Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2023, 12(3), 598-615 Published Online May 2023 in Hans. /journal/ccrl /10.12677/ccrl.2023.123062
赵 倩*，刘钊坤
民航东北地区空中交通管理局气象中心，辽宁 沈阳
收稿日期：2023年4月25日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日
摘
要 探空观测资料作为资料同化和数值预报中最基本的观测资料，对同化分析和预报有直接影响。自我国L 波段雷达–数字探空仪更新换代以来，探空观测系统具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的加密探空观测。本文利用2013年6月秒级加密探空观测资料与NCEP FNL 资料以及欧洲中心再分析资料进行分
析对比，对2013年6月已经运行的L 波段探空系统的秒级探空观测数据进行质量评估。结果表明：加密探空资料和NCEP FNL 资料在空间演变上，加密探空资料对500 hPa 环流场的描述能力较好，其次是700 hPa ，但对于我国低纬度地区的高位势区的描述范围上偏大，对于850 hPa 的环流场的描述有一定的误差。在时间演变中200 hPa 总体结果较一致；而相比于200 hPa ，在500 hPa 、850 hPa 有差异。从变量上来说，加密探空资料对纬向环流和经向环流的描述能力较好，对于位势高度以及相对湿度的描述能力稍差。垂直演变中温度、位势高度和纬向环流的描述能力较好，对于经向环流以及相对湿度的描述能力稍差。
关键词
加密探空观测，气象要素，质量评估
Comparative Analysis of Encrypted Sounding Data
Qian Zhao *, Zhaokun Liu
Meteorological Center of Northeast Regional Air Traffic Management Bureau of CAAC, Shenyang Liaoning Received: Apr. 25th , 2023; accepted: May 24th , 2023; published: May 31st , 2023
Abstract
Using the infilled sounding data, NCEP FNL data and EC data in June 2013, the tropospheric geopo-*通讯作者。
赵倩，刘钊坤tential height field, temperature field, relative humidity field, zonal circulation and meridional circulation field are in space and time. By comparing the condensation degree of vertical distribu-tion simulation, the results show that the encrypted sounding data and the NCEP FNL data have good spatial evolution ability to describe the 500 hPa circulation field. The second is 700 hPa, but the description of the high potential region in the low latitudes of China is larger than that of the current field at 850 hPa. There is a certain error in the description. In time evolution, the overall results of 200 hPa isobaric surface were consistent, but there was a difference between 500 hPa and 850 hPa. In terms of variables, the encrypted sounding data can describe the zonal and meri-dional circulation better than the potential height and relative humidity. In vertical evolution, the temperature, potential height and zonal circulation are well described, but the description ability of meridional circulation and relative humidity is slightly poor.
Keywords
Encrypted Sounding Data, Meteorological Elements, Quality Analysis
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/licenses/by/4.0/
1. 引言
随着社会和科学的不断发展，在气象领域中的设备和技术也有很多发展与创新，也不断地丰富了气象观测资料，所以观测资料的质量控制成为观测资料在气象服务领域中能否有效的关键问题[1][2][3][4]。观测资料的质量控制运用在自动观测资料、人工观测资料以及地面气象资料的气象要素的监测中[5][6] [7]。探空观测资料作为数值预报、天气预报及气候变化中的重要数据之一，其准确性直接影响天气形势和天气系统的分析和预报。探空资料在气象业务和气象科研上越来越变的重要时，越来越多的气象学者们给予了探空资料的质量控制与监测越来越多的关注。
早在八十年代末，世界气象组织(WMO)就倡导有能力的气象中心建立该系统，欧洲中期数值预报中心(EC)、美国国家环境预报中心(NCEP)、英国气象局(UKMET)和日本气象厅(JMA)等气象中心均建立了观测资料质量监视评估自动化系统，并通过WMO或双边协定定期交换监视结果。2001年1月国家气象中心数值室自行设计开发的观测资料质量监视系统投入了业务运行。先后有好多学者对观测资料进行了好多不同资料的质量分析。2004年王志文等[8]对2003年11月6日19时的探空观测资料进行空间与时间的误差订正的探讨，表明了，存在这较明显的空间和时间上的误差。2009年赵天保等[9]对1960年到2000年的中国8个不同区域温度场和高度场的探空观测资料与ERA-40、NCEP/NCA R和NCEP/DOE等再分析资料所描述进行对比评估探空观测资料，表明了，在大部分地区除了在均值上有点不同外，在年际变化特征则并无显著差别。2012年袁松等[10]对2007年11月~2008年11月的阜阳和安庆探空站的探空资料的气象要素与时间一致的再分析探空资料进行比较，表明了，气象要素的绝对差值随地点、高度和季节变化较小，0.5~8 km高度的气象要素基本稳定在一定的范围内；而0.5 km以下的差距较大。支星等[11]对1980年~2008年的中国区域的探空资料与NCEP/NCAR、ERA和JRA 3种再分析资料进行对比分析而评估探空资料，表明了，探空资料的高空温度的年平均特征可信度较高。
为了提高探空资料的准确度，我国自主研发了L波段雷达–数字探空系统，该系统具备了获取每日
赵倩，刘钊坤
4次、垂直分辨为秒级和分钟级的加密探空观测。加密探空观测资料是上升过程中1秒一次的形式把信号发回地面，从而我们就获得它上升1秒就会有一个空中的气象要素，这说的就是加密探空资料是1秒有一个各层气象要素的数据。加密探空资料在数值模式、天气预报、资料同化等上的运用越来越多[12][13]
[14]。这样人们越来越重视加密探空资料，也对加密探空资料的质量控制和监测越来越重视。所以，有些
气象学者对加密探空资料能否在气象业务和科研上运用做了质量的评估。2003年黄炳勋等[15]对2002年1月北京站正式开始起用L波段雷达一电子探空仪系统的9个站7个月(其中3个站只有1个月)的报文资料及换型前1个月的新老系统的对比观测资料的初步统计分析，结果表明，在500 hPa高度以上高空，L 波段雷达一电子探空仪系统记录的离散性明显小于原59~701系统，从而提高了每份记录的可靠性，有利于提高日常数值分析预报的准确性。这也揭开了我国高空气象探测站网进行更新换代工程的序幕。在2006年陶士伟等[16]对2005年3~5月我国36个L波段探空观测的温度进行误差分析，表明了，平均偏差差距不大，基本上都在0.2℃之内；而温度随机误差在500 hPa~300 hPa减小约0.2℃，在00时300 hPa以上，有较明显的变小。在2014年苑跃等[17]对2005年~2010年的4个高空台站对比观测资料进行了差异评估，表明平均风向、平均风速差异较小，还有所测要素的差值变化趋势有没大的差异。在2015年郝民等[18]对2011年7月00时的中国Ｌ波段探空湿度观测资料的质量评估及偏差订正，表明了，探空湿度观测资料的偏差订正后，观测偏差明显的减小，订正效果很显著；模式降水强度预报能力有一定的提高。
海陆资料从连续试验检验的降水预报评分和预报偏差来看，中雨和暴雨的预报在探空湿度观测偏差订正后都表现出很好的效果。
本文以2013年6月的加密探空资料作为研究对象，对加密探空资料的质量进行质量分析。为数值模式、天气预报、资料同化等提供更好的依据，有利于提高未来气象的发展；以期对加密探空资料有进一步的认识和了解，另一方面提供加密探空资料的不足和欠缺，有利于对仪器与资料的改善。
2. 资料和方法
2.1. 所用资料
1) NCEP (National Center for Environmental Prediction)提供的FNL再分析资料，间隔时间为6小时，
包括的要素有位势高度场、相对湿度场、温度场、纬向风场、经向风场，分辨率为1˚ × 1˚。
2) 欧洲中心(EC, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA-40-interim提供的逐日再
分析资料，，包括位势高度场、相对湿度场、温度场、纬向风场、经向风场，分辨率为1.5˚ ×1.5˚；
3) L波段探空资料，对其进行简要介绍：
L波段探空系统包括地面二次雷达与探空仪，探空仪可以观测高空温压湿风，地面二次雷达通过跟踪探空仪的斜距、仰角和方位角计算风向和风速。基本参数如下：频率范围167 ± 11MHz；②GTS1型数字式电子探空仪的采样周期大约为1.2 ± 0.1秒(其中，0.2秒用于发送P，T，U，TF代码，1秒用来发送测距信息)；测量精度：温度−80℃~40℃范围内小于0.2℃(RMS)；湿度−25℃以上为5% (RMS)，−25℃以下为10% (RMS)；气压在1050~10 hPa范围内，500 hPa以下为2 hPa (RMS)，500 hPa以上为1 hPa (RMS)；
L波段实测资料显示，探空气球一般平均升速大约为3~5 m/s；提供“秒级”数据、“分钟级”数据和传统气压层探空报数据。其中，“秒级”数据与探空报、“分钟级”数据相比，垂直分辨率高、信息量大，既包含了常规气象要素观测值，也包含了探空气球上升过程中精确的定位信息。本文使用的是秒级观测资料。探空系统秒级观测资料上传文件包括两部分内容，一部分是元数据信息即测站、探空仪参数及本次观测相关的元数据信息；另一部分是采样数据实体部分，包括秒数据和分钟数据，涉及的要素包括采样时间，气温，气压，湿度、仰角、方位、距离、经度偏差和纬度偏差。
赵倩，刘钊坤2.2. 所用方法
本文用到的L波段探空站点分布见图1，站点分布较为均匀因此可以对L波段探空资料的质量有一个较好的反映；为对L波段探空资料的质量进行高效评估，资料时间选取为2013年6月5日6时，空间分布上采用
与NCEP FNL再分析资料对比的方法进行分析，时间演变和垂直演变上采用与ECERA-40-interim再分析资料对比的方法进行分析。
Figure 1. Distribution of stations selected for this paper
图1.本文选取的站点分布
3. 结果分析
3.1. 与NCEP再分析资料日评估结果
3.1.1. 加密探空资料位势高度场空间分布的评估
图2是FNL资料和加密探空观测的500 hPa、700 hPa、850 hPa位势高度的分布。从FNL资料(图2(b)，图2(d)，图2(f))来看，500 hPa上(图2(b))欧亚中高纬度维持两槽一脊，等高线较为平直，以纬向环流为主，对流层中下层的700 hPa (图2)、850 hPa上等高线较稀疏，没有闭合环流，与500 hPa环流形势对应；从图2(c)、图2(f)对比可以看出，加密探空观测中的纬向风u在850 hPa与FNL分析场的接近程度最高，除了在新疆的东风区域稍大于FNL分析场，加密探空观测中纬向风正值区和负值区的分布范围与FNL 分析场保持一致。对于加密探空观测中500 hPa纬向风而言(图2(d))，加密探空观测在新疆区域的西风分量与FNL分析场(图2(a))相比略偏大，整体上看，两者正负值区域基本保持一致。此外，加密探空观测中700 hPa纬向风的分布与FNL分析场也基本保持一致。经验证，加密探空观测中纬向风在标准等压面层的检验与FNL分析基本保持一致，验证该资料中该要素合理。与FNL资料相比，加密探空资料对500 hPa环流场的描述能力较好，其次是700 hPa，但对于我国低纬度地区的高位势区的描述范围上偏大，对于850 hPa的环流场的描述有一定的误差，表现为对我国东部平原区的描述在数值上偏大，对我国西部高原地区的描述在数值上偏小，但由于西部大部分地区海拔较高，850 hPa可能处于地下，因而可能会受到资料外插带来误差的影响。
赵倩，刘钊坤
Figure 2. Spatial distribution of standard isobaric geopotential heights (unit: gpm). (a) 500 hPa, (c) 700 hPa, (e) 850 hPa geopotential height fields from dense sounding data, (b) 500 hPa, (d) 700 hPa, (f) 850 hPa geopotential height fields from FNL data
图2.标准等压面层位势高度的空间分布(单位：gpm)。加密探空资料获取的。(a) 500 hPa、(c) 700 hPa、(e) 850 hPa 位
势高度场，FNL资料获取的(b) 500 hPa、(d) 700 hPa、(f) 850 hPa 位势高度场
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