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用数值预报场间接对比新疆两种型号探空系统

姚雯 马颖 王战 黄炳勋

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用数值预报场间接对比新疆两种型号探空系统

    通信作者: 姚雯, yaowen@cams.cma.gov.cn
  • 资助项目: 国家自然科学基金项目 (41105122)

Indirect Comparison of Two Types of Radiosonde Systems Deployed in Xinjiang Using First Guess Fields

    Corresponding author: Yao Wen, yaowen@cams.cma.gov.cn
  • 摘要: 利用2007—2010年近4年的探空资料对比新疆中、北部地区乌鲁木齐、伊宁、克拉玛依、北塔山4个采用GTS (U)-2型P波段雷达-电子探空仪的探空站及其周围的阿勒泰、阿克苏和库尔勒3个采用GTS1型L波段雷达-电子探空仪的探空站的探空记录与预报场的偏差值,发现采用GTS1型探空仪的3个探空站的探空记录不仅在同一观测时段而且08:00(北京时,下同) 与20:00两个不同的观测时段与预报场差值的差异小;4个采用GTS (U)-2型探空仪的探空站的探空记录与预报场的差值在同一观测时间的差异小,但08:00和20:00的差异很大;且GTS (U)-2型探空仪与GTS1型探空仪20:00获取的探空记录与预报场差值的差异小,但08:00探空记录的差异大。综合对比结果表明:2007年1月—2010年3月新疆自治区采用的GTS (U)-2型探空仪的探空记录08:00可能存在问题,用户在数据资料分析时需要特别注意。
  • 图 1  新疆中、北部地区两种不同型号探空仪的探空站分布

    Fig.1  Distribution of sounding stations using two different types of radiosonde systems at central and north areas of Xinjiang

    图 2  冬季L波段 (a) 和P波段 (b) 探空记录与预报场的差值比较

    Fig.2  Bias between observations and first-guess fields in winter (a) L-band, (b) P-band

    图 3  夏季L波段 (a) 和P波段 (b) 探空记录与预报场的差值比较

    Fig.3  Bias between observations and first-guess fields in summer (a) L-band, (b) P-band

    图 4  冬季 (a) 和夏季 (b) P波段与L波段探空记录间接对比

    Fig.4  Indirect comparisons between P-band and L-band radiosonde systems in winter (a) and summer (b)

    图 5  各季节P波段探空系统08:00与20:00探空记录间接对比

    Fig.5  Indirect comparisons in different seasons between observations of P-band radiosonde systems at 0800 BT and 2000 BT

    图 6  新疆地区P波段探空仪换型前后08:00与20:00记录与预报场差值比较

    (a)2010年1—3月,(b) 2010年4—12月

    Fig.6  Indirect comparison between observations and first-guess fields at 0800 BT and 2000 BT before and after changing types of radiosonde systems in Xinjiang

    (a) from January to March in 2010, (b) from April to December in 2010

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出版历程
  • 收稿日期:  2011-04-06
  • 修回日期:  2011-12-30
  • 刊出日期:  2012-04-30

用数值预报场间接对比新疆两种型号探空系统

  • 1. 中国气象科学研究院,北京 100081
  • 2. 北京市密云县气象局,北京 101500
  • 通信作者: 姚雯, yaowen@cams.cma.gov.cn
资助项目: 国家自然科学基金项目 (41105122)

摘要: 利用2007—2010年近4年的探空资料对比新疆中、北部地区乌鲁木齐、伊宁、克拉玛依、北塔山4个采用GTS (U)-2型P波段雷达-电子探空仪的探空站及其周围的阿勒泰、阿克苏和库尔勒3个采用GTS1型L波段雷达-电子探空仪的探空站的探空记录与预报场的偏差值,发现采用GTS1型探空仪的3个探空站的探空记录不仅在同一观测时段而且08:00(北京时,下同) 与20:00两个不同的观测时段与预报场差值的差异小;4个采用GTS (U)-2型探空仪的探空站的探空记录与预报场的差值在同一观测时间的差异小,但08:00和20:00的差异很大;且GTS (U)-2型探空仪与GTS1型探空仪20:00获取的探空记录与预报场差值的差异小,但08:00探空记录的差异大。综合对比结果表明:2007年1月—2010年3月新疆自治区采用的GTS (U)-2型探空仪的探空记录08:00可能存在问题,用户在数据资料分析时需要特别注意。

English Abstract

    • 现代气候变化的研究已经扩展到高空,资料使用者不但对各探空站探空记录的精度提出了更高的需求[1-2],而且希望高空站网上的探空资料精度在空间和时间上尽可能达到一致。国际上评估探空记录质量的方法主要有两种:一是将各种探空仪挂在同一气球下进行同步对比观测,以了解不同探空系统的综合探测精度差异[3],同步对比方法直接、有效,但是由于测量误差与观测时间、季节和地区有关[4-5],因此应在不同的时间、季节和地区进行对比观测,同时为了尽可能减少观测数据随机误差的影响,还要求通过大量的对比数据来进行统计分析,但是由于受到工作量和财力的限制,很难完全满足要求;二是利用全球数值预报模式的预报场来间接了解不同探空仪在各标准等压面高度上的探测精度差异,该方法以资料同化的6 h预报场为背景场,计算观测资料与背景场的偏差[6-7],世界气象组织 (WMO) 仪器与观测方法委员会 (CIMO) 进行此项工作的专家认为对较好的全球数值天气预报模式来说,在短期预报 (6 h) 中,全世界大多数地区100 hPa位势高度的随机误差为10~20 m,相应的气压层平均温度误差为0.15~0.3℃,因此,全球数值天气预报模式的预报场可以作为客观定量化的背景场,对观测资料进行质量评估。这种同预报场比较的方法为探空资料质量的监视评估提供了很好的解决方案[8-10]

      20世纪80年代末以来, 世界气象组织利用欧洲中期数值预报中心的预报场长期监测评估全球探空站网记录的质量,监测者将-35~25 gpm作为测站与预报场100 hPa等压面位势高度月平均差值的超差阈值[11-14]。从2003年L波段雷达-电子探空仪系统进入高空站网开始,中国气象科学研究院利用T213数值预报模式提供的预报场[15]评估我国高空站网记录的质量,发现该预报场基本反映了由天气形势引起的相邻测站之间温度和位势高度数值的地区差异,如果临近的高空探测站在相当长时期内使用不同型号的探空系统,就可以利用预报初估场剔除由天气过程引起的气象要素场的地区差异,进行探空记录的间接对比。探空记录本身的精度越高,临近的探空站越多,间接对比的结果越可靠。

      新疆中部和北部地区的乌鲁木齐、伊宁、克拉玛依和北塔山4个测站采用的是GTS (U)-2型P波段雷达-电子探空仪系统 (以下简称P波段),其周围的阿勒泰、阿克苏和库尔勒3个探空测站采用GTS1型L波段雷达-电子探空仪系统 (以下简称L波段),分布见图 1。P波段与L波段探空系统二者传感器不同,生产厂家不同,与其配套的探空数据接收处理软件也不相同。由于这两种型号探空仪长期在相邻台站施放,具备利用数值预报场间接进行探空记录间接对比的条件。

      图  1  新疆中、北部地区两种不同型号探空仪的探空站分布

      Figure 1.  Distribution of sounding stations using two different types of radiosonde systems at central and north areas of Xinjiang

      利用2007—2010年近4年的探空资料与预报场间接对比这2种不同型号探空系统的误差时发现,4个使用P波段探空系统的探空站与其临近的3个使用L波段探空系统的探空站获取的探空记录相比,08:00(北京时,下同) 的温度和位势高度记录异常偏低,20:00的记录相差不大。本文详细介绍利用预报场间接对比这2种型号探空观测记录之间的系统差值随观测时间 (08:00, 20:00) 和季节变化的情况。

    • 探空仪的温度观测误差一般为太阳辐射误差、长波辐射误差和滞后误差。太阳辐射误差与太阳高度角关系密切,白天占的比例较大,且越到高空越大,但夜间不存在,其他误差在白天和夜间都存在,且日夜差异不大[16-17]。冬季 (12月—次年2月) 新疆中、北部地区7个探空站由于所处的地理位置,08:00和20:00探空仪施放期间几乎都处在夜间,不存在太阳辐射误差,且长波辐射误差和滞后误差差异不大,因此对于同型号探空系统08:00和20:00施放误差的差异应该很小。图 2显示的是2007—2009年12月—次年2月使用L波段探空系统的3个站 (图 2a) 和使用P波段探空系统的4个站 (图 2b)08:00和20:00各等压面上的温度和位势高度观测记录与预报场的差值。

      图  2  冬季L波段 (a) 和P波段 (b) 探空记录与预报场的差值比较

      Figure 2.  Bias between observations and first-guess fields in winter (a) L-band, (b) P-band

      图 2a可以看到,尽管3个L波段站相距较远,但各站记录偏离预报场的差异小,08:00和20:00不同探测时段的差异也很小。由于冬季新疆在两个探空时段内均不受太阳辐射误差的影响,且预报场可以基本反映相邻探空站之间温度和位势高度场的地区和时间差异,因此理论上同型号的探空仪08:00和20:00探空记录误差的差异应该很小,且实际统计结果与之相符。

      图 2b看到,在相同施放时段各P波段探空记录偏离预报场的差异小,但08:00和20:00不同施放时段的探空记录偏离预报场的差异大。该型号探空记录实际统计结果与上述理论分析不符,且P波段与L波段20:00探空记录偏离预报场的差异相近,但08:00差异很大,因此从统计分析结果认为P波段探空系统08:00的探空记录可能存在问题,值得进一步分析。

    • 夏季 (6—8月) 上述7个探空站在探空仪施放期间 (08:00和20:00) 几乎都处在白天,在探空仪施放过程中需要考虑太阳辐射误差的影响。图 3是2007—2009年6—8月L波段探空系统 (图 3a) 和P波段探空系统 (图 3b)08:00和20:00各个等压面上的温度和位势高度观测记录与预报场的偏差的比较情况。

      图  3  夏季L波段 (a) 和P波段 (b) 探空记录与预报场的差值比较

      Figure 3.  Bias between observations and first-guess fields in summer (a) L-band, (b) P-band

      可以看到,夏季08:00和20:00各L波段探空记录的平流层温度、位势高度与预报场差值的差异很小,但在对流层,各探空记录的差异比冬季略大。各P波段探空记录在相同的施放时段温度、位势高度与预报场差值的地区差异同样表现为在对流层大,在平流层差异小。统计分析结果与冬季相同,两种不同型号的探空系统在相同的探测时段内整体的探空记录与预报场的差值相近,且P波段与L波段20:00探空记录偏离预报场的差异不大,但在08:00差异大。

    • 由于所处的地理位置,新疆中部及北部地区冬季20:00太阳已经落下,冬季08:00太阳尚未升起,在探空仪施放过程中未受到太阳辐射误差的影响,因此将冬季08:00与20:00定义为夜间情况。夏季08:00太阳已经升起,20:00太阳尚未落下,即太阳均在天空,因此在探空仪施放过程中需要考虑太阳辐射误差的影响,将夏季08:00与20:00定义为白天情况。

      图 4a为冬季 (夜间)、图 4b为夏季 (白天) P波段探空仪与L波段探空仪利用预报场间接对比的结果 (P波段探空记录减去L波段探空记录)。

      图  4  冬季 (a) 和夏季 (b) P波段与L波段探空记录间接对比

      Figure 4.  Indirect comparisons between P-band and L-band radiosonde systems in winter (a) and summer (b)

      图 4a可以看到,与L波段探空记录相比,冬季20:00(夜间) P波段探空记录在低空偏低在高空偏高,但差值都不大。从图 4b可以看到,夏季20:00(白天) P波段探空记录也是在低空偏低,在高空偏高,但差值比冬季20:00大。特别是在高空,温度偏高达1℃左右。

      但无论冬季08:00(夜间) 还是夏季08:00(白天) P波段探空记录的温度记录都明显偏低,在高空偏低0.6~1.0℃左右,致使用层间温度累计计算的位势高度偏低,到20 hPa位势高度偏低达70 gpm左右。

    • 图 5为利用预报场对2007—2009年各季节P波段探空系统08:00和20:00获取的探空记录间接对比的结果 (08:00记录减去20:00记录)。

      图  5  各季节P波段探空系统08:00与20:00探空记录间接对比

      Figure 5.  Indirect comparisons in different seasons between observations of P-band radiosonde systems at 0800 BT and 2000 BT

      图 5可以看到,各季节白天的探空资料其温度和位势高度记录低于夜间的记录,而且随高度增加而差异明显,20 hPa高度,温度偏低1.5℃左右,位势高度偏低80 gpm左右。值得注意的是,由于这几个探空站所处的地理位置,夏季08:00与20:00太阳均在天空,应考虑辐射误差订正的影响,而冬季08:00与20:00,探空仪施放过程均未见太阳,温度记录无需太阳辐射误差订正,在这两种不同的数据处理条件下,P波段探空系统均出现08:00的探空温度记录明显偏低的情况。

      在春秋过渡季节,08:00探空仪施放后期太阳升起,20:00施放初期太阳尚未下山,但可以看到,春秋季节差异很小,与冬夏季节的差异也不大,均为08:00的记录明显偏低。

    • 2010年4月起新疆地区这4个P波段探空系统更换为L波段探空系统。图 6表明,在1—3月探空系统更换前,20:00 P波段与L波段探空记录偏离预报场的差异相近,08:00记录偏低,情况与前3年一致,但4—12月更换为L波段系统后08:00记录不再明显偏低,且08:00与20:00的探空记录与预报场差值的差异相近。通过系统更换前后的统计分析结果,进一步证明了新疆的这4部P波段探空仪的探空记录在2007—2010年3月的08:00记录存在问题。

      图  6  新疆地区P波段探空仪换型前后08:00与20:00记录与预报场差值比较

      Figure 6.  Indirect comparison between observations and first-guess fields at 0800 BT and 2000 BT before and after changing types of radiosonde systems in Xinjiang

    • 为分析新疆地区P波段探空系统08:00记录存在问题的原因,本文详细统计了P波段探空仪在云南丽江和广东清远站探空记录与预报场间接对比的情况,结果发现两站记录同样存在08:00温度记录偏低的现象; 20 hPa高度,新疆08:00的温度偏低1.5℃左右,用层间温度累计计算的位势高度偏低80 gpm,丽江站08:00的温度偏低1℃左右,位势高度偏低40 gpm,而清远站08:00的温度偏低0.6℃左右,位势高度偏低20 gpm左右。

      丽江和清远两探空站采用的P波段探空系统,与新疆地区采用的P波段系统探空仪生产厂家一致,且采用同一接收处理软件获取探空记录。同样型号的探空仪,相同的数据处理软件,20:00温度记录在不同季节、不同年际与预报场的差异很小,而08:00探空记录均出现温度探空记录偏低的问题。由于探空记录中的温度数据需要对太阳辐射误差、长波辐射误差和滞后误差进行合理订正,其中长波辐射误差和滞后误差在白天和夜间都存在,且日夜差异不大,但是太阳辐射误差与太阳高度角的关系密切,不同地理位置在同一时刻太阳高度角不同,因此在不同地区施放对太阳辐射误差订正的程度不一样。08:00的探空施放过程中,同一时刻东部地区的太阳高度角比西部偏高,太阳辐射误差的订正程度东部地区比西部要大,如果在温度记录上对太阳辐射误差订正处理不当,特别是如果利用东部的太阳辐射误差订正值来处理西部问题,会出现温度记录中太阳辐射误差订正过多,导致温度记录偏低的现象。尤其是冬季新疆地区08:00太阳尚未升起,温度记录不需进行太阳辐射误差订正,如果在数据处理过程中进行了相应的订正,会进一步加剧温度记录偏低的程度。希望本文的统计结果对有关厂家和P波段探空记录接收处理软件编制者分析和查明原因有参考价值。

    • 通过对新疆中、北部地区4个P波段探空站和3个L波段探空站2007—2010年近4年的探空资料与预报场的差值的统计分析,得到以下初步结果:

      1) L波段探空系统08:00和20:00的温度和位势高度记录偏离预报场的情况非常一致。

      2) P波段探空系统08:00和20:00的温度和位势高度记录偏离预报场的情况非常不一致。08:00记录明显偏低,且随高度增加,偏低的程度越大,20 hPa高度,温度偏低1.5℃左右,位势高度偏低80 gpm左右。而20:00的温度和位势高度记录偏离预报场的情况与L波段电子探空仪偏离预报场的情况比较一致。

      3) 2010年P波段探空仪换型前后,08:00的温度和位势高度记录偏离预报场的情况变化明显,从2010年4月这4个P波段探空站改用L波段探空系统后08:00记录不再明显异常偏低。

      综合以上对比分析结果可知,2007—2010年3月期间新疆中、北部4个P波段探空仪站08:00的探空记录存在问题,对太阳辐射误差的处理可能是出现该问题的主要原因。

参考文献 (17)

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