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作者；張毅   

  本文通過(guò)對(duì)上海世博園區(qū)18個(gè)氣象站的逐時(shí)溫度資料進(jìn)行質(zhì)量控制，設(shè)計(jì)了城市復(fù)雜下墊面溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的流程圖，并著重探討時(shí)間一致性檢查疑誤數(shù)據(jù)的分布特征和可能原因，為今后城市復(fù)雜下墊面自動(dòng)站溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的綜合分析提供技術(shù)支持。

1  數(shù)據(jù)來(lái)源和質(zhì)量控制流程

1.1  資料來(lái)源

  研究區(qū)域（上海世博園，簡(jiǎn)稱世博站）位于上海城區(qū)黃浦江兩岸，占地面積5. 28 km2，土地利用類(lèi)型復(fù)雜、下墊面多樣，本文選取2010年5月1日至2011年4月30日一整年正常工作的18個(gè)自動(dòng)氣象站逐時(shí)溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，并結(jié)合同時(shí)段浦東氣象觀測(cè)站的逐時(shí)降水量、日照和云量資料，分析溫度疑誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可能原因。

1.2質(zhì)量控制流程及方法

  自動(dòng)氣象站質(zhì)量控制方案有極值檢驗(yàn)、內(nèi)部一致性檢驗(yàn)、時(shí)間一致性檢驗(yàn)和空間一致性檢驗(yàn)等方法（韓海濤等，2012），本文采用氣候歷史極值檢驗(yàn)和時(shí)間一致性檢驗(yàn)，其中時(shí)間一致性檢驗(yàn)包括僵值檢查及突變檢查兩步，流程如圖1所示。

  氣候極值檢查是利用歷史極值對(duì)氣象要素觀測(cè)資料的合理性進(jìn)行判斷，未能通過(guò)該檢查的數(shù)據(jù)被定義為錯(cuò)誤值并剔除。參考周偉東等(2006)對(duì)上海自動(dòng)站資料質(zhì)量控制方法中用的極值范圍，并考慮到研究區(qū)域在市中心區(qū)，本文將極值范圍設(shè)為-13℃～42℃。

  僵值檢查又稱最小時(shí)間變率檢查，本文采用連續(xù)若干時(shí)次的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行判斷(Zahumensky，2 004)，若連續(xù)n小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差為0，則定義為一次持續(xù)n小時(shí)的僵值過(guò)程。本文考察持續(xù)6h及以上的僵值過(guò)程，相應(yīng)的各時(shí)次溫度標(biāo)記為僵值疑誤樣本，占總樣本數(shù)的3‰。

  溫度突變檢查又稱最大時(shí)間變率檢查，本文采用溫度1 h時(shí)變檢查，即用溫度在th內(nèi)的可能變化范圍來(lái)判斷質(zhì)量。本文關(guān)注溫度1 h時(shí)變值超過(guò)其平均值4倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本，標(biāo)記為溫度突變疑誤樣本，占總樣本數(shù)的4.7‰。

2結(jié)果分析

2.1  僵值和溫度突變疑誤樣本分布特征

2.1.1  僵值

  統(tǒng)計(jì)得到研究時(shí)段內(nèi)持續(xù)6h及以上的僵值過(guò)程共25個(gè)，其中18個(gè)過(guò)程持續(xù)6h，持續(xù)7～8 h的過(guò)程共6次，最長(zhǎng)的一次過(guò)程長(zhǎng)達(dá)11 h。

  圖2顯示，僵值疑誤樣本的時(shí)間分布存在季節(jié)差異，冬季1月的僵值疑誤樣本明顯多于其他月份。僵值疑誤樣本呈現(xiàn)單峰型的日變化特征，集中出現(xiàn)在夜間（18:00至次日07:00）。

  統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)，在城市中心區(qū)域僵值過(guò)程的局地性很強(qiáng)，18個(gè)站中最多只有4個(gè)站點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)僵值過(guò)程，大部分（17個(gè)）僵值過(guò)程僅單站出現(xiàn)。

2.1.2  溫度突變

  溫度突變疑誤數(shù)據(jù)分升溫（“突升”）和降溫（“突降”）兩種類(lèi)型，分別占35%和65%，兩類(lèi)樣本出現(xiàn)的季節(jié)和時(shí)刻基本錯(cuò)開(kāi)。“突升”類(lèi)型主要出現(xiàn)在秋、冬季，而“突降”類(lèi)型集中在春、夏季（圖3a）；“突升”絕大部分在日出前后(06:00-09:00)出現(xiàn)，而“突降”疑誤樣本則多在午后至上半夜出現(xiàn)（圖3b）。

  分析發(fā)現(xiàn)溫度“突升”和“突降”疑誤樣本的趨同性不一致（圖4），“突升”疑誤樣本局地性較強(qiáng)，90%以上的“突升”過(guò)程中，同時(shí)出現(xiàn)溫度“突升”的站點(diǎn)不超過(guò)4個(gè)，而“突降”疑誤樣本則趨同性較強(qiáng)，多個(gè)站點(diǎn)（4個(gè)以上）同時(shí)出現(xiàn)溫度“突降”的情況占“突降”疑誤樣本總數(shù)的50%以上，甚至有全部站點(diǎn)都出現(xiàn)“突降”的情況。

2.2原因分析

2.2.1僵值

  出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間僵值和溫度突變通常會(huì)被認(rèn)為觀測(cè)資料有誤，但在城市區(qū)域復(fù)雜環(huán)境下是否合理呢？接下來(lái)探討這些疑誤樣本是否與特定的天氣過(guò)程和城市區(qū)域站點(diǎn)觀測(cè)小環(huán)境有關(guān)。

  圖5顯示，僵值過(guò)程中，僵值站點(diǎn)的溫度與所有站點(diǎn)平均溫度的差異很小，最大差值僅為0.3℃左右。因此，僵值的出現(xiàn)并非單站儀器故障所致。進(jìn)一步考察僵值過(guò)程出現(xiàn)時(shí)的天氣條件發(fā)現(xiàn)，25次僵值過(guò)程有24次出現(xiàn)在陰雨天氣，其中50%以上有降水，但僵值時(shí)刻的降水較弱，平均降水強(qiáng)度僅為1 mm·h-1左右（圖6）。

  上述結(jié)果表明，僵值過(guò)程主要出現(xiàn)在弱陰雨天氣，這與局地地表能量平衡有關(guān)，地表能量平衡可由下式表示(Kiehl et al，1997)。

式中，K↓和K十分別為向下和向上的短波輻射，L↓和L↑分別為向下和向上的長(zhǎng)波輻射，QH、QE、Q,A分別為感熱、潛熱和平流輸送項(xiàng)，Qs和QF分別為儲(chǔ)熱和人為熱。若不考慮QF和Qs，白天當(dāng)云量較大時(shí)，地表吸收的凈輻射減少(Kiehl et al，1997)，如果有弱降水，潛熱(QE)增加，較易抵消凈輻射，從而通風(fēng)不佳的測(cè)站感熱較小，易出現(xiàn)僵值（圖7a）。而夜晚K↓=K↑ =0，云量較大時(shí)，能量收支基本平衡。若無(wú)降水，則潛熱較小，風(fēng)速較小的測(cè)站感熱也較小，易出現(xiàn)僵值（圖7b）。

  下面分白天和夜晚舉例說(shuō)明僵值過(guò)程出現(xiàn)的原因：

  (1)白天：2011年2月10日08  13時(shí)世博村站出現(xiàn)僵值過(guò)程

  早晨太陽(yáng)輻射增加，地溫升高（圖8b，以浦東氣象站為例），加熱大氣，但當(dāng)天總云量達(dá)100%，因此凈輻射通量比晴天小。另一方面，世博村所處環(huán)境下墊面粗糙，通風(fēng)不佳（圖8c），平流輸送項(xiàng)很小。所以發(fā)生弱降水時(shí)（圖8d），潛熱小幅增加，易抵消地表吸收的凈輻射，地表能量收支得以長(zhǎng)時(shí)間維持平衡，出現(xiàn)僵值（圖8a）。

  (2)夜晚：2010年7月11日夜晚至7月12日凌晨世博村站和世界氣象館站出現(xiàn)僵值過(guò)程

  7月11日夜晚總云量達(dá)100%，地溫和氣溫非常接近（圖9b），世界氣象館和世博村兩站位于建筑物附近，風(fēng)速較�。▓D9c），因此凈輻射和感熱都很小，21時(shí)降水停止后（圖9d），潛熱減少，地表能量收支得以長(zhǎng)時(shí)間維持平衡，出現(xiàn)僵值過(guò)程（圖9a）。

2.2.2  溫度突變

  溫度“突升”疑誤樣本多出現(xiàn)在日出前后，與日出前后日照變化密切相關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)，升溫過(guò)程主要出現(xiàn)在少云天氣，其中以08時(shí)低云量為0的云天狀況最多（70%以上）（圖10）。升溫前后溫度的變化與是否照射到日照的百分率有很大關(guān)系<圖11），隨著太陽(yáng)高度角增大，原來(lái)被遮蔽的測(cè)站也能接收到日照，測(cè)站周?chē)�突然被太�?yáng)輻射加熱，易造成突然升溫。這也是“突升”過(guò)程局地性較強(qiáng)的原因。

  分析發(fā)現(xiàn)溫度“突降”樣本主要出現(xiàn)在午后，與日照和降水密切相關(guān)，根據(jù)出現(xiàn)原因?qū)?#8220;突降”過(guò)程分為兩組。第一組降溫過(guò)程與“突升”相似，主要出現(xiàn)在低云量較少的少云天氣（占80%以上，圖12a），下午太陽(yáng)高度角減少過(guò)程中，測(cè)站被遮蔽太陽(yáng)輻射而突然降溫（圖13a）。第二組過(guò)程是由于云量突然增加或者短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致劇烈降溫，此類(lèi)過(guò)程集中出現(xiàn)在總云量大于5的多云天或陰天（圖12b），且大多伴隨著強(qiáng)降水（平均降水強(qiáng)度10 mm·h-1）。與第一組降溫過(guò)程相比，此類(lèi)過(guò)程空氣濕度較大，尤其是降溫后，濕度接近飽和（圖13b），此類(lèi)降溫過(guò)程系統(tǒng)性強(qiáng)，這也是“突降”過(guò)程趨同性較為一致的原因。

3結(jié)論

  針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境（以世博園為例）18個(gè)自動(dòng)站的逐時(shí)溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)（2010年5月1日至2011年4月30日）進(jìn)行質(zhì)量控制，著重分析了僵值和突變疑誤數(shù)據(jù)分布特征及可能原因。主要結(jié)論如下：

  (1)僵值數(shù)據(jù)的分布有顯著的季節(jié)差異和單峰型日變化特征，局地性強(qiáng)。僵值過(guò)程集中在冬季夜間，最長(zhǎng)持續(xù)11 h，且大部分只在單站出現(xiàn)。

  (2)上述僵值過(guò)程主要出現(xiàn)在陰天或多云天氣，與局地地表能量平衡密切相關(guān)。潛熱與地表吸收的凈輻射相互抵消或能量收支平衡時(shí)，通風(fēng)不佳的測(cè)站感熱項(xiàng)很小，易出現(xiàn)僵值過(guò)程。

  (3)溫度突變疑誤數(shù)據(jù)可分“突升”和“突降”兩類(lèi)，兩類(lèi)疑誤數(shù)據(jù)的時(shí)空分布特征不同。升溫疑誤數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)在秋、冬季日出前后，局地性較強(qiáng)；而降溫過(guò)程主要出現(xiàn)在春、夏季午后至上半夜，趨同性強(qiáng)。

  (4)上述突變疑誤樣本與特定天氣過(guò)程及局地觀測(cè)環(huán)境密切相關(guān)。升溫疑誤數(shù)據(jù)只出現(xiàn)在低云量少于5的天氣，大部分降溫疑誤數(shù)據(jù)在陰天(總云量>5)的午后或傍晚出現(xiàn)。日照迅速增加（減少）導(dǎo)致部分被遮蔽的站點(diǎn)劇烈升（降）溫，短時(shí)強(qiáng)降水會(huì)導(dǎo)致大幅降溫。

  較長(zhǎng)時(shí)間僵值、突變等是統(tǒng)計(jì)意義上的極端異�，F(xiàn)象，但本文結(jié)果表明，此類(lèi)數(shù)據(jù)反映了城市局地復(fù)雜環(huán)境及特定天氣過(guò)程的影響，是真實(shí)有效的。因此，對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下獲得的溫度觀測(cè)資料開(kāi)展質(zhì)量控制時(shí)，需根據(jù)觀測(cè)環(huán)境等元數(shù)據(jù)信息對(duì)疑誤值進(jìn)行進(jìn)一步甄別。4提  要：對(duì)溫度觀測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)，僵值和突變是常見(jiàn)的疑誤類(lèi)型，針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境中僵值和突變疑誤數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，對(duì)降低城市自動(dòng)站溫度資料質(zhì)量控制的誤檢率有重要價(jià)值。文章針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境（以上海世博園為例）中18個(gè)自動(dòng)氣象站一年（2010年5月至2011年4月）逐時(shí)溫度資料進(jìn)行質(zhì)量控制，著重探討僵值及突變疑誤數(shù)據(jù)的分布特征和可能原因。結(jié)果表明：(1)僵值疑誤數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)在冬季夜間，局地性強(qiáng)。陰天或多云天氣，通風(fēng)不佳的測(cè)站感熱項(xiàng)較小，易出現(xiàn)僵值過(guò)程，最長(zhǎng)持續(xù)11 ho (2)溫度突變疑誤數(shù)據(jù)可分“突升”和“突降”兩類(lèi)，“突升”集中出現(xiàn)在秋冬季，而“突降”集中在春夏季；“突升”集中出現(xiàn)在日出前后，而“突降”主要出現(xiàn)在午后至夜晚，“突升”局地性強(qiáng)而“突降”各站間趨同性較強(qiáng)。分析發(fā)現(xiàn)，城市復(fù)雜環(huán)境下，日照突然增加或減少以及午后短時(shí)強(qiáng)降水是導(dǎo)致溫度突變疑誤數(shù)據(jù)的主要原因。因此，這些“疑誤”數(shù)據(jù)是城市復(fù)雜環(huán)境影響或特定天氣條件導(dǎo)致的，為真實(shí)有效的觀測(cè)資料。針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下的溫度觀測(cè)資料開(kāi)展質(zhì)量控制時(shí)，需結(jié)合觀測(cè)環(huán)境等元數(shù)據(jù)進(jìn)一步甄別。