美国人在巴黎 .pdf
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1、气象科技 进展 56 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 9 (4 )- 2019 美国气候基准站网建设及启示 任国玉 1, 2初子莹 3 (1 中国气象局气候研究开放实验室,国家气候中心,北京 100081; 2 中国地质大学环境学院大气科学系,武汉 430074;3 北京市气象局,北京 100089) 摘要:美国国家海洋和大气管理局(NOAA)已基本建设完成了一个全新的国家气候基准站网(USCRN)。USCRN旨 在为美国提供一个新的基准气候观测网络平台,降低长期地表气温与降水序列中不可解释的变化,更好地监测国家
2、气候 并支持气候变化影响研究。该观测网当前所包含的站点为137个(最终达到145个),其中美国本土地区114个,阿拉斯 加21个(最终将达到29个),夏威夷群岛2个,站点气候观测信息包括气温、降水、地面风速、土壤条件等。所有站点 位置选择标准都极为严格,并保证未来观测环境长期不会改变,站点基本要素观测资料将不需要再进行任何非均一性处 理和城市化影响偏差评估与订正。USCRN为全球气候观测系统建设树立了一个标杆,值得包括中国在内的所有国家在 规划和设计本国气候观测系统时借鉴。 关键词:美国,气候基准站,气候观测 DOI:10.3969/j.issn.2095-1973.2019.04.009 A
3、 Brief Introduction to the U.S. Climate Reference Network Ren Guoyu 1,2 , Chu Ziying 3 (1 Laboratory for Climate Studies, National Climate Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Department of Atmospheric Science, School of Environmental Studies, China University of Geosciences
4、, Wuhan 430074 3 Beijing Meteorological Service, Beijing 100089 ) Abstract: The U.S. climate reference network (USCRN) is a systematic and sustained network of climate monitoring stations with sites across the conterminous U.S., Alaska, and Hawaii. It is managed and maintained by the National Ocean
5、and Atmospheric Administration (NOAA). The vision of this program is to provide a continuous series of climate observations with the minimum unexplained diversification for monitoring trends in the nations climate and supporting climate-impact research. Currently, there are 137 sites in the network,
6、 including 114 sites within the continental U.S., 21 sites in Alaska, and 2 sites in Hawaii. These stations use high-quality instruments to measure temperature, precipitation, wind speed, soil conditions, and so on. To avoid further homogeneity or urban impact test and calibration, strict criteria a
7、re applied for site selection to ensure the pristine quality of observatory environments in the future. Base on USCRN, NOAA began to deploy U.S. regional climate reference network (USRCRN) across the 9 NOAA climate regions with the same criteria since 2009 to monitor regional climate variation signa
8、l. In general, the USCRN could be taken as a benchmark for national climate observational system construction. Key words: U.S., climate reference network, climate observation 收稿日期 : 2017 年 11 月28 日 ;修 回日期 :2018 年 12 月 6 日 第一作者 : 任 国 玉 (1958 ), Email: 资助信息 : 国家自然 科 学基 金( 41575003 ) 0 引言 美国具有悠久的气象观测历
9、史。自从19世纪初以 来,美国就开展气温、水汽、气压、降水和风速、风 向观测,获取实时天气信息,并建立了历史天气资料 数据库。但是,和世界其他地区的气象观测一样,美 国的气象观测长期以来主要为天气预报服务,几乎没 有考虑后来气候变化研究和监测的需要,所获得的历 史天气观测资料数据存在着较严重的因迁站和更换仪 器等造成的非均一性误差,以及较大的由于城市化过 程引起的系统性偏差 1 。尽管对这些历史天气观测资 料进行了严格的检查和均一化处理,资料非均一性问 题和城市化影响偏差问题仍然是当前气候变化观测研 究不确定性的主要来源。 为了获取连续的、不受局地人类活动干预的高 分辨率长期地面气候观测记录,
10、美国国家海洋和大 气管理局(NOAA)规划建设了美国国家气候基准站 网(USCRN) 2-3 。结合过去长期的历史观测记录, 这套记录可以为当前的气候变化检测、归因以及未 来气候变化预估奠定坚实的观测基础 2-3 。美国本土 的114 个国家气候基准站于2008年建设完成;除本土 站外,截止到2017年底的国家气候基准站还包括夏 威夷群岛的2 个站点和阿拉斯加的21个(最终将达到 Special 专题 57 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 9 (4 )- 2019 29个)站点。至此,USCRN已基本实现业务化,
11、由 NOAA国家环境信息中心(NEIC,即原来的国家气 候资料中心NCDC)管理运行,NOAA大气湍流和 扩散部(ATDD)合作运营。作为USCRN的补充, NOAA自2009年起开始着手建设区域气候基准站网 (USRCRN)。区域气候基准站只观测气温和降水, 但在空间上更为密集,并且延续了与国家气候基准站 同样高的建设标准。其长期目标是在全美9 个气候区 建设观测站网,其空间分辨率大致为130 km,用于检 测区域气候变化信号。USRCRN建成后,全美的国家 和区域基准气候站数量将达到538个。 1 目的和意义 长久以来,美国科学界的许多人士都认为,美国 拥有世界上最完备的地面气候观测网,领
12、先于世界大 多数国家。但NOAA的管理者和研究人员也意识到, 美国并没有一个能够避免随机和系统偏差的地面观测 网,事实上即使很小的系统偏差,也足以影响对于年 代以上尺度气候变化与变异特征的解释,并造成气候 变化监测和检测结果的不确定性。美国国家研究委员 会(NRC)于1999年对美国气候观测站网评估后得出 结论:美国需要稳定现有的观测能力,并识别那些尚 未被充分观测的关键气候变量,同时,特别指出要针 对气候变化研究和具体业务需求,制定并执行国家观 测计划 4 。这份报告强调,美国需要一套新的观测系 统,这套系统能够真正有效地增进人类对于自然和人 为气候变化的理解,而且不仅可以服务于当代的气候
13、学家,还能够服务于未来从事相关研究的科学家们。 NOAA当局意识到,气候科学正处在一个十字路 口。一方面,研究者已经做出大量卓越的工作,证实 了区域、全国和全球尺度气候变化;另一方面,现有 观测系统提供的数据质量先天不足,气候观测业务存 在着严重危机。建设国家基准气候观测网是NOAA 对 这一危机和NRC建议 4 的积极响应。USCRN资料将用 于未来的气候变化监测业务和科学研究,也将为全球 气候观测系统(GCOS)建设做出示范。人们希望, USCRN运行50年后,可以回答这样的问题:在过去50 年间,美国区域气候究竟发生了怎样的变化? USCRN计划在美国历史上没有先例,在观测站 网与系统设
14、计、候选站点征用许可与评估、设备安装 和维护、观测及资料评估、应用等多个环节,都需要 联邦政府层面的有效协调。为了在最大程度上削减建 设和运行成本,增进计划完成后的科学和社会效益, USCRN建设也对美国政府部门间协调合作提出了重要 挑战。到目前为止,尽管各个部门之间的协调、合作 也出现过问题,但总体来说是成功的。 在NOAA内部,NEIC和空气资源实验室(ARL) 进行了有效合作。在USCRN的工程设计、站点布设、 站点维护和仪器标定等方面,ARL的研究人员均给予 大力配合,发挥了重要作用。此外,ARL还对未来新 仪器的可应用性提供及时分析评估。 2 站址遴选和站网布局 为了得到符合严格建设
15、标准的观测网,USCRN 和USRCRN计划完全遵循Karl 等 1 提出的气候变化监 测基本原则。USCRN的站址确定,在一定程度上也 考虑了全球气候观测系统表面网(GCOS/GSN)制定 的原则和标准,但总体上二者差异十分突出,因为 GCOS/GSN的原则和标准是在兼顾现有观测网和长序 列历史观测记录条件下提出的 5-6 ,距离满足气候变化 监测和研究需求尚远远不够。 按照 最 初 制 定 的计划,USCRN 和USRCRN 建设 必 须 满 足 严 格 的 标 准。例如,所 有 站 都 要 建 在 目 前 和 未 来 都 不 会 受 到 明 显 人 为 干 预 的 自 然 环 境 中(
16、图 1 ) ; 要能够 抵御飓风、严重结冰和雪暴、高于120 F (49 )或 低于 50 F (46 )的温度等极端天气,在任何 图1 USCRN站点观测环境(USA/NCDC: http:/www.ncdc. noaa.gov/crn/) (a)科罗拉多州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.n
17、oaa.gov/crn/) Spring Station; (b) Vaughn Station (a) (b)气象科技 进展 58 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 9 (4 )- 2019 天气条件下保持气候观测不中断;备份电池和太阳能 发电装置要确保仪器电力意外中断时继续采集数据。 选取站点时,首先考虑大尺度的台站宏观地理位 置。具体遴选标准包括: 1) 区域和空间代表性 考虑大尺度地形影响,站点要能够捕捉到区域性 主要气候变异模态。研究表明,美国50个州大约225 个均匀分布的站点可以在全国尺度上基本捕获每
18、年气 候变异和趋势 7-8 ,但最终设置多少站还取决于财政 预算。 2)区域气候变异和变化趋势敏感性 站点位置应该对区域性气候变异和变化趋势具有 代表性,不受局地地貌特征或中小尺度自然和人为因 素影响。 3)站址的长期稳定性 重点考虑所选站址周围区域是否会在未来 50100年发生重大变化。需要评估备选站址被人为 干预区域包围的风险,以及台站由于土地开发或其他 原因被迫关闭或迁址的可能性。 4)较低的自然灾害风险 避免在自然灾害风险很高的地方建站,如易发 生洪水的低地、强风风口、深厚积雪点、浓雾弥漫 区等。 5)靠近已有观测网站址 备选台站位置应尽可能靠近现在或过去具有长序 列观测资料的站点,以
19、便核准和比较新旧观测资料。 6)交通和电力便利性 设备安装和定期维护等要求站址所在区域常年可 以通车、最好靠近电源,但偏远地区也可采用太阳能 电池。 在上述原则和标准中,空间代表性和时间稳定 性是最为重要的,在确定具体站点位置时给予了优先 考虑。 站点具体位置的确定原则和方法也很重要。在这 方面,USCRN发展了一套局地代表性评估方法。标准 观测场面积为18 m18 m,站点周边环境必须相对宽 敞、平坦、干爽,植被密度低且远离水体。具体站址 的选择还要考虑其他因素,综合决定。USCRN采用分 类方案 9 对每个地点的气象观测代表性打分,确定具 体站址位置。 观测场内仪器设备安装布局如图2 所示
20、 。 其 中雨量 计周围的防风障可以有效降低近地 面 风速 , 提 高液态 和 固 态 降 水 测 量精 度 。 观 测 场 周 边 可以树立链式或牛栏 式围栏, 一 般 限 定 在4 5英 尺 高( 1英尺0.3048 m)。 图2 美国USCRN 典型观测场布局(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已经建
21、成了137个站组 成的网络,其中包括单独站点100个,双场(一个地 点两个站)站点14个,阿拉斯加21个,夏威夷2 个。 USRCRN站网正在建设。图3 给出了截止到2015年底 各类USCRN站的分布情况。 3 台站观测设备 USCRN自动观测系统以深循环电池为动力,仅 需偶尔维护,可实现偏远地区无人情况下的持续操 作。系统操作环境非常宽泛,温度为 6060 ,风 速在50 m/s以下,雨量不大于30 mm/min ,但降水观测 系统正常工作环境在2560 。 USCRN自动观测系统是一套通用的观测系统, 以气温、降水、太阳辐射和风速等为核心观测要素, 并可根据需求随时扩展安装新的附加型传感
22、器,用于 观测其他气象要素。后来USCRN站还同时配有观测相 对湿度、土壤水分和土壤温度的传感器。此外,在观 测气象要素的同时,系统也同步监测电池电压、吸出 气风扇工作参数等自检变量,用以迅速诊断出现的问 Special 专题 59 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 9 (4 )- 2019 题,帮助系统尽快得到修复。为降低系统误差、校订 漂移和能量损耗,系统选择不需要外部转换器的仪器 设备,可以通过最小的调整来满足USCRN对误差、精 度与可信度的要求。 自动观测系统中,除降水观测系统外,所有仪 器均安置在一个管
23、壁厚重的铝质观测塔架上。塔高 3 m,底部可用于安装重型观测仪器,塔架本身嵌入 厚重且坚实的混凝土基座中。参照WMO推荐的气 候观测标准,气温和其他支撑传感器均位于1.5 m 高 处,包括转杯式风速计(Met-One 014A型),测量 总入射太阳辐射的日照强度计(KIPP/ZONEN SP Lite silicon),以及测定地表温度的高精度红外热电偶传 感器(IRTS-P IR)。降水观测系统及其防护罩安装在 距观测塔15 m的地方。观测站中所有线路均设置在埋 藏的管道中,以降低动物对线路造成的损坏。在一些 站点,一系列具有连锁反应的防御设施被安装在观测 塔周围,用以防范不速之客的入侵。安
24、装仪器所使用 的硬件设施均为不锈钢或铝制品,以防腐蚀。 由 于 近 地 面气 温和 降 水 是 关 键气 候 要 素 , USCRN 为 其设计了严格的三重备份传感器。这个设计是独特 的,主要目的是保证当有一个或两个传感器出现故障 时,另外至少有一个传感器仍能工作,以便保证任何 一个站点观测记录具有完整性、连续性和准确性。 例如,温度传感器包括3 个完全独立的铂电阻温 度计,每个温度计都有独立的风扇排气式防太阳辐射 罩(温度计型号为:Met-One 076B;风扇型号为: PABST 4212/12H 12VDC,外部接有转速计,且转速 计接电部分为包金设置,以加强其耐腐蚀性)。三个 温度计完
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