美國氣候基準站網建設及啟示

任國玉 初子瑩

（1 中國氣象局氣候研究開放實驗室，國家氣候中心，北京 100081；2 中國地質大學環境學院大氣科學系，武漢 430074；3 北京市氣象局，北京 100089）

0 引言

美國具有悠久的氣象觀測歷史。自從19世紀初以來，美國就開展氣溫、水汽、氣壓、降水和風速、風向觀測，獲取實時天氣信息，并建立了歷史天氣資料數據庫。但是，和世界其他地區的氣象觀測一樣，美國的氣象觀測長期以來主要為天氣預報服務，幾乎沒有考慮后來氣候變化研究和監測的需要，所獲得的歷史天氣觀測資料數據存在著較嚴重的因遷站和更換儀器等造成的非均一性誤差，以及較大的由于城市化過程引起的系統性偏差[1]。盡管對這些歷史天氣觀測資料進行了嚴格的檢查和均一化處理，資料非均一性問題和城市化影響偏差問題仍然是當前氣候變化觀測研究不確定性的主要來源。

為了獲取連續的、不受局地人類活動干預的高分辨率長期地面氣候觀測記錄，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）規劃建設了美國國家氣候基準站網（USCRN）[2-3]。結合過去長期的歷史觀測記錄，這套記錄可以為當前的氣候變化檢測、歸因以及未來氣候變化預估奠定堅實的觀測基礎[2-3]。美國本土的114個國家氣候基準站于2008年建設完成；除本土站外，截止到2017年底的國家氣候基準站還包括夏威夷群島的2個站點和阿拉斯加的21個（最終將達到29個）站點。至此，USCRN已基本實現業務化，由NOAA國家環境信息中心（NEIC，即原來的國家氣候資料中心NCDC）管理運行，NOAA大氣湍流和擴散部（ATDD）合作運營。作為USCRN的補充，NOAA自2009年起開始著手建設區域氣候基準站網（USRCRN）。區域氣候基準站只觀測氣溫和降水，但在空間上更為密集，并且延續了與國家氣候基準站同樣高的建設標準。其長期目標是在全美9個氣候區建設觀測站網，其空間分辨率大致為130 km，用于檢測區域氣候變化信號。USRCRN建成后，全美的國家和區域基準氣候站數量將達到538個。

1 目的和意義

長久以來，美國科學界的許多人士都認為，美國擁有世界上最完備的地面氣候觀測網，領先于世界大多數國家。但NOAA的管理者和研究人員也意識到，美國并沒有一個能夠避免隨機和系統偏差的地面觀測網，事實上即使很小的系統偏差，也足以影響對于年代以上尺度氣候變化與變異特征的解釋，并造成氣候變化監測和檢測結果的不確定性。美國國家研究委員會（NRC）于1999年對美國氣候觀測站網評估后得出結論：美國需要穩定現有的觀測能力，并識別那些尚未被充分觀測的關鍵氣候變量，同時，特別指出要針對氣候變化研究和具體業務需求，制定并執行國家觀測計劃[4]。這份報告強調，美國需要一套新的觀測系統，這套系統能夠真正有效地增進人類對于自然和人為氣候變化的理解，而且不僅可以服務于當代的氣候學家，還能夠服務于未來從事相關研究的科學家們。

NOAA當局意識到，氣候科學正處在一個十字路口。一方面，研究者已經做出大量卓越的工作，證實了區域、全國和全球尺度氣候變化；另一方面，現有觀測系統提供的數據質量先天不足，氣候觀測業務存在著嚴重危機。建設國家基準氣候觀測網是NOAA對這一危機和NRC建議[4]的積極響應。USCRN資料將用于未來的氣候變化監測業務和科學研究，也將為全球氣候觀測系統（GCOS）建設做出示范。人們希望，USCRN運行50年后，可以回答這樣的問題：在過去50年間，美國區域氣候究竟發生了怎樣的變化？

USCRN計劃在美國歷史上沒有先例，在觀測站網與系統設計、候選站點征用許可與評估、設備安裝和維護、觀測及資料評估、應用等多個環節，都需要聯邦政府層面的有效協調。為了在最大程度上削減建設和運行成本，增進計劃完成后的科學和社會效益，USCRN建設也對美國政府部門間協調合作提出了重要挑戰。到目前為止，盡管各個部門之間的協調、合作也出現過問題，但總體來說是成功的。

在NOAA內部，NEIC和空氣資源實驗室（ARL）進行了有效合作。在USCRN的工程設計、站點布設、站點維護和儀器標定等方面，ARL的研究人員均給予大力配合，發揮了重要作用。此外，ARL還對未來新儀器的可應用性提供及時分析評估。

2 站址遴選和站網布局

為了得到符合嚴格建設標準的觀測網，USCRN和USRCRN計劃完全遵循Karl等[1]提出的氣候變化監測基本原則。USCRN的站址確定，在一定程度上也考慮了全球氣候觀測系統表面網（GCOS/GSN）制定的原則和標準，但總體上二者差異十分突出，因為GCOS/GSN的原則和標準是在兼顧現有觀測網和長序列歷史觀測記錄條件下提出的[5-6]，距離滿足氣候變化監測和研究需求尚遠遠不夠。

按照最初制定的計劃，USCRN和USRCRN建設必須滿足嚴格的標準。例如，所有站都要建在目前和未來都不會受到明顯人為干預的自然環境中（圖1）；要能夠抵御颶風、嚴重結冰和雪暴、高于120 °F（49 ℃）或低于-50 °F（-46 ℃）的溫度等極端天氣，在任何天氣條件下保持氣候觀測不中斷；備份電池和太陽能發電裝置要確保儀器電力意外中斷時繼續采集數據。

圖1 USCRN站點觀測環境（USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）（a）科羅拉多州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.noaa.gov/crn/)Spring Station; (b) Vaughn Station

選取站點時，首先考慮大尺度的臺站宏觀地理位置。具體遴選標準包括：

1） 區域和空間代表性

考慮大尺度地形影響，站點要能夠捕捉到區域性主要氣候變異模態。研究表明，美國50個州大約225個均勻分布的站點可以在全國尺度上基本捕獲每年氣候變異和趨勢[7-8]，但最終設置多少站還取決于財政預算。

2）區域氣候變異和變化趨勢敏感性

站點位置應該對區域性氣候變異和變化趨勢具有代表性，不受局地地貌特征或中小尺度自然和人為因素影響。

3）站址的長期穩定性

重點考慮所選站址周圍區域是否會在未來50～100年發生重大變化。需要評估備選站址被人為干預區域包圍的風險，以及臺站由于土地開發或其他原因被迫關閉或遷址的可能性。

4）較低的自然災害風險

避免在自然災害風險很高的地方建站，如易發生洪水的低地、強風風口、深厚積雪點、濃霧彌漫區等。

5）靠近已有觀測網站址

備選臺站位置應盡可能靠近現在或過去具有長序列觀測資料的站點，以便核準和比較新舊觀測資料。

6）交通和電力便利性

設備安裝和定期維護等要求站址所在區域常年可以通車、最好靠近電源，但偏遠地區也可采用太陽能電池。

在上述原則和標準中，空間代表性和時間穩定性是最為重要的，在確定具體站點位置時給予了優先考慮。

站點具體位置的確定原則和方法也很重要。在這方面，USCRN發展了一套局地代表性評估方法。標準觀測場面積為18 m×18 m，站點周邊環境必須相對寬敞、平坦、干爽，植被密度低且遠離水體。具體站址的選擇還要考慮其他因素，綜合決定。USCRN采用分類方案[9]對每個地點的氣象觀測代表性打分，確定具體站址位置。

觀測場內儀器設備安裝布局如圖2所示。其中雨量計周圍的防風障可以有效降低近地面風速，提高液態和固態降水測量精度。觀測場周邊可以樹立鏈式或牛欄式圍欄，一般限定在4～5英尺高（1英尺＝0.3048 m）。

圖2 美國USCRN 典型觀測場布局（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已經建成了137個站組成的網絡，其中包括單獨站點100個，雙場（一個地點兩個站）站點14個，阿拉斯加21個，夏威夷2個。USRCRN站網正在建設。圖3給出了截止到2015年底各類USCRN站的分布情況。

3 臺站觀測設備

USCRN自動觀測系統以深循環電池為動力，僅需偶爾維護，可實現偏遠地區無人情況下的持續操作。系統操作環境非常寬泛，溫度為-60～60 ℃，風速在50 m/s以下，雨量不大于30 mm/min，但降水觀測系統正常工作環境在-25～60 ℃。

USCRN自動觀測系統是一套通用的觀測系統，以氣溫、降水、太陽輻射和風速等為核心觀測要素，并可根據需求隨時擴展安裝新的附加型傳感器，用于觀測其他氣象要素。后來USCRN站還同時配有觀測相對濕度、土壤水分和土壤溫度的傳感器。此外，在觀測氣象要素的同時，系統也同步監測電池電壓、吸出氣風扇工作參數等自檢變量，用以迅速診斷出現的問題，幫助系統盡快得到修復。為降低系統誤差、校訂漂移和能量損耗，系統選擇不需要外部轉換器的儀器設備，可以通過最小的調整來滿足USCRN對誤差、精度與可信度的要求。

圖3 美國USCRN站2015年底分布情況（USA/NCDC:http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）Fig. 3 Distribution of the USCRN Stations as of 2015(From USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/)

自動觀測系統中，除降水觀測系統外，所有儀器均安置在一個管壁厚重的鋁質觀測塔架上。塔高3 m，底部可用于安裝重型觀測儀器，塔架本身嵌入厚重且堅實的混凝土基座中。參照WMO推薦的氣候觀測標準，氣溫和其他支撐傳感器均位于1.5 m高處，包括轉杯式風速計（Met-One 014A型），測量總入射太陽輻射的日照強度計（KIPP/ZONEN SP Lite silicon），以及測定地表溫度的高精度紅外熱電偶傳感器（IRTS-P IR）。降水觀測系統及其防護罩安裝在距觀測塔15 m的地方。觀測站中所有線路均設置在埋藏的管道中，以降低動物對線路造成的損壞。在一些站點，一系列具有連鎖反應的防御設施被安裝在觀測塔周圍，用以防范不速之客的入侵。安裝儀器所使用的硬件設施均為不銹鋼或鋁制品，以防腐蝕。

由于近地面氣溫和降水是關鍵氣候要素，USCRN為其設計了嚴格的三重備份傳感器。這個設計是獨特的，主要目的是保證當有一個或兩個傳感器出現故障時，另外至少有一個傳感器仍能工作，以便保證任何一個站點觀測記錄具有完整性、連續性和準確性。

例如，溫度傳感器包括3個完全獨立的鉑電阻溫度計，每個溫度計都有獨立的風扇排氣式防太陽輻射罩（溫度計型號為：Met-One 076B；風扇型號為：PABST 4212/12H 12VDC，外部接有轉速計，且轉速計接電部分為包金設置，以加強其耐腐蝕性）。三個溫度計完全獨立測量，正常情況下，這些溫度計的讀數應非常接近，這也使得傳感器的錯誤可以非常容易地被檢測出來。

測量降水的儀器為GEONOR T-200B 稱重式雨量計，測量由3個獨立的振動電線負載傳感器來實現。這些負載傳感器均加了附加設施，用以防止因某個傳感器電線破損而造成其余傳感器的超負荷運轉。雨量計本身附加了智能集電加熱器和電熱調節器，當集電器處于-5～5 ℃時，儀器開始自動加熱。此外，作為備用設施，很多站點還安裝了Eco-Harmony TB-3翻斗式雨量計。所有雨量計周圍設置可變型的不銹鋼“擺葉”防風障，外圍設置小型雙壁防風屏，以保證在有風狀況下，雨量計對實際降水量的測量精度（圖4）。為防止大風引起的儀器振動，雨量計被安裝在鋁制管道混凝土基架上。

圖4 裝有防風罩的稱重式雨量計（圖中白色物體為雨量計）（USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）Fig. 4 Rain gauge with windshields at a USCRN Station（From USA/NCDC: http://www.ncdc.noaa.gov/crn/）

采集到的觀測數據通過坎貝爾數據采集系統記錄并傳輸。數據記錄保存在制造商提供的附加內存中，系統保存這些數據用以應對長期斷電等風險。SEIMAC-HDRGOES無線電傳輸器通過引向反射天線來實現與GOES衛星的通信。數據記錄器和傳輸器裝在由玻璃纖維強化塑料制成的密閉容器內，容器表面涂成白色，并裝有門閂，避免因任何原因導致的門開啟時引起的儀器暴露，同時配有一小型加熱器，用以保證數據記錄器與傳輸器內部溫度不低于-40 ℃。

系統電力由2～4節鉛酸深循環蓄電池提供，所需電池的具體數量由當地氣候（特別是加熱需求）決定，即使充電失敗，仍然可以保持5～6天的正常工作。多數站點采用交流電，利用充電器為電池充電，并通過一條極端振蕩保護帶來防止交流電路中出現尖峰信號；部分站點采用太陽能，利用2～4塊太陽能電池板和一個校準器為電池充電。電池與充電器（或校準器）裝在表面涂成白色的獨立密閉容器中。

USCRN自動觀測站的所有傳感設備，安裝前均按照美國國家標準技術研究所（NIST）可追蹤標準進行校訂。

4 數據傳輸及處理方法

USCRN采用衛星傳輸方式，每隔1 h，以最小95%的通信效率向NOAA的NEIC提交所有數據。觀測數據首先通過NOAA GOES衛星數據搜集系統（DOC）傳遞到弗吉尼亞州的瓦勒普斯島，隨后再通過英特網與DOMSAT商業衛星系統發送到位于北卡羅萊納州的NEIC。如果個別站點信息傳送失敗，將在衛星通信恢復后自動嘗試再次傳輸；如果仍未成功，將聯系工作人員，請求人工獲取數據并通過互聯網或是硬盤拷貝的方式將資料傳送到NEIC。觀測數據通常在USCRN系統內存保留5個月，工作人員訪問站點時可利用筆記本電腦或掌上電腦提取，人工手動提取的數據必須在觀測月結束后30天內，以最小97%的成功率向NEIC提交。

USCRN站點各要素的自動觀測設備每2 s讀數1次，每5 min自動計算一次所有2 s讀數的平均值，每1 h自動計算一次12個5 min平均值，數據均回傳至美國國家氣候資料中心存檔。對于設有三套獨立的感應器溫度和降水觀測，數據回傳后，工作人員將根據設備運行狀況評估結果，對5 min間隔的觀測數據進行處理，選取同一時次三套觀測數值的中值或是平均值作為該站氣溫或降水觀測的最終數值。

采用3套傳感器的方式明顯提高了數據觀測的連續性和數據質量，但由于需要在每5 min傳輸的數據中選取一個最佳數據，整體計算過程相對復雜。此外，對于降水觀測而言，這樣過于強調誤差控制的方法也會導致降水量觀測數據偏低等問題。為此，NOAA新近研究了一套新的降水數據處理辦法，通過加權平均，提取三套獨立觀測數據中共同的降水量觀測信號。采用新方法后，USCRN全網降水增加約1.6%，新方法對弱降水和降水開始階段的觀測數據改進非常明顯。2015年8月，USCRN正式使用這套更接近實際降水量的數據處理方法。此外，2004—2005年開始5 min間隔觀測后的所有歷史數據都已采用這套方法重新處理。

所有USCRN的觀測數據和元數據均可在NEIC網站上獲取。元數據包括站點照片和全景、按序號排列的儀器清單、所有儀器的安裝時間與變換時間、傳感器校準歷史、站點設置和維護歷史、校訂、安置與維持的過程、異常跟蹤以及其他細節。從系統整體到單個傳感器，都有完整的元數據記錄，這為數據使用者增添了更多信心。

USCRN氣候數據集的氣溫觀測精度為0.1 ℃，在-50～50 ℃，誤差范圍需保持在±0.3 ℃內；在-60～-50 ℃與50～60 ℃，誤差范圍應在±0.6 ℃內。降水觀測精度為0.25 mm，其誤差范圍需保持在±0.25 mm或是報告值的±2%。與氣溫和降水相比，其他主要變量的測量誤差則要相對寬松，風速誤差在± 1m/s或測量值的±2%；太陽總入射輻射誤差在±70 W/m2，精度為10 W/m2；地表紅外溫度誤差在±0.5 ℃，最低精度為0.1 ℃。

5 啟示和建議

5.1 科學政治、科學認知與USCRN 建設

在美國科學家主導下，20世紀末世界氣象組織（WMO）氣候學委員會制定出臺了一套遴選全球陸地長序列地面氣候觀測臺站網的“標準”（即GCOS/GSN遴選標準），選出1000個左右所謂“良好”臺站，試圖用以作為全球氣候變化監測和檢測的基準網[5-6]。但是，這個觀測網實際上并沒有達到“良好”標準，其中大部分臺站仍然難以避免各種局地人為因素對關鍵氣候變量觀測記錄的影響，在實際的全球和區域氣候變化監測、研究中使用也不多，仍然采用各業務、研究機構原來發展的相對不那么“良好”、但密度更大的觀測資料數據集[10]。從這個意義上說，GSN的規劃不能說是成功的。

美國科學界對GSN網固有缺陷的認識是清楚的，就像對美國本土歷史氣候觀測網（USHCN）存在的問題早就認識到一樣[1,3]，但可能出于更復雜因素的考慮，對外仍一致聲稱GSN和USHCN有效、可用。另一方面，NOAA又投入巨量資金建設美國新的CRN。這看似矛盾的行動，其實并不難理解。建設USCRN絕不僅僅因為NOAA出于部門利益，為了擴大影響或者得到白宮和聯邦政府的額外經費支持，而是美國科學界存在的關于氣候變化幅度和速率的爭論確實無法完全忽視，主流學者圈自己對于現有的美國歷史氣候觀測網和長序列觀測資料數據的可靠性也心存疑慮。建設USCRN，真實地反映了美國氣候學界和相關部門決策者這種相互矛盾的處境和行為。

5.2 USCRN 是國家氣候觀測系統建設的范例

美國USCRN建設的標準是目前世界上最高、最嚴格的，如果得到長期堅持和維護，將為解決氣候變化科學上的系列懸而未決的問題提供最終答案。這個高標準、嚴要求不僅體現在USCRN確定了很高的儀器測量精度、多重備份、持續不間斷的動力保障和運行，而且主要表現在對站點周圍不同空間尺度當前和未來觀測環境質量的苛刻規定[11]。當前氣候變化監測、檢測和歸因研究上的一個關鍵的問題是，現有長序列觀測資料序列到底代表什么空間尺度的氣候演化趨勢？或者更具體地，它們是否能夠代表區域以上空間尺度的長期氣候演化趨勢？這個問題存在，主要是因為全球幾乎所有國家和地區的氣象觀測站一般都設在居民區或附近，隨著城鎮發展，這些觀測點的微觀和局地氣候不可避免地受到城鎮附近人類活動的影響，失去對于大尺度氣候的代表性。

USCRN為所有國家氣候觀測系統建設提供了一個范例。中國現有氣候觀測網的地面氣候要素記錄同樣存在城鎮化影響問題，國內學者也一致認識到這種局地人為干預產生了長序列地面氣溫資料的系統偏差。中國氣候觀測系統建設方案曾經過多次論證，但在若干關鍵科學和技術問題上仍存在不同意見。目前的突出問題是，有關部門認識到了重建國家氣候觀測系統的必要性，但在處理現有觀測網和新建觀測網以及站址代表性和維護便捷性的關系上，仍然意見不一，困難較大。USCRN的經驗可以借鑒，但不一定全盤照搬。新的國家氣候基準站網，完全可以在原有站網基礎上設計和重建；只要徹底避開城鎮環境，而且保證未來至少50年不受城鎮化或其他局地人類活動影響，就可以規劃建設一個高標準的、具有中國特色的國家級氣候基準站網，為未來的氣候、氣候變化和環境演變研究、監測奠定基礎。

5.3 USCRN 建設中的部門協調問題

USCRN建設過程中，涉及到各個部門之間的協調、合作。規劃建設涉及到的政府部門包括內務部、地質調查局、國家公園服務中心、國家航空航天管理局、國務院、災害控制和預防中心、聯邦緊急事務管理局、國家天氣服務中心、國家科學基金組織、農業部、國家資源保護中心、白宮科技政策辦公室等。所有這些部門和單位都將為USCRN建設做出貢獻，并從中獲得回報。國務院負責協調部門間國家氣候變化應對事務，并負責協調國際氣候談判和國際合作事務，包括為GCOS計劃等提供美國的經驗和信息。

總體來說，各部門之間的協作是成功的。但部門之間的合作也帶來了問題，例如，其他部門會不斷要求擴展觀測項目，比如農業部要求增加土壤水分、土壤溫度和蒸發量觀測，國家自然基金組織和能源部則要求測量溫室氣體和氣溶膠等。這些需求和要求將增加建設、運行成本，明顯改變了當初建設USCRN主要為解決地面氣候觀測系統偏差問題的初衷。為了促進計劃成功，適當做出妥協是需要的，而且項目擴展后的觀測資料，除了繼續主要為氣候異常和氣候變化監測服務外，也的確可以在天氣預報、農業氣象服務、水文氣象服務和商業活動中得到廣泛應用，增加USCRN的實用價值。這些經驗，對于我國未來發展新的中國基準氣候觀測網也具有一定借鑒意義。