挖一挖氣候觀測資料裏的“坑”_風聞

氣候觀測記錄非常重要

春風、夏雨、秋霜、冬雪，四季交替，不捨晝夜。古往今來，天氣和氣候與人們的生產、生活密切相關，人們自古就關注天氣的變化。

早在商代後期，甲骨文中就有了風、雲、虹、雨、雪、雷等天氣現象完整、細緻的記載和描述。典籍、日記、史記等古籍記載了大量的天氣、物候、節氣、農事等信息。如《林則徐日記·道光十五年五月二十九日》：天氣乾熯，暑熱殊酷。《能靜居日記》：正月二十三日（1885年3月9日）晴，園梅漸放；二月初二日（3月18日）晴，園梅盛開，與家人賞玩。清代《晴雨錄》記載了自雍正二年（1724）至光緒二十九年（1903）北京地區的降水情況。

圖1 甲骨文中的天氣現象記錄

 

圖2 東漢時長安靈台上用來測風的相風鳥（圖片來源於網絡） 

圖3 《夢溪筆談》、《測候叢談》、《能靜居日記》、《晴雨表》中部分相關記載（圖片來源於網絡）

此外，“人間四月芳菲盡，山寺桃花始盛開”、“黃梅時節家家雨，青草池塘處處蛙”、“北風捲地白草折，胡天八月即飛雪”等眾多的古詩詞均描述了我國天氣和氣候特徵。可見，歷史文獻中大量乾旱、洪澇、雨、雪、霜、冰、凍、風等記錄，成為我國古代氣候信息的重要來源，對於研究歷史上氣候變化及其與農牧業、疾病、軍事、災害、朝代更迭等的關係意義重大。

到了近代，1873年第一屆國際氣象會議後，世界範圍的氣象台站開始興建，百葉箱、風速風向儀、温濕度記錄儀、雨量計等儀器用於地面氣象要素觀測，觀測網絡逐步建成。我國氣象儀器觀測記錄始於19世紀下半葉。據中國氣象局統計，我國具有百年以上觀測記錄的氣象台站有32個，其中上海站的觀測記錄可追溯到1873年。

圖4 中華民國時期各氣象台站氣象觀測報表（圖片來源於中國氣象局）

隨着我國氣象事業的快速發展，地面常規氣象觀測要素實現了包括氣温、氣壓、濕度、風向、風速、雲、能見度、降水、蒸發、日照、雪深、地温在內的多要素全方位觀測。進入21世紀，我國氣象台站逐步實現自動化觀測（圖5），截至2018年底，我國已建成6萬多個自動氣象站，覆蓋95.6%的鄉鎮，數量、密度達到世界第一的位置。2020年3月18日，中國氣象局宣佈，從4月1日起我國地面氣象觀測將實現全面自動化。現代儀器觀測提供了海量的氣象觀測數據，成為記錄和描述現代氣候變化監測和檢測的主要手段。

圖5 陝西鎮安國家基本氣象站——新型自動氣象站建成後的地面觀測場（圖片來源於網絡）

氣候觀測資料存在“大坑”，不可拿來就用

縱觀古今，現代長期器測資料為全面客觀地反映氣候變化事實提供了數據依據。那麼，氣候觀測記錄可否拿來就用呢？答案是否定的。

主要原因之一在於長期氣象觀測序列基本上均受到了一些非自然因素的影響，如氣象台站遷址、觀測儀器變更、人工觀測改為自動觀測、觀測規則變動以及某種氣候變量計算方法的變化等。這些台站沿革信息被詳細記錄在元數據中（圖6），有助於完整了解氣候變化的歷史事實。那麼，這些變化對氣候觀測記錄有什麼影響呢？ 

圖6 各省市基層氣象台站簡史

以氣温序列為例，昆明站於1938年5月遷至太華山，海拔2280米；1946年1月遷回原址，海拔1906米。由於遷址至較高海拔地區，1938-1945年間昆明站氣温較前、後兩個時期明顯偏低（圖7），顯然這種系統性偏差是不合理的。

圖7 1921-1950年昆明站訂正前、後年平均氣温序列（圖片來源於中國氣象局）

我們把這種由於非自然因素造成的，一個觀測序列中某個時段觀測值相對於其他時段存在系統性偏差稱之為非均一性。為儘可能描述氣温的真實變化，我們必須校訂掉序列中的非均一性，此過程稱之為均一化，從而建立均一化序列。

對比昆明站訂正前、後年平均氣温變化趨勢可以看出：1921-1950年原始序列呈-0.48℃/100年的降温趨勢，而訂正後則呈0.39℃/100年的升温趨勢，可見遷址造成的系統性偏差影響了氣温變化趨勢的估計。

在新中國成立後，由於城市擴張、周邊環境變化等原因，多數台站遷址，成為造成氣温序列中非均一性的首要原因。如果把每個台站看做一個“點”，那麼全國就是一個“面”。對比訂正前、後全國545站1960-2011年年平均最高氣温、最低氣温、最低氣温變化趨勢空間分佈來看，訂正後三個氣温指標全國所有台站均呈一致的增暖趨勢，而原始序列中由於非均一性的存在，個別台站呈降温趨勢。可見，非均一性通過影響每個“點”的變化，進而影響全國這個“面”的變化格局。

相對濕度資料中的“大坑”有多大？

隨着上個月“雨水”節氣的到來，我國日照強度增加，氣温回升較快，濕暖空氣開始活躍，空氣中的相對濕度較之前明顯不同。相對濕度對人體健康和熱舒適指數影響較大，夏季桑拿天的悶熱難耐和冬季晴冷天的嚴寒難擋是人體對相對濕度高、低的直觀感知（圖8）。相對濕度亦是霧霾（圖9）、海霧（圖10）等天氣現象發生的重要指徵與相關因子。

圖8 圖片來源於網絡

霧、霾——相對濕度是區別霧、霾的重要氣象要素之一。

圖9 2016年12月20日北京發生霧霾（人民網 尹星雲 攝）

霧霾影響人體健康，降低生產效率。

海霧——在海霧的生成階段和消散階段，相對濕度一般較小，而在成熟階段，相對濕度一般較大，且相對濕度大值中心向上延伸。

圖10 黃海海霧春夏季節多發，青島沉浸海霧中，猶如夢幻之城。

美麗的天空下卻存在隱患，海霧嚴重影響沿岸船舶航行。

由上可知，相對濕度非常重要，那麼相對濕度觀測序列是否也存在非均一性“大坑”？答案是肯定的。自2000年開始，中國相對濕度觀測逐步由人工觀測轉為自動觀測，至2014年已全部實現自動觀測。

國家氣象信息中心對於全國2413個台站月平均相對濕度序列中的非均一性做了檢驗，結果表明：中國地面相對濕度資料存在較嚴重的非均一問題，68%的台站是非均一的，存在一個或多個間斷點。人工觀測轉自動觀測（佔59.6%）、遷站（佔16.8%）和觀測時次變化（佔10.7%）是造成序列非均一的主要原因。

同樣，由於2000年代初全國範圍內實施了自動觀測，1960-2017年逐日相對濕度序列中，大多數台站（91.82%）亦存在一個或多個非均一性斷點，且主要位於潮濕和半濕潤地區。以位於濕潤區的湖南省通道站為例（圖11左），自動化觀測後，原始序列中2003年後呈斷崖式下降，也就是説之前的人工數值系統性偏高，進而造成原始序列呈-0.685%/10年的下降趨勢，顯然此非自然變化；經過訂正後序列則呈現出相反的0.549%/10年上升趨勢。由此可見，我國相對濕度觀測序列中的非均一性是普遍存在的。

那麼，此“大坑”對於全國的影響有多大呢？就全國平均而言（圖11右），2010年之前原始年平均相對序列較訂正後偏高2%左右。從時間變化來看，基於訂正序列得到1960-2017年中國區域平均相對濕度系列幾乎沒有長期變化趨勢[0.006%/10年]，而原始數據則呈虛假的下降趨勢[-0.414%/10年]。

圖11 湖南通道站和全國1960-2017年原始和訂正年平均相對濕度序列

從變化趨勢的空間分佈來看，原始序列中全國大多數台站（79.22%）呈現下降趨勢，主要是由於21世紀初觀測台站自動化導致的。相反，訂正後我國48.66%的台站呈微弱增加趨勢，趨於偏濕，主要分佈在華南、西北和西南；51.34%的台站呈微弱的下降趨勢，趨於偏幹，主要分佈在東北、西北的東部和華北的大部地區。可見，非均一性對我國相對濕度變化的大尺度格局的準確判斷亦產生影響，進而影響應對決策和措施的制定。

綜上所述，長期氣候觀測序列對於氣候變化研究至關重要，但其本身存在非均一性“大坑”，嚴重影響了氣候觀測資料的質量和可靠性，從而對於我國氣候變化的估計造成偏差，甚至歪曲了真實的氣候變化，特別是在局地（站點）尺度上。

因此，對於我們拿到的“一手”氣候觀測資料，不能拿來就用，而是需要經過非均一性校訂後，建立均一化的“二手”資料，從而改善氣候觀測資料的準確性，提高氣候變化趨勢估計的科學性。

來源：中國科學院大氣物理研究所