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《应用气象学报》投稿模版
中国气象局2015年 第26卷 第2期
摘要
PDF 631KB
2015, 26(2): 129-140.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150201
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摘要:
该文根据有源相控阵天气雷达的体制特点，参考多普勒天气雷达测试定标方法，提出了一维扫描有源相控阵天气雷达的测试和定标方法，将测试重点放在天馈系统、T/R组件、脉冲压缩、动态范围的测试和定标上，以解决不同观测模式、不同波位的天线增益等参数变化引起的回波强度测量误差问题。测试结果表明：天馈系统在不同观测模式下的天线参数随仰角的变化情况、波束指向的准确度、T/R组件的动态范围等均符合设计要求，回波强度和径向速度定标精度较高。雷达经过测试和定标后，于2014年5—8月分别在安徽定远和四川甘孜进行外场试验，并与附近多普勒天气雷达 (SA) 和C波段双线偏振雷达观测数据进行对比，结果表明：回波强度误差在合理范围内，精细测量、警戒搜索、快速观测3种模式观测的强回波的水平和垂直位置、结构和系统误差均比较一致，数据可靠。
该文根据有源相控阵天气雷达的体制特点，参考多普勒天气雷达测试定标方法，提出了一维扫描有源相控阵天气雷达的测试和定标方法，将测试重点放在天馈系统、T/R组件、脉冲压缩、动态范围的测试和定标上，以解决不同观测模式、不同波位的天线增益等参数变化引起的回波强度测量误差问题。测试结果表明：天馈系统在不同观测模式下的天线参数随仰角的变化情况、波束指向的准确度、T/R组件的动态范围等均符合设计要求，回波强度和径向速度定标精度较高。雷达经过测试和定标后，于2014年5—8月分别在安徽定远和四川甘孜进行外场试验，并与附近多普勒天气雷达 (SA) 和C波段双线偏振雷达观测数据进行对比，结果表明：回波强度误差在合理范围内，精细测量、警戒搜索、快速观测3种模式观测的强回波的水平和垂直位置、结构和系统误差均比较一致，数据可靠。
2015, 26(2): 141-150.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150202
摘要:
利用2013年6—8月河北省定兴县固城站的NH3连续高时间分辨率观测数据，分析了NH3体积分数水平、变化特征和影响因素。结果表明：2013年夏季固城站NH3小时平均体积分数变化范围为0.9×10-9~862.9×10-9，平均体积分数为43.9×10-9±65.9×10-9。观测期间PM2.5中NH4+平均质量浓度为 (19.77±33.24) μg·m-3。2013年夏季固城站NH3和NH4+质量浓度有较好的相关性，且浓度明显高于华北地区城市站点，说明由于农业施肥等活动导致固城站大气NH3和NH4+质量浓度水平显著提高。夏季NH3体积分数有明显日变化且呈单峰特征。2013年夏季固城站硫氧化率和氨转化率较高，说明SO2和NH3转化为SO42-和NH4+的速率较大。华北地区应加大对由农业活动造成的NH3排放的控制力度，以降低区域二次气溶胶污染。
利用2013年6—8月河北省定兴县固城站的NH3连续高时间分辨率观测数据，分析了NH3体积分数水平、变化特征和影响因素。结果表明：2013年夏季固城站NH3小时平均体积分数变化范围为0.9×10-9~862.9×10-9，平均体积分数为43.9×10-9±65.9×10-9。观测期间PM2.5中NH4+平均质量浓度为 (19.77±33.24) μg·m-3。2013年夏季固城站NH3和NH4+质量浓度有较好的相关性，且浓度明显高于华北地区城市站点，说明由于农业施肥等活动导致固城站大气NH3和NH4+质量浓度水平显著提高。夏季NH3体积分数有明显日变化且呈单峰特征。2013年夏季固城站硫氧化率和氨转化率较高，说明SO2和NH3转化为SO42-和NH4+的速率较大。华北地区应加大对由农业活动造成的NH3排放的控制力度，以降低区域二次气溶胶污染。
2015, 26(2): 151-159.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150203
摘要:
利用全国518个站1960—2011年逐日气温观测资料和160个站1983—2012年月尺度气温客观预测数据，基于非线性局部Lyapunov指数和非线性误差增长理论，研究中国区域月尺度气温可预报性期限对资料序列长度的依赖性。结果表明：气温可预报性期限对资料序列的长度有一定程度的依赖性，在西北、东北及华中地区尤为明显。平均而言，45年的资料序列长度才能够得到稳定合理的可预报性期限。为了验证气温可预报期限计算结果的可信度，将月尺度气温的可预报性期限与客观气候预测方法的预报评分技巧进行对比，发现两者结果非常一致。其中，由观测资料得到的1月气温的可预报性期限明显低于7月，1月客观气候预测方法的预报评分技巧也明显低于7月，且1月 (7月) 预报评分的空间分布型与1月 (7月) 气温可预报性期限的空间分布型较为一致。因此，利用非线性局部Lyapunov指数和台站逐日观测资料分析气温的可预报性期限结果是可信的。
利用全国518个站1960—2011年逐日气温观测资料和160个站1983—2012年月尺度气温客观预测数据，基于非线性局部Lyapunov指数和非线性误差增长理论，研究中国区域月尺度气温可预报性期限对资料序列长度的依赖性。结果表明：气温可预报性期限对资料序列的长度有一定程度的依赖性，在西北、东北及华中地区尤为明显。平均而言，45年的资料序列长度才能够得到稳定合理的可预报性期限。为了验证气温可预报期限计算结果的可信度，将月尺度气温的可预报性期限与客观气候预测方法的预报评分技巧进行对比，发现两者结果非常一致。其中，由观测资料得到的1月气温的可预报性期限明显低于7月，1月客观气候预测方法的预报评分技巧也明显低于7月，且1月 (7月) 预报评分的空间分布型与1月 (7月) 气温可预报性期限的空间分布型较为一致。因此，利用非线性局部Lyapunov指数和台站逐日观测资料分析气温的可预报性期限结果是可信的。
2015, 26(2): 160-172.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150204
摘要:
利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料，针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析，结果表明：对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动，东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果；东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动，同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生，相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用，中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。
利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料，针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析，结果表明：对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动，东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果；东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动，同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生，相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用，中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。
2015, 26(2): 173-184.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150205
摘要:
对传统的消除偏差法进行改进，形成分等级消除偏差法，并使用混合训练期和60 d滑动训练期方案分别对2012年6—8月ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) 模式夏季1~5 d的降水预报进行订正试验。为了尽可能符合中国东部夏季降水具有移动性及多种时间尺度变化的特点，混合训练期以预报期前30 d与预报期前一年同日的前后各15 d组成。结果表明：在使用分等级消除偏差法的基础上，相比ECMWF模式降水预报，两种训练期方案的订正结果几乎对各个阈值的ETS评分均有一定提高，特别是对25 mm以上降水预报评分的提高幅度，混合训练期方案的订正结果明显高于60 d滑动训练期方案；在区域性强降水预报的订正中，混合训练期方案优势更为明显。另外，通过分析两种训练期方案的预报偏差发现，分等级订正是此次消除偏差订正试验中提高强降水预报评分的关键，选择合适的训练期可以增加评分提高的幅度。由于上述试验使用的ECMWF模式预报和站点实况均是业务上常用数据，因此，该方法具有一定的业务应用价值。
对传统的消除偏差法进行改进，形成分等级消除偏差法，并使用混合训练期和60 d滑动训练期方案分别对2012年6—8月ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) 模式夏季1~5 d的降水预报进行订正试验。为了尽可能符合中国东部夏季降水具有移动性及多种时间尺度变化的特点，混合训练期以预报期前30 d与预报期前一年同日的前后各15 d组成。结果表明：在使用分等级消除偏差法的基础上，相比ECMWF模式降水预报，两种训练期方案的订正结果几乎对各个阈值的ETS评分均有一定提高，特别是对25 mm以上降水预报评分的提高幅度，混合训练期方案的订正结果明显高于60 d滑动训练期方案；在区域性强降水预报的订正中，混合训练期方案优势更为明显。另外，通过分析两种训练期方案的预报偏差发现，分等级订正是此次消除偏差订正试验中提高强降水预报评分的关键，选择合适的训练期可以增加评分提高的幅度。由于上述试验使用的ECMWF模式预报和站点实况均是业务上常用数据，因此，该方法具有一定的业务应用价值。
2015, 26(2): 185-192.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150206
摘要:
MOS预报最优子集模型，通过消除数值模式系统性误差，可最大程度地提高其预报技巧。为了建立Naïve Bayes降水最优模型，利用2008—2011年T511数值预报产品和单站观测资料，对介休、运城、丰宁3个站Naïve Bayes降水概率分级预报模型进行研究。通过设计恰当的适应度函数，提出了一种用遗传算法搜寻Naïve Bayes模型最优子集的计算方案，得到了3个站的最优子集模型。结果表明：最优子集的拟合效果明显高于普通初始子集，能够显著提升数值模式在单站的预报技巧。最优子集模型主要通过降低数值模式空报率提高单站晴雨、小雨预报效果，通过小幅提高正确次数和降低空报次数改善对中雨预报效果。
MOS预报最优子集模型，通过消除数值模式系统性误差，可最大程度地提高其预报技巧。为了建立Naïve Bayes降水最优模型，利用2008—2011年T511数值预报产品和单站观测资料，对介休、运城、丰宁3个站Naïve Bayes降水概率分级预报模型进行研究。通过设计恰当的适应度函数，提出了一种用遗传算法搜寻Naïve Bayes模型最优子集的计算方案，得到了3个站的最优子集模型。结果表明：最优子集的拟合效果明显高于普通初始子集，能够显著提升数值模式在单站的预报技巧。最优子集模型主要通过降低数值模式空报率提高单站晴雨、小雨预报效果，通过小幅提高正确次数和降低空报次数改善对中雨预报效果。
2015, 26(2): 193-202.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150207
摘要:
利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据，采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型，BP (back propagation) 神经网络作为反演工具，在由亮温反演大气湿度廓线的过程中，添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息，建立新的反演模型，使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比，获取两种反演方法各高度层的均方根误差，分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明：未添加云信息时，测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685，而添加云信息后，相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线，添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小，而在有云以上高度层表现尤为明显。
利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据，采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型，BP (back propagation) 神经网络作为反演工具，在由亮温反演大气湿度廓线的过程中，添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息，建立新的反演模型，使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比，获取两种反演方法各高度层的均方根误差，分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明：未添加云信息时，测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685，而添加云信息后，相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线，添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小，而在有云以上高度层表现尤为明显。
2015, 26(2): 203-210.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150208
摘要:
为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用，该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时，进行自持发展模拟，计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中，其速度呈逐渐增加趋势，临近最后一跳发生前，上行正先导速度增加明显，整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级，电流强度随时间也具有逐渐增加趋势，该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。
为研究上行先导发生发展的特征及其与地面构筑物间的相互作用，该文建立了闪电先导三维自持发展模式。该模式能够在给定雷暴云下空间电场初始分布情况、下行梯级先导始发位置及地面构筑物几何形状等参量时，进行自持发展模拟，计算出上行正先导随时间在三维空间内的头部位置、速度、电流强度、线电荷密度等物理特征量的变化。模拟发现上行正先导始发及发展过程中，其速度呈逐渐增加趋势，临近最后一跳发生前，上行正先导速度增加明显，整个过程中先导速度的变化范围为104~106 m·s-1量级，电流强度随时间也具有逐渐增加趋势，该变化趋势与光学观测得到的先导头部亮度的变化趋势相一致。该闪电先导三维自持模拟模型能够为进一步研究雷击地面构筑物特点提供参考。
2015, 26(2): 211-220.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150209
摘要:
该文在已有闪电随机放电参数化方案的基础上，截取近地面区域，保持闪电其他基本参数不变，通过改变闪电的空间形态，对同一背景下的闪电进行多次模拟，研究闪电近地面空间形态的差异对闪电击地点位置、上行先导长度、上行先导触发时下行先导的尖端位置及连接过程形态等参数的影响，并探索闪电参数之间的相关性。结果显示：闪电近地面空间形态会使上行先导长度在77~609 m区间内变化，大部分集中在100~200 m，也会使上行先导触发时下行先导的尖端位置分布在建筑物上空的一个椭球形空间内。同时，闪电近地面空间形态的差异也会使地闪连接形态呈多样性。另外，近地面闪电下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性，而其他闪电参数相互之间的相关性较弱。这不仅可以加深对闪电空间形态不确定性的理解，同时也对以后的模式建立有一定借鉴意义。
该文在已有闪电随机放电参数化方案的基础上，截取近地面区域，保持闪电其他基本参数不变，通过改变闪电的空间形态，对同一背景下的闪电进行多次模拟，研究闪电近地面空间形态的差异对闪电击地点位置、上行先导长度、上行先导触发时下行先导的尖端位置及连接过程形态等参数的影响，并探索闪电参数之间的相关性。结果显示：闪电近地面空间形态会使上行先导长度在77~609 m区间内变化，大部分集中在100~200 m，也会使上行先导触发时下行先导的尖端位置分布在建筑物上空的一个椭球形空间内。同时，闪电近地面空间形态的差异也会使地闪连接形态呈多样性。另外，近地面闪电下行先导长度与上行先导长度有一定的线性相关性，而其他闪电参数相互之间的相关性较弱。这不仅可以加深对闪电空间形态不确定性的理解，同时也对以后的模式建立有一定借鉴意义。
2015, 26(2): 221-230.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150210
摘要:
基于2005—2007年涡度相关系统实测值和小气候观测资料，利用Priestley-Taylor (简称P-T) 模型对三江平原雨养大豆田5—10月的蒸散量进行模拟和分析。结果表明：P-T模型参数α采用常规值1.26时，大豆出苗前和生长期模拟值明显大于实测值，大豆收割后模拟值明显小于实测值，模型不能用于模拟大豆田蒸散量。大豆生长期内参数α与叶面积指数呈对数正相关关系；当饱和水汽压差较小时，参数α与其呈幂函数正相关关系，当饱和水汽压差较大时，参数α与其呈幂函数负相关关系。大豆出苗前参数α与太阳辐射呈正相关关系，与饱和水汽压差呈负相关关系；大豆收割后参数α与风速呈显著正相关关系。依据回归方程修正参数α后，多个用于检验模型模拟效果的统计量均表明：P-T模型对不同时期大豆田蒸散量的模拟精度明显提高，能够较好地估算大豆田蒸散量。总而言之，P-T模型必须修正参数α方可用于估算三江平原雨养大豆田蒸散量。
基于2005—2007年涡度相关系统实测值和小气候观测资料，利用Priestley-Taylor (简称P-T) 模型对三江平原雨养大豆田5—10月的蒸散量进行模拟和分析。结果表明：P-T模型参数α采用常规值1.26时，大豆出苗前和生长期模拟值明显大于实测值，大豆收割后模拟值明显小于实测值，模型不能用于模拟大豆田蒸散量。大豆生长期内参数α与叶面积指数呈对数正相关关系；当饱和水汽压差较小时，参数α与其呈幂函数正相关关系，当饱和水汽压差较大时，参数α与其呈幂函数负相关关系。大豆出苗前参数α与太阳辐射呈正相关关系，与饱和水汽压差呈负相关关系；大豆收割后参数α与风速呈显著正相关关系。依据回归方程修正参数α后，多个用于检验模型模拟效果的统计量均表明：P-T模型对不同时期大豆田蒸散量的模拟精度明显提高，能够较好地估算大豆田蒸散量。总而言之，P-T模型必须修正参数α方可用于估算三江平原雨养大豆田蒸散量。
2015, 26(2): 231-239.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150211
摘要:
为了对地基全天空红外测云仪获得的云图进行分类，该文从压缩感知理论出发，提出了一种利用云图灰度稀疏性进行云状识别的新方法。首先运用典型云图样本构造冗余字典，然后通过梯度投影 (GPSR) 算法和正交匹配 (OMP) 算法求取测试样本在冗余字典中的l1范式最优解，最后利用残差法和稀疏比例法对云状进行判别并输出。采用压缩感知理论进行云状识别，降低了对特征提取技术的要求，为云状的自动识别提供了新思路，对典型波状云、层状云、积状云、卷云和晴空的总体识别率分别达到75%，91%，70%，85%和93%，平均识别率为82.8%。
为了对地基全天空红外测云仪获得的云图进行分类，该文从压缩感知理论出发，提出了一种利用云图灰度稀疏性进行云状识别的新方法。首先运用典型云图样本构造冗余字典，然后通过梯度投影 (GPSR) 算法和正交匹配 (OMP) 算法求取测试样本在冗余字典中的l1范式最优解，最后利用残差法和稀疏比例法对云状进行判别并输出。采用压缩感知理论进行云状识别，降低了对特征提取技术的要求，为云状的自动识别提供了新思路，对典型波状云、层状云、积状云、卷云和晴空的总体识别率分别达到75%，91%，70%，85%和93%，平均识别率为82.8%。
2015, 26(2): 240-246.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150212
摘要:
为适应地面气象观测业务调整方向，提高新型自动气象站观测资料的质量及可用性，研究中对天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象进行对比评估。结果表明:天津地区历年2月轻雾的平均日数为10 d，雾和霾均为2 d，轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%，而雾和霾同期出现日数仅占0.7%；平行观测期的对比分析得到人工观测轻雾日数比自动观测多11 d，雾日数和霾日数均比自动观测少6 d，其中，轻雾和雾的判别差异集中出现在每日08：00(北京时，下同)，霾则基本出现在每日08：00，14：00，17：00，20：00；通过对比自动观测和人工观测的能见度数据发现，二者相对偏差达25.1%，能见度小于15.0 km时，自动观测的能见度有60%~76%数值偏小，特别是08：00和20：00, 因此，在相对湿度满足条件的情况下，能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。
为适应地面气象观测业务调整方向，提高新型自动气象站观测资料的质量及可用性，研究中对天津地区10个地面气象站1951—2014年历年2月人工观测及2014年2月自动观测和人工观测的轻雾、雾、霾现象进行对比评估。结果表明:天津地区历年2月轻雾的平均日数为10 d，雾和霾均为2 d，轻雾和霾同期出现的日数占有天气现象的7.4%，而雾和霾同期出现日数仅占0.7%；平行观测期的对比分析得到人工观测轻雾日数比自动观测多11 d，雾日数和霾日数均比自动观测少6 d，其中，轻雾和雾的判别差异集中出现在每日08：00(北京时，下同)，霾则基本出现在每日08：00，14：00，17：00，20：00；通过对比自动观测和人工观测的能见度数据发现，二者相对偏差达25.1%，能见度小于15.0 km时，自动观测的能见度有60%~76%数值偏小，特别是08：00和20：00, 因此，在相对湿度满足条件的情况下，能见度的判别误差是导致自动观测与人工观测轻雾、雾、霾现象判别差异的重要原因。
2015, 26(2): 247-256.
DOI: 10.11898/1001-7313.20150213
摘要:
该文简单介绍MARS (Meteorological Archival and Retrieval System) 软件的架构及组成部分，并基于MARS软件，介绍了数值预报产品数据管理系统设计与实现。通过在GRIB2数据段对应描述层次类型和气象要素的表格文件中定义新的层次类型和气象要素，在MARS软件解析GRIB2数据所需要查找的相关模板表格文件中定义气象要素对应的产品类型号、要素类别号、要素号、要素名称和要素名称缩写，说明GRIB2数据模板和代码表创建方法。以GRAPES模式产品GRIB2数据为例，实现应用MARS软件管理GRAPES模式产品GRIB2数据。结合存储管理TSM (Tivoli Storage Manager) 软件，研究开发MARS软件和TSM软件连接接口程序，实现数据的直接迁移和回调。以T639L60模式产品为例，通过测试检索性能，MARS软件检索数值预报产品速度超过当前国家级气象数据管理系统数据检索速度1倍，说明MARS软件检索数值预报产品数据具有时效优势。
该文简单介绍MARS (Meteorological Archival and Retrieval System) 软件的架构及组成部分，并基于MARS软件，介绍了数值预报产品数据管理系统设计与实现。通过在GRIB2数据段对应描述层次类型和气象要素的表格文件中定义新的层次类型和气象要素，在MARS软件解析GRIB2数据所需要查找的相关模板表格文件中定义气象要素对应的产品类型号、要素类别号、要素号、要素名称和要素名称缩写，说明GRIB2数据模板和代码表创建方法。以GRAPES模式产品GRIB2数据为例，实现应用MARS软件管理GRAPES模式产品GRIB2数据。结合存储管理TSM (Tivoli Storage Manager) 软件，研究开发MARS软件和TSM软件连接接口程序，实现数据的直接迁移和回调。以T639L60模式产品为例，通过测试检索性能，MARS软件检索数值预报产品速度超过当前国家级气象数据管理系统数据检索速度1倍，说明MARS软件检索数值预报产品数据具有时效优势。
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