技术篇

1大气科学数据分析平台(Atmospheric Science Data Intergration Analysis Platform) 参考文章:

黄刚*,屈侠,王鹏飞,气象数据分析和诊断可视化平台的设计和构想及其在互联网络上的实现,大气科学学报,2010,33(2):153-159

Huang Gang,Qu xia,Wang Peng-fei,Design of metrorological data analysis and diagnosis visualization system and its realization on the internet.Trans Atmos. Sci.2010,33(2):153-159

2老的资料链接

3资料链接2

以下是过去很老的资料。。。。

 

 资料及方法、模式库

 附录B:技术篇  东亚季风研究资料及方法库的建立

    为了研究东亚夏季风的年际以及年代际变化,作者收集了近些年来能够找到的气候资料以及常用的方法和模式组建了东亚季风研究数据及方法库,它具体包括大致如下两个部分(表6.1,注以下列出的资料大部分为资料中心未收集的,是作者通过各种渠道获得的。谨向曾经提供资料的国内外同仁及朋友致以衷心的谢意。


 


6.1资料(数据)库的组成:

其资料目录包括:

综合资料:

1  NCAR/NCEP 1949-2001)再分析资料

   时间:19491月到至今

   资料性质:月平均,日平均,格点:2.5*2.5,垂直层次:17层,分为1000925

   8507006005004003002502001501007050302010hPa

   目前,由于资料量大,只收集了等压面的资料。

   其中19491月到195712月无日资料,并且月资料尚需验证

   本文主要研究的资料为此资料。该资料能够较好的反映东亚地区的气候变化

日平均资料(1948-2001年)

 

2  ECMWF再分析资料

    资料性质:月平均;格点:2.5*2.5

    时间:19791月到199912

    资料性质:月平均;格点:2.5*2.5

该资料目前的时间长度尚只有十几年资料,不过从总体上,若对东亚地区气候变

化而言,该资料较NCAR/NCEP的再分析资料为好。

 

大气资料:

1 全球逐旬及逐月向外长波辐射(OLR)资料

  时间:197461日到至今,网格点:2.5*2.5

  资料性质:月平均;侯平均;日平均

 

2  NMC北半球风场资料

  格点:2.5*2.5,经度:0-360,纬度:90N-20N

  时间:196212月到199212

  资料性质:侯平均

 

3       Xie and Arkin的全球降水资料

  格点资料:2.5*2.5 ,时间:19791月到199912

  资料性质:月平均

  现受到最新更新资料到19993

 

4北半球海平面气压资料

  资料来源:P.D.Jones, CRU(Climate Research Unit, University of East Anglia),英国

  时间:18731月到200012

  资料性质:格点,5*10

 

5 全球海平面气压资料

  资料来源:NCAR/NCEP的再分析资料

  资料性质:格点;2.5*2.5

  时间:19581月到200012

 

6       NASA Water Vapor Project-NVAP总云量和各层的水汽资料

  资料来源:NASA

  时间:1988年到1994年日和月平均资料

  联系地址:ringrud@stcnet.com

 

台站资料以及全球气候变化资料:

1          GHCN V1资料,全球台站资料,

英文:The Global Historical Climatology Network:  Long-Term Monthly Temperature,

Precipitation, Sea Level Pressure, and Station Pressure Data

资料来源:NCDC,NOAA,美国

温度:月平均,6039站,时间:1701-1990

降水:月平均,7533站,时间:1697-1990

SLP:  月平均,1883站,时间:1755-1988

台站气压:月平均,1873站,时间:1768-1988

 

2          GHCN V2资料,全球台站资料,

英文:The Global Historical Climatology Network:  Long-Term Monthly Temperature,

Precipitation, Sea Level Pressure, and Station Pressure Data

资料来源:NCDC,NOAA,美国

包括温度、降水、SLP、台站气压;18801月到199712

另外,包括格点温度异常资料(平均温度,最大温度,最小温度)

资料性质:72(经度)*36(纬度),5*5

时间:18801月到200012

 

3       日本、韩国的气温和降水月平均资料

   韩国的14个代表站(1953-1994年)的温度及降水资料

   日本36个台站(1951-1986年)的降水资料以及50个台站(1946-1996年)的

   温度资料

 

  4 中国160台站的气温和降水月平均资料

    时间:19511月到2000年12

    资料:气温和降水资料

 

5 中国地温月平均资料

    时间:19511月到199712

 

6 中国地面气候资料(1961-1990 资料来源:国家气象中心气候应用室

    全国196站,

资料性质:台站(包括气压、气温、空气湿度、云、降水、天气日数、蒸发、积 

雪、风、地温、冻土、日照

 

7 中国高空气候资料(1961-1990 资料来源:国家气象中心气候应用室

全国124站,包括从地面、1000850700500400300250200150

1007050302010百帕的气压、温度、温度露点差、风速

 

8 全球长时间温度资料

    资料来源:P.D.JonesCRU(Climate Research Unit, University of East Anglia),英国

    时间:18561月到200012

    资料性质:格点,5*5

 

  9 全球长时间序列降水资料

资料来源:Mike Hulme, CRU(Climate Research Unit, University of East Anglia),

    时间:1900年到2000

    资料性质:格点,分为两种,2.5*3.755*5格点

 

积雪资料:

1 北半球雪盖和海冰密集度资料:

  资料来源:美国National Snow&Ice Data Center

  资料性质:每周,

  时间:197114日到199593

  联系地址:nsidc@kryos.colorado.edu

 

海温资料:

  1  Gisst Version3海温资料,其中包括海冰资料

  资料来源:英国hadley中心

  资料性质:ascii码和grd数据格式,其中单位应除以100

  海冰以-1000记,缺测值为-32768,资料为月平均,1*1网格

  起始点为179.5W89.5N,终点为 179.5E89.5S

  时间:1870年到1999年12

 

2       日本JMA的全球月平均海温资料(19461月到至今)

资料名称:Global Sea Surface Temperature (GLBSST) data set

资料来源:Oceanographical DivisionJapan Meteorological Agency

时间:19461月到至今

数据格式:2*2格点,月平均,GRIB格式

80S 80N,其中气候海温:30年平均,19611990

联系地质:ocean@umi.hq.kishou.go.jp

 

  3全球海洋不同深度的海温及热含量资料 (第一版)

  资料来源:Joint Environmental Data Analysis Center(JEDAC)

         Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, California.

  资料性质:从0400百米的海温异常以及热含量资料,

  时间:19501月到200012(1)

  格点:5(纬向)*2(经向),范围:纬向为60N 60S.

  资料分为020406080120160200240300400米共11

  缺测码:9999

  网络地址:http://jedac.ucsd.edu/

   

4   全球海洋不同深度的海温及热含量资料 (第二版)

  资料来源:Joint Environmental Data Analysis Center(JEDAC)

            Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, California.

  资料性质:从0400百米的海温异常以及热含量资料,

  时间:19551月到200012(2)

  格点:5(纬向)*2(经向),范围:纬向为60N 60S.

  资料分为020406080120160200240300400米共11

  缺测码:9999

  网络地址:http://jedac.ucsd.edu/

 

★模式资料:

1 日本CCSR/NIES AGCM20个初始场积分40年资料(用观测海温1958年1月-1997年11月)

T21高斯格点,18层大气模式,主要可以研究可预测性问题。(This work is made by me and Prof.Xie

Shangping(UH,U.S.A) and Shiji Matsumura)

2 世界几个主要模式对未来的预测

包括(CCSR/NIES,ECHAM4,HADCM3,CISRO AGCM,CCM3,CSM etc.) 

300年的积分资料

 

综合图表及资料:

1  气候系统监视报告

   时间:19801月到1999(至今)

   资料来源:日本气象厅

   资料性质:月刊

   http://ddb.kishou.go.jp/climate/MRCS/mrcs.html

   email:lfd_diag@hq.kishou.go.jp

 

2   Climate Diagnostics Bulletin

    时间:19961月到2001(至今)

    资料来源:Climate Prediction Center, NOAA, U.S.A

    资料性质:月刊

    http://www.cpc.noaa.gov

    email:wd52mh@hp16.wwb.noaa.gov

 

3       CDIAC’s Numeric Data Package Collection

   资料性质:2张光盘,

   资料来源:Carbon Dioxide Information Analysis Center;Envirormental Sciences   

   Division;Oak Ridge National Laboratory

 

★指数资料:

1       大气环流异常指数(SOI,NAO,…..

   SOI指数

   资料来源:CPC (NOAA,气候预测中心)

   时间:18821月到2001年至今

   NAO指数

   资料来源:CRU,UK,P.D.Jones

   时间:1821年到2001年至今

   SOI指数

   资料来源:CRU,UK,P.D.Jones

   时间:1866年到2001年至今

   Nino1+2,Nino3,Nino4海温指数

   时间:月平均(19501月到2001年至今)

         周平均(19901月到2001年至今)

   资料来源:CPC(NOAA,气候预测中心)

2       14种大气环流指数分布

   资料来源:美国CPC(NOAA,气候预测中心)

   时间:19501月到2001年至今

   包括:North Atlantic Oscillation (NAO)

   East Atlantic Pattern (EA)

   East Atlantic Jet Pattern (EA-JET)

   West Pacific Pattern (WP)

   East Pacific Pattern (EP)

   North Pacific Pattern (NP)

   Pacific/ North American Pattern (PNA)

   East Atlantic/West Russia Pattern (EA/WR)

   Scandinavia Pattern (SCA)

   Tropical/ Northern Hemisphere Pattern (TNH)

   Polar/ Eurasia Pattern (POL)

   Pacific Transition Pattern (PT)

   Subtropical Zonal Pattern (SZ)

   Asia Summer Pattern (ASU)

3  国家气象局发布的74个要素场指数资料。本人还整理了

   西北太平洋副热带高压的各指数(19511月到至今)

   资料来源:国家气象局

图集:

1 中国气候图集,中央气象局编制,地图出版社,1966

2 热带季风图集 乌元康编著  气象出版社,1987年,

图集情况:1979-19845月到8月的欧洲中期预报中心的气象资料而成。

3 全球大气环流时间平均统计图集,吴国雄,刘还珠著,气象出版社,1987

图集情况:19799月到19848月)每日4次的13层资料

4 热带太平洋物理气候图集,符淙斌,章名立,J.弗莱彻,苏炳凯,全小伟著

科学出版社,1990

资料情况:利用全球综合海洋大气资料集(COADS)提供的海面气象观测资料,时间:1950年到1979年逐月热带太平洋物理气候基本要素场,包括海面大气热状况、运动学和动力学特征,海洋与大气之间的辐射、热量、水分和动量交换与热量的水平输送,以及它们的年变化和年际变率。

5 中国气候灾害分布图集,主编:黄荣辉,郭其蕴,孙安健,海洋出版社,1997年,

图集情况:包括1951-1990年每年四季的气候灾害分布图160幅,1951-1990年我国7种气候灾害发生频率的分布图22幅,以及全国及我国东部的华南、长江中、下游和华北三个区的干旱和雨涝的年际变化图6幅。它可以作为研究气候灾害的基本资料。

 

方法库:

方法库包括数据分析库以及常用软件库以及模式库

数据分析库:

包括常用的Fortran程序:

经验正交函数(EOF)

复经验正交函数(CEOF)

扩展经验正交函数(EEOF)

旋转经验正交函数(REOF)

BP典型相关

奇异值分解(SVD)

小波分析

功率谱分析

最大熵谱分析

奇异谱分析(SSA)

多通道奇异谱分析(MSSA)

回归分析

POP分析技术

滤波方法(低通滤波,高通滤波,带通滤波器)

等程序。

气象常用的软件目录:

利用一些商用或科学上的软件,常常可以事倍功半,下面我就列举一些我所使用过的软件,它们均可较好的解决各种气象问题。在此总结的目的也是希望广大气象工作者开阔思路。

1          Matlab (version 5.0,5.1,5.2 and 5.3)—(目前在美国气象界使用非常广泛,它拥有非

常强大的toolbox,利用其toolbox可以解决气象上大多复杂问题,例如SVD分析,

小波分析,常用的统计分析、傅立叶分析等)

2          Visual Fortran 6.0A and Array Visulation(支持Fortran90标准,并且带有可视化工具,功能强大,支持多种编译系统,是DEC公司1998年最新的产品,方便调试程序),现收到最新更新6.0C

3          Fortran Powerstation 4.04.1(同样为DEC公司出品,较2为早,支持Fortran90标准,是较为完备调试程序的工具,较2简单)

4          Origin 5.0patch2(非常好的两维数据场绘图,且可以进行简单的统计计算,并直接画图)

5          Mathmatic3.04.0(功能强大的数学运算软件,可以利用它进行公式推导或数据分析,较程序直观,且可以直接成图。

6          SPSS V7.5; 8.0;9.0(专业的数据统计分析软件,可直接绘图,可利用它进行气象资料场的诊断分析)

7          SAS V6.12(专业的数据统计分析软件,可直接绘图,也可利用它进行气象资料场的诊断分析,和SPSS功能不相上下)

6          Sigmal Plot v3.04 and v4.0(非常好的两维数据场绘图,带有简单的统计功能,直

    观,简单,方便)

7          Excel2000(目前属office2000的一个组件,它可以简单的对数据资料进行分析和

    处理,并直接成图,很方便的把图插到word里进行编辑)

8          Grads v1.7.9(气象上最常用的绘图软件,并且它还可以进行简单的数据处理,并对目前气象流行的 netcdf格式的数据可直接处理,目前它有各种版本的软件,分别对不同的操作系统,完全免费)

9          Vis5d(气象上三维作图软件,它可以动态的显示三维资料场的变化,非常直观,

目前也有各种机器的版本,最近,北京大学暴雨实验室已经把它移植到微机上,

并对它成功的实行汉化工作,属免费软件)

10       NCAR GraphicsNCAR开发的气象作图软件,目前,最新版本为NCAR Version4.1,

它的功能强大,既可画两维的数据场,又可以画三维数据场资料的变化。新版增

加了人机对话的功能。用它做出的图较Grads做出的图美观,清晰,但属于商业

软件,目前较贵,我所已购置NCAR作图的最新软件。

11       PCMDI(属于模式后处理软件,可以和气象模式紧密的结合起来,做到数值模式的可视化,同时也可进行常用的气象作图)

12       Gsview(可以处理和显示及其打印各种PS图形和文字)

13       Latex(例如wintexscientific workplace 2.5winedtscientific notebook v3.0wincctEmtex)(国外各种气象杂志最常用的排版格式,对气象科研人员推广自己的成果非常有用)

14       Powerpoint2000(属office2000的一个组件,利用它可以做出各种生动的胶片,同时若配合计算机和多媒体投影仪可以将个人的工作生动的展现出来。)

15       WPS2000(支持动态gif,另外,有大量的数学公式、化学公式等,并且集中了office2000的大部分性能。对论文排版以及演示等方面非常有用)

16       Photoshop v5.02,v5.5(可以对气象图形进行后处理以及重新着色等,是非常强大的图形处理软件)

17       Smartdraw v4.14 (专长画各种流程图,以及各种概念图,和visio v5.0的功能类似,不过该软件短小精悍,是非常好的工具之一)

18       Winsurf(适合画各种等直线,结合中国地图等,可用于画较为复杂的台站数据图)

19       Grapher(类似winsurf软件,适用于两维等直线作图)

    模式目录:

目前只涉及全球大气环流模式,以后将逐渐加入海洋模式及其海气耦合模式以及区域模式。

全球大气环流模式

1新版的大气所的两层模式(格点模式)

研制人:曾庆存,梁信忠,张学洪,袁重光,林朝辉

它是一个对流层大气的有限差分模式,模式顶为200百帕,但考虑了平流层臭氧对太阳短波辐射的吸收作用。该模式在垂直方向采用δ坐标系,分为等质量的两层大气,在水平方向上采用了余纬-经度坐标,变量按C网格分布,其水平分辨率为4*5。模式的控制方程组是经过坐标变化和变量替换等特殊处理的球面斜压原始方程组。

新版本的模式对整个模式程序进行了结构优化和向量化,从而提高了模式的效能,同时还修正了模式程序中的一些错误。另外,还改进了模式的地表反照率参数化方案。它在进行气候数值模拟等方面,仍具有较好的模拟能力。它最大的优点就是模式比较省时。可以在较短的时间内进行较长的积分试验,本论文的模拟工作就采用了大气所的两层模式,不过采用的是林朝辉博士在lasg2000上最新的新版本模式,该模式在去年的气候预测中取得了较好的成绩。

模式的动力框架经过了大量的检验,并同其他模式进行了比较。

2大气所的九层模式(格点模式)

研制人:曾庆存,梁信忠,张学洪,R.D.Cess,毕训强

大气物理所九层大气环流模式是一个包括对流和低层平流层的全球格点模式。大气所九层模式是曾庆存、梁信忠、张学洪和Cess联合发展的IAP/SUNY 9L AGCM模式的继续,与国外同类模式相比,IAP 9L AGCM不仅在模式动力框架和计算格式方面有较优越的特性,而且在物理过程参数化方案等方面也有自己的特色。另外,毕训强博士对该模式做了进一步的完善及重新调试工作,重新调试了模式部分参数及物理过程参数化方案的控制参数,另外引入了先进的FFT算法,并进行了对整个模式程序的结构优化和全面向量化优化,全面提高了模式性能。

IAP 9L AGCM,该模式垂直方向有9层,为一包括对流层和低层平流层的大气环流模式,模式顶取为10百帕,为细致描写上下边界层的行为,对模式δ坐标进行了不等距分层,垂直方向变量分布采用lorenz状的结构,模式水平方向采用均匀经纬度网格,水平格距为经向4,纬向5,水平分量分布采用Arakawa-C网格。

该模式是参加AMIP2阶段研究计划(AMIP2)的IAP GCM之一。

 

3大气所LASG研制的九层模式(谱模式)

研制人: 吴国雄,刘辉

IAP L9R15 AGCM是一个在引进基础上改进的谱模式(Lin,1991)引入的澳大利亚9层谱模式(Simmonds,1985)。在水平方向为菱形15波截断,水平分辨率约为7.5°(经度)*4.5°(纬度);在垂直方向采用δ坐标,分为不等间距的9层,其中有三层位于行星边界层,故对边界层的刻画比较细致.该模式的主要特点之一是引入了标准层结扣除,这样大大提高了模式的性能(Wu,et al.,1996)

 

4美国NCARCCM3.6模式(谱模式)

研制人:Erik B.Kluzek,Jerry Olson,James M.Rosinski,John E.Truesdale,Mariana Vertenstein    Climate and Global Dynamics Division of NCAR,Boulder

如何获得:

ftp.ucar.edu

Name:anonymous

Password:username@domain

cd ccm

bin

get ccm3.6.code.tar.gz

get ccm3.6.datasets.tar

NCAR CCM3.6是最近的一版模式,它是由NCAR的气候动力小组研制的。早期的CCM模式是基于澳大利亚数值气象研究中心和欧洲中期天气预报中心的大气环流模式的基础上发展起来的,CCM3模式是CCM模式的第四代,也是最新版本。CCM3相对于CCM2对一些重要的物理过程参数化都作了许多重要的改进。

NCAR CCM3.6为其最新的模式,它相对于早些的CCM3.2主要作了如下几种改变,

1物理过程的改变(如修正了表面压力的计算,增加了计算地球轨道参数的能力,另外辐射计算包括了19个波段等),2改变了输入输出的格式(主要输入输出格式改变为netCDF格式等),3改变了用户界面 4修订了原有模式的Bug等。

http://www.cgd.ucar.edu/cms/ccm3/index.html

5 COLA模式(

6 ECHAM4模式

7 日本CCSR/NIES模式(18 levels) 

*IAP大洋环流模式

研制人:张学洪、梁信忠、俞永强

第一代IAP大洋环流模式(OGCM)是一个4层、4*5分辨率的模式,该模式未采用“刚盖”近似,而是一个具有自由面的模式。

2IAP大洋环流模式是一个20层,4*5分辨率的模式,包括一个热力学海冰模式,简称ML20。该模式有3个版本,即ML20-0(陈克明,1994;张1996,ML20-1(俞永强,1997,ML20-2(俞永强,周天军,1998

新一代的IAP大洋环流模式,模式空间分辨率提高,垂直方向有30层,水平分辨率相当于63个波的三角形谱截断(1.875*1.875),同时模式采用了沿等密度面扩散格式以及比较成熟的参数化方案。

除了上述全球海洋环流模式,IAP还推出了太平洋区域海洋环流模式(张荣华,1989Zeng,1991)。

 

*大气物理研究所海气耦合模式

A  4层海洋环流模式与两层大气环流模式的耦合。

B  利用20层海洋环流模式的原始版本(ML20-0)与两层大气环流模式耦合

C  20层海洋环流模式的修订版本(ML20-1)与一个多层的大气环流模式(915波菱形阶段大气环流谱模式-L9R15耦合。

D  建立了一个全球海洋-大气-陆面系统模式,即GOALS/LASG。目前,已发展了4个版本的GOALS模式

 

*东亚中心的区域气候模式,

该模式的动力框架与美国NCAR/PENN MM5相同。一些物理过程来自于NCAR RegCM2。在模式系统中发展并改善了两个重要的部分:大气-植被相互作用和气候-气溶胶相互作用。在陆面物理过程方面,还发展了大气-植被-土壤界面模式,增加了一个直接与树冠面相连的近地层,用该方案与MM5耦合。还在区域气候模式中增加了一个气溶胶传输模式。一系列研究表明,该模式在模拟亚洲季风气候结构和潜在变化方面有良好的发展前景。

有关信息:http://ast590.tea.ac.cn

 

以上所述资料和方法,你可以陆续在作者的主页中见到,主页的地址

http://monsoon.iap.ac.cn/~hg/,或直接email给作者

另外,我将同资料中心的王鹏飞一起尽快将该资料库系统建成,也希望所内同仁提供宝贵意见以及相关资料。

我的email为:hg@mail.iap.ac.cnhg@lasgsgi4.iap.ac.cn

hgiap@hotmail.com(persistent)

目前尚处于试验阶段,今后将和资料中心的同仁们一块完善该资料库。

 

对资料库建设等展望和讨论:

    以上这些资料、程序、方法以及模式等只是作者历年来收集和整理的一部分,当然存在着诸多问题,但作者认为目前这方面工作亟待开展,而此种工作在国外已有专门人员(特别是专门从事计算机软硬件工作人员以及专门的技术人员)的参与并参加开发工作。而此种工作对科研人员的论文写作以及文章质量等都有着非常重要的工作。目前中国在资料验证和处理方面已远远地落后于美国以及欧洲气象部门。我们的资料仅仅停留在台站观测资料的基础上,而最新的资料的获取又十分的困难,研究人员的资料选取方面常常是拿到资料后就用,对资料的好坏并没有进行验证。所以急需一部分专门人员对资料以及方法等进行二次开发和验证,在资料的使用上把关,另外也急需对有中国特色的资料进行整理和开发利用,这样才能真正做到科研工作有创新性,而不是总依赖于国外的资料。本人希望借此论文的资料部分能够引起同仁们对气象研究资料以及方法等这方面的重视,避免重复劳动,提高效率,并做到兄弟单位间资料的共享。

(2001年更新)