(dāng)代的氣候?qū)W家，還能夠服務(wù)于未來從事相關(guān)研究的科學(xué)家們。

NOAA當(dāng)局意識(shí)到，氣候科學(xué)正處在一個(gè)十字路口。一方面，研究者已經(jīng)做出大量卓越的工作，證實(shí)了區(qū)域、全國和全球尺度氣候變化；另一方面，現(xiàn)有觀測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)質(zhì)量先天不足，氣候觀測業(yè)務(wù)存在著嚴(yán)重危機(jī)。建設(shè)國家基準(zhǔn)氣候觀測網(wǎng)是NOAA對這一危機(jī)和NRC建議[4]的積極響應(yīng)。USCRN資料將用于未來的氣候變化監(jiān)測業(yè)務(wù)和科學(xué)研究，也將為全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）建設(shè)做出示范。人們希望，USCRN運(yùn)行50年后，可以回答這樣的問題：在過去50年間，美國區(qū)域氣候究竟發(fā)生了怎樣的變化？

USCRN計(jì)劃在美國歷史上沒有先例，在觀測站網(wǎng)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、候選站點(diǎn)征用許可與評估、設(shè)備安裝和維護(hù)、觀測及資料評估、應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，都需要聯(lián)邦政府層面的有效協(xié)調(diào)。為了在最大程度上削減建設(shè)和運(yùn)行成本，增進(jìn)計(jì)劃完成后的科學(xué)和社會(huì)效益，USCRN建設(shè)也對美國政府部門間協(xié)調(diào)合作提出了重要挑戰(zhàn)。到目前為止，盡管各個(gè)部門之間的協(xié)調(diào)、合作也出現(xiàn)過問題，但總體來說是成功的。

在NOAA內(nèi)部，NEIC和空氣資源實(shí)驗(yàn)室（ARL）進(jìn)行了有效合作。在USCRN的工程設(shè)計(jì)、站點(diǎn)布設(shè)、站點(diǎn)維護(hù)和儀器標(biāo)定等方面，ARL的研究人員均給予大力配合，發(fā)揮了重要作用。此外，ARL還對未來新儀器的可應(yīng)用性提供及時(shí)分析評估。

2 站址遴選和站網(wǎng)布局

為了得到符合嚴(yán)格建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的觀測網(wǎng)，USCRN和USRCRN計(jì)劃完全遵循Karl等[1]提出的氣候變化監(jiān)測基本原則。USCRN的站址確定，在一定程度上也考慮了全球氣候觀測系統(tǒng)表面網(wǎng)（GCOS/GSN）制定的原則和標(biāo)準(zhǔn)，但總體上二者差異十分突出，因?yàn)镚COS/GSN的原則和標(biāo)準(zhǔn)是在兼顧現(xiàn)有觀測網(wǎng)和長序列歷史觀測記錄條件下提出的[5-6]，距離滿足氣候變化監(jiān)測和研究需求尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

按照最初制定的計(jì)劃，USCRN和USRCRN建設(shè)必須滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。例如，所有站都要建在目前和未來都不會(huì)受到明顯人為干預(yù)的自然環(huán)境中（圖1）；要能夠抵御颶風(fēng)、嚴(yán)重結(jié)冰和雪暴、高于120 °F（49 ℃）或低于-50 °F（-46 ℃）的溫度等極端天氣，在任何天氣條件下保持氣候觀測不中斷；備份電池和太陽能發(fā)電裝置要確保儀器電力意外中斷時(shí)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

圖1 USCRN站點(diǎn)觀測環(huán)境（USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）（a）科羅拉多州Springs站（39.1°N，105.09°W，2010年6月30日）;（b）新墨西哥州Vaughn站（34.1°N，104.93°W，2010年8月28日）Fig.1 Observational environment of the USCRN Stations(from USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/)Spring Station; (b) Vaughn Station

選取站點(diǎn)時(shí)，首先考慮大尺度的臺(tái)站宏觀地理位置。具體遴選標(biāo)準(zhǔn)包括：

1） 區(qū)域和空間代表性

考慮大尺度地形影響，站點(diǎn)要能夠捕捉到區(qū)域性主要?dú)夂蜃儺惸B(tài)。研究表明，美國50個(gè)州大約225個(gè)均勻分布的站點(diǎn)可以在全國尺度上基本捕獲每年氣候變異和趨勢[7-8]，但最終設(shè)置多少站還取決于財(cái)政預(yù)算。

2）區(qū)域氣候變異和變化趨勢敏感性

站點(diǎn)位置應(yīng)該對區(qū)域性氣候變異和變化趨勢具有代表性，不受局地地貌特征或中小尺度自然和人為因素影響。

3）站址的長期穩(wěn)定性

重點(diǎn)考慮所選站址周圍區(qū)域是否會(huì)在未來50～100年發(fā)生重大變化。需要評估備選站址被人為干預(yù)區(qū)域包圍的風(fēng)險(xiǎn)，以及臺(tái)站由于土地開發(fā)或其他原因被迫關(guān)閉或遷址的可能性。

4）較低的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

避免在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高的地方建站，如易發(fā)生洪水的低地、強(qiáng)風(fēng)風(fēng)口、深厚積雪點(diǎn)、濃霧彌漫區(qū)等。

5）靠近已有觀測網(wǎng)站址

備選臺(tái)站位置應(yīng)盡可能靠近現(xiàn)在或過去具有長序列觀測資料的站點(diǎn)，以便核準(zhǔn)和比較新舊觀測資料。

6）交通和電力便利性

設(shè)備安裝和定期維護(hù)等要求站址所在區(qū)域常年可以通車、最好靠近電源，但偏遠(yuǎn)地區(qū)也可采用太陽能電池。

在上述原則和標(biāo)準(zhǔn)中，空間代表性和時(shí)間穩(wěn)定性是最為重要的，在確定具體站點(diǎn)位置時(shí)給予了優(yōu)先考慮。

站點(diǎn)具體位置的確定原則和方法也很重要。在這方面，USCRN發(fā)展了一套局地代表性評估方法。標(biāo)準(zhǔn)觀測場面積為18 m×18 m，站點(diǎn)周邊環(huán)境必須相對寬敞、平坦、干爽，植被密度低且遠(yuǎn)離水體。具體站址的選擇還要考慮其他因素，綜合決定。USCRN采用分類方案[9]對每個(gè)地點(diǎn)的氣象觀測代表性打分，確定具體站址位置。

觀測場內(nèi)儀器設(shè)備安裝布局如圖2所示。其中雨量計(jì)周圍的防風(fēng)障可以有效降低近地面風(fēng)速，提高液態(tài)和固態(tài)降水測量精度。觀測場周邊可以樹立鏈?zhǔn)交蚺谑絿鷻?，一般限定?～5英尺高（1英尺＝0.3048 m）。

圖2 美國USCRN 典型觀測場布局（USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）Fig. 2 Typical layout of the instruments at a USCRN Station (from USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/)

截止到2017年底，USCRN已經(jīng)建成了137個(gè)站組成的網(wǎng)絡(luò)，其中包括單獨(dú)站點(diǎn)100個(gè)，雙場（一個(gè)地點(diǎn)兩個(gè)站）站點(diǎn)14個(gè)，阿拉斯加21個(gè)，夏威夷2個(gè)。USRCRN站網(wǎng)正在建設(shè)。圖3給出了截止到2015年底各類USCRN站的分布情況。

3 臺(tái)站觀測設(shè)備

USCRN自動(dòng)觀測系統(tǒng)以深循環(huán)電池為動(dòng)力，僅需偶爾維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)無人情況下的持續(xù)操作。系統(tǒng)操作環(huán)境非常寬泛，溫度為-60～60 ℃，風(fēng)速在50 m/s以下，雨量不大于30 mm/min，但降水觀測系統(tǒng)正常工作環(huán)境在-25～60 ℃。

USCRN自動(dòng)觀測系統(tǒng)是一套通用的觀測系統(tǒng)，以氣溫、降水、太陽輻射和風(fēng)速等為核心觀測要素，并可根據(jù)需求隨時(shí)擴(kuò)展安裝新的附加型傳感器，用于觀測其他氣象要素。后來USCRN站還同時(shí)配有觀測相對濕度、土壤水分和土壤溫度的傳感器。此外，在觀測氣象要素的同時(shí)，系統(tǒng)也同步監(jiān)測電池電壓、吸出氣風(fēng)扇工作參數(shù)等自檢變量，用以迅速診斷出現(xiàn)的問題，幫助系統(tǒng)盡快得到修復(fù)。為降低系統(tǒng)誤差、校訂漂移和能量損耗，系統(tǒng)選擇不需要外部轉(zhuǎn)換器的儀器設(shè)備，可以通過最小的調(diào)整來滿足USCRN對誤差、精度與可信度的要求。

圖3 美國USCRN站2015年底分布情況（USA/NCDC:http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）Fig. 3 Distribution of the USCRN Stations as of 2015(From USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/)

自動(dòng)觀測系統(tǒng)中，除降水觀測系統(tǒng)外，所有儀器均安置在一個(gè)管壁厚重的鋁質(zhì)觀測塔架上。塔高3 m，底部可用于安裝重型觀測儀器，塔架本身嵌入厚重且堅(jiān)實(shí)的混凝土基座中。參照WMO推薦的氣候觀測標(biāo)準(zhǔn)，氣溫和其他支撐傳感器均位于1.5 m高處，包括轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速計(jì)（Met-One 014A型），測量總?cè)肷涮栞椛涞娜照諒?qiáng)度計(jì)（KIPP/ZONEN SP Lite silicon），以及測定地表溫度的高精度紅外熱電偶傳感器（IRTS-P IR）。降水觀測系統(tǒng)及其防護(hù)罩安裝在距觀測塔15 m的地方。觀測站中所有線路均設(shè)置在埋藏的管道中，以降低動(dòng)物對線路造成的損壞。在一些站點(diǎn)，一系列具有連鎖反應(yīng)的防御設(shè)施被安裝在觀測塔周圍，用以防范不速之客的入侵。安裝儀器所使用的硬件設(shè)施均為不銹鋼或鋁制品，以防腐蝕。

由于近地面氣溫和降水是關(guān)鍵氣候要素，USCRN為其設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的三重備份傳感器。這個(gè)設(shè)計(jì)是獨(dú)特的，主要目的是保證當(dāng)有一個(gè)或兩個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，另外至少有一個(gè)傳感器仍能工作，以便保證任何一個(gè)站點(diǎn)觀測記錄具有完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

例如，溫度傳感器包括3個(gè)完全獨(dú)立的鉑電阻溫度計(jì)，每個(gè)溫度計(jì)都有獨(dú)立的風(fēng)扇排氣式防太陽輻射罩（溫度計(jì)型號(hào)為：Met-One 076B；風(fēng)扇型號(hào)為：PABST 4212/12H 12VDC，外部接有轉(zhuǎn)速計(jì)，且轉(zhuǎn)速計(jì)接電部分為包金設(shè)置，以加強(qiáng)其耐腐蝕性）。三個(gè)溫度計(jì)完全獨(dú)立測量，正常情況下，這些溫度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)非常接近，這也使得傳感器的錯(cuò)誤可以非常容易地被檢測出來。

測量降水的儀器為GEONOR T-200B 稱重式雨量計(jì)，測量由3個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)電線負(fù)載傳感器來實(shí)現(xiàn)。這些負(fù)載傳感器均加了附加設(shè)施，用以防止因某個(gè)傳感器電線破損而造成其余傳感器的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。雨量計(jì)本身附加了智能集電加熱器和電熱調(diào)節(jié)器，當(dāng)集電器處于-5～5 ℃時(shí)，儀器開始自動(dòng)加熱。此外，作為備用設(shè)施，很多站點(diǎn)還安裝了Eco-Harmony TB-3翻斗式雨量計(jì)。所有雨量計(jì)周圍設(shè)置可變型的不銹鋼“擺葉”防風(fēng)障，外圍設(shè)置小型雙壁防風(fēng)屏，以保證在有風(fēng)狀況下，雨量計(jì)對實(shí)際降水量的測量精度（圖4）。為防止大風(fēng)引起的儀器振動(dòng)，雨量計(jì)被安裝在鋁制管道混凝土基架上。

圖4 裝有防風(fēng)罩的稱重式雨量計(jì)（圖中白色物體為雨量計(jì)）（USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）Fig. 4 Rain gauge with windshields at a USCRN Station（From USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）

采集到的觀測數(shù)據(jù)通過坎貝爾數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并傳輸。數(shù)據(jù)記錄保存在制造商提供的附加內(nèi)存中，系統(tǒng)保存這些數(shù)據(jù)用以應(yīng)對長期斷電等風(fēng)險(xiǎn)。SEIMAC-HDRGOES無線電傳輸器通過引向反射天線來實(shí)現(xiàn)與GOES衛(wèi)星的通信。數(shù)據(jù)記錄器和傳輸器裝在由玻璃纖維強(qiáng)化塑料制成的密閉容器內(nèi)，容器表面涂成白色，并裝有門閂，避免因任何原因?qū)е碌拈T開啟時(shí)引起的儀器暴露，同時(shí)配有一小型加熱器，用以保證數(shù)據(jù)記錄器與傳輸器內(nèi)部溫度不低于-40 ℃。

系統(tǒng)電力由2～4節(jié)鉛酸深循環(huán)蓄電池提供，所需電池的具體數(shù)量由當(dāng)?shù)貧夂颍ㄌ貏e是加熱需求）決定，即使充電失敗，仍然可以保持5～6天的正常工作。多數(shù)站點(diǎn)采用交流電，利用充電器為電池充電，并通過一條極端振蕩保護(hù)帶來防止交流電路中出現(xiàn)尖峰信號(hào)；部分站點(diǎn)采用太陽能，利用2～4塊太陽能電池板和一個(gè)校準(zhǔn)器為電池充電。電池與充電器（或校準(zhǔn)器）裝在表面涂成白色的獨(dú)立密閉容器中。

USCRN自動(dòng)觀測站的所有傳感設(shè)備，安裝前均按照美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）可追蹤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校訂。

4 數(shù)據(jù)傳輸及處理方法

USCRN采用衛(wèi)星傳輸方式，每隔1 h，以最小95%的通信效率向NOAA的NEIC提交所有數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)首先通過NOAA GOES衛(wèi)星數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)（DOC）傳遞到弗吉尼亞州的瓦勒普斯島，隨后再通過英特網(wǎng)與DOMSAT商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送到位于北卡羅萊納州的NEIC。如果個(gè)別站點(diǎn)信息傳送失敗，將在衛(wèi)星通信恢復(fù)后自動(dòng)嘗試再次傳輸；如果仍未成功，將聯(lián)系工作人員，請求人工獲取數(shù)據(jù)并通過互聯(lián)網(wǎng)或是硬盤拷貝的方式將資料傳送到NEIC。觀測數(shù)據(jù)通常在USCRN系統(tǒng)內(nèi)存保留5個(gè)月，工作人員訪問站點(diǎn)時(shí)可利用筆記本電腦或掌上電腦提取，人工手動(dòng)提取的數(shù)據(jù)必須在觀測月結(jié)束后30天內(nèi)，以最小97%的成功率向NEIC提交。

USCRN站點(diǎn)各要素的自動(dòng)觀測設(shè)備每2 s讀數(shù)1次，每5 min自動(dòng)計(jì)算一次所有2 s讀數(shù)的平均值，每1 h自動(dòng)計(jì)算一次12個(gè)5 min平均值，數(shù)據(jù)均回傳至美國國家氣候資料中心存檔。對于設(shè)有三套獨(dú)立的感應(yīng)器溫度和降水觀測，數(shù)據(jù)回傳后，工作人員將根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況評估結(jié)果，對5 min間隔的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取同一時(shí)次三套觀測數(shù)值的中值或是平均值作為該站氣溫或降水觀測的最終數(shù)值。

采用3套傳感器的方式明顯提高了數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，但由于需要在每5 min傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中選取一個(gè)最佳數(shù)據(jù)，整體計(jì)算過程相對復(fù)雜。此外，對于降水觀測而言，這樣過于強(qiáng)調(diào)誤差控制的方法也會(huì)導(dǎo)致降水量觀測數(shù)據(jù)偏低等問題。為此，NOAA新近研究了一套新的降水?dāng)?shù)據(jù)處理辦法，通過加權(quán)平均，提取三套獨(dú)立觀測數(shù)據(jù)中共同的降水量觀測信號(hào)。采用新方法后，USCRN全網(wǎng)降水增加約1.6%，新方法對弱降水和降水開始階段的觀測數(shù)據(jù)改進(jìn)非常明顯。2015年8月，USCRN正式使用這套更接近實(shí)際降水量的數(shù)據(jù)處理方法。此外，2004—2005年開始5 min間隔觀測后的所有歷史數(shù)據(jù)都已采用這套方法重新處理。

所有USCRN的觀測數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)均可在NEIC網(wǎng)站上獲取。元數(shù)據(jù)包括站點(diǎn)照片和全景、按序號(hào)排列的儀器清單、所有儀器的安裝時(shí)間與變換時(shí)間、傳感器校準(zhǔn)歷史、站點(diǎn)設(shè)置和維護(hù)歷史、校訂、安置與維持的過程、異常跟蹤以及其他細(xì)節(jié)。從系統(tǒng)整體到單個(gè)傳感器，都有完整的元數(shù)據(jù)記錄，這為數(shù)據(jù)使用者增添了更多信心。

USCRN氣候數(shù)據(jù)集的氣溫觀測精度為0.1 ℃，在-50～50 ℃，誤差范圍需保持在±0.3 ℃內(nèi)；在-60～-50 ℃與50～60 ℃，誤差范圍應(yīng)在±0.6 ℃內(nèi)。降水觀測精度為0.25 mm，其誤差范圍需保持在±0.25 mm或是報(bào)告值的±2%。與氣溫和降水相比，其他主要變量的測量誤差則要相對寬松，風(fēng)速誤差在± 1m/s或測量值的±2%；太陽總?cè)肷漭椛湔`差在±70 W/m2，精度為10 W/m2；地表紅外溫度誤差在±0.5 ℃，最低精度為0.1 ℃。

5 啟示和建議

5.1 科學(xué)政治、科學(xué)認(rèn)知與USCRN 建設(shè)

在美國科學(xué)家主導(dǎo)下，20世紀(jì)末世界氣象組織（WMO）氣候?qū)W委員會(huì)制定出臺(tái)了一套遴選全球陸地長序列地面氣候觀測臺(tái)站網(wǎng)的“標(biāo)準(zhǔn)”（即GCOS/GSN遴選標(biāo)準(zhǔn)），選出1000個(gè)左右所謂“良好”臺(tái)站，試圖用以作為全球氣候變化監(jiān)測和檢測的基準(zhǔn)網(wǎng)[5-6]。但是，這個(gè)觀測網(wǎng)實(shí)際上并沒有達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)，其中大部分臺(tái)站仍然難以避免各種局地人為因素對關(guān)鍵氣候變量觀測記錄的影響，在實(shí)際的全球和區(qū)域氣候變化監(jiān)測、研究中使用也不多，仍然采用各業(yè)務(wù)、研究機(jī)構(gòu)原來發(fā)展的相對不那么“良好”、但密度更大的觀測資料數(shù)據(jù)集[10]。從這個(gè)意義上說，GSN的規(guī)劃不能說是成功的。

美國科學(xué)界對GSN網(wǎng)固有缺陷的認(rèn)識(shí)是清楚的，就像對美國本土歷史氣候觀測網(wǎng)（USHCN）存在的問題早就認(rèn)識(shí)到一樣[1,3]，但可能出于更復(fù)雜因素的考慮，對外仍一致聲稱GSN和USHCN有效、可用。另一方面，NOAA又投入巨量資金建設(shè)美國新的CRN。這看似矛盾的行動(dòng)，其實(shí)并不難理解。建設(shè)USCRN絕不僅僅因?yàn)镹OAA出于部門利益，為了擴(kuò)大影響或者得到白宮和聯(lián)邦政府的額外經(jīng)費(fèi)支持，而是美國科學(xué)界存在的關(guān)于氣候變化幅度和速率的爭論確實(shí)無法完全忽視，主流學(xué)者圈自己對于現(xiàn)有的美國歷史氣候觀測網(wǎng)和長序列觀測資料數(shù)據(jù)的可靠性也心存疑慮。建設(shè)USCRN，真實(shí)地反映了美國氣候?qū)W界和相關(guān)部門決策者這種相互矛盾的處境和行為。

5.2 USCRN 是國家氣候觀測系統(tǒng)建設(shè)的范例

美國USCRN建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)是目前世界上最高、最嚴(yán)格的，如果得到長期堅(jiān)持和維護(hù)，將為解決氣候變化科學(xué)上的系列懸而未決的問題提供最終答案。這個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求不僅體現(xiàn)在USCRN確定了很高的儀器測量精度、多重備份、持續(xù)不間斷的動(dòng)力保障和運(yùn)行，而且主要表現(xiàn)在對站點(diǎn)周圍不同空間尺度當(dāng)前和未來觀測環(huán)境質(zhì)量的苛刻規(guī)定[11]。當(dāng)前氣候變化監(jiān)測、檢測和歸因研究上的一個(gè)關(guān)鍵的問題是，現(xiàn)有長序列觀測資料序列到底代表什么空間尺度的氣候演化趨勢？或者更具體地，它們是否能夠代表區(qū)域以上空間尺度的長期氣候演化趨勢？這個(gè)問題存在，主要是因?yàn)槿驇缀跛袊液偷貐^(qū)的氣象觀測站一般都設(shè)在居民區(qū)或附近，隨著城鎮(zhèn)發(fā)展，這些觀測點(diǎn)的微觀和局地氣候不可避免地受到城鎮(zhèn)附近人類活動(dòng)的影響，失去對于大尺度氣候的代表性。

USCRN為所有國家氣候觀測系統(tǒng)建設(shè)提供了一個(gè)范例。中國現(xiàn)有氣候觀測網(wǎng)的地面氣候要素記錄同樣存在城鎮(zhèn)化影響問題，國內(nèi)學(xué)者也一致認(rèn)識(shí)到這種局地人為干預(yù)產(chǎn)生了長序列地面氣溫資料的系統(tǒng)偏差。中國氣候觀測系統(tǒng)建設(shè)方案曾經(jīng)過多次論證，但在若干關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題上仍存在不同意見。目前的突出問題是，有關(guān)部門認(rèn)識(shí)到了重建國家氣候觀測系統(tǒng)的必要性，但在處理現(xiàn)有觀測網(wǎng)和新建觀測網(wǎng)以及站址代表性和維護(hù)便捷性的關(guān)系上，仍然意見不一，困難較大。USCRN的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但不一定全盤照搬。新的國家氣候基準(zhǔn)站網(wǎng)，完全可以在原有站網(wǎng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和重建；只要徹底避開城鎮(zhèn)環(huán)境，而且保證未來至少50年不受城鎮(zhèn)化或其他局地人類活動(dòng)影響，就可以規(guī)劃建設(shè)一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的、具有中國特色的國家級(jí)氣候基準(zhǔn)站網(wǎng)，為未來的氣候、氣候變化和環(huán)境演變研究、監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

5.3 USCRN 建設(shè)中的部門協(xié)調(diào)問題

USCRN建設(shè)過程中，涉及到各個(gè)部門之間的協(xié)調(diào)、合作。規(guī)劃建設(shè)涉及到的政府部門包括內(nèi)務(wù)部、地質(zhì)調(diào)查局、國家公園服務(wù)中心、國家航空航天管理局、國務(wù)院、災(zāi)害控制和預(yù)防中心、聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局、國家天氣服務(wù)中心、國家科學(xué)基金組織、農(nóng)業(yè)部、國家資源保護(hù)中心、白宮科技政策辦公室等。所有這些部門和單位都將為USCRN建設(shè)做出貢獻(xiàn)，并從中獲得回報(bào)。國務(wù)院負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)部門間國家氣候變化應(yīng)對事務(wù)，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)國際氣候談判和國際合作事務(wù)，包括為GCOS計(jì)劃等提供美國的經(jīng)驗(yàn)和信息。

總體來說，各部門之間的協(xié)作是成功的。但部門之間的合作也帶來了問題，例如，其他部門會(huì)不斷要求擴(kuò)展觀測項(xiàng)目，比如農(nóng)業(yè)部要求增加土壤水分、土壤溫度和蒸發(fā)量觀測，國家自然基金組織和能源部則要求測量溫室氣體和氣溶膠等。這些需求和要求將增加建設(shè)、運(yùn)行成本，明顯改變了當(dāng)初建設(shè)USCRN主要為解決地面氣候觀測系統(tǒng)偏差問題的初衷。為了促進(jìn)計(jì)劃成功，適當(dāng)做出妥協(xié)是需要的，而且項(xiàng)目擴(kuò)展后的觀測資料，除了繼續(xù)主要為氣候異常和氣候變化監(jiān)測服務(wù)外，也的確可以在天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、水文氣象服務(wù)和商業(yè)活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用，增加USCRN的實(shí)用價(jià)值。這些經(jīng)驗(yàn)，對于我國未來發(fā)展新的中國基準(zhǔn)氣候觀測網(wǎng)也具有一定借鑒意義。