第三极地区降水资料库

 

降水资料是目前全球水热循环以及气候变化研究最主要的气候资料之一，降水资料的准确与否不仅直接影响流域尺度的水文过程研究，而且对于区域乃至全球尺度的气候和水文研究至关重要。为了对TPE地区气象水文研究提供基础数据服务，张寅生课题组基于TPE地区近十个国家241个气象站1951-2010年逐日观测资料，包括最高气温、最低气温、平均气温、平均风速、降水、雪深等，初步建立TPE降水资料库。然而，众所周知，降水观测资料存在系统观测误差，包括动力损失、湿润损失、蒸发损失以及微量降水。为了评估TPE地区降水观测仪器和方法对降水观测的准确性，借鉴世界气象组织（WMO）推荐的降水订正方案，对该地区不同类型雨量筒观测降水的动力损失、湿润损失、蒸发损失以及微量降水进行了系统的修正，以获得更准确的长系列降水资料：

 

 1. 资料概况：

l  范围：25-45N，65-105E，共241个气象站.

l  来源：中国资料取自国家气象局（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）；其他国家资料取自NCDC/NOAA（http://www7.ncdc.noaa.gov/CDO/country），巴基斯坦气象局（PMD），尼泊尔气象局（NMD）。

l  时段：1951.01.01-2010.08.31

l  雨量筒：共有六种类型的雨量筒，分别为中国标准雨量筒(CSPG)、Tretyakov、Indian、MK2、Nepal2003、U.S.8’’

l  地理位置：如下图示:

 

2. 资料预处理：

因各个国家气象数据集的规范不同，订正前需要统一气象要素单位，即气温、风速、降水等单位各自统一为℃、m/s、mm。换算公式如下：

*  气温: C=(F-32)/1.8

*  风速：1 knot = 0.514 m/s

*  降水：1 inch = 25.4 mm

3. 系统观测误差订正方案（Yang et al., 2001）：

 

Pc=K(Pm + ∆Pw + ∆Pe + ∆Pt), K = 1/CR

 

其中，Pc为修正后的降水,Pm雨量筒观测到的降水,∆Pw 和 ∆Pe分别代表湿润和蒸发损失,∆Pt为微量降水，K是动力损失修正系数，一般大于1，CR为雨量筒的捕捉率，指观测与订正降水量之比。

 

l  动力损失

    其中，为基于风速计观测到日平均风速，单位:m/s；Ws为估计的雨量筒口径处的日平均风速，单位：m/s。S为固态降水的比例；Tmax,Tmin,Td分别表示日最高、最低、平均气温；TL和TS分别代表液态、固态降水的参考温度界限。Wo与Ws的换算公式(Golubev et al.,1992)如下，其中h，H分别代表雨量筒口径和风速仪的高度，Zo为粗糙度参数，一般为0.01m:

 

l  其他损失（包括湿润、蒸发、微量降水）

系统损失	降水 类型	雨量筒类型						参考文献
		CSPG	Indian	MK2	Nepal2003	Tretyakov	U.S.8''
湿润损失 (△Pw,mm)	Snow	0.30	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	Sevruk, 1982;
	Mixed	0.29	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	Grosman et l.,1991;
	Rain	0.23	0.20	0.20	0.20	0.20	0.03	Yang et al.,1991; Golubev et al.,1992;
蒸发损失 (△Pe,mm)	Snow	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	Aaltonen et al.,1993; Zhang et al., 2004
	Mixed	0.30	0.30	0.30	0.30	0.30	0.30
	Rain	0.30	0.30	0.30	0.30	0.30	0.30
微量降水 (△Pt,mm)		0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	Yang et al.,1998; Ye et al.,2004

 

l  固液态降水分离方案（Kang, 1994; Kang et al., 1997）：

  为从日降水量中分离出固态降水，以正弦曲线来描述气温的日变化，设平均气温为Td，日最高气温为Tmax，日最低气温为Tmin，液态降水

的临界气温为TL，固态降水的临界气温为Ts，日固态降水比例为S,计算公式如下：

考虑气温日变化与临界气温TL和Ts的关系，即可从日降水量将固态部分分离出来。本研究基于乌鲁木齐大西沟试验站野外观测，得 到TL=5.5℃, Ts=2.8℃，用于TPE固液态降水分离方案。

 

4. 统误差订正的初步结论：

本降水资料库的系统误差修正方案考虑了所有的误差来源，并加以订正，由此得到TPE降水资料中系统误差的初步认识：

 

*  TPE地区降水资料观测误差十分显著，所有台站年降水修正量在4-409mm之间，平均约90mm，相应的修正幅度为6–94%，平均约27%，高于

全球11%的平均修正量。

 

*  由风速作用引起的动力损失是主要的误差来源，比例超过1/3。

 

*  就不同雨量筒而言，U.S.8’’在风速引起的动力损失比例最高，而湿润损失、蒸发损失以及微量降水最低；Tretyakov在动力损失比例最

低，蒸发损失和微量降水最高；CSPG在湿润损失比例最高；对于Indian和MK2，在湿润损失和微量降水方面几乎比例相当；Nepal2003具有

第二高比例的动力损失和第二低比例的微量损失。

 

*  由于降水季节分布，绝对修正量小于暖季；但冷季的降水修正系数大于暖季。

 

*  TPE地区的降水修正系数在不同的气候区时空分布特征呈现明显的差异性。总修正系数由西南向东北地区增加，并在中部地区出现峰值。

 

 

引用：Ma, Y., Zhang, Y., Yang, D. and Farhan, S. B. (2014). Precipitation bias variability versus various gauges under different climatic conditions over the Third Pole Environment (TPE) region. International Journal of Climatology. doi: 10.1002/joc.4045

 

 

主要参考文献：

Aaltonen A, Elomaa E, Tuominen A, Valkovuori P.1993. Measurement of precipitation. In: Proceedings of Symposium on Precipitation and Evaporation: 42-46.

Essery C, Wilcock D. 1991. The variation in rainfall catch from standard UK Meteorological Office raingauges: a twelve year case study. Hydrological Sciences Journal 36:23-34.

Golubev V, Groisman PY, Quayle R. 1992. An evaluation of the US 8-inch nonrecording rain gage at the Valdai polygon, Russia.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 49:624-629.

Goodison B, Louie P, Yang D. 1998.WMO solid precipitation measurement intercomparison: final report. Instruments and Observing Methods, WMO/TD. World Meteorological Organization: WMO Geneva.

Kang E. 1994. Energy-water-mass balance and hydrological discharge. Zurich: ETH 45:59-62.

Kang E, Shi Y, Yang D, Zhang Y, Zhang G. 1997.An experimental study on runoff formation in the mountainous basin of the Urumqi river. Quaternary Sciences 2:139-146.

Sevruk B. 1982. Methods of correction for systematic error in point precipitation measurement for operational use. WMO Technology Document 589:91.

Yang D. 1988.Research on analysis and correction of systematic errors in precipitation measurement in Urumqi River basin, Tianshan. PhD Dissertation, Lanzhou Institute of Glaciology and Geocryology, Chinese Academy of Sciences.

Yang D, Shi Y, Kang E, Zhang Y, Yang X. 1991.Results of Solid Precipitation Measurement Intercomparison in the Alpine Area of Urumqi River Basin. Chinese Science Bulletin 36:1105-1109

Yang D, Goodison B, Ishida S, Benson C. 1998. Adjustment of daily precipitation data at 10 climate stations in Alaska: Application of World Meteorological Organization intercomparison results. Water Resources Research 34:241-256.

Yang D, Ohata T. 2001. A bias-corrected Siberian regional precipitation climatology. Journal of  Hydrometeorology 2:122-139.

Ye B, Yang D, Ding Y, Han T, Koike T. 2004. A bias-corrected precipitation climatology for China. Journal ofHydrometeorology 5:1147-1160.

Zhang Y, Ohata T, Yang D, Davaa G. 2004. Bias correction of daily precipitation measurements for Mongolia. Hydrological Processes 18:2991-3005.

 

附件下载：

1. 第三极地区所有台站及雨量筒类型分布 [Figure] [Table]

2. 第三极地区不同雨量筒观测降水的系统误差参照标准 [Table]

3. 第三极地区所有台站年平均观测降水、校正后降水以及修正系数 [Figure]

4. 第三极地区所有台站年、暖季、冷季降水修正数据及相关的气象要素汇总 [Table]

 

注：所有资料可自由下载，仅限于基础研究需要。

 

数据与技术支持：

联系人：马颖钊

中国科学院青藏高原研究所

E-mail: yzma@itpcas.ac.cn; yingzhao.ma@gmail.com

 

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