藍(lán) 俊 袁 偉 張祖熠

(1.福建省氣象信息中心，福建 福州 350001；2.福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001)

1 概述

福建省地處我國東南沿海，依山面海，海岸線長，丘陵山地多，地形環(huán)境獨特。受大陸性與海洋性氣候相互影響，福建氣候復(fù)雜多變，高溫、臺風(fēng)、暴雨、山洪泥石流等災(zāi)害頻發(fā)，氣象災(zāi)害呈現(xiàn)出種類多、影響范圍廣、活動頻率高、持續(xù)時間長、次生和衍生災(zāi)害比率大、災(zāi)情危害重的特征，是受氣象災(zāi)害影響最嚴(yán)重的省份之一。臺站觀測資料作為對實際天氣的記錄，是研究天氣災(zāi)害、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、檢驗數(shù)值模式等的重要數(shù)據(jù)支撐。近幾年，區(qū)域自動氣象觀測站逐步在全國地面氣象臺(站)部署，福建省區(qū)域自動站資料形成了以大數(shù)據(jù)平臺為數(shù)據(jù)載體，以短臨預(yù)報、集合預(yù)報、延伸期預(yù)報為業(yè)務(wù)支撐的局面[1-2]。由于觀測源的復(fù)雜性導(dǎo)致數(shù)據(jù)自身存在各種各樣的問題，如歷史數(shù)據(jù)存在標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)不一致、數(shù)據(jù)格式不一致、完整性不一致、連續(xù)性不一致等情況。為此，迫切需求長時間序列、高質(zhì)量的小時氣溫數(shù)據(jù)產(chǎn)品[3-5]。

自2009年福建省第一批區(qū)域加密自動站投入使用以來，實現(xiàn)了高時空分辨率的氣溫數(shù)據(jù)，自動站氣溫資料在預(yù)警、評估、專業(yè)服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用進一步深入。利用已有的氣溫觀測數(shù)據(jù)，形成一套覆蓋2009年以來福建省區(qū)域站、小時分辨率、高質(zhì)量的氣溫數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為精細(xì)化氣象服務(wù)提供更有力的業(yè)務(wù)支撐[6-8]。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源收集

基于福建省地面氣象區(qū)域站的觀測氣溫資料，收集了福建省2008—2020年所有地面氣象區(qū)域站數(shù)據(jù)、國家氣象信息中心下發(fā)的地面氣象區(qū)域站數(shù)據(jù)和現(xiàn)存CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境下地面氣象區(qū)域站數(shù)據(jù)，將這三個數(shù)據(jù)源中的氣溫數(shù)據(jù)整理為自動站小時氣溫原始數(shù)據(jù)集。

2.2 數(shù)據(jù)集質(zhì)量控制

2.2.1 質(zhì)量控制碼的設(shè)置

在建立氣溫數(shù)據(jù)集的過程中，需要對氣溫數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制[9]。根據(jù)實際情況，共設(shè)4種質(zhì)量控制碼(QC碼)。其中，QC=0，代表數(shù)據(jù)正確；QC=1，代表數(shù)據(jù)可疑；QC=2，代表數(shù)據(jù)錯誤；Q=9，代表數(shù)據(jù)缺測。首先設(shè)置初始數(shù)據(jù)QC=0，當(dāng)無觀測數(shù)據(jù)時QC=9，然后按氣候界限值檢查、內(nèi)部一致性檢查、時間一致性檢查和空間一致性檢查的順序進行質(zhì)控，數(shù)據(jù)通過當(dāng)前檢查方可進入下一步檢查，否則對被檢數(shù)據(jù)重新設(shè)置或修改質(zhì)量控制碼。

2.2.2 質(zhì)量控制方法

①從氣候的角度不可能出現(xiàn)的要素臨界值稱為要素的氣候界限值(N)。氣溫要素值(x)是否在本站氣溫特定的變化范圍[0,N]內(nèi)的檢查為區(qū)域站氣候界限值檢查，即要求x∈[0,N]，超出測站氣溫變化范圍的觀測數(shù)據(jù)為錯誤。

②內(nèi)部一致性檢查指同一時間觀測的氣象要素之間的關(guān)系必須符合一定規(guī)律，即要求滿足最高氣溫≥氣溫≥最低氣溫，不符合此關(guān)系式的觀測數(shù)據(jù)為可疑。

③對通過內(nèi)部一致性檢查的數(shù)據(jù)進行時間一致性檢查。時間一致性檢查主要依據(jù)氣溫在時間上具有顯著的相關(guān)性和良好的一致性特點，對指定站點同一要素不同時次資料間的相關(guān)性進行考核，判斷在一定時間間隔內(nèi)氣溫數(shù)據(jù)前后波動是否在指定范圍內(nèi)，超出測站氣溫變化范圍的觀測數(shù)據(jù)為可疑。

④對通過時間一致性檢查的數(shù)據(jù)進行空間一致性檢查?？臻g一致性檢查主要根據(jù)空間上連續(xù)變化的氣象要素在地理空間上具有相關(guān)性的特點，即空間距離較近的氣象站點的特征值比距離較遠(yuǎn)的站點具有更大的相似性，對被檢查站點被檢查時次的氣溫，使用鄰近參考站點對應(yīng)氣溫數(shù)據(jù)，采用空間插值方法進行估計。氣溫實測值與估計值差異明顯較大時，觀測數(shù)據(jù)為可疑。

2.3 數(shù)據(jù)集質(zhì)量評估指標(biāo)

分別用Sa,Sb,Sc,Sd,Se,Sf,Sg表示應(yīng)觀測數(shù)據(jù)組數(shù)、實有數(shù)據(jù)組數(shù)、有效數(shù)據(jù)組數(shù)、缺測數(shù)據(jù)組數(shù)、正確數(shù)據(jù)組數(shù)、可疑數(shù)據(jù)組數(shù)、錯誤數(shù)據(jù)組數(shù)，用P0、P1、P2分別表示正確率、錯誤率、可疑率，H表示實有率。因此，可將第i個站點各項指標(biāo)公式表示如下。

利用實有率評估數(shù)據(jù)的完整性和正確率、錯誤率、可疑率評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況。如無特殊說明，本文統(tǒng)計的正確率和錯誤率均未包含缺測數(shù)據(jù)[10-11]。

3 數(shù)據(jù)集質(zhì)量評估

3.1 觀測數(shù)據(jù)的時空分布

每個區(qū)域站觀測要素不盡相同，因此只對有觀測氣溫要素的區(qū)域站數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。由圖1(a)可知，區(qū)域站數(shù)總體呈增長趨勢，截至2020年，具有氣溫要素觀測的區(qū)域站近1500個站。其中，2009年區(qū)域站數(shù)增幅最大，約增加200個，2016年增幅次之。

福建省區(qū)域站數(shù)起始年代空間分布如圖1(b)所示，以2010年以前新增區(qū)域站為主，且新增區(qū)域站主要集中在沿海區(qū)域，呈“東密西疏”的特點，尤其是廈門、漳州、莆田、福州四地的新增區(qū)域站最多。

(a)區(qū)域站數(shù)變化曲線 (b)區(qū)域站起始年代空間分布

3.2 數(shù)據(jù)的完整性

由圖2可以看出，歷年最高氣溫實有率、最低氣溫實有率及氣溫實有率基本一致。其中，2008年實有率最低，均為78%左右，2009年實有率大幅提升，達(dá)到90%以上，并持續(xù)增長至2011年。2012年、2013年實有率相較上一年有所下降，但降幅低于2%。從2017年開始又逐步上升，到2020年實有率均達(dá)到98%以上。

圖2 2008—2020年福建省區(qū)域站最高氣溫實有率、最低氣溫實有率與氣溫實有率

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量

經(jīng)統(tǒng)計，最高氣溫正確率、最低氣溫正確率、氣溫正確率每年均在99%以上。圖3展示2008—2020年福建省區(qū)域站最高氣溫、最低氣溫、氣溫平均正確率空間分布。由圖3可見，絕大部分區(qū)域站小時最高氣溫正確率在99.8%以上，只有15個區(qū)域站的最高氣溫正確率在98%以下，但均高于75%。最低氣溫正確率與氣溫正確率呈沿海區(qū)域站高、中西部較低的分布規(guī)律，其中，中西部區(qū)域站正確率大部分高于98%，低于98%以下的區(qū)域站分別是19個、18個，但正確率均高于75%。

(a)最高氣溫 (b)最低氣溫 (c)氣溫

經(jīng)統(tǒng)計，最高氣溫錯誤率、最低氣溫錯誤率、氣溫錯誤率數(shù)據(jù)均小于0.12%。由圖4可以看出，絕大部分區(qū)域站數(shù)據(jù)錯誤率在0.01%以下，分別占總站數(shù)的96.46%、96.87%、96.8%，說明區(qū)域站平均錯誤率較低。1.23%、0.82%、1.09%的區(qū)域站數(shù)據(jù)最低氣溫錯誤率、氣溫平均錯誤率為0.01%～0.02%，0.61%、0.75%、0.95%的區(qū)域站數(shù)據(jù)最高氣溫、最低氣溫、氣溫平均錯誤率為0.02%～0.04%，所有區(qū)域站的數(shù)據(jù)錯誤率均小于25%。

(a)最高氣溫 (b)最低氣溫 (c)氣溫

另外，2008年最低氣溫可疑率和氣溫可疑率最高,達(dá)到0.9%左右，隨后逐漸減小至2012年。2013—2020年，兩者的可疑率在0.5%以內(nèi)波動。各年最高氣溫可疑率均小于最低氣溫可疑率和氣溫可疑率。圖5為2008—2020年福建省區(qū)域站最高氣溫可疑率、最低氣溫可疑率、氣溫平均可疑率空間分布?？梢姡^大部分區(qū)域站小時最高氣溫可疑率在0.02%以下，占總數(shù)的98.03%，僅有1.02%的區(qū)域站最高氣溫可疑率在1.5%～5%。最低氣溫與氣溫平均可疑率空間分布基本一致，呈沿海區(qū)域站低、中西部較高的規(guī)律，中西部區(qū)域站可疑率大部分低于1.5%，所有區(qū)域站的數(shù)據(jù)可疑率均小于5%。

(a)最高氣溫 (b)最低氣溫 (c)氣溫

3.4 數(shù)據(jù)分析

選擇2008—2020年有完整觀測資料的區(qū)域站計算區(qū)域站的年平均氣溫距平，如圖6(a)所示。2008—2020年福建省年平均氣溫呈整體上升趨勢，2008年平均氣溫為18.54℃，2012—2017年平均氣溫緩慢上升，2020年福建省區(qū)域站平均氣溫達(dá)到最高，為19.96℃。圖6(b)是區(qū)域站2008—2020年平均氣溫空間分布，可以看出，福建省各區(qū)域站氣溫差最大為10℃左右，年平均氣溫呈沿海較高、中西部地區(qū)較低，低緯度地區(qū)較高、高緯度地區(qū)較低的分布規(guī)律，這主要與福建省“依山傍?！保蟛糠置娣e為山地丘陵的地理特點有關(guān)，東部臨海地區(qū)溫度較高，中西部丘陵地區(qū)溫度較低。

(a)年平均氣溫距平和年平均氣溫變化情況 (b)區(qū)域站年平均氣溫空間分布

4 結(jié)論

本文利用2008—2020年不同源的區(qū)域站氣溫數(shù)據(jù)進行整理，主要結(jié)論如下。

①福建省區(qū)域站空間呈現(xiàn)東密西疏的分布趨勢。2008—2020年區(qū)域站最高氣溫實有率、最低氣溫實有率、氣溫平均實有率總體呈現(xiàn)增長趨勢，2020年均達(dá)到98%以上。

②在對最高氣溫、最低氣溫、氣溫數(shù)據(jù)質(zhì)控后，三者的正確率每年均在99%以上，呈現(xiàn)沿海區(qū)域站氣溫數(shù)據(jù)正確率高、中西部區(qū)域站正確率較低的規(guī)律。同時，三者的年平均錯誤率均在0.12%以下，可疑率均在1%以下。

③區(qū)域站數(shù)據(jù)集顯示2008—2020年福建省氣溫總體呈現(xiàn)增長趨勢，呈沿海年平均氣溫高、中西部年平均氣溫較低的分布規(guī)律。