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大气成分观测业务规范（试行）中国气象局2012年4月引言20世纪80年代以来，中国气象局先后建成了北京上甸子、浙江临安、黑龙江龙凤山三个区域大气本底站和青海瓦里关全球大气本底站。
2004年开始，启动了云南香格里拉、新疆阿克达拉和湖北金沙三个区域大气本底站的科学论证试验、前期建设等工作。
2001年通过实施沙尘暴监测预警服务系统一期工程，逐步建立了基本覆盖沙尘暴源区、主要移动路径、严重影响区的沙尘暴观测站网。
从2005年开始，在沙尘暴观测站网的基础上，又拓展建立了大气成分观测网。
同时，部分省（区、市）气象部门还根据当地气象服务的需要，开展了与大气成分观测相关的环境气象观测工作。
随着我国应对气候变化和各地气象服务工作的深入，大气成分观测已成为气象工作的一项重要内容，为规范和指导大气成分观测业务工作的开展，从2010年开始，中国气象局综合观测司组织开展了《大气成分观测业务规范》编制工作。
本规范从国家和地方气象事业发展和服务需求出发，依据世界气象组织《全球大气观测指南》（Global Atmosphere Watch Measurements Guide）的基本技术要求，在总结多年来大气成分观测业务和科研活动的运行、管理和技术经验的基础上，经完善、总结和提炼而成。
本规范适用于大气本底站、沙尘暴观测站、大气成分观测站等开展的大气成分观测工作，以及各地根据地方气象服务需求开展的大气成分及相关观测工作。
相关的科学研究试验工作可参考本规范。
本规范规定了大气成分观测业务的基本任务、观测方法、技术要求以及观测数据记录的处理方法等。
大气成分观测仪器的具体安装、操作步骤和维护方法以及业务软件的使用方法等由相应的技术手册规定。
大气成分观测中所涉及的地面气象要素的观测要求按《地面气象观测规范》和《基准辐射观测业务规范（试行）》执行，酸雨观测要求按照《酸雨观测业务规范》执行。
本规范由张晓春同志主持编写，陈永清、靳军莉、汤洁、孙俊英、徐晓斌、周凌晞、任芝花、孟燕军、郑向东、车慧正、林伟立、颜鹏、周怀刚、马千里、李菲、许正旭、耿福海、乜虹、何芳、云艳、赵大勇、杨晓武、张宇等同志参加编写。
20世纪数值天气预报主要阶段与关键创新陈正洪;丁一汇;许小峰【摘要】数值天气预报出现是大气科学发展的一个里程碑,也是近代大气科学成为一门精细和定量化科学的一个标志.对其发展阶段和演进过程进行研究和分析,特别指出了20世纪数值天气预报演进中几次重大的原始创新成就.通过阐述数值预报的演进和历史,说明其他交叉学科成果对数值天气预报发展的推动作用,促使20世纪数值天气预报成为复杂的多学科交融的新学科,并进一步演变成更复杂的气候模式系统,其中基础科学与地球观测系统及高性能计算技术的发展起着关键作用.【期刊名称】《广西民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(022)004【总页数】7页(P28-33,76)【关键词】数值天气预报;发展进程;主要脉络;原始创新;启示【作者】陈正洪;丁一汇;许小峰【作者单位】中国气象局气象干部培训学院,北京 100081;国家气候中心,北京100081;中国气象局,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】P456.7数值天气预报是近代大气科学走向建制化的主要标志之一，是目前大气科学中气象预报业务的核心技术，在某种程度上代表一个国家的科技实力.发达国家在数值天气预报上竞争日趋激烈，回顾20世纪其发展历史，发掘重大创新节点，对于这门学科和相关大气科学分支学科都有重要学术价值.1904年V.皮耶克里斯阐述了数值预报的中心问题，[1]指出从原则上说，大气未来的状态完全是由其初始状态和已知边界条件加牛顿运动方程、气体状态方程、质量守恒方程、热力学方程等所决定.他认为如果可以根据物理定律推断空气运动，必须有两个必要并且充分条件：必须知道空气准确的初始状态；必须知道空气从一个状态到另一个状态的准确规律.当时，由于科学技术发展限制，缺少海洋上大气的资料和陆地上高层大气的资料，不过V.皮耶克里斯对此很有远见，认为随着科学技术发展，这两个鸿沟(gap)都将会被解决.为获得大气方程，V.皮耶克里斯假定采取如下步骤：第一，从无摩擦流体方程开始，同时不对流体密度进行假定；第二，从内部存在摩擦的黏性流体运动方程开始发展相应理论；第三，建立自转地球上适合环流和涡旋运动的旋转坐标轴，以此建立理论体系.V.皮耶克里斯这个理论方案的优点是考虑了流体密度取决于温度，同时考虑了地转偏向力的作用，由于地球自转，这显得很重要.他假定了空气中的水蒸气没有变化，是个常量.通过这几个假定，V.皮耶克里斯指出可以算出这7个相互独立的方程，从而计算出7个未知参数来推断空气运动.不过他也担心宇宙中还有很多未知变化影响大气运动，比如彩虹可能会影响空气的辐射和电量.他从思想观念上找出一个简单而又科学的方法来研究空气运动.有了方程，如何计算减少误差，V．皮耶克里斯注重从观测出发，从最初观测状态的数据出发，得到后一个小时的天气图，以此类推，逐步一个小时一个小时前进得到最终预报结果.然而数值天气预报这时还处于“怀胎十月”之中，当时的科学水平还无法满意的解出他所列的方程，其复杂性也不是当初就能预料到的，所以还出现反对天气可以预报的意见，[2]这暗示数值预报的发展将不会一帆风顺，作为一门实践性很强的学科，只有在大气科学的实践发展中形成理论体系才更加可靠.尽管V.皮耶克里斯提出超越时代的数值天气预报思想和实现办法，但由于受到科学技术发展水平和计算能力的限制，其后近20年没有更大发展.火炬的下一棒传到理查森(Lewis Fry Richardson, 1881-1953)手中.这是有着特殊才能的大气科学家，他认为“天气预报建立在假定知道过去大气运动和未来如何运动……过去气象学历史某种程度说是其自身全方位的工作模型”.[3]但是理查森并不看好这种方法，认为过去不能代表未来.这表明理查森对大气的非线性特征有独特而深刻的理解.理查森在1911年开始思考有限差分方法，一战中，理查森研究出中欧地区气压变化计算手册.他开始的数据来自V.皮耶克里斯在莱比锡发表的天气图.他从中抽取离散的格点算出西德某地区气压变率.他使用的差分方法是把全区划分成格点，就像国际象棋棋盘，用有限差分代替空间微商.1913年理查森在英国气象办公室主任(相当于今天英国气象局长)肖爵士(Sir Napier Shaw)的鼓励下，开始深入研究数值天气预报.其研究成果Weather prediction by numerical process这本书1922年由剑桥大学出版社出版.理查森的著作是数值天气预报历史上带有奠基性的重要文献.文中详细叙述了动力学模式、物理过程和数值分析以及计算的实例.这本书出版后，肖爵士大加赞赏，在Nature 上写了书评，并写信给理查森，认为是“关于气象预报方面的巨著”.从对这本书的文本分析来看，总的来讲，理查森对数值天气预报有全面深刻系统而且长远的想法，对所有环节和计算流程有着详细论述，既有对当时最新文献和观测数据的深刻把握，也有对未来技术发展和学术思想延展的合理外推，更有许多原创性思想，包括差数方程式的选择、热动量以及水汽的乱流输送作用、平流层的影响等等.他还进行了数值天气预报的实验，但限于条件，实验并未成功.理查森的思想具有超越时代的重要意义，在于把大气科学从描述性和经验性向着定量化发展，大气科学只有建立在实验物理学和流体力学的基础上，强调其中各种物理过程和动力过程及其相互作用，才能使大气科学像物理化学等其他科学一样，成为真正意义的科学.[4]也许理查森的理想超出时代太多，他的这本杰出文献出版后的几十年并没有受到太多重视.理查森的实验正是人类探索非确定性世界观的努力表现，其学术意义对大气科学未来发展有深远影响.所以理查森被说成“数值天气预报之父”.[5]理查森的初次数值天气预报实验失败了，很大程度上归咎于计算技术，当物理的基础问题有所解决，特别是动力学模式的控制方程解决后，接着的问题是如何在数学上求解以及如何使计算的速度大大超过天气变化的速度.1928年，Courant, Friedrichs和Lewy三人提出了对于线性方程初值问题不稳定的解决办法.[6]这篇文章也是数值预报历史比较重要的文献，引用率有一千多次.作者指出在进行数值计算时，水平网格距与时间步长不能相互无关联地任意取值，而是应满足一定的相互依赖关系，这就解决了Richardson碰到的计算不稳定问题.即：当线性计算满足以下条件时，计算可以保持稳定.≤1 或这就是CFL条件，这表明，在进行线性计算时，为使计算稳定，作差分计算时，外推的时间步长必须小于波动通过空间格距所需要的时间.打个比喻，量尺刻度必须小于被测量物体的长度.对于慢波，如大气长波、超常波等，波速较小，因此，时间步长可以取得大一些；而对于快波，如声波、重力波，波速快，则时间步长只能取得很短，因此要完成一个预报，要作更多步的计算.只要时间步长和空间步长满足一定的限制，构造的方程格式计算就是稳定的，这个思想对原先理查森的数值预报有重要改进和现实意义.一方面，可以明确动力方程修改的方向，而不是在所有项上进行修改，可以提高预报精度和准确性.另一方面，可以有选择地对某些项进行计算，减少计算量，从而更有可能在实际业务中得到应用.1939年，Rossby等在高空天气图上发现了北半球中纬度高空西风带中存在有长达数千公里的波动，[7]这些波动除有自身的结构和运动规律外，还与地面上的锋面气旋存在内在的联系.Rossby在静力近似和水平无辐散的假定下，用小扰动法对涡度方程线性化，推出了著名的Rossby长波公式，通过各种近似假设把其他波动滤去，而得到了一个具有天气意义的长波公式，大大促进了Charney过滤方程的建立.[8]苏联气象学家基别尔(H.A. Кибелъ, 1904-1970)对数值预报做出重要贡献，他是苏联数学、流体力学、气象学家，1940年首次成功得出大气热力和动力学方程组的解，提出“准地转模式”(quasigeostrophic model)，并研究了涡旋运动.[9]基别尔利用手摇计算机大约半天完成了苏联和欧洲部分国家的24小时天气预报图，结果比较接近实况.[10]随后他在求解大气动力学诸多问题上做出了重要贡献，如地转适应、中尺度气象学等.[11]1948年至1950年，Charney等人的工作导致了“数值预报的复兴”.[12-15]Charney吸取了理查森的失败经验，在Courant和Rossby等人的工作影响下，证明了在准地转或准无辐散并且满足静力平衡的条件下，可以从大气运动方程中滤除声波、惯性重力外波和内波，之后推导建立了“过滤”模式.他大胆地提出以一层空气简要代表整层大气运动的构思，建立了正压模式.正压原始方程模式是最简单的原始方程模式.两个假定：1)假设大气均匀不可压缩的流体，密度为一常数.流体的上界面为一自由表面.2)大气是正压的，即初始时刻风不随高度变化.据此，Charney推出了正压原始模式方程组：初始条件按Charney 设计的理想场给出.[16]Charney提出的准地转模式过滤了短期的重力波和声波，减少了计算量，同时需要两个历史条件得到满足，一是高性能计算机的出现，二是相当完善的高空台站网，这个站网在二战结束后不久就建立起来.其中高性能计算机与冯·诺依曼(John von Neumann，1903-1957)直接相关，他作为20世纪最重要的数学家之一，在现代计算机、博弈论等诸多领域内有杰出建树.冯·诺伊曼认为天气预报是可以用大型计算机完成的重要科学问题，通过使用电子管模拟计算大气动力从而进行预报.为获得计算结果他列出三个前提：第一，全新的天气预报计算方法；第二，物理测量和观测新的合理基础是可靠的；第三，影响天气模式计算的第一步是可以做到的.这三个前提在当时基本上都已达到. ENIAC数值预报实验取得成功后，很快就运用到日常天气预报业务中.1954年7月，美国气象局的联合数值预报中心(The Joint Numerical Weather Prediction Unit/JNWPU)建立，主要服务于美国空军、美国气象局、海军(图1).过滤模式由于消除了高频波，其实也就影响了真实的大气动力性质，随着计算机能力增长，回归原始方程是历史必然.因为滤波模式把重力波滤只是反映了大气大尺度的规律，对于中小尺度强对流天气，要把中小尺度天气过程预报出来，还必须回到原始方程.实际上，在准地转模式占主导地位期间，对原始方程模式的研究和使用并未中止，包括Charney本人.索耶指出准地转模式主要缺点就是仅能描述大尺度天气系统，1000公里是其描述的最低尺度，而很多重要天气系统与天气扰动处于1000公里以下，这使得人们重新回到原始方程.[18]准地转模式滤去了重力波，而原始方程则包含了长波和重力波(快波)，为使计算稳定，更好地刻画大尺度运动的变化，回归原始方程的要点在于避免重力波的虚假产生和增长.回归原始方程要考虑对于理想气体几个空气守恒的性质，包括动力守恒、能量守恒、干空气质量守恒、湿度守恒等.第一，要对初值场进行处理，必须抑制初值中重力波的能量及其在初始时段的增长.第二，一般情况下积分的时间步长可以取足够小，以满足CFL条件.对于线性方程，前已述及，其计算稳定性判据是CFL条件.而原始方程是非线性方程，对计算稳定性十分敏感，它得以在数值预报中顺利应用的另一个重要保证，是非线性计算不稳定(Nonlinear Computational Instabillty/NCI)的发现及其对策——“物理守恒格式”的构建和应用.NCI的发现始于Phillips的工作.他在1956年前后，用数值试验方法研究大气环流，并发表了他的著名论文.在其研究过程中发现，尽管积分所取时间和空间步长满足线性CFL判据，但模式长期积分有时仍会出现不稳定.对此，他深入探究.这最终导致“非线性计算不稳定”概念及其机理的提出，而其论文的发表，已是1959年了.[19]大气科学是不确定性现象最典型的领域.尽管在皮耶克里斯、理查森和Charney等气象学家的努力下，数值预报把不确定的空气运动朝着确定性方向大大推进一步.气象界似乎有了更多的信心，只要一直努力下去，借助无限增长的计算机速度，数值预报可以预报未来任意时刻的天气，然而事实并非如此.洛伦茨及其混沌理论的提出宣告数值天气预报存在极限.数值天气预报学科遇到建立以来最严重的危机. 洛伦茨经过认真研究，提出数值天气预报对于初值的极端敏感性.[20]他用简化为3个自由度的确定论方程来模拟天气变化，进行数值实验的结果, 即使最初两个数值无限接近，发现在一定条件下，积分到一定时间阶段，会进入一种区域(被称为奇异吸引子).最初接近的初始值会得出两个毫不相干的积分值.这表明气象非周期性变化的轨道十分不稳定, 大气状况“初始值”的细微变化, 都足以使其轨道全然改观(图2).根据洛伦茨对流方程中的数值实验，图2中最上面图表示时间函数在第1000个循环时图形，中间是第2000个，下图(图2下方 )是第3000个.从中可以看出，随着时间流逝，非周期性逐渐增强.从确定性的波动变成不可预测的非周期流.混沌理论也被看成是在20 世纪发生的第三次科学革命, 它同相对论和量子力学这两次革命一样, 彻底颠覆了牛顿经典物理观.混沌理论不仅使大气动力学大大发展，而且使得数学、物理学，甚至生物学、工程技术也得到非常大的发展，并产生很大的突破.洛伦茨的论文重要意义还在于表明长期天气预报不可能准确，大概可预报时限是2周左右.[21]1963年洛伦茨发现混沌现象后，气象学家就开始思考如何降低预报的不确定性.1969年，Epstein首先提出动力随机预报方法，用于尝试解决数值预报初值敏感性问题.[22]1974年Leith提出蒙特-卡洛方法，就是用一个随机函数产生的扰动形成的初始场进行集合.[23]现在集合预报思想与此类似.集合预报就是承认天气预报存在极限的情况下，研究如何延长“寿命”的手段.反映了气象学家对于数值预报初始值重要性和大气科学本质的进一步认识.一个模式预报带有某个范围的不确定性，多个模式集合再取平均值，其预报时效和预报效果从概率上来讲比单枪匹马的单个预报要好，因此集合预报应时而生.集合预报的出现，表明在大气科学领域，“真理往往掌握在多数人手里”，而且没有合作就没有进步.在这个阶段，数值天气预报学科逐渐走向成熟.集合预报突破初值必须确定的观念，认为初值可以不确定，初值是某种概率密度函数，天气预报问题是大气在相空间中合适的概率密度函数随时间的演变.[24]为解决初值问题导致的预报不准确，1992年，美国NCEP和欧洲中心ECMWF开始了中期集合预报，表明集合预报开始成熟并开始业务化.[25-26]集合预报达到两个主要目标，一是在预报的前几天更加准确，因为不同模式预报得出结果好于单个模式；二是提供了预报后几天的发展方向的可能性与可靠性.由于集合预报对某些气象要素变化的可能范围或发生某种天气的概率预报提供了合理依据，并为有关部门应付可能出现的天气情况提供参考.所以集合预报改变了统计预报在中、长期天气预报中一直占主导地位的局面，在中、长期气象要素的预报中起重要作用.另一方面，这些成果揭示了预报各类天气系统与初值条件有关的不确定性，改变了预报员习惯于模式确定性预报的意识和理念.数值天气预报的基本原理可以应用到气候的预测和预估上，也就是气候模式，不过要考虑的问题更加复杂，20世纪70年代气候模式只是大气模式，80年代加入陆面模式，到90年代末，出现海—陆—气耦合模式，并包含了硫化物循环，及非硫化物循环模式和动态植被模式.当前气候模式包括了碳循环和硫化物与非硫化物气溶胶作用，未来动态植被或生态模式可能置入气候模式，更高级阶段就是地球系统模式.这对计算机的要求会不断提高.基于物理规律的数值预报理论的发展，使人类可以利用计算机重现或预测发生在自然界的天气变化过程，这是地球科学由“定性”走向“定量”的重大进步.2004年，WMO主席雅罗指出“数值天气预报质量和准确性的大大提高，是20世纪下半叶所有科学分支中的主要成就之一”.[27]全球大气研究计划中的THORPEX科学计划报告指出“数值预报的成功是20世纪最重大的科技和社会进步之一”.[28]目前以数值模式为核心的数值预报整体水平是国家气象综合科技水平的集中体现和一个标志，某种程度也是国家科技实力的一个标志.20世纪数值预报学科发展演进研究正是希望可以对当下数值预报和未来大气科学发展提供一些历史视角和有益启示. 第一，数值预报仍然普遍存在不同程度误差.数值天气预报通过物理方程和数学计算刻画大气状况，误差成为不可避免的难题.也许可以说数值预报全体系都存在不同程度误差.使用数值模拟来代替物理实验进行研究时，结果不可避免地会受到误差的影响，通常有四种误差来源会对模拟结果有影响：数学模型的误差、初值的误差、差分格式带来的截断误差(也称为离散化误差)、计算机的舍入误差.大气模式是一个离散化的数值模型，存在物理意义和数学意义上的近似，数值预报模式所描述的大气过程并非真实的大气过程，模式大气与真实大气存在误差.而这种数值模式的预报误差随着模式积分时间的延长而增加.[29]第二，大气可预报性存在极限.大气不同于刚体，非线性系统总是存在规律约束范围.大气运动状态不可一直预报下去，这将导致从确定性预报走向概率预报，洛伦茨认为时效可以超过5天，但不管模式如何完善和观测如何精确，混沌本性使得天气预报极限是2周左右.[30]集合预报的出现有可能延伸洛伦茨所说2周预报极限，特别是对热带海洋和陆地影响的预报，一个例子是对ENSO预报，承认混沌情况下，仍然可以提前1年甚至更长时间进行较准确预报.不过不管怎样改进，预报存在“天花板”效应，终究存在极限.第三，21世纪数值预报仍将是大气科学发展的核心.将来的大气科学包括数值预报将会逐步融合其他科学的内容，从物理到计算将会有更多科学方法和技术吸收到数值预报中.特别是计算数学，越来越模式化，不需要从头开发，这对于数值预报来说是个重大的研究范式的变化，可以把更多精力用于物理规律的研究，同时也是重大的挑战，因为在模块化的研究框架下，非气象专业的科学工作者也可以直接进入数值预报的前沿阵地.因此数值预报包括大气科学就需要不断从外围科学吸收养料，占用的资源和参与的人数会愈来愈多.就像曼哈顿工程一样，数值天气预报将从一门小科学变成大科学.21世纪数值天气预报将会更加深刻的影响预报业务，比如中国暴雨的中尺度数值预报就是一个重要的发展领域.[31]第四，数值预报演进反映了创新的驱动和学科交叉的驱动.20世纪中叶，Charney等人的工作导致了“数值天气预报的复兴”.要报准实况天气不是增加对大气所有现象的刻画，而是如何“精简”和“过滤”，这就是新的发展模式.这一阶段与数学家求精求准的理念背道而驰，气象学家把天气方程的右边不断抛弃若干项，不管方程左右是否平衡，只管计算出影响天气的主要矛盾，数值天气预报反而可以从纸面走向实际应用了.Charney和另外两位科学家运用这种简化范式计算出了历史上第一张数值预报天气图，成为里程碑式贡献.之后气象学家们运用这种简化范式不断取得更大成功.1963年，洛伦茨发现了确定性非周期流，提出了数值天气预报对于初值的极端敏感性，也就是初始计算哪怕无限小的差异都会导致一定时段后巨大差距，这表明长期数值天气预报不可能准确.长期天气现象不可预报不仅在于物理规律的不可逾越，而且在于计算机技术的限制.尽管今天科学技术日新月异，但是预报精度和时效的提高越来越难，几乎每十年才能提高一天时效.数值天气预报的发展历史和洛伦茨的混沌理论表明在大气科学领域，创新的驱动和科学与技术结合的驱动对于学科发展至关重要.未来数值预报乃至大气科学发展必须更加依赖创新，特别是原始创新.这种创新经常来自于科学和技术的交叉融合.第五，走向数值天气-气候预报体系.如果把数值天气预报积分时间无限延长，就可以对气候进行数值预报.气候模式已成为预测全球气候变化的主要工具.从未来预报时效、原理和方法上区分气象预报可分为三种类型：天气预报，短期气候预测和气候变化预估.气候预测需要考虑大气层上下边界的外强迫作用、五大圈层的相互影响等，不确定性很大，只是告诉人们未来可能的气候变化趋势与变化范围.但是有理由认为将来会构建从“短临-短时-2周天气-短期气候-气候变化”这样一个数值预报谱系，形成数值天气-气候预报的无缝隙预报系统.【相关文献】[1]Bjerknes, V. Das Problem der Wettervorhersage, betrachtet vom Standpunkte derMechanik und der Physik[J]. Meteor.Zeits.1904, 21：1-7.[2] Margules, M. Über die Beziehung zwischen Barometerschwankungen und Kon-tinuitätsgleichung[J]. Ludwig Bol tzmann Festschrift. Leipzig, J A Barth. 1904：930.[3] Richardson L.F..Weather Prediction by Numerical Process[M]. Cambridge University Press, Cambridge, 1922, Reprinted by Dover Publications, New York, 1965.[4] 梅森B.J.，纪乃晋译.气象学的未来发展—到公元2000年展望[J].气象科技，1973(2)：1-10.[5] Thomas T. Warner，Numerical weather and climate prediction[M].Cambridge University Press，2011.[6] Courant,R., K. Friederichs and H. Lewy. Uber die particllen Differentialgleichungen der inathcmatischcn Physik[J].2fnfh. AWL, 1928,100：32-74.[7] Rossby C G. Relation between variations in the intensity of the zonal circulation of the atmosphere and the displacements of the semi - permanent centers of action[J]. J Mar。
2018年国家级空气质量主客观预报TS评分对比检验张天航;迟茜元;饶晓琴;王继康;张碧辉;徐冉;江琪;栾天【摘要】目前对空气质量主客观预报效果的对比检验较少,为了解国家级空气质量主客观预报性能,利用预兆评分(threat score,TS)检验了2018年中央气象台主客观预报效果.结果表明:2018年,主(客)观预报对全国轻度及以上污染TS评分、空报率和漏报率分别为0.23～0.34(0.24 ～0.26)、0.37 ～0.43(0.39 ～0.41)和0.58 ～0.72(0.68 ～0.71).说明主观预报整体上优于客观预报,但客观预报能力已接近主观预报.主客观预报的评分均在污染较重地区(京津冀及周边、汾渭平原、华中和长江三角洲地区)高于污染较轻地区(西北、西南、珠江三角洲和东北地区),在污染较重的冬季高于清洁的夏季.随着预报时效的延长,主观预报TS评分呈下降趋势,但客观预报TS评分变化不大.在污染较重的冬季,48和72 h时效客观预报TS评分高于主观预报.此外,在2018年5次重污染天气过程中,主(客)观预报对轻度、中度和重度污染的TS评分分别为0.39 ～0.57 (0.43 ～0.46)、0.22 ～0.46(0.25 ～0.30)和0.10～0.34(0.10～0.18),主观预报TS评分高于客观预报的情况占了3次.随着预报时效的延长,客观预报表现更加稳定,说明客观预报能在污染过程中为预报员提供稳定参考,但对污染高值的预报能力仍需提高.【期刊名称】《环境工程技术学报》【年(卷),期】2019(009)003【总页数】10页(P213-222)【关键词】空气质量;主客观预报;TS评分【作者】张天航;迟茜元;饶晓琴;王继康;张碧辉;徐冉;江琪;栾天【作者单位】国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;国家气象中心,北京100081;中国气象科学研究院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】X513空气质量客观预报是指通过统计预报或数值预报方法自动生成的空气质量预报，或在其基础上结合预报时刻前一段时间预报和观测之间偏差自动生成的订正空气质量预报[1-2]。
大连市气象局业务内网的设计与实现作者：孙悦程王洪祥张悦等来源：《农业开发与装备》 2018年第10期摘要：随着气象现代化建设的快速发展，建设大连气象局一体化的业务内网显得尤为必要。
大连市气象局业务内网建立的宗旨是在原有的各种气象业务系统的基础上，采用GIS技术，综合集成探测数据、行业数据、气象预报产品、气象服务产品等数据，完成对大连气象局所有重要业务数据的显示。
目前，业务内网平台涵盖了气象大数据、探测数据、预报产品、服务产品、行业数据等13大核心业务栏目，近百种业务产品，对各类气象业务起到了极大的支持作用。
关键词：数据；气象业务内网；GIS0引言随着大连气象现代化建设的快速发展，大连气象新增探测资料、数值化预报产品、各类气象先关行业数据日益增多，业务产品的可视化集中展示需求越来越迫切。
2010年以来，大连市气象局建成了气象信息综合显示系统，对探测数据进行了一定的整合，该系统对提高气象业务现代化起到了推动作用。
但是随着气象业务需求和信息化水平的不断提高，对气象信息综合显示提出了更高的要求。
1总体设计大连气象业务内网以CIMISS数据和大连气象综合数据库为数据源，通过大连气象私有云虚拟化服务器为硬件载体，采用MVVM前台技术框架和SpringMVC后台技术框架，通过WebGIS数据可视化技术，实现大连气象综合大数据展示。
图1大连气象业务内网逻辑架构业务内网总体采用三层架构：数据存储层：该层为气象业务的所有上层业务子系统提供面向气象业务的数据集合。
通过CMISS获取的数据都是通过CMISS接口来获取数据，大连本地特有的业务产品通过大连气象综合数据库来提供。
应用逻辑层：以业务为中心，更多聚焦于气象业务，主要负责实现数据的挖掘与处理分析。
服务接口层。
接口层主要负责与外部系统的对接。
主要包括：数据访问接口、推送服务接口、地图访问接口。
应用系统层：应用系统层主要负责向用户提供友好、简洁、方便的用户界面（图1）。
1附件四川省空气质量自动监测网络管理及预测预报运行支撑系统建设方案四川省环境监测总站2015年01月目录一、项目概述 (2)二、编制依据 (3)三、需求分析 (3)3.1 空气质量自动监测网络管理的迫切需要 (3)3.2 预测预报平台的业务需求 (4)四、建设必要性 (4)五、建设目标与原则 (5)5.1 建设目标 (5)5.2 建设原则 (6)5.2.1 整体效益最优原则 (6)5.2.2 可持续发展原则 (6)5.2.3 系统规范标准、可扩展 (6)5.2.4 安全性原则 (6)5.2.5 开放性原则 (7)六、建设框架 (7)6.1省级中心站建设 (8)6.2分流备份站建设 (8)七、运行支撑内容 (9)7.1 空气质量自动监测网络管理运行支撑内容 (9)7.2 空气质量预测预报平台运行支撑内容 (14)八、建设内容 (16)8.1 空气质量自动监测网络管理运行支撑系统建设 (17)8.2 空气质量预测预报运行支撑系统建设 (19)九、社会经济效益 (21)十、预期效果 (22)10.1 建设成服务于全省的空气质量自动监测网络管理及预测预报业务运行支撑系统 (22)10.2促进智能环保的进一步实现 (22)一、项目概述四川省开展空气自动监测起步较早，从上世纪80年代我省就开始了研究性的空气自动监测工作，至2007年全省市（州）及重点县级市全部实现了空气自动监测并纳入省控环境空气自动监测网络管理。
目前，我省21个市（州）共布设省控以上环境空气质量监测点位148个。
其中省控以上城市监测点位128个，农村区域站点位16个，背景站2个，质控站1个、综合监测站1个。
这些点位的功能性质包括：城市和农村环境质量评价点、空气质量对照点及空气质量背景点。
到2015年底，全省183个县（市、区）还将建成约100个省控城市子站。
2008年我省建立了省级空气自动监测数据网络管理平台，该平台实现了省级环境空气质量监测网络的数据实时采集、管理及统计、分析和发布。
气象数据同化技术及其应用研究气象数据同化技术是现代气象学中一项至关重要的手段，它能够将不同来源、不同精度的气象观测数据与数值天气预报模型相结合，从而提高天气预报的准确性和可靠性。
在当今社会，天气预报对于人们的日常生活、农业生产、交通运输、能源供应等众多领域都具有极其重要的意义。
因此，深入研究气象数据同化技术及其应用，对于提升气象服务水平、保障社会经济发展具有不可忽视的作用。
气象数据同化技术的基本原理是通过一定的算法和数学方法，将观测数据融入到数值模型的初始场中，以改进模型的初始状态，进而提高预报的精度。
这一过程就好比给模型“注入”了新鲜准确的血液，使其能够更真实地模拟大气的演变过程。
在实际应用中，气象数据同化技术面临着诸多挑战。
首先，观测数据本身可能存在误差和不确定性。
例如，地面气象站的观测可能会受到地形、建筑物等因素的影响，而卫星观测则可能受到云层遮挡等问题的干扰。
其次，数值模型也并非完美无缺，模型的物理过程参数化、分辨率等方面都可能存在偏差。
此外，如何有效地处理海量的观测数据和复杂的模型计算，也是一个亟待解决的问题。
为了应对这些挑战，科研人员不断探索和创新，发展出了多种气象数据同化方法。
其中，较为常见的有最优插值法、卡尔曼滤波法和变分法等。
最优插值法是一种较为简单直观的数据同化方法。
它基于观测数据和背景场之间的误差统计特征，通过线性加权的方式将观测数据融入到背景场中。
然而，这种方法对于非线性的气象过程处理能力有限。
卡尔曼滤波法则是一种基于动态系统状态估计的方法。
它能够有效地处理随时间变化的系统状态，并考虑了观测数据和模型预测的不确定性。
但卡尔曼滤波法在实际应用中计算量较大，对于复杂的气象模型可能不太适用。
变分法是目前应用较为广泛的一种数据同化方法。
它通过构建一个目标函数，将观测数据和模型模拟之间的差异最小化，从而求解出最优的模型初始状态。
变分法在处理大规模数据和复杂模型时具有较好的性能，但求解过程往往较为复杂，需要较高的计算资源。
卫星辐射率资料云参数直接同化试验研究的开题报告题目：卫星辐射率资料云参数直接同化试验研究背景：气象预报在近年来得益于各种新技术和数据源的发展，取得了很大的进展。
其中，卫星遥感资料在气象预报中扮演了不可替代的角色。
卫星遥感资料可以监测全球气象、气候变化，对于预报强天气现象、短时预报等方面都有较好的应用。
其中，卫星辐射率资料是云参数同化中最常用的资料之一。
然而，目前大多数极性轨道卫星上搭载的资料都是间接探测的资料，不能直接测量云参数，需要通过复杂的云辐射传输模型计算得到。
这些云辐射传输模型的精度直接影响到云参数同化的准确性。
为了提高卫星辐射率资料的同化精度，需要进行云参数直接同化试验研究。
研究内容：本研究将利用卫星辐射率资料和观测数据，建立云参数同化方法，通过改进云辐射传输模型，将卫星辐射率资料直接同化到数值天气预报模型中。
具体研究内容包括：1.建立卫星辐射率资料的同化方法；2.改进云辐射传输模型，提高同化精度；3.设计同化实验，验证云参数直接同化的效果；4.对直接同化和间接探测同化进行对比分析；5.研究卫星辐射率资料在气象预报中的应用。
研究意义：本研究可以提高卫星辐射率资料的同化精度，为气象预报提供更准确的云参数信息，提高气象预报的准确性。
同时，改进的云辐射传输模型和同化方法在其他气象遥感数据同化中也有重要的应用价值。
研究方法：本研究采用数值模拟、同化方法和对比分析等方法进行研究。
具体步骤如下：1.准备卫星辐射率资料和观测数据；2.建立同化方法，将卫星辐射率资料直接同化到数值天气预报模型中；3.改进云辐射传输模型，提高同化精度；4.设计同化实验，对同化结果进行评估；5.对比分析直接同化和间接探测同化结果。
研究进度：目前，已经完成了文献调研和数据收集的工作。
下一步将进行同化方法的建立和云辐射传输模型的改进。
预计完成本研究需要6个月时间。
空气质量数值预报同化卫星资料技术指南（试行）一、编制目的为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，推进我国环境空气质量预报技术体系建设，规范和指导面向数值预报同化的卫星资料获取与应用，制定本指南。
本指南由中国环境监测总站组织制定，主要起草单位为中国科学院遥感与数字地球研究所。
二、适用范围本指南规定了面向空气质量预报同化应用的卫星遥感资料主要内容、获取方法、数据来源、质控要求与输出方式等内容，适用于环境监测部门基于卫星资料进行空气质量预报应用的相关工作。
三、规范性引用文件本指南内容引用了下列文件中的条款。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本指南。
GJB 421A-97卫星术语GJB 2700-96卫星遥感器术语GB/T 14950-94 摄影测量与遥感术语DZ/T 0143-1994卫星遥感图像产品质量控制规范GJB4031-2000航天遥感数字图像产品存储条件GJB3435-98信息交换用图像数据格式规范ANSI X9.100-181-2007图像交换用TIFF格式的规范四、可用于数值模式同化的卫星资料基于目前区域空气质量数值模式的观测需要和卫星定量遥感反演的精度水平，建议用于模式同化的卫星资料包括：卫星真彩影像、气溶胶光学厚度、NO2垂直柱浓度、生物质燃烧火点等几类产品。
（1）卫星真彩图1)监测原理根据人眼成像习惯，基于卫星在可见光谱段的红（660nm附近）、绿（550nm 附近）、蓝（470nm附近）三波段获取的表观反射率图像，合成三波段真彩色图像。
2)信息内容以符合人眼视觉视觉习惯方式真实反映大气、地表、水体的表观情况，能够使预报员快捷、直观地获取污染范围、强度以及云、雾等定性信息，同时结合连续时相的真彩影像比较及气象风场等辅助信息，对污染气团的运动轨迹做出判断，为模式预报提供重要参考信息。
3)数据来源极轨卫星：为支持大区域范围模式预报，选取具有每日全国覆盖能力的中分辨率卫星数据生成真彩影像，包括FY-3 A/B卫星MERSI、Terra/Aqua卫星MODIS、Suomi-NPP卫星VIIRS；静止卫星：同时还可以选取覆盖我国全部或大部分地区的中分辨率多光谱静止卫星，如Himawari-8卫星的AHI、COMS卫星的GOCI等；我国新一代FY4卫星上的多通道扫描成像辐射计，可提供1-2km空间分辨率的假彩色合成影像（红-近红外波段），也具有较高参考价值。
4)时空分辨率空间分辨率：0.5~2公里时间分辨率：0.5小时~1天5)文件格式输入格式：作为栅格文件方式存储，包括HDF、TIF、IMG等输出格式：带有空间地理信息的栅格文件格式，如GeoTIFF（2）气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）1)监测原理AOD是整层大气内气溶胶消光系数在垂直方向上的积分，是目前卫星能够获取关于气溶胶含量最主要的信息来源。
目前国际上主流的AOD反演方法包括暗像元（Dark Target）算法和深蓝（Deep Blue）算法。
二者反演原理均包括两个关键环节：一是基于特定地物（如浓密植被）反射率在不同波段的经验关系或事先构建的地表动态反射率库，实现卫星观测信号中气溶胶与地表贡献的分离（即地气解耦）；二是基于辐射传输模型构建包括AOD在内的气溶胶微物理、光学特性与大气层顶表观反射率的对应关系，基于卫星当前观测实现对应的AOD反演。
2)信息内容AOD的物理定义为气溶胶消光系数在垂直方向上的积分，尽管是无量纲的光学参数，但可以定量表征大气内气溶胶的多少，是反映污染水平、估算气溶胶辐射强迫等应用的最主要输入；在气溶胶垂直分布较为稳定的情况下，AOD在一定程度上还能反映近地面颗粒物的含量，因此也被作为近地面PM10/PM2.5卫星估算最主要的输入信息。
3)数据来源极轨卫星：为支持大区域范围模式预报，选取具有AOD反演能力、每日数据覆盖的中分辨率卫星数据，以确保预报模式的日常应用需要。
目前可用卫星主要包括FY-3 A/B卫星MERSI、Terra/Aqua卫星MODIS、Suomi-NPP卫星VIIRS。
静止卫星：选取可覆盖我国全部或大部分地区、且具备AOD反演能力的中分辨率多光谱静止卫星数据，如FY-4卫星的多通道扫描成像辐射计、Himawari-8卫星的AHI、COMS卫星的GOCI等。
4)时空分辨率空间分辨率：0.5~2公里时间分辨率：0.5小时~1天5)文件格式输入格式：作为栅格文件方式存储，包括HDF、TIF、IMG等输出格式：带有空间地理信息的栅格文件格式，如GeoTIFF（3）热异常点1)监测原理根据普朗克定律及维恩位移定律，高温火点等热异常地物在中红外波段发射的能量远高于常温地物，但二者在热红外波段的差异不大，基于中红外和热红外波段辐射强度的差异特征，可从常温地物中提取出潜在火点。
进一步通过比较潜在火点与周围常温像元热辐射差异，去除高亮地物、太阳耀斑等虚假信号的影响，从而提取出包含高温热异常信号的火点像元。
基于上述原理，利用卫星在中红外(如3.7~3.9μm附近)、热红外（如11μm附近）及可见光-近红外波段的观测数据，结合地表分类信息，可实现秸秆焚烧火点的卫星探测。
2)信息内容主要的信息包括热异常点所在像元的位置、卫星过境时间、地表类型、辐射能量及基于与周边环境差异等信息推算出来的信度值。
利用这些信息，能够直观获取不同类型生物质燃烧（秸秆焚烧、森林/草原火灾）的空间分布、强度变化等信息，能够为排放清单的动态更新提供关键支持，支持区域空气质量预报的高精度估算。
3)卫星数据来源极轨卫星：选取具有热异常点探测能力、每日数据覆盖的中分辨率卫星数据，目前主要包括FY3 A/B卫星MERSI、NOAA系列卫星的A VHRR、Terra/Aqua 卫星MODIS、Suomi-NPP卫星VIIRS；其中以MODIS、VIIRS的热异常点探测算法应用范围最广，更适合于模式预报应用。
静止卫星：选取可覆盖我国全部或大部分地区、且具备火点探测能力的中分辨率多光谱静止卫星数据，目前主要有FY-4卫星的多通道扫描成像辐射计和Himawari-8卫星的AHI。
4)时空分辨率空间分辨率：0.5~2公里时间分辨率：1小时~1天输入格式：作为栅格文件方式存储，包括HDF、TIF、IMG等输出格式：包含热异常点位置等属性信息的文本、表单或数据库文件（4）NO2柱浓度1)监测原理大气中的NO2含量与氮氧化物排放量密切相关，因此是卫星定量描述人为排放强度、污染时空变化的主要指标之一。
NO2与O3、SO2等均为痕量气体，较少的含量使得其贡献在卫星接收到的信号中占比微小。
目前国际上主流的反演方法，是充分利用NO2在可见光波段的特征吸收光谱（指纹信息），基于差分吸收光谱算法（DOAS, Differential Optical Absorption Spectroscopy）实现对地表反射、气溶胶散射等强信号的去除，最终提取整层大气内NO2的柱浓度信息。
2)信息内容目前卫星反演的主要产品为对流层内NO2的垂直柱浓度，单位通常为molecules / cm2，即每单位面积上大气柱内的总分子数。
由于NO2较短的生命周期和与人为排放较高的相关性，NO2柱浓度被广泛用于校正或自上而下的反演氮氧化物的排放清单，提供更为丰富、真实的时空变化信息，也是目前可用于预报模式同化的主要产品。
3)卫星数据来源极轨卫星：选取具有紫外至可见谱段高光谱分辨率载荷、及每日数据覆盖的卫星数据，目前主要包括Aura卫星的OMI、MetOp系列卫星的GOME-2、Suomi-NPP卫星的OMPS等。
静止卫星：应选取覆盖我国或至少中东部地区、具备NO2反演能力的卫星数据，目前尚无在轨运行的适宜卫星；韩国设计制造的GEMS（Geostationary Environmental Monitoring Spectrometer) 卫星，预计2017~2018年发射，可覆盖东亚大部分地区。
4)时空分辨率空间分辨率：10~20公里时间分辨率：1小时~1天输入格式：作为栅格文件方式存储，包括HDF、TIF、IMG等输出格式：带有空间地理信息的栅格文件格式，如GeoTIFF五、卫星资料获取方法目前上述用于空气质量模式同化的卫星资料通常可通过以下几种方式获取：1)卫星数据直收针对特定卫星直接广播或中转下传的数据，建立对应的数据直接接收系统，实时或准实时的接收卫星观测的原始数据，在本地解码处理后进行遥感定量反演，生成可用于模式同化的高级遥感产品。
数据直接接收系统主要包括天线、信号转换、数据解码、遥感反演和数据存档等功能模块。
卫星数据直收方式具有最短的数据获取周期，能够实时或准实时获取用于模式同化的卫星定量反演产品，有效保障观测信息的时效性。
考虑到其较高的建设成本及维护的复杂性，建议一般由省级以上环境监测部门建设运行。
2)远程数据推送针对地方监测部门应用需求和实际的数值模式条件，由具有高效、全面卫星数据接收能力的第三方机构接收卫星数据并进行定量反演，然后的将所需卫星产品通过高速网络准实地传输给应用部门，用以支持后者的空气质量模式预报同化。
远程数据推送也具有较短的获取周期，准实时的遥感产品推送能够多数空气质量预报模式的时效性需要。
同时，能够根据实际的业务需要和区域特点定制个性化的推送服务，成本适中，较适合地市一级应用部门的模式同化需要。
3)网站后期下载目前国内外多数大气环境遥感卫星的数据产品都可以在其官方网站上免费下载，包括上述四类卫星资料中列举的卫星载荷数据。
但由于其官方机构数据处理、存档和网站维护等限制，不同的遥感产品在网站上能够下载通常有一天至十多天的滞后，或数据覆盖区域及总的下载量有限制，难以满足业务空气质量预报的同化需求，但可以作为污染过程后报分析或阶段性区域排放清单的校正与更新。
六、质控与应用要求1)数据产品精度卫星资料的定量反演精度是影响模式同化效果的重要因素，应在满足数据空间分辨率和覆盖、数据时效性等前提下，尽可能选择同类数据中反演/探测精度最高的产品。
部分卫星资料目前国际上主流的反演/探测精度如下：●真彩色合成图像：无定量指标，但不同波段间空间配准误差应小于0.3~0.5个像元；影像拉伸后不会显著失真，能增强污染团（灰霾）、烟羽、沙尘与一般云、雾等的区分能力。
●AOD产品：卫星AOD反演结果与地基AOD观测真值的平均相对误差为15%±5%；●热异常点产品：热异常点的识别精度为90%±5%，且像元空间定位精度小于0.3~0.5个像元；●NO2产品：卫星NO2垂直柱浓度与地面整层大气观测真值相比，其反演精度达到75%±5%2)时空覆盖能力●空间覆盖卫星数据在空间区域和时间范围对模式预报区域的覆盖能力是决定卫星资料价值的另一关键因素。
