近百年来，地球气候正经历着一次以全球变暖为主要特征的显著变化，目前研究结果证明，人类活动是气候系统发生变化的原因之一，气候变化对于社会和经济发展有显著影响^[1-2]。但是，由于缺少高质量的降水量和气温等地面历史观测值，人们难以充分且确定地描述出全国及区域的气候特征^[1]。一方面，气候和天气一样，具有因地形或者陆地、海洋表面状况引起的中尺度变率，因此气候监测在时间和空间上均不能忽视较小的尺度；另一方面，气候监测对绝对准确性和观测的长期稳定性具有不同于天气目的观测的更高要求。相对微小的气候变化趋势需要更加精确和长期稳定的观测，而现有观测并不能满足精确和长时间维持的要求。例如，IPCC第4次气候评估报告得到的过去100年全球地表温度升高大约0.76℃，全球海平面从1961—2003年每年升高1.8 mm^[1]，我国近百年增暖的幅度为0.5~0.8℃/100 a^[2]，这些变化非常微小但十分重要^[3-5]，只有在大范围区域开展长期稳定的观测才可能监测到。

我国气候复杂多变，已有的气候观测存在站点有限且分布不均、设施不足、迁址影响等问题^[6]，气候监测系统亟待完善健全^[7]，需要一个高质量的气候基准网络监测当前和未来的气候趋势及变率，以便更好地定义全国及区域范围内的气候变化情况。“十二五”期间，我国气象观测系统发展的主要任务之一就是加快地面气候基准站的调整优化，推进地面气候基准观测网建设，即在科学评估的基础上，完成国家气候基准观测网的总体设计，明确建设规模和站网布局。

国际上已经有一些国家建立了气候观测站网，借鉴其建站理念将有助于指导我国站网的设计和优化工作。美国气候基准站网 (USCRN，US Climate Reference Network)^①是世界上第1个着眼于高精度气候变化、并开展长期稳定的专门观测的站网。2001年由美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 负责开始设计并筹建，于2008年建设完成美国本土114个站点并实现业务化。USCRN为美国的实时降水及气温观测值提供了一个气候质量基准观测系统，满足了未来50~100年美国国家级气候监测需求，同时也为未来气候观测增加更多的传感器 (如土壤水分、土壤温度、相对湿度、风、气压) 提供了机会。经过约10年的建设，USCRN已经成为美国新的稳定、便捷、提供高质量权威数据的独特渠道，在美国天气、气候以及环境综合观测中起到了不可替代的作用^[8]。从文献[9-10]可以看出，USCRN布局理论属于均匀布局理论，适合于地形起伏较小的地区，不能完全适用于我国这种地形起伏很大的地区，实际布局过程中需采用非均匀布局理论。但USCRN布局理论是一种整体理论，利用这个理论可以了解要反映我国整体气候特征所需的最少台站数，也就是给出了台站总数的下限，这为了解非均匀布局理论的布局效率提供了重要参考。

① http://www.ncdc.noaa.gov/crn/.

本文将基于USCRN布局理论分析我国的气候站网布局结构，旨在了解规定精度下反映我国整体气候特征所需的总台站数及其分布密度，在此基础上，推算出能够反映我国整体气候特征的站网所需的最少台站数目，为我国气候基准站网布局的调整和优化提供初步指导建议。

在人为干扰最小且未来50~100年最不可能受到人类影响的区域，布设尽可能少的观测站点，获取尽可能精确的降水量和气温数据，并尽量减少数据的不确定性和误差范围。其中最重要的就是在全国尺度上显著降低气候不确定性。

USCRN采用了均匀正三角网格分布的布局模式，以研究区域的地理中心位置为起点，构造不同格距的等边三角形网格^[9-10]。Groisman等^[11]对美国降水量和气温异常的研究已经证明，当研究对象的距离相关函数为单调递减的情况，三角形网格分布可以非常有效地估算区域平均特征^[12]。

USCRN要求基准站网监测得到的降水量和气温的全国平均值与已有观测站网的全国平均值的决定系数分别达到95%和98%。研究表明：为满足该要求，需要新建站点135个^[9]。利用解释方差 (决定系数) 作为绩效指标量化已构建USCRN站网的性能，即利用美国四千多个合作气象站的全国平均降水量和气温数据计算美国大陆区域USCRN站网的性能，目标是在全国范围内显著降低气候不确定性。当降水量和气温的方差解释量分别达到95%和98%时，USCRN站网大陆部分完成构建并全面投入业务化运行，这一目标在2008年得以实现 (表 1)。表 1显示，随着USCRN建设中站点的增加，USCRN资料获得的美国本土降水量和气温解释方差的改进，量化了该站网对美国气候的监测能力的提高以及其较高的代表性。当USCRN站网达到114个站点时，已经能够满足技术标准，因此最终的美国本土USCRN站网仅包括114个站点而不是最初确定的135个站点。

表 1

表 1 USCRN站网在减少气候不确定性方面的逐年贡献情况 Table 1 USCRN annual reduction in climate uncertainty 截止时间 USCRN 站点数 降水量 解释方差 气温 解释方差 2000年[13] 2 2001年[13] 8 2002年9月[13] 23 74% 74% 2003年10月[13] 40 大约80% 大约80% 2004年10月[14] 58 90.20% 96.7% 2005年10月[15] 72 91.1% 96.9% 2006年10月[16] 77 91.8% 97.0% 2007年10月[17] 96 94.0% 97.7% 2008年10月[18] 114 95.1% 98.3% 2009年10月[19] 114 95.1% 98.3% 2010年10月[20] 114 95.1% 98.3%  注：数据来自USCRN 2003—2010年财年报告[13-20]。

表 1 USCRN站网在减少气候不确定性方面的逐年贡献情况 Table 1 USCRN annual reduction in climate uncertainty

在计算得到站点预期位置后，需要通过GCOS气候监测原则、气候监测10项原则^[21]等确定实际站点的布站位置，这些标准对站网变更的处理、平行测试、元数据、数据质量和连续性、综合环境评估、历史气候监测、数据覆盖率、气候代表性、监测连续性、数据及元数据的存取等提出了要求，并要求所有站点应该位于原生态环境中以避免人类影响。这类标准应用于USCRN站网建设的前期准备、站址考察及总结评估阶段^[8]，本文不作详述。

我国的气候站分为4级：气候基准站、基本气候站、一般气候站和辅助气候站，此外，尚有为研究山地、高山、海岛等特有气候规律所专设的气候站。以上各类气候站组成了我国的气候站网。我国的气候基准站一般为300~400 km设1站，截止2011年共有143个站。从图 1可以看出，已有气候基准观测站网基本能够反映出我国气候的主要特征，但在量值上明显偏小。从方差解释量看，143个气候基准站对全国年平均降水量和气温的解释方差达到94.2%和98.5%。由此可以看出，已有的气候基准站网对我国气温特征反应较好，但不能完全体现我国降水量分布的全局特征。这一问题产生的具体原因需要作进一步的研究分析，但是根据气候基准站网的分布情况 (图 2)，可以初步认定，这与站网东西分布不均、西部站点稀缺的分布情况有关。

图 1

图 1. 我国气候站网年平均降水量 (a)、气温 (b) 与143个气候基准站的比较 Fig 1. Comparison of annual precipitation (a) and temperature (b) from all 2416 stations in China to those from China Climate Reference Network with 143 stations

图 2

图 2. 我国气候基准观测站网布局 (共143个站) Fig 2. Layout of China Climate Reference Network with 143 stations

根据USCRN经验，依托我国2416个观测站，利用Vose等^[9-10]的等边三角形网格方法，以决定系数量化子网序列对主站网参考序列的逐年变化特征的描述能力，构建均匀分布的国家级观测站点。为了减少数据缺测和城市化的影响，研究时段为1966年1月—1995年12月。本文对未来我国气候监测站网的布局提出了完全新建和优化完善两种可能的发展及优化方向，对两种情况均要求降水量、气温的解释方差分别达到95%和98%，分析该精度下我国气候基准站网的最少站点数目。

由于我国气候复杂多变，2416个站点组成的我国观测站网中东、西部站点密度差异很大，在西部地区，特别是西部广大的高原、荒漠地区，不仅国家级台站极少，而且区域自动站也很少。而作为USCRN布局依据的站网 (4012个站点) 在美国大陆具有较为合理的覆盖密度。这就导致在我国不能完全照搬美国USCRN布局模式中所采用的简单全国平均值作为参考序列，本文利用权重系数，减少我国东、西部站点分布不均对于全国整体特征的影响。

完全根据USCRN的建站目标和布局思路，以均匀三角网格 (3°纬距正三角形) 分布为基础，按照USCRN的技术标准，即降水量和气温的年平均解释方差分别达到95%和98%，全国至少需要103个均匀分布的气候监测站点 (位置如图 3中黑点所示)。由图 3可以看出，在预期站点位置附近已经有95个观测站点投入运行，这满足了USCRN建站理念关于尽可能靠近已有长期观测站网的要求；预期位置附近没有设站的情况主要发生在我国西部地区，尤其是西藏高原区域，这就要求未来的建站工作必须注意到这一不足并加以弥补。

图 3

图 3. 我国新建站网布局 Fig 3. Layout of new-established China Climate Reference Network

USCRN用了约10年时间建设完成了美国本土站网并实现业务化运行，每1年仅能确定数十个站点并投入试运行，2006年最少，仅确定了5个站点。考虑到我国独特的“三阶梯”大地形特征及其区域季风气候背景，需要开展更加深入全面的研究分析，并在实际站网布局设计和优化中充分考虑地形影响、局地气候等多方面的相关因素。

如果旨在完善优化我国已有的气候观测网络，而不是重新建设一个新的观测网络，需要从已有站点中挑选出分布较为均匀且具有高度气候敏感性的站点，为我国气候观测网的完善和扩展提供信息和参考。

为加强优化站网的监测能力，在分析年平均变率基础上，还考虑了季节特征，分别利用1月、7月的数据代表我国冬半年和夏半年的主要特征进行研究。

结果显示，综合考虑年平均、1月和7月的变化特征，我国大致需要229个气候观测站点 (站点分布见图 4)，才能比较真实全面地反映出我国的气候和气候变化特征 (表 2和图 5)。由表 2可知，当站点数目达到103个时，即站网布局为3.0°纬距边长的正三角形网格时，全国年平均降水量的方差解释量达到95.2%，但是1月和7月降水量的方差解释量仅为86.6%和94.4%；当站点数目为229个时，即站网布局为2.0°纬距边长的正三角形网格时，全国年平均、1月和7月降水量的方差解释量都达到或超过了95%，全国年平均、1月和7月气温的解释方差也都达到或超过了98%。

图 4

图 4. 我国已有站网优化布局 Fig 4. Layout of complement China Climate Reference Network

表 2

表 2 不同边长的均匀三角网格站网的降水量和气温的解释方差 Table 2 Explained variances of precipitation and temperature in different equilateral triangular grids 格距 站点数目 降水量解释方差/% 气温解释方差/% 三角网格点数 有数据的三角格点数 年平均 1月 7月 年平均 1月 7月 5.0° 41 41 72.4 72.7 73.9 98.8 99.6 94.3 4.5° 47 46 79.6 80.3 83.8 98.9 99.4 97.8 4.0° 59 55 77.5 87.7 82.3 98.9 99.3 98.4 3.5° 73 70 85.3 86.3 91.1 98.5 99.4 98.6 3.0° 103 95 95.2 86.6 94.4 99.2 99.7 99.1 2.5° 146 134 96.1 89.4 95.6 99.5 99.9 99.3 2.0° 229 199 96.4 95.0 96.0 99.8 99.8 99.8 1.5° 404 326 99.7 99.4 98.8 99.9 99.9 99.9 1.0° 921 634 99.8 99.2 99.2 99.9 99.9 99.9

表 2 不同边长的均匀三角网格站网的降水量和气温的解释方差 Table 2 Explained variances of precipitation and temperature in different equilateral triangular grids

图 5

图 5. 全国年平均、1月和7月降水量解释方差与站点数的关系 Fig 5. Explained variances vs number of stations for different precipitation series

以105°N，35°E (研究区域的地理近中心位置) 为初始中心的等边三角形网格布局中，边长为2.0°纬距的正三角形网格布局预期应有229个站点，但是实际上仅有199个实际站点靠近预期站点位置，其余30个预期站点位置及其附近均缺少有效的观测站点 (图 4)。

从图 4可以看出，以100°E为界，我国东部的预期位置或其邻近都已经布站，但在西部地区的预期位置能够与已有站点重合的较少，而在青藏高原的大部分地区基本没有布站，使得我国的气候观测数据中缺少对西部，尤其是青藏高原的描述，这将是未来布站工作需要重视的地区。

针对已有的199个站点，需要加强维护，确保其不受人为干扰，尽量保证在未来的50~100年内，站点位置及周边环境不发生显著变化；同时，对站点进行高水准的维护、仪器更新和连续的质量控制改进，以便实现我国气候基准站网长期、稳定和积极有效的气候观测。

针对尚未建设的30个站点，需要严格按照所述的站址考察、总结评估和运行检验过程，在合适的地点建成新的气候观测站并加入到站网中。

在站点逐步增加的同时，考察加入新站点的站网数据是否能够满足需求；当达到指定的方差解释量要求时，即可认为此时的气候基准站网基本完备。因此，类似于USCRN站网在站点运行验证中实际站点数目的确定过程，我国的气候基准站网有可能少于229个站点。

相对于美国、欧盟等相继建成的高水准的地面气候基准监测网，我国亟待建立高精度、长期稳定运行的气候基准观测系统，尽快弥补观测空白区和观测密度稀疏区。鉴于站网布局的复杂性，首先需要研究站网的整体布局结构，在此基础上结合我国独特的地形地貌、季风气候特征、区域气候特征等多个要素开展气候基准站网布局的优化完善工作。

为实现该目的，本文基于美国气候基准站网的布局设计理念，结合我国已有的观测系统，对我国气候基准站网的整体布局完善提供了一些初步的建议，给出了在完全新建和完善优化已有站网两种情况下，能反映我国整体气候特征 (以降水量和气温的解释方差分别达到95%和98%为标准) 的站网所需要的最少台站数，得到以下主要结论：

1) 基于USCRN建站理论重新建设我国的气候基准观测系统，需要新建以边长为3°纬距的正三角形均匀网格为分布特征的103个站点，并在全国范围内开展站址考察、总结评估和运行检验工作，才能得到新的气候基准站网，满足全面监测我国的整体气候特征的目标。

2) 依托我国已有观测系统，改进调整后的气候基准站网为最接近边长为2°纬距的正三角形均匀网格分布，共计229个站点，其中199个预期位置或其附近已建有观测站点，没有对应实际站点的30个预期位置主要位于我国西部、尤其是青藏高原西南大部，这些地区将是未来建站的重点区域。

3) 在站点逐步增加的同时，考察加入新站点的气候基准站网是否能够满足监测要求，当达到指定的方差解释量时，即可认为此时的气候基准站网基本完备。类似于USCRN站网的站点运行验证过程，从最初的135个预期站点布局到最终确定的114个实际站点，我国的气候基准站网有可能少于新建站网的103个站点或者是优化站网的229个站点。

本研究工作旨在给出我国气候基准站网的整体结构，为下一步的实际站网布局优化和完善工作提供初步的理论基础。在此基础上，后续将充分考虑我国特殊的“三阶梯”大地形特征和区域气候背景，开展站网布局优化工作相关的研究和分析，并将探讨青藏高原等特殊区域的布网实践，解决数据空白区、地形影响显著区等问题。