对气候数据可用性和质量的提高贡献为撒哈拉以南非洲地区

介绍

近几十年来,非洲大陆的平均温度增加了速度与其他大洲(世界气象组织,2020)。地面气象观测相关的可靠评估区域气候变化和各种各样的其他应用程序。这样的观测通常由国家气象和水文服务(NMHSs)负责全国观测网络的操作。提供长期的统计和评估长期气候变化需要长时间系列的可用性适当的质量。几个气象任务依赖国际数据交换,例如,用于在数值模型中数据同化或全球气候监测。从表面的气候数据交换站组织在全球气候观测系统(GCOS:卡尔et al ., 2010)。

GCOS表面网络监控中心(GSNMC)监控气候月报的交换(“气候由”)。这些数据被收集,品质管理,归档和发布通过国际数据中心。然而,时间序列的长度和完整性取决于该地区。另一个选项来编译长期一系列站历史观测数据手写形式可用气象部门的档案。不同国家的这些文件也可以在档案DWD和努力正在对这些数据进行数字化处理。此外,历史观察来自船只可以提供气候信息在海洋区域。几家国际数据中心收集最近的观察和气象的历史时间序列数据,并使用它们来获得气候与气候变化评估区域和全球范围内。一个例子是全球降水的研究中心,在世界气象组织(WMO)的主持下,在DWD主持。历史降水系列的集合,允许它来生成月度领域全球降水追溯到1891年。它接收当前这些降水系列的观察和执行质量控制。 The series are finally used to provide various gridded products with global coverage. In addition to ground-based observations, satellite observations can also provide climatological information for selected parameters. Meteorological satellites have now been in operation for several decades. The Satellite Application Facility on Climate Monitoring uses data from meteorological satellites to derive climatological data products of various meteorological parameters. In particular the series of METEOSAT satellites provides good coverage and resolution also for Africa. Among those parameters, especially surface radiation is of high relevance for practical applications, e.g., in the context of renewable energy assessments or for estimating evaporation in applications in the water or agricultural sectors.

在DWD在这里,我们提供了一个洞察活动有助于改善气象数据可用性和质量在撒哈拉以南非洲。这些例子涉及广泛的数据拯救历史观测卫星数据的后处理,因此代表国际活动的例子支持气候数据的可用性和质量在撒哈拉以南非洲。

“国际区域气候观测的可用性”部分提供信息的状态区域数据可用性基于全球气候观测系统的监测活动(GCOS)表面网络监控中心(GSNMC)。部分“历史观测数据救援和数字化”说明了历史时间序列数据救援活动有助于补充。节”活动和区域产品的全球降水气候学中心”描述了如何使用这样的集合的天气观测全球降水区域降水气候学中心获得信息。“气象服务合作”一节提供的例子的使用这些数据源来提高数据可用性在区域内的国家气象服务,并提供一些额外的国际合作的例子。“卫星气候数据集”一节说明了地面观测卫星信息可以补充。结论是“总结和结论”部分。

国际的可用性区域气候观测

国际交流的气候数据从表面站内组织所谓的“全球气候观测系统(GCOS)。“一个元素是GCOS表面网络(GSN),这是一个全球基准网络由一组约1000所选的气象站。选择的目标是在一个相当统一的空间覆盖所有地区,最好是基于站与适当的数据记录长度和质量。

每月特定产品这些站都是所谓的气候由消息,包括每月的平均水平,极端的气象观测和阈值超过数点上个月从气象站(世界气象组织,2009)。气候由消息开始的日期(月、年)包括气候资料和由几个气象参数。等是强制性的每月平均的空气压力和温度、降水和日照时间。其他都是可选的,例如天值超过一定的阈值以及不同参数的最大值。此外,气候法线的参考时间应包括在内。

气候由消息传播的气象站属于不同的观测网络(缩写词的具体网络:内脏大神经,RBCN,安东或气候由)和分布每月NMHSs公告通过全球电信系统(GTS)。2019年世界气象组织开始审判阶段交换日常气候数据(DAYCLI)的月度报告。这些数据将补充气候由消息和预见,操作DAYCLI交换通过GTS将在2023年开始。

GCOS表面网络监控中心(GSNMC由DWD和日本气象厅气象厅)监测全球气候由交易所的报告。传播,气候由数据的完整性和质量监控,和编码修正了。在这样的质量控制程序,这些数据是巩固和存档。这些数据的时间序列在国际数据中心,但长度和网络密度取决于该地区。

与内脏大神经、近3000个车站区域基本综观网络(RBCN)预计也将产生气候由月报。

的图1 a, B显示了可用性的气候由月报收到监控中心之一(DWD和日本气象厅)2019年10月到2021年9月(即。24个月期间)。接收到的数据显示的百分比报告(相对于预期的报告数量从每个站)。图1一个显示了内脏的百分比,而图1 b显示了RBCN和AntON-stations百分比。的数据量的数据显示显著差异来自不同的国家在撒哈拉以南非洲。一些国家没有收到数据,但对于一些国家的数据从几个国家电台已收到,因此可用在国际层面上。品质管理的数据集从GSNMC公开。通过的开放数据服务器DWD气候数据中心(https://opendata.dwd.de/climate_environment/CDC/observations_global/CLIMAT/)。

为了反馈监测结果GSNMC当地网络运营商,中心区域CBS铅GCOS已经被世界气象组织联系指定国家GCOS焦点和其他官员负责,提高数据和元数据的可用性和质量。非洲建立了两个哥伦比亚广播公司领导中心,一个在摩洛哥北部非洲和非洲南部的第二个在莫桑比克。

需要改善当地数据处理和传输的能力已经被确认和初始步骤进行(参见“国际合作”的一节)。

救援和数字化历史观测数据

背景

评估长期气候变化,观测时间序列应该尽可能。早期观察可供世界上许多地区,但往往没有在数字形式和不同国家的原始文档可能存档在不同的地方,在某些情况下甚至不确定(Bronnimann et al ., 2018)。门户的“国际数据救援(我敢)”项目概述全球过去和现在的状态数据救援项目和已知的档案与历史价值被营救的天气数据(https://www.idare-portal.org/)。DWD房屋巨大历史档案手写日记的天气观测原始也从他的前任的活动组织。雷竞技电竞体育竞猜平台这些档案不仅包括观察来自德国,海洋和陆地的还站在世界的许多地方。同样,这样的历史观察可以发现在其他国家气象服务档案。一些数字化观测的工作已经进行了几十年的努力,近年来这些活动扩展到未归档集合。概述DWD数据提出了救援活动(卡斯帕·et al ., 2015 a)。国际观察是海洋的一部分归档(位于DWD在汉堡分公司)包含()德国海军天文台的集合,“德意志Seewarte”的前任DWD存在从1868年到1945年在汉堡。它包括船舶气象数据记录,以及土地站在世界的许多地方(例如,从前德国殖民地)。档案也因此包含观测在撒哈拉以南非洲国家也从邻近的海洋地区。以下部分提供进一步的细节在特定的集合。

数字化过程是劳动密集型,因此耗时的活动,目前它只能通过手动键来实现条目。为了说明这样的手写文档的典型的外观,图2显示了一个示例来自喀麦隆(每小时温度,拍摄于1913年8月)。

观察历史的土地

存档包含一组德国海军天文台的气象观测超过2000所谓的“海外”站在世界的许多地方,主要在前德国殖民地,包括撒哈拉以南非洲的几个国家。“德意志Seewarte”装备,这些加油站校准仪器和气象观测是根据标准化规则执行。归档文件包含了从1830年至1945年期间气候数据,主要从1890年到1945年。到目前为止,已经有超过2000个车站确认存档和数据从764年电台一直在数字化总(状态:2021年8月)。大约1700的这些站位于非洲和超过400目前数字化过程中或已经完成。大部分的站是位于喀麦隆、纳米比亚和坦桑尼亚。车站都设置为永久站测量好几年了,但也是临时或科学站短时间< 1年。根据车站类型,只有观察沉淀或一组参数包括降水、温度和天气数据。图3说明了车站的位置和数字化进程的当前状态。图4显示了数据可用性随着时间的推移,在非洲的主要地区。

气象船航海日志

历史船航海日志由几种船的归档日志收集从1828年到1945年。以及海外电台,存档来自德意志Seewarte。超过37000的股票气象船航海日志,它是世界上最大的档案这类。第一个观察来自普通航海航海日志。类似于标准气象航海日志,介绍了Maury(1840 - 1860),德国海军天文台于1868年开始提供自己的气象期刊德国商船。雷竞技电竞体育竞猜平台大多数期刊在1870年开始提供。雷竞技电竞体育竞猜平台在第二次世界大战之后,marine-meteorological观察被DWD继续。

海洋观测的总数的历史档案Seewarte估计至少2300万的观察,和容易得多。努力数字化的航海日志始于1940年代初将数据转移到穿孔卡片。自那时以来,数字化工作一直在继续DWD在几个阶段。到目前为止,大约1500万的观察已经数字化,收集在一个数字数据基础。图3显示了数字化数据的地理分布。特别是,好望角的航线和前德国殖民地大量历史海洋气象观测提供了重要的信息关于非洲的气候和天气条件。

已经建立了一个复杂的工作流数字化船期刊的内容,包括几个步骤:收集所有元数据为一个特定的日志,光学扫描的航海日志最后转录(键控)的内容。雷竞技电竞体育竞猜平台从每一步数字化数据都存储在一个数据库系统。最后,品质管理数据都包含在DWD的海洋气象档案以及提供给国际综合海洋大气数据集(ICOADS看到:弗里曼et al ., 2017)。

数字化的挑战和国际合作

数字化的努力,不仅在DWD在不同项目(已经持续几十年了艾伦et al ., 2021)。因此,不同的数据归档内容分散,例如,一些文件只有部分数字化,数字化的数据库条目来源于不同阶段的活动。对于其他数据集,链接到相应的元数据记录已经丧失。在数据交换过程中程序,一些数据被复制在几个档案。因此,进一步的挑战,除了新数字化数据的集成,是这些现有的整合和均化数据档案。

DWD的数字化工作仍主要依赖手工键控的观察。老德国笔迹和不同数据表布局对自动文本识别系统仍然是一个挑战,它可以克服在未来新技术,有可能大大加快转录过程。然而,获救的(元)数据管理数据,以及处理和扫描旧的和脆弱的文件将继续要求很多谨慎的工作创建现代数据集高质量的这些有价值的历史数据来源(见也艾伦et al ., 2021为进一步的例子)。

活动和区域产品的全球降水的研究中心

国际数据中心不仅收集和控制天气观测;他们中的一些人也派生产品支持全球和区域气候监测。一个例子是全球降水气候中心(GPCC),这是由DWD的赞助下世界气象组织(WMO)。作为最终产品,GPCC提供全球降水监测地球的气候分析和相关研究。为了实现这一目标,站降水观测得到来自不同来源,主要来自国家气象服务。GPCC数据归档是迄今为止全球最大的降水。观测质量受控,最终修正、存档和获得各种网格降水产品用于地球的陆地表面,例如,每月的意思。作为一个例子,图6显示了在非洲长期年均降水与0.25°空间网格分辨率。图6 c, D发现长期的平均降水两个赛季(12月,1月,2月和6月,7月,8月和说明,例如,干燥和雨季之间的区域明显变化。图6 b显示了用于生产的电台的网格数据。

的产品GPCC浸染在一个开放的数据政策。然而,原站数据没有发表,GPCC并不主张版权获取数据。GPCC适用一般的政策而不是通过任何原始站数据提供数据回原来的供应商或原产国,如果要求(贝克尔et al ., 2013)。GPCC可以支持国家气候数据库的开发或改进,已经为安哥拉,例如(小波et al ., 2016)。在这种情况下,美国国家档案馆也受益于由GPCC实现质量改进。

主要在GPCC执行步骤:

1。降水数据的采集气象和气候观测网络。

2。收集数据的质量控制和评估和修正错误。

3所示。估计修正系统的仪表测量误差。

4所示。计算各种网格为地球的陆地降水产品,例如,每月的手段;包括错误评估gridcell水平的一些产品。

5。传播产品的下一个开放许可数据。

各种各样的产品可供选择,对于底层数据不同,时间和空间分辨率和目标应用程序的目的。接近实时的产品只有一个可用的数据量减少足够的及时性。他们也因此在空间分辨率降低。完整的产品组合中描述施耐德et al。(2016)和贝克尔et al。(2013)或在网站上GPCC (https://gpcc.dwd.de)。产品具有高相关性对非洲(但通常覆盖所有有人居住的大陆)是:

•“GPCC气候学”每月提供网格领域的长期气候意味着空间分辨率0.25°。它是基于月度意味着专注于1951 - 2000 ~ 85000个车站(见施耐德et al ., 2014早期版本的详细描述)。超出其应用气候学数据集的引用也被用作背景领域其他GPCC产品的异常插值。图6 a、C、D显示了非洲的气候学的年平均和两个赛季。图6 b说明了底层的密度。

•“GPCC第一猜”产品(日常和月度)是基于天气天气预报(SYNOP消息)~ 7000站(全球)到达DWD通过世界气象组织的全球电信系统(GTS)在实时观察。地图和数据产品的分辨率1°可用观测月后5天内,因此可以用于需要高时效性的应用程序,例如,干旱监测(Schamm et al ., 2014)。

•“GPCC完整数据每月“产品提供月度领域一项决议0.25°的时期从1891年起,基于质量受控的数据从所有站在GPCC数据库(最大数量超过53000个车站的1986/1987)。产品从而优化需要最好的应用程序空间范围,例如,验证分析的模型或历史性的全球降水或研究有关全球水循环。

•“GPCC完整的数据日报”的产品提供全球陆地降水的日常信息的分辨率1°和基于国家气象和水文服务提供的数据,全球和区域的数据收集以及WMO GTS-data。目前数据集的时间范围从1982年1月开始。

•“GPCC干旱指数”是一个标准化的异常降水相对长期和潜在蒸散是申请,如干旱监测(Ziese et al ., 2014)。它是可用的版本与高时效性和关于长期意味着从1952年开始的。聚合时间的1、3、6、9、12、24、48个月计算。

图7站在非洲每年的数量表明,这些产品可用于生成。实时产品(“第一次猜”)是基于观察收到通过世界气象组织的全球电信系统(GTS数据)。“完整的数据”产品,附加站,已集成到基于国家贡献和存档通过整合来自国际数据库的数据。国家气象和水文服务的贡献是数据库的一个重要组成部分。总的来说,GPCC收到约4500站在非洲月度数据为1971 - 1990年期间,最多5000多台。在早些时候,后来几年,站的数量小。

气象服务合作

前一节演示活动在国际层面上支持数据质量和地面观测和衍生产品的可用性。然而,对于气候服务在国家层面上,同样重要的是改善当地经营的广播电台网络的能力和建立气候数据库支持的本地应用程序从分析气候变化趋势为所有类型的应用程序数据提供支持的适应措施。这样的任务通常是在国家气象服务的责任。国际合作一些项目近年来演示了如何有助于改善当地的能力,在一定程度上也与上述活动。

人们普遍认为相关缺口在观察网络持续和结果的项目旨在加强这些网络往往是次优的(Santamaria et al ., 2021)。需要能力增强发展中国家也因此在世界气象组织战略计划2020 - 2023 (世界气象组织,2019),但是需要技术和财政支持来达到显著改善(Kijazi et al ., 2021)。问卷调查的世界气象组织(2012)气候数据管理系统在发展中国家导致的结论是,几个NMHSs不运行数据库管理系统(DMS)的气候数据管理系统(探测器)。

倡议的一个例子与关注,观察网络和气候数据基地,共同活动已执行框架内的“南部非洲科学气候变化和适应土地管理服务中心”(SASSCAL;https://www.sasscal.org)。SASSCAL之内,国家气象部门安哥拉、博茨瓦纳、赞比亚和德国以及进一步的合作伙伴机构在德国,纳米比亚和南非,合作支持区域气象观测网络的扩展和气候的改善档案在各自的国家(在国家层面上卡斯帕·et al ., 2015 b)。改善气候站的低密度SASSCAL地区建立气象站网络在2009/2010开始,总共有154个气象站。讨论了重要的战略和技术措施的活动Muche et al。(2018)。这个扩展的网络活动相配合,提高气候数据管理概念在国家气象部门。除了培训活动外,还关注扩展的数据与历史气候数据基地。部分获得的数字化工作的国家,也在国际档案,通过识别额外的来源,例如,上述GPCC的降水数据的存档。发现其中的一些数据不再可用在某些国家数据库。活动中所描述的细节小波et al . (2016,2018)和(卡斯帕·et al ., 2015 b)。CDMS Climsoft用于参与国,一个系统常用的在发展中国家。同时,努力持续开发这个系统向一个免费开源的气候数据管理系统(https://climsoft.org)。

国家和地区的数据档案还可以辅以集成来自上述的历史观测数字化DWD或其他NHMSs的努力。提供历史天气观测从海外归档到国家电台最初位于因此是一个重要的倡议,目前支持在个案基础上,根据数字化的进程。例如,一个完整的数字拷贝和数据包中包含的文档的归档前殖民站在喀麦隆被DWD正式移交的外交代表喀麦隆和转发到“方向de la Meteorologie杜国家喀麦隆”(CMR)。已经为其他类似的数据传输,例如,在加拿大,中国和韩国,并将持续了其他国家,在各自的数据已经数字化,记录和质量控制。

卫星气象数据集

除了地面观测、卫星数据也可以提供气候信息,但可行性取决于气象参数。例如,朦胧和表面辐射可以从观测的气象卫星。气象卫星已经操作了一些年,因此可以为气候分析提供数据适当的长度。气象卫星卫星位于一个位置在赤道的地方他们是在一个最优位置为非洲提供信息(见图8)。第一颗气象卫星卫星是在1977年推出。然而,卫星最初无意提供长期的气候信息,因此之间的数据需要谨慎处理和inter-calibration卫星气象应用程序提供可靠的产品。这样的工作在气候监测卫星应用设施(厘米SAF,https://www.cmsaf.eu),一个EUMETSAT活动组织成一个网络贡献来自几个国家气象服务在欧洲和DWD为首。派生的数据产品可用几公里的空间分辨率,因此更高的分辨率比典型的地面观测的辐射密度或阴沉。尤其是表面辐射,但也朦胧,是重要的参数应用在能源行业或相关建模应用程序中蒸发水或植被。一个相关的例子,这样的数据集是表面太阳辐射数据集SARAH-2。的“第二版表面太阳辐射数据集——Heliosat”(SARAH-2,一起更新萨拉- 2.1)是一个基于卫星的气候数据记录一组辐射参数:太阳能表面辐照度、表面直接辐照度(直接的规范化水平),日照时间、光谱信息,和有效的云反照率。他们是来自环境的可见渠道MVIRI和SEVIRI仪器上(地球同步气象卫星卫星Kothe et al ., 2017;Pfeifroth et al ., 2017,2018年,2019年)。可用的数据从1983年到2017年,该地区±65°经度和纬度65°±(图8;±60°经度和纬度±60°)的光谱信息,从而提供信息的非洲。产品可作为每月和每日的意思,正如30分钟瞬时数据(日照时间可以每月和每日总和)在常规纬度/经度网格空间分辨率为0.05°×0.05°摄氏度。除了莎拉- 2.1的数据集,CM SAF提供日常数据记录的延续。莎拉- 2.1的一个全新更新目前正在生产的CM SAF SARAH-3将在2022年提供,然后覆盖1982 - 2020年。CM SAF的类似于其他产品,数据集是免费的和全面的文档的补充算法,验证报告和用户指南。

同样,云参数可用数据集覆盖相同的地区和时间(例如,希伯来文名字et al ., 2017)。这样的地面观测卫星产品因此可以补,但只对选定的参数。例如,推导近地表温度或近地表风目前不可能在一个类似的质量在全球或大陆规模。

摘要和结论

继续有相关缺口在撒哈拉以南非洲地区的气象数据的可用性。数据可用性的监控中实现GCOS表面网络监控中心已收到的数据概述和可用于气候分析在国际层面上。结果显示差距特别是在非洲南部和东部。尽管非洲被认为是一个“热点”,气候变化的脆弱性和变化的影响(世界气象组织,2020),数据可用性的差距阻碍的详细评估气候变化已经发生。需要改进和探讨了金融支持在国际层面上(例如,Santamaria et al ., 2021)。国家气象机构之间的合作可以支持能力建设在国家层面和最近几年的一些举措可以提供一些经验教训,例如,活动SASSCAL中德国和国家之间的合作建立了在非洲南部。建立在发展中国家气候数据基地在国家层面也可以受益于欧洲气象历史数据的数字化档案机构。这些额外的数据将评估长期气候变化特别有效。然而,这种数字化继续是一个劳动密集型的过程。

一些参数也可以来自卫星观测。数据集覆盖一些几十年已经产生,例如,在欧洲气候监测和卫星应用设施为非洲提供信息在高空间和时间分辨率。特别是,辐射、日照时间或朦胧为范围广泛的应用程序和相关参数都可以从这个活动。

降水的组合数据集是由全球降水的研究中心(GPCC)。他们是根据站的观察。网格产品公开可用。原站数据可以交给原产国纳入国家气候数据库。改善国际数据交换也将提高此类产品的质量从全球数据中心。

这些活动的德国国家气象服务(德国Wetterdienst, DWD)是国际气候数据可用性和质量的提高贡献在撒哈拉以南非洲。他们说明各种活动都需要实现全面了解气候变化和改变。提高数据可用性和交换不仅支持气候变化趋势的了解,但还将支持应用程序尤其数值天气预报(Meque et al ., 2021)。观测和数值模型的结合还允许生成长期气候再分析数据集提供现实的三维领域过去的天气,因此广泛的应用程序中使用。这些活动还受益于数字化历史观测数据同化的使用这些模型。等数据集存在产品与全球覆盖(例如,在欧洲哥白尼气候变化服务;Hersbach et al ., 2020)或为一些大陆地区高分辨率的产品(例如,卡斯帕·et al ., 2020),但没有对非洲大陆。

作者的贡献

颗起草的手稿输入从所有的合作者。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

DWD对SASSCAL的贡献是由德国的教育和研究部门(BMBF,格兰特没有。01 lg1201j)。气候监测卫星应用设施(厘米SAF)是一个分布式EUMETSAT应用地面段的有效组成部分。联合活动的国家气象服务和研究机构从比利时、芬兰、荷兰、瑞典、瑞士、英国、法国和德国,作为领先的实体,由EUMETSAT联合。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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确认

我们感谢我们的同事生产图4(Tobias Detels),图7(Jan尼古拉斯Breidenbach),图8(Steffen Kothe)。我们还要感谢那些评论家的有用的评论的手稿。

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