随机误差传递的高空气象秒级数据快速校验方法

【目的】为保证气象预报结果的准确性。【方法】提出了考虑随机误差传递的高空气象秒级数据快速校验方法。对高空气象秒级数据进行预处理,包括数据中心化处理、特征点提取。数据中心化的处理方式为实施各组数据的加权平均处理,获得新的数据组作为基准数据;特征点提取使用的处理方法为遍历法,需要遍历全部数据点。考虑数据获取过程中的随机误差传递情况,对预处理后的高空气象秒级数据实施空间一致性检查、内部一致性检查。应用集合经验模态分解EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition）算法与对比源反演CSI(Contrast Source Inversion)算法构建基于CSI-EEMD的高空气象秒级数据快速校验模型,实施数据得到快速校验。【结果】测试结果表明,该方法能够实现4个气象站数据的快速校验,校验结果的均方根误差与平均绝对误差均低于0.1,实现了数据的质量控制。【结论】将该方法应用于气象站数据校验中,可以实现精准度的数据校验,具有一定的实用价值。     

四川探空秒级数据质量控制

基于L波段探空综合观测的逐秒数据制定了秒数据质量控制方法,对每次探空综合观测结束后的秒级数据文件进行大段数据缺失检查、瞬时值检查、施放点订正检查、放球时间订正检查、高度差检查、气温变率检查、气压变率检查、相对湿度变率检查、仰角变率检查、方位角变率检查、斜距变率检查、升速检查、终止点检查和僵值检查。通过该方法对四川2016年探空秒级数据文件进行质量控制,发现该质量控制方法可以很好地检查出L波段探空综合观测秒数据的错误。质控结果表明:通过高度差检查的放球次数仅有1105次,通过斜距变率检查的放球次数有2221次,方位角变率检查、气温变率检查、仰角变率检查有六至七成的通过率,施放点订正检查、放球时间订正检查、湿度变率检查有近九成的通过率,剩余检查通过率在九成以上。综合总的可疑信息数量和全年平均至1次放球提出的疑误数量,探空秒数据中不正常斜距出现频率较高,雷达计算高度与压高公式计算高度超阈值情况较多,其它检查发现的疑误相对较少。     

基于探空秒级数据的鄂西南高空风特征分析

利用鄂西南2个探空站(恩施、宜昌)L波段雷达的探空秒级资料,分季节分高度分析了鄂西南高空风向风速特征。结果显示:总体而言,鄂西南高空平均风速随高度为先迅速增大后迅速减小,至20.0kgpm后随高度趋于稳定的变化趋势;平均风向随高度则为由NE风以顺时针方向转为偏W风后趋于稳定,之后又转为偏E风的趋势;在距海平面位势高度20.0kgpm以下时,高空平均风速表现为明显的冬季春秋夏季;而在20.0kgpm以上时,则夏季明显大于其余三季;在3kgpm以下时四季的最多风向、次多风向表现明显不同,但各季的风向除在近地层偏N风稍多外基本以偏S风为主;在中层四季最多、次多风向基本均为偏W风,而在18.0kgpm以上时,四季最多、次多风向均逐渐转为偏E风。     

东源探空站秒数据在探空异常情况下的应用

利用日常探测中探空出现的异常记录,分析得出在常规探测中探空仪信号突失、丢球、气球下沉或超升速等异常情况时,可及时运用L波段秒数据来判断温压湿3要素及测风数据的正确性,通过秒数据找出原因,进一步选取删除飞点、重新追踪目标、做部分资料缺测或重放球等处理方法;丢球时立即查询该次丢球前和前一时次该时间段的秒数据资料,迅速锁定目标,准确抓球,杜绝补放和重放球;遇气球下沉或升速异常时,查看下沉前后温压湿3要素秒数据,准确确定记录下沉段,并按L波段（1型）高空气象探测系统业务操作手册要求,在L波段（1型）高空气象探测系统处理软件中做删除下沉记录处理。     

基于秒级探空资料的中国地区浮力频率分布

浮力频率用来描述大气层结稳定性,反映大气扰动强弱。利用2014年6月-2017年5月中国地区高垂直分辨率的秒级探空资料,分析了中国地区浮力频率的时空分布特征。结果表明:中国地区大气浮力频率总体随高度的增加而增大,低平流层值大于对流层值;对流层和低平流层中浮力频率随高度变化均较小可视为常数,过渡层浮力频率随高度变化较大,对流层中浮力频率受地形影响较平流层大。对流层中北方地区5 km高度以下的浮力频率随时间呈现出较弱的周期变化,周期为1年,峰值出现在冬季,南方地区随时间无明显变化;在过渡层中南北地区的浮力频率随时间均呈现出1年的周期变化,峰值出现在冬季,谷值出现在夏季;在低平流层中南北地区浮力频率随时间均无明显变化。浮力频率的大小变化对重力波参数有较大影响,秒级探空资料计算的的浮力频率和风速切变更精细,较常规探空资料更准确地反映大气稳定度的变化。     

基于秒级探空资料分析四川重力波统计特征

利用2014年6月-2017年9月的秒级探空资料,选取四川地区5个代表性站点研究重力波在对流层（2~10 km）和平流层（18~25 km）的时空特征。选取结果表明:重力波能量在四川地区各个高度均存在明显的季节变化,冬季强,夏季弱;在对流层由于地形影响,川西和川北高原地区的能量小于其他地区。垂直波长没有明显的时空变化,在对流层和平流层分别集中分布于1.5~3 km和1.5~3.5 km;水平波长则差别较大,分别分布于0~300 km和100~700 km,平均值分别为100 km和350 km。重力波固有频率在对流层有较大的区域差异,表现为在四川西北部的高原地区固有频率平均值为3f（f为地转参数）,其他地区则仅为2.4f;平流层则没有明显的差异存在,均约为2f。四川地区重力波的垂直传播方向特征基本相同,在对流层约有50%的波动向上传播,平流层则有90%以上的波动向上传播。水平传播则存在明显的不确定性,特别是对流层;平流层水平传播方向存在明显的季节变化,表现为夏季重力波多向偏东方向传播,而其他季节则向偏西方向传播。     

基于ERA Interim的L波段探空秒级风速算法检验

本文基于L波段探空雷达高垂直分辨率方位数据,通过在不同探空高度处选取不同尺度的时间窗口,设计了计算秒级风速的3种方案。通过比较3种计算方案得到的秒级风速与ERA-Interim再分析资料在平均偏差Bias和均方根误差RMSE等指标上的差异,给出了计算秒级风速的最优算法。结果表明:由于雷达的定位存在系统偏差,窗口选取过大或过小均会引入较大的秒级风速误差,选取适当尺度的时间窗口是准确计算秒级风速的必要条件。另外,基于ERA-Interim再分析资料具备良好的时空一致性,本文提出了1种检验L波段秒级风速算法优劣的新方案。     

L波段秒级探空资料在GRAPES同化系统中的应用研究

我国探空站的探空系统升级为L波段探空系统后,可以获取全国120个站点连续自动测定的高空温、压、湿、风等高垂直分辨率秒级和分钟级探空廓线数据。为了分析高垂直分辨率探空秒级资料水平和垂直结构特征,并将其应用于区域GRAPES-3DVAR变分同化预报系统中,文章比较秒/分钟级探空与传统探空资料使用对资料同化预报带来的影响。试验中使用2011年6—7月资料进行分析,结果发现:秒级探空资料具有水平分布均匀,垂直结构非常密集的特点;在850、500 hPa等层次上高度分析比传统探空分析更接近NCEP分析,显示出对分析场的改进效果;同时风场在200 hPa以上的高层分析中改进显著,表现出高分辨率资料使用在高层分析中对系统模拟更加准确的特征。由于模式预报初值的改进,降水预报评分有所提高,预报偏差明显变小。因此高垂直分辨率秒级探空资料的使用对数值模式分析初值及预报的改进有着积极的意义,这为进一步开发利用秒级探空资料打下基础。     

L波段探空雷达秒数据在污染天气边界层分析中的应用

文章基于L波段探空雷达秒数据,采用总理查森数法、逆温法和位温梯度法3种方法,计算北京2014年11-12月的边界层高度,并与罗氏法进行对比。结合各类要素垂直廓线和同时段PM_(2.5)浓度数据,对2014年11月27日至12月1日、12月15-20日两次典型大气污染过程中上述4种方法边界层高度计算结果的异同点进行详细分析。研究结果表明:总理查森数法、逆温法和位温梯度法计算得出的北京地区平均边界层高度分别为653、1152和1296 m,且与PM_(2.5)浓度呈现出不同程度的负相关关系。通过概率分布统计分析发现,北京冬季大气边界层高度在0~500 m的概率分布最大,但在其他高度区间分布上存在一定差异。结合两次典型大气污染过程发现,不同方法存在一定适用性和局限性,需结合气象要素的垂直分布和污染物浓度等情况加以主观判断,从而得到大气真实的边界层高度。     

随机误差对混沌系统可预报性的影响

根据非线性局部Lyapunov指数的方法, 以Logistic映射和Lorenz系统的试验数据序列为例, 研究了在初始误差存在的情况下, 随机误差对混沌系统可预报性的影响。结果表明: 初始误差和随机误差对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于两者的相对大小。当初始误差远大于随机误差时, 系统的可预报期限主要由初始误差决定, 可以不考虑随机误差对预报模式可预报性的影响; 反之, 当随机误差远大于初始误差时, 系统的可预报期限主要由随机误差决定; 当初始误差和随机误差量级相当时, 两者都对系统的可预报期限起重要作用。在后两种情况下, 在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑随机误差的作用。此外, 我们在已知系统精确的控制方程和误差演化方程的条件下, 研究了随机误差对可预报性的影响, 理论所得结果与试验数据所得结果相似。这表明在随机误差较小的情况下, 对系统可预报期限的估计相对准确, 但在随机误差较大的情况下, 可预报期限的估计误差也较大。本文利用三种不同的滤波方法对序列进行了试验, 结果表明, Lanczos高通滤波得到的高频序列与原始加入的噪声序列无论是在强度上还是在演变趋势上都表现得相当一致, 其能有效地去除高频噪音继而提高对系统的可预报期限的估计, 这对实际气象观测资料如何有效地去除噪音具有一定的启发意义。     

基于FNL和GRAPES分析场的探空温度数据的误差分析

分别以美国NCEP的FNL分析场和我国GRAPES的分析场为参考对北京探空站的温度数据从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差多个角度进行评估。根据评估结果对探空温度数据进行质量控制,并分析质量控制效果。结果显示:探空温度数据质量较高,误差基本在±1℃以内。基于FNL分析场的评估结果与GRAPES的评估结果有略微差异。单个时刻选取的可疑值和错误值的阈值具有根据基于分析场余差的分布特征自适应确定的特点。根据评估进行质量控制后的探空温度质量得到改善,且数据保留了原有的特征。该质量控制方法能够有效地消除季节性差异,且质量控制后两个参考标准的评估结果基本一致。     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

地面电场仪测量数据的误差来源及分析处理

地面电场仪测量数据准确性和一致性会直接影响到其在研究区域大气电学和进行雷电预警工作的应用准确度。通过模拟理论计算和实际观测数据进行的统计对比分析,指出了电场仪自身高度和周围环境均会产生测量误差,不同高度上的电场测量值与地表处均呈现出一定的正相关性。在晴天和雷暴两种天气情况下,由于产生地面电场的电荷源不同,提出了分别利用统计和线性拟合对这两类测量数据进行修正的方法。     

L波段分钟数据在WRF模式中的变分同化应用试验

为探讨蕴含气球漂移信息的高垂直分辨率L波段分钟探空数据在同化预报中的应用及影响,在初步讨论其基本特征的基础上,采用廓线和逐点两种同化方式,开展单站、降水个例及批量分钟探空同化试验,并与常规探空同化试验对比,得到以下主要结论:分钟数据可补充常规探空无法解析的垂直信息并提供气球漂移精确定位数据;同化分钟探空可有效增加观测在分析中的权重,使分析场更接近实况,逐点较廓线同化的结果差异主要在对流层上层;同化整个预报区域的分钟数据对模式的分析和预报性能有一定影响,漂移造成的风场同化差异在200 hPa及我国北方高空急流位置更明显;整体而言同化分钟数据可一定程度提升模式初始场(高层风场和低层水汽场)品质,主要改善对流层高空风和大量级降水预报性能.     

COSMIC后期的掩星折射率资料误差特性分析

COSMIC计划于2006年成功实施,该计划的设计寿命为5 a。由于实际运行期间COSMIC星座内卫星出现过技术故障,加上卫星姿态控制不稳定等原因,探测数据资料的质量存在一定的波动。为了对COSMIC掩星后期的数据质量进行评估,以全球无线电探空数据为参照,对COSMIC掩星折射率廓线数据进行了统计分析。分析结果表明:1)在两类观测资料观测时间和空间的配对标准上,随着时间差限值与距离差限值的增大,折射率的平均相对误差的变化趋势性不强,但相对误差标准偏差呈增加趋势。2)折射率偏差大值区集中在东南亚附近海域和墨西哥湾附近海域,在海陆交界处折射率平均相对误差要大于陆地和海洋上的平均相对误差。3)10 km以下,热带地区的正偏差最大,平均相对误差为0.849%,高于北半球的0.484%和南半球的0.492%。在10 km以上,三个区域平均相对误差的差异不明显。4)10 km以下,夏季折射率的平均相对误差最大,为0.663%;冬季折射率的平均相对误差最小,为0.365%;30—35 km冬季的平均相对误差最大,达到1.014%。     

自动气象站采集器通道及合成误差分析

数据采集器通道误差是自动气象站观测系统误差来源的重要组成部分,直接影响自动站各要素观测数据的准确性,其与温、湿、压、风等各气象要素传感器误差的合成构成了自动气象站误差。在稳定的实验室环境条件下,利用高精度测量仪表,通过对多台CAWS600型采集器进行精确测量,得到自动站采集器各气象要素通道误差的校准数据。对温、湿、压、风等要素的自动测量系统(传感器和采集器)误差分析结果表明,自动站误差等于传感器误差与采集器通道误差之和。此外,采集器各主要通道的误差存在一定的分布规律:有10台采集器气温通道误差≤0.1℃,主要分布在-0.1~0.1℃,所占比例为77%;有3台采集器通道误差0.15℃而≤0.20℃,所占比例为23%。在600-1090 h Pa量程内,气压通道误差主要分布在-0.10~0.10 h Pa;风向、湿度通道误差较小,误差值相近,方向较一致,风向通道误差≤1°,湿度通道误差≤1%。     

Evaluation of the Historical Sampling Error for Global Models

Various ensemble-based schemes are employed in data assimilation because they can use the ensemble to estimate the flow-dependent background error covariance. The most common way to generate the real-time ensemble is to use an ensemble forecast; however, this is very time-consuming. The historical sampling approach is an alternative way to generate the ensemble,by picking some snapshots from historical forecast series.With this approach, many ensemble-based assimilation schemes can be used in a deterministic forecast environment. Furthermore, considering the time that it saves, the method has the potential for operational application.However, the historical sampling approach carries with it a special kind of sampling error because, in a historical forecast, the way to integrate the ensemble members is different from the way to integrate the initial conditions at the analysis time(i.e., forcing and lateral boundary condition differences, and ‘warm start' or ‘cold start' differences). This study analyzes the results of an experiment with the Global Regional Assimilation Prediction System-Global Forecast System(GRAPES-GFS), to evaluate how the different integration configurations influence the historical sampling error for global models. The results show that the sampling error is dominated by diurnal cycle patterns as a result of the radiance forcing difference.Although the RMSEs of the sampling error are small, in view of the correlation coefficients of the perturbed ensemble, the sampling error for some variables on some levels(e.g., low-level temperature and humidity, stratospheric temperature and geopotential height and humidity), is non-negligible. The results suggest some caution must be applied, and advice taken, when using the historical sampling approach.     

高空气象探测数据评定方法研究

介绍了高空气象探测中数据不确定度的分析方法，并提出优化测量方案。     

高空资料质量问题的原因分析

分析了山东省高空资料审核中出现的问题及原因,并对特殊情况和异常数据提出了处理办法.