New series of daily maximum and minimum temperature observations for Beijing, China since 1841
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摘要: 长期连续的日值观测资料是研究百年来极端气候事件及其变化特征的重要基础支撑。目前中外由于缺乏可靠的逐日百年尺度气候资料，使得20世纪50年代以前的极端气候变化规律仍然没有得到很好的认识。基于国家气象信息中心收集整理的日最高和最低气温观测资料，构建北京1841—2019年气温日值序列。首先，通过数据质量控制剔除原始基础资料中因人工观测、仪器故障及数字化过程造成的错误数据；其次，采用标准化序列法对北京气象观测站1951年以前的日最高和最低气温序列进行了插补；最后，利用惩罚最大t检验（PMT）和惩罚最大F检验（PMFT）对插补后的日值序列进行均一性检验，并采用分位数匹配法（QM）对检验得到的因迁站和仪器变更导致的统计显著断点进行订正，由此建立了北京百年均一化气温日值序列。分析表明，构建的北京百年逐日气温序列的年代变化特点与美国伯克利地球研发中心的月平均地表温度数据（Berkeley Earth-Monthly）、英国东英格利亚大学气候研究中心的全球月平均地表温度数据（CRUTS4.03）以及美国国家气候资料中心的全球历史气候数据（GHCNV3）具有一致性。从趋势变化来看，基于构建的逐日最高和最低气温序列统计得到1911—2019年北京地区年平均气温升高趋势为0.154±0.018℃/（10 a）（95%不确定性水平估计），与中国区域气温趋势变化幅度基本一致。从而在一定程度上说明构建的北京百年尺度日最高和最低气温序列能够为极端气候变化领域提供新的基础数据。Abstract: Continuous daily observations over as long a period as possible are an important basis for the study of extreme climate events and their characteristics over the past hundred years. Due to the scarcity of reliable and continuous daily observations over century-long scale, the pattern of extreme climate change before the 1950s still can not be well interpreted both in China and abroad. New series of daily maximum and minimum temperature observations for Beijing from 1 January 1841 (for minimum) and 1 January 1880 (for maximum) to 31 December 2019 have been constructed. Two daily observational datasets are obtained from China Meteorological Administration (CMA) as the basic sources: (1) The digital daily observations covering the period of 1 January 1841—31 December 1950 from 5 in-situ sites and (2) the daily data observed by new weather and climate systems over the period of 1 January 1951—31 December 2019. Errors caused by manual observations, instrument malfunctions and digital inputs are removed by quality control. Those missing daily maximum and minimum temperature data before 1951 at Beijing meteorological observation station are filled by interpolations using standardized series method. Several significant breakpoints caused by changes in station locations and instrument manufacturers are detected by penalized maximal t test (PMT) and penalized maximal F test (PMF). The homogenized daily maximum and minimum temperature series for Beijing are obtained by Quantile Matching (QM) adjustment with reference series from Berkeley Earth-daily data. It is found that the decadal variabilities of the new daily temperature series over century-long scale are consistent with those of Berkeley Earth-monthly, CRUTS4.03 and GHCNV3 data in Beijing. The warming trend estimated based on the annual mean temperature series averaged from the new daily maximum and minimum temperatures is 0.154±0.018°C/(10 a) (at the 95% confidence level for statistical uncertainties) during the period of 1911—2019 in Beijing, which is similar to that over China. Therefore, the time series of the homogenized daily maximum and minimum temperatures over century-long scale in Beijing city can to a certain extent provide a new data source for the study of climate extremes.
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图 1 北京气象观测站1841年1月1日—2019年12月31日原始观测的逐日最高 （a） 和最低气温 （b） 序列 （带黑色和绿色星号的垂直虚线分别标注8次迁站和2次自动化观测仪器变更的记录时间）
Figure 1. Original series of daily maximum （a） and minimum temperature （b） at Beijing meteorological observation station during the period of 1 January 1841—31 December 2019 （Vertical dashed lines with black and green stars on the axes denote metadata times of station relocation （eight times） and instrument changes （two times for automatic observation），respectively）
图 3 基于质量控制后逐日观测数据统计得到的北京气象观测站年平均最高 （a） 和最低气温 （b） 序列及其1918年1月1日—1925年12月31日和1930年1月1日—1936年12月31日两个拟合时段的插补序列
Figure 3. Annual average maximum （a） and minimum （b） temperature series based on quality controlled daily data and interpolated data using fitting periods of 1 January 1918—31 December 1925 and 1 January 1930—31 December 1936 for Beijing meteorological observation station
图 4 北京气象观测站1841—2019年日最高和最低气温序列的均一化
Figure 4. Homogenization of daily maximum and minimum temperature series from 1841 to 2019 for Beijing meteorological observation station
图 5 选取的11个北京气象观测站及其邻近站点
Figure 5. The selected 11 Beijing meteorological observation stations and adjacent stations
图 6 年和月尺度最高 （a、 c、 e、 g、 i） 和最低气温 （b、 d、 f、 h、 j） 基础观测序列及其两种参考序列 （BCG参考序列指的是基于Berkeley Earth、 CRUTS4.03 和GHCNV3月值数据建立的参考序列，Berkeley月值参考序列指的是仅基于11个站点水平Berkeley月值数据建立的参考序列；a、b. 年，c、d. 1月，e、f. 4月，g、h. 7月，i、j. 10月）
Figure 6. Annual and monthly observations of maximum （a，c，e，g，i） and minimum （b，d，f，h，j） temperature series and their corresponding reference series （BCG reference means the reference is constructed based on Berkeley Earth-monthly，CRUTS4.03 and GHCNV3 data，while Berkeley-monthly reference means the reference is constructed based on 11 site level data only from Berkeley Earth-monthly of the selected stations nearby Beijing meteorological observation station； a，b. Annual， c，d. January，e，f. April，g，h. July，i，j. October）
图 7 北京气象观测站均一性订正前后最高 （a） 和最低气温 （b） 日值序列及其QM订正量 （垂直虚线标注出序列断点分别为1940年1月1日、1965年1月1日、1981年1月1日、1997年4月1日和2003年1月1日）
Figure 7. The adjusted and raw daily series of maximum （a） and minimum （b） temperatures and their QM-Adjustments at Beijing meteorological observation station from Jan 1 1841 to Dec 31 2019 （Vertical dashed lines denote the breakpoints at times of 1 January 1940，1 January 1 1965，1 January 1981，1 April 1997 and 1 January 2003）
图 8 北京气象观测站日最高 （a） 和最低气温 （b） 序列QM 订正量的概率密度分布
Figure 8. Probability density distributions of adjustments applied to daily maximum （a） and minimum （b） temperature data at Beijing meteorological observation station
图 9 北京气象观测站日最高和最低气温月平均QM订正量
Figure 9. Average adjustments on the monthly timescale applied to daily maximum and minimum temperature data at Beijing meteorological observation station
图 10 北京气象观测站1841—2019年均一性订正前、后的年平均最高 （a） 和最低 （b） 气温序列及其对应Berkeley Earth、 CRUTS4.03和GHCNV3北京站点气温序列
Figure 10. Time series of annual maximum （a） and minimum （b） temperatures from 1841 to 2019 based on homogenized and raw daily data and corresponding time series from Berkeley Earth-monthly，CRUTS4.03 and GHCNV3 for Beijing meteorological observation station
表 1 北京气象观测站1841年1月1日—2019年12月31日历史沿革信息
Table 1. The metadata of Beijing meteorological observation station during the period of 1 January 1841—31 December 2019
观测时段 纬度 经度 海拔
高度（m）站址
（探测
环境）迁站信息 仪器变更 观测时间 1841年1月1日—
1912年11月28日39°57′N 116°28′E 37.5 北京东直门胡家园胡同（不详） — — 不详 1912年11月29日—
1939年12月31日39°54′N 116°28′E 42.8 北京建国门泡子河北岸（市区） 不详 不详 不详 1940年1月1日—
1950年12月31日39°56′N 116°20′E 51.3 北京西郊公园
（郊区）距原址西北部
9.5 km不详 不详 1951年1月1日—
1953年5月31日39°56′N 116°20′E 51.3 同上 — 不详 最高气温
18:00 BT最低气温
09:00 BT1953年6月1日—
1953年12月31日39°57′N 116°19′E 52.3 北京西郊五塔寺7号（郊区） 距1940年站址北
部0.8 km不详 — 1954年1月1日—
1960年12月31日39°57′N 116°19′E 52.3 同上 — 最高气温
1954年
1月1日不详 最低气温
1954年
1月1日1961年1月1日—
1964年12月31日39°57′N 116°19′E 52.3 同上 — 最高气温
1961年11月23日20:00 BT 最低气温
1961年11月23日1965年1月1日—
1968年12月31日39°35′ N 116°19′E 29.4 北京市大兴县东黑垡村（郊区） 距1953年站址东
南部38.8 km最高气温
1965年1月1日；
1968年1月1日— 最低气温
1965年1月1日；
1968年1月1日1969年1月1日—
1970年6月30日39°56′ N 116°16′E 53.3 北京市西郊彰化农场（郊区） 距1965年站址西
北部44.0 km— — 1970年7月1日—
1980年12月31日39°48′ N 116°28′E 31.2 北京市大兴旧宫东（郊区） 距1969年站址东
南部24.0 km最高气温
1971年1月1日；
1974年1月1日— 最低气温
1971年
1月1日1981年1月1日—
1997年3月31日39°56′ N 116°17′E 54.0 北京市海淀区北洼路又一村（郊区） 距1970年站址西
北部22.0 km最高气温
1987年2月17日；
1996年1月1日— 最低气温
—1997年4月1日—
2002年12月31日39°48′ N 116°28′E 31.3 北京市大兴旧宫东（郊区） 距1981年站址东
南部22.0 km— — 2003年1月1日—
2013年12月31日39°48′ N 116°28′E 31.3 同上 — 自动观测 定时分钟数据挑取 2014年1月1日 至今 39°48′ N 116°28′E 31.3 同上 — 新型自动观测设备 定时分钟数据挑取 注：表中“—”表示没有变动；“不详”表示无据可查；观测时制均为北京时。 
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表 2 1950年12月31日以前北京气象观测站原始基础观测数据信息
Table 2. Information of the original basic data before 1950 at Beijing meteorological observation station
观测点 观测时间段 缺测率（%） 最高气温 最低气温 1 1841年1月1日—1855年12月31日；1868年4月1日—1883年12月31日 80.6 52.1 2 1915年4月12日—1937年8月31日；1940年1月1日—1943年10月31日 1.5 1.1 3 1940年3月1日—1945年5月31日 1.0 1.0 7 1946年1月1日—1947年2月28日 1.3 1.3 8 1950年1月1日—1950年12月31日 0 0
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表 3 北京气象观测站日最高和最低气温数据的质量控制
Table 3. Quality control for daily maximum and minimum temperatures at Beijing meteorological observation station
界限值检查 内部一致性检查 气候异常值检查 处理前 处理后 最高
气温1916年4月12日（213.7°C） 1851年3月12日（6.7°C）
1855年2月12日（−6.3°C）
1918年2月20日（−9.1°C）
1945年4月17日（10.1°C）
1946年1月24日（1.1°C）
1946年3月8日（−2.8°C）
1946年3月14日（0.0°C）1851年3月12日（6.7°C）
1855年2月12日（6.3°C）
1918年2月20日（9.1°C）
1945年4月17日（30.4°C）
1946年1月24日（1.1°C）
1946年3月8日（2.8°C）
1946月3月14日（缺测）1943年12月1日—1943年12月31日 最低
气温— 1851年3月12日（11.6°C）
1855年2月12日（−3.4°C）
1918年2月20日（−4.8°C）
1945年4月17日（19.5°C）
1946年1月24日（2.7°C）
1946年3月8日（−0.6°C）
1946年3月14日（0.0°C）1851年3月12日（缺测）
1855年2月12日（−3.4°C）
1918年2月20日（−4.8°C）
1945年4月17日（14.8°C）
1946年1月24日（−2.7°C）
1946年3月8日（−0.6°C）
1946年3月14日（0.0°C）1946年6月1日—1946年11月30日 注：界限值检查和内部一致性检查（处理前）括号里的数据分别为错误、可疑数据；内部一致性检查（处理后）括号里的数据为更改后的数据。
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表 4 参考数据源信息
Table 4. Information of reference data sources
参考资料源 时间分辨率 格点或站点 对应北京气象观测站
的时间段是否
质控是否均一性订正 CRUTS4.03 月 0.5°×0.5°格点 1901年1月—2018年12月 √ √ Berkeley Earth-monthly 月 1°×1°格点 1872年12月—2019年12月 √ × Berkeley Earth-daily 日 1°×1°格点 最高气温 1880年1月—2018年12月
最低气温 1902年5月—2018年12月GHCNV3 月 站点 最高气温
1915年5月—2019年7月
最低气温
1915年5月—2017年10月√ √
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表 5 北京气象观测站均一性订正前、后百年以来年平均气温序列及其对应的Berkeley Earth和CRUTS4.03气温趋势变化（单位：℃/（10 a））（95%不确定性水平估计）
Table 5. Trends of annual temperature series based on homogenized and raw daily data at Beijing meteorological observation station and corresponding trends based on Berkeley Earth-monthly and CRUTS4.03 at the century timescale with uncertainties at the 95% confidence （unit: °C/（10 a））
订正后 订正前 Berkeley Earth CRUTS4.03 最高气温 0.099±0.016 0.029±0.017 0.102±0.011 0.077±0.016 最低气温 0.187±0.019 0.254±0.025 0.159±0.010 0.225±0.015 平均气温 0.154±0.018 0.158±0.022 0.131±0.010 0.150±0.014 注：表中订正前后的年平均最高气温、最低气温和平均气温统计时段分别为1881—2019年、1911—2019年、1911—2019年；Berkeley Earth 和 CRUTS4.03 数据的统计时段分别为1873—2019年、1901—2018年。
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