早期定量氣象觀測價值的再開發：從ACRE說開去

■ 賈朋群 溫康民

2019年11月4—6日，國際地球大氣環流重建（ACRE）計劃中國、東南亞和日本子計劃聯合學術研討會（以下簡稱ACRE亞洲聯合會）在武漢召開，來自三方以及英國、俄羅斯、加拿大和葡萄牙等多國學者到會，讓我們有機會進一步認識早期零散和個別的氣象觀測記錄的價值所在。

1 再分析技術和氣候變化研究，催生搶救早期氣象觀測記錄的國際合作項目

數據再分析（RA）技術可謂是氣象大數據的集大成的重要工具。RA常被冠以“動力”，即主要依靠數據同化技術，才能得到全球動力再分析的產品。然而，一方面，RA產品具有的時空連續性，在很大程度上是基于以動力框架為引擎的數值模擬得到的；另一方面，RA分析產品生產鏈的每一步，均要靠觀測數據來支撐。這也是為什么早期RA產品的開始時間，多在全球系統氣象觀測體系建立后的20世紀中葉（如1950年）。然而，隨著全球模式復雜性、完整性的持續提升以及應用上的多種需求，RA產品的時間起點，一再被多家主要氣象中心向前提，以1900年或更早時間作為RA產品的時間原點。例如，20世紀再分析項目版本3（20CR v3）覆蓋了1836—2015年（http://go.usa.gov/XTd）。

在氣候變化研究方面，可靠的氣象記錄覆蓋時段越長，其變化趨勢和規律就越容易解析，尤其是時間尺度較長的年代際到多年代變化。不僅如此，與資料時間的自然累計對比，前推數據不僅加快了數據時間序列長度的增加，而且前推得到的數據，例如1900年及更早的數據，較少受到人類活動的影響，能夠更有利于解釋地球氣候的自然變化并且與人類影響的結果進行對比。

綜上所述，人類早期利用現代傳感器得到的氣象觀測記錄，盡管大多在時間和空間上是零散的，但其意義彌足珍貴。正如ACRE CHINA 協調人任國玉教授所言：“ACRE CHINA的目的，就是通過對散落在圖書館、檔案部門、氣象系統和其他來源的1950年以前的中國及周邊區域儀器氣象觀測記錄進行拯救、數字化和分析，從而改進認識東亞氣候變率和變化的觀測基礎?！?/p>

2 ACRE亞洲子計劃取得多項影響巨大的成果

ACRE計劃建立并發展了包括ACRE ARCTIC，ACRE PACIFIC，ACRE ANTARCTICA，ACRE CHINA，ACRE SOUTHEAST ASIA，ACRE JAPAN等多個子計劃，并與其他國際數據拯救計劃相關聯，如ECA&D，LACA&D，WACA&D，SACA&D，MEDARE，INDARE；還與C3S數據拯救服務（C3S DRS）有很好的合作基礎。來自英國氣象局的Rob Allan博士作為ACRE計劃負責人，會上介紹了ACRE海洋項目的最新進展，其中包括對英國國家檔案館（倫敦）和國家氣象檔案館（?？巳兀┑挠＼姾蜕檀\輸日志清單的整理，包括了1589個商船1854—1900年的日志，1640封皇家海軍1788—1909年的日志等。1902—1903年的海洋數據，主要包括在?？巳貒覛庀髾n案保存的345個商船氣象日志里，覆蓋了北大西洋和地中海。

Rob Allan博士在會上還介紹了牛頓交叉基金項目歷史重大厄爾尼諾現象的全球影響進展，同時介紹了英國氣象局牛頓基金會合作計劃，牛頓基金旨在發展科學和創新伙伴關系，以促進發展中國家的經濟發展和福利，包括CSSP-中國、CSSP-巴西、WCSSP-印度、WCSSP-東南亞、WCSSP-南非。對于如何定義重大厄爾尼諾事件進行了解釋，闡述了CSSP /WCSSP和區域ACRE/C3S DRS對重大厄爾尼諾事件的興趣，重大厄爾尼諾現象的全球危害工作內容包括觀測數據拯救（ACRE/C3S DRS 和 CSSP/WCSSP項目）、模型發展、重大厄爾尼諾現象對CSSP/WCSSP國家或地區規模的影響、即將發生重大厄爾尼諾現象的氣候預測、氣候預測和大厄爾尼諾現象的長期前景。

3 中日牽頭共同推進東亞氣象數據重建

ACRE CHINA活動包括兩個方面：一是中國大陸地區的早期數據發掘、拯救、數字化和分析，主要參與單位包括國家氣候中心、國家氣象信息中心、中國地質大學（武漢）、沈陽區域氣候中心、香港天文臺、北京氣象局信息中心、湖北省氣象信息中心、國家海洋信息中心、福建省氣候中心、中國氣象局干部培訓學院、中國科學院地理科學與資源研究所等；二是國際相關國家研究機構，主要包括：UKMO Hadley Centre，Bristol University，German Weather Department (DWD)，Seikei University，Tokyo Metropolitan University，Hokkaido University，Singapore Management University等。

ACRE CHINA 負責人任國玉研究員介紹了過去一年中國大陸地區的主要工作進展。例如，通過中國氣象局內部合作公關，目前已經完成了全國19個臺站早期氣象數據數字化工作（圖1），并提交CSSP合作方和國際ISSP數據庫。19個臺站數字化數據庫的時間起點，有5個站在1900年或更早（哈爾濱、沈陽、武漢、北京和重慶），最早的北京始于1868年，距今150年之久。時間起點在1900—1930年間的也多達11個站。這些站雖然除了烏魯木齊站以外，大多分布在中國東部，但在南北方向上分布較為均勻，其在數據分析和再分析中，對于解析歐亞大陸東部特征，無疑具有重要意義。國家氣象信息中心近期還要將恢復數據的城市擴大到近100個，其中40個已經初步完成。要全面完成這樣的工作，由于氣象數據記載形式存在太多的變化，需更多的努力和支持才能順利完成。例如，即使得到了手工記錄的數據，由于站點大多經歷多次搬遷（例如，沈陽站從1905年以來觀測站經歷6次搬遷），數據的質量控制和均一化等工作依然是巨大挑戰。

圖1 ACRE-中國項目完成早期氣象站日氣壓、溫度和降水數據數字化重建的19個站分布

ACRE CHINA通過和國際同行密切合作，還獲取了一批我國最早的氣象觀測資料，改寫了中國早期氣象觀測歷史。例如，已經獲取了由法國傳教士錢德明（Joseph Marie Amiot）1757—1762年觀測的北京每日（2次）氣象觀測記錄，并完成了數據化和初步質量控制工作；這是迄今我國連續一年以上觀測的最早氣象記錄，觀測要素包括地面氣溫、氣壓和風向風力；發現并數字化了1698—1699年（1698年末—1699年上半年）由英國人卡寧漢姆（J. Cuningham）在廈門觀測的每日（2～3次）地表氣壓資料，這可能是中國甚至東亞地區連續1個月以上的最早觀測記錄。關于早年英國人、日本人在東北營口（牛莊）、沈陽和大連等地的觀測活動，也獲得了新的信息。

在亞洲，尤其是東亞地區，早期利用科學傳感器氣象觀測的活動，或多或少與西方列強在20世紀初及更早時期的殖民活動相關。該地區很多早期氣象觀測，來自傳教士設立的氣象站，而與這些站的觀測活動相關的研究和應用等，也是這一時期現代科學西學東漸傳入我國的組成部分。

在ACRE JAPAN分議題會上，來自日本東京大學的學者，在會上介紹了散存于中國海關檔案中《海關醫報》中的氣象記錄。作者認為，1870—1911年存在的《海關醫報》，記錄了中國32個地方氣象信息，報告總數達到421冊。該研究在《海關醫報》開始時間、氣象數據的記錄方式等方面，與中國學者針對19個海關城市的研究類似。從日本學者給出的32個海關氣象記錄覆蓋的時間來看，除了少數地方，大部分記錄并不是連續的，這或許與當時海關系統要求并不嚴格，以及那時氣象儀器的耐用性和不同海關醫務官員的變化有關。

據來自日本的與會專家介紹，韓國和朝鮮氣象觀測網建立于1904年3月，主要是日本殖民者在當地開展的氣象觀測。這些站集中在現在的韓國和朝鮮南部，已確認的氣象觀測地點有木浦、釜山、大邱、仁川、京城、平壤、元山等，此外還包括一些陸軍醫院。

1863—1864年下關戰爭期間，荷蘭海軍艦隊航海日志中記錄的氣象觀測數據，對于分析歷史時期的日本氣候具有重要價值。參會的日本專家介紹，這些資料收藏在荷蘭國家檔案館。例如，荷蘭的美杜莎號輪船航行通過日本內海的航海日志被記錄其中，這些資料被記載在很厚的航海日志書籍中。1863年7月，在與日本的第一次沖突中，美杜莎號輪船遭到了襲擊，英國、荷蘭、法國、美國四國組成聯合艦隊共17艘軍艦聯合增援。對這些航海資料的初步處理，參會的神戶大學Togo教授指出，需要首先獲取航線和地點，并標注在地圖上；其次，氣候分析與歷史事件同時進行，最終完成這些觀測和信息的數字化。

與中日韓等殖民色彩較濃的早期主要由傳教士主持和參與的氣象觀測不同，還有一些亞洲國家因為與西方國家聯系較為密切，在20世紀初出現了基于需求的氣象觀測。在ACRE 亞洲聯合會上，與會的印度專家從茶文化談起，闡述了隱藏在印度大量私人茶園里的早期氣象記錄，其中印度東北部因為具有典型的季風氣候特征，降水等觀測尤其受到重視。

4 搶救氣象數據任重而道遠

最新的RA產品的開發過程中，包括中國在內的亞洲各國的早期氣象數據，已經受到廣泛關注。例如，中國在20世紀初到二戰結束前的三類氣象觀測，即20世紀30年代中瑞西北可靠探空數據、日本占領區數據和早期中國站觀測數據等，已經被美國、歐洲學者關注并通過各種數據庫渠道，成為大約始于20世紀初的數據再分析產品的數據支撐（圖2）。其中，中瑞西北科考數據尤其珍貴。首先，科考得到的氣象數據，包括了地面和高空，考察中利用從西方引進的氣象風箏，能夠獲取高空氣象數據，不僅持續時間以年計算，也是當時歐亞大陸中部我國境內獨有的高空氣象記錄。另外，參與觀測的是科考隊中很有經驗的中外氣象學者，觀測的規范性等均可以說達到當時的領先水準。最后，對比ARCE亞洲聯合會議，雖然3種資料中另外兩種都有較廣泛的設計，中瑞科考數據尚沒有被關注，這或許與ACRE CHINA目前更多關注地面數據有關。

如前所述，中國連續1個月以上的最早氣象儀器觀測，是1698年廈門的氣壓觀測記錄。這些最初由西方科學家和傳教士將發明不久的傳感器帶到中國，并借此開展的氣象觀測，既是西方列強殖民擴張的證據，但同時也是西學東漸的一個渠道，特別是一些學者型的傳教士，更對中國早期認知現代科學起到了巨大作用。今天我們審視這些氣象記錄遺產，其實已經到了很緊迫的時間點。

圖2 歐洲學者再分析數據庫中收集的3類中國早期氣象觀測數據：1931/1932年中瑞科考、1930—1935年早期中國站和二戰期間日本在華建立的氣象站（來源：Br?nnimann et al., 2018）

例如，挖掘隱藏在各種檔案材料中的氣象觀測原始數據，工程量浩大。僅在中國氣象局檔案中，1951年以前的早期氣象觀測記錄，總頁數估計超過400萬頁，其中月報表的站冊數多達1443本。此外還有約330萬頁圖像。即使完成這些數據的數字化，也還僅僅是ACRE CHINA這類科學計劃的第一步，隨后的大量數據融合、質量控制、均一化和分析等工作，任務同樣繁重。此外，需要建立很好的渠道，使寶貴的早期觀測資料在科學界得到共享，才意味著這些數據真正在研究和應用中體現了其價值，而這些可以堪稱為工程的巨大工作量，需要得到國家的持續支持，才有可能逐步完成。

深入閱讀

Allan R, Brohan P, 2011. The International Atmospheric Circulation Reconstructions over the Earth (ACRE) Initiative. Bulletin of the American Meteorological Society, 92(12): 1421-1425.

Br?nnimann S, et al., 2018. Observations for reanalyses. Bulletin of the American Meteorological Society, 99(9): 1851-1866.

何溪澄, 馮穎竹, 2017. 《海關醫報》與1877—1894年廣州氣象觀測記錄. 氣象科技進展, 7(3):71-73, 80.