ICS07.060

CCSA47

12

天津市地方標準

DB12/T1051—2021

地面風速觀測數(shù)據(jù)均一化處理技術規(guī)程

Codeofpracticeforhomogenizationprocessingtechniquesofsurfacewindspeed

observationdata

2021-04-30發(fā)布2021-06-01實施

天津市市場監(jiān)督管理委員會發(fā)布

DB12/T1051—2021

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定

起草。

本文件由天津市氣象局提出并歸口。

本文件起草單位：天津市氣象信息中心。

本文件主要起草人：司鵬、吳安軍、石玉恒、孟輝、王敏、姜罕盛、羅傳軍。

I

DB12/T1051—2021

地面風速觀測數(shù)據(jù)均一化處理技術規(guī)程

1范圍

本文件規(guī)定了天津地面風速觀測數(shù)據(jù)均一化處理技術的內(nèi)容和方法，以及質(zhì)量評估。

本文件適用于對天津地面風速觀測數(shù)據(jù)的處理分析。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

QX/T37-2020氣象臺站歷史沿革數(shù)據(jù)文件格式

QX/T118-2020氣象觀測資料質(zhì)量控制地面

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

地轉(zhuǎn)風速geostrophicwindspeed

自由大氣中水平氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時空氣的水平運動速度，單位為米每秒（m/s）。

3.2

均一化homogenization

剔除氣候資料序列中由于人為因素導致的系統(tǒng)誤差的過程。

3.3

時間序列timeseries

在連續(xù)時間內(nèi)記錄下來的有序觀測或統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.4

待檢序列candidateseries

被進行均一化檢驗的時間序列。

3.5

參考序列referenceseries

代表待檢序列所處位置的真實天氣氣候變化的時間序列。

3.6

檢驗序列detectedseries

待檢序列與參考序列比值的時間序列。

3.7

斷點breakpoints

時間序列中顯著不連續(xù)的突變點。

3.8

訂正數(shù)據(jù)adjusteddata

2

DB12/T1051—2021

通過統(tǒng)計方法計算得到的代替斷點以前時間序列的數(shù)據(jù)。

3.9

趨勢幅度trendamplitude

時間序列一元線性回歸模型中求解的斜率，單位為米每秒每年（m/s/yr）。

4內(nèi)容和方法

4.1內(nèi)容

地面風速觀測數(shù)據(jù)均一化處理技術應包括元數(shù)據(jù)收集、原始資料預處理、參考序列建立、檢驗序列

形成、斷點檢驗、序列訂正。

4.2技術方法

4.2.1元數(shù)據(jù)收集

收集觀測臺站元數(shù)據(jù)信息，宜包括臺站位置、觀測要素、其他變動事項、臺站周邊環(huán)境。應按照QX/T

37-2020第6章的要求。

4.2.2原始資料預處理

對原始觀測的地面風速數(shù)據(jù)進行錯誤誤差分析，剔除數(shù)據(jù)采集、傳輸、記錄、存儲過程中因儀器故

障、人為因素等造成的錯誤數(shù)據(jù)。應按照QX/T118-2020第3章的要求。

4.2.3參考序列建立

4.2.3.1選取3～5個鄰近站點的時間序列，建立待檢序列的參考序列，作為均一化檢驗和訂正的依據(jù)，

計算步驟如下：

a)基于地面觀測站網(wǎng)，計算待檢序列與鄰近站點時間序列的相關系數(shù)，見公式（1）；

1?

∑(??????????)(??????????)

=??=1························································(1)

11

√∑?(???????)2√∑?(??????)2

??=1?????=1????

式中：

——時間序列長度；

——待檢序列某一時間的風速值；

???——待檢序列的風速累年平均值；

式中：

——與待檢序列相同時間的鄰近站點時間序列風速值；

?——鄰近站點時間序列的風速累年平均值。

b)依據(jù)時間序列長度及臺站位置，選取與待檢序列相關系數(shù)最大的3個鄰近站點時間序列來建

立參考序列，其平均風速的序列長度與待檢序列一致，3個鄰近站點時間序列所在位置盡可能

以待檢序列為中心處于三角的位置，利用公式（2）建立參考序列。

32?32

=[∑=1/??]/∑=1·····························································(2)

式中：

——待檢序列與鄰近站點時間序列的相關系數(shù)；

???——鄰近站點時間序列的風速累年平均值。

3

DB12/T1051—2021

4.2.3.2選取3個～5個鄰近站點的時間序列，建立待檢序列的參考序列，作為均一化檢驗和訂正的

依據(jù)，計算步驟如下：

a)對地面觀測站網(wǎng)所有臺站的平均風速序列進行一階差分處理，得到差分序列（?），見公

?

式（3）；

?=??+1???,?=1,2,3,4……····················································(3)

?

式中：

——時間序列長度。

b)基于一階差分后的地面觀測站網(wǎng)，計算待檢序列的?與鄰近站點時間序列的?之間的相

??

關系數(shù)，見公式（1）；

c)選取與待檢序列的?相關性最好的5個鄰近站點時間序列的?建立參考序列，見公式

??

（2）；

d)將差分序列?形式的參考序列反算得到待檢序列的參考序列。

?

4.2.4檢驗序列形成

檢驗序列的形成應通過以下步驟實現(xiàn)：

a)利用比值法構(gòu)造檢驗序列，見公式（4）；

???

=??··············································································(4)

?

式中：

——待檢序列；

?——待檢序列的風速累年平均值。

b)對檢驗序列進行標準化處理，形成標準化序列，見公式（5）。

?

(?)?(5)

=???······································································

式中：

?——檢驗序列的風速累年平均值；

???——檢驗序列的標準差。

4.2.5斷點檢驗

4.2.5.1參考序列的確定

利用極大似然回歸法對4.2.3.1和4.2.3.2兩類參考序列構(gòu)造的標準化序列進行均一化檢驗，結(jié)合臺

站元數(shù)據(jù)信息，選取斷點檢驗結(jié)果“合理”的檢驗序列作為待檢序列的參考序列。計算步驟如下：

如果序列沒有不連續(xù)點存在，則統(tǒng)計假設為：對于任意?，(,1)；如果序列有一個不連

續(xù)點，則統(tǒng)計假設為：

(?,1),?*1,……,+

{1························································(6)

(?2,1),?*+1,……,+

4

DB12/T1051—2021

式中：

——時間序列的長度；

?1——假設不連續(xù)點前時間序列的風速平均值；

?2——假設不連續(xù)點后時間序列的風速平均值。

?

??=??1?+(?)??2?··································································(7)

??

?????=???*??+=???*??1?+(?)??2?+,1≤≤?1··································(8)

?

如果?????大于選定的顯著性水平，即存在非均一的斷點。

注：合理是指斷點檢驗結(jié)果與元數(shù)據(jù)信息一致性較高。

4.2.5.2統(tǒng)計假設檢驗

基于4.2.5.1確定的參考序列，利用懲罰最大??檢驗（??）對檢驗序列的標準化序列進行均一

化檢驗，根據(jù)臺站元數(shù)據(jù)記錄的元數(shù)據(jù)信息調(diào)整斷點時間，保留檢驗過程中有明確臺站元數(shù)據(jù)支持的顯

著斷點。

4.2.6序列訂正

利用分位數(shù)匹配訂正法（Quantile-Matchingadjustments,QM）對4.2.5.2確定的顯著斷點進行序

列訂正。

5質(zhì)量評估

5.1平均值比較

對比分析地面風速觀測數(shù)據(jù)訂正前、后各個時間尺度（日值、月值、年值）的時間序列的平均值?。

1

?=∑?··········································································(9)

?=1

5.2方差比較

對比分析地面風速觀測數(shù)據(jù)訂正前、后各個時間尺度（日值、月值、年值）的時間序列的方差?。

1

=∑?(??)2·································································(10)

??=1

5.3趨勢變化比較

對比分析地面風速觀測數(shù)據(jù)訂正前、后各個時間尺度（日值、月值、年值）的時間序列的趨勢幅度

???。

1

∑????(∑??)(∑??)

?=1????=1??=1?

???=1···························································(11)

∑??2?(∑??)2

?=1???=1?

式中：

——時間序列訂正前或后某一時間的風速值；

——1，2，3，??，?。

5.4與地轉(zhuǎn)風速趨勢變化比較

5

DB12/T1051—2021

對比分析均一化訂正后的地面風速觀測數(shù)據(jù)與其對應的地轉(zhuǎn)風速的趨勢變化特點。利用4.2.3.1建

立的待檢序列的氣壓三角（(1)、(2)、(3)）來計算地轉(zhuǎn)風速序列，步驟如下：

22

=√?+?······································································(12)

1??

?=?·········································································(13)

?????

1??

?=···········································································(14)

?????

????

(1)=?+?+??

1??1??

????

(2)=?2+?2+??···························································(15)

????

????

(3)=?+?+??

{3??3??

∑32?sin?

?=?=1??·····································································(16)

3

?=?×?×cos?···································································(17)

?=?×?··········································································(18)

式中：

——角速度；

?——緯度；

?——地球半徑；

?——經(jīng)度。

5.5誤差分析

分析均一化訂正后