探空溫度觀測與ERA-interim再分析資料的對比分析

田偉紅，萬曉敏，馮建碧

(1.國家氣象中心，北京100081；2.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局，北京100621)

1 引 言

探空資料是觀測資料同化系統(tǒng)中重要的資料源之一。由于受儀器性能、觀測環(huán)境、太陽短波輻射(白天引起正溫度偏差)、長波紅外輻射(夜間引起負(fù)溫度偏差)、觀測技術(shù)、計算方法等因素影響，實(shí)際的探空溫度資料是包含隨機(jī)誤差和系統(tǒng)性偏差，探空溫度在高層的觀測偏差在文獻(xiàn)[1-3]中都有描述。

在全球范圍內(nèi)，探空儀器多達(dá)幾十種[4]。探空溫度的偏差訂正通常分兩種，其一是在觀測資料報告發(fā)布之前在臺站進(jìn)行的；另一種是在觀測資料報告發(fā)布之后在資料處理中心進(jìn)行的。無論哪一種溫度偏差訂正方法，都需要對溫度觀測有充分認(rèn)識才能進(jìn)行。前一種訂正是探空儀器制造商和大氣探測人員從儀器性能、探測原理角度分析探空溫度偏差產(chǎn)生原因進(jìn)行的[5-6]；或用多種儀器同時大量對比施放的基礎(chǔ)上估計觀測誤差進(jìn)行訂正[7]。盡管大多探空資料發(fā)布之前都對溫度觀測資料進(jìn)行了第一種偏差訂正，因?yàn)楦鞣N儀器類型的訂正方法和程度是不同的，一些儀器類型 (如Vaisala)探空溫度偏差訂正是充分合理的，有些類型探空儀溫度偏差訂正是不徹底的，系統(tǒng)性偏差仍然存在。對數(shù)值預(yù)報用戶而言，在資料應(yīng)用之前仍需要進(jìn)一步訂正。由于用戶獲取的探空資料缺少第一種探空溫度偏差訂正方法的必要信息(儀器性能、氣球升速、云狀況等)，只能進(jìn)行后一種探空溫度偏差訂正。趙佳瑩等[8]利用中國高空探空資料和NCEP/NCAR、ERA-interim以及 MERRA三種再分析資料，討論了風(fēng)場的再分析資料在中國區(qū)域的適用性問題。結(jié)果表明：在中國區(qū)域的年平均場上，高空風(fēng)速在我國對流層高層和中層均存在長期減弱的趨勢，在我國東部和南部地區(qū)的對流層低層也存在減弱趨勢，ERA-interim資料和MERRA資料適用性相對較好。唐南軍等[9]利用中國91個L波段探空濕度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對流層中低層存在異常偏干的現(xiàn)象，而對流層高層及平流層存在系統(tǒng)性偏干。與COSMIC反演的濕度資料以及ECMWF的濕度分析資料相比，L波段探空系統(tǒng)的相對濕度整體偏干10%～20%。郭艷君等[10]比較中國探空觀測與再分析氣溫的差異，利用中國118站850～300 hPa經(jīng)質(zhì)量控制和均一化處理后逐月氣溫和NCEP v1、NCEP v2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55 等 8 套 再 分 析月 平 均 氣 溫?？傮w上，ERA-Interim、JRA55和MERRA與其它再分析相比更相近中國均一化探空氣溫。為了解數(shù)值預(yù)報同化系統(tǒng)中使用的探空溫度觀測相對于ERA-Interim的偏差情況，本文利用歐洲中心再分析資料(ERA-Interim)作為參照場，按儀器類型、太陽高度角分別統(tǒng)計夏季 (2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)探空溫度觀測的偏差及均方差。

本文第2節(jié)介紹資料處理及統(tǒng)計方法，第3節(jié)結(jié)果分析，最后進(jìn)行小結(jié)。

2 資料處理及統(tǒng)計方法介紹

本文使用的探空資料是國家氣象信息中心數(shù)據(jù)庫夏季(2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)兩個季節(jié)的探空觀測資料，經(jīng)過質(zhì)量控制過程剔除錯誤的數(shù)據(jù)。質(zhì)量控制過程包括：極值檢查、要素間一致性檢查、多層觀測資料垂直一致性檢查(溫度遞減率檢查、逆溫檢查、靜力學(xué)檢查、風(fēng)切變檢查)、背景場檢查。背景場選擇歐洲中心的ERA-Interim再分析資料，其水平分辨率接近0.7°×0.7°、垂直方向60層。

統(tǒng)計之前需要把背景場從模式空間插值到觀測空間。首先按照背景場水平分辨率，計算觀測位置周圍的四個格點(diǎn)，然后應(yīng)用氣壓對數(shù)線性插值，垂直插值求出四個格點(diǎn)觀測氣壓層的背景場值，再用雙線性插值方法，由四個格點(diǎn)觀測氣壓層的背景場值求出觀測點(diǎn)的背景場數(shù)值。最后用觀測和背景場的差，計算出兩者的偏差及均方差。按照儀器類型、太陽高度角分別統(tǒng)計夏季(2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)探空溫度觀測與EC再分析場的偏差及均方差。

太陽高度角θ0的計算公式[11]為：

式中λ為地理緯度，δ為太陽赤緯(即太陽高度角相對于赤道的仰角)，h為太陽時角。

其偏差平均值及偏差標(biāo)準(zhǔn)差分別由式(2)～(3)所示：

太陽高度角共劃分為10個等級，0度以下(代表夜間)，0度以上以10度為一等級。

3 統(tǒng)計結(jié)果分析

3.1 探空儀器種類及空間分布

以2014年6—8月為例，從國家氣象信息中心資料庫中檢索到的探空站總數(shù)為637。表1給出了2014年6—8月使用站數(shù)大于10的探空儀器類型及其探空站數(shù)。另外還有100多個探空站沒有給出探空儀器標(biāo)識，其中區(qū)站號以2開頭的42個，以3開頭的34個，以4開頭的26個，還有分別以 5、6、7、8、9 開頭的各 1～2 個。這些沒有給出探空儀器標(biāo)識的探空站主要分布在俄羅斯、中亞、和東歐地區(qū)。有些臺站(40～50臺站)使用的儀器不是唯一的。

表1中儀器編碼對應(yīng)的儀器類型取自世界氣象組織的COMMON CODE TABLE 3685[4](WMO，2010)，由于儀器編碼表沒有及時更新，儀器編碼為31和33實(shí)際分別是我國太原長峰儀器廠和南京大橋儀器廠生產(chǎn)的。

由圖1可見，Vaisala系列探空儀分布最廣，其中Vaisala RS92/Digicora III型主要分布在加拿大、南美、澳大利亞、中東等區(qū)域；Vaisala RS92/Autosonde類型分布于歐洲、日本及澳大利亞；Vaisala RS80-57H類型分布于美國周邊及南太平洋的赤道附近的一些島國；Vaisala RS92/Digicora I，II or Marwin主要分布于非洲、南美洲。中國生產(chǎn)的儀器類型除支援蒙古一個測站外均分布在中國境內(nèi)。美國生產(chǎn)的儀器類型 (Sippican MK2 GPS/STAR)主要分布在美國。俄羅斯生產(chǎn)的儀器類型(Meteorit MARZ2-2)分布于俄羅斯西部地區(qū)，而俄羅斯中東部地區(qū)的探空站沒有給出儀器信息。德國生產(chǎn)的儀器類型(Graw G)分布于德國、南亞、東南亞及北美南部地區(qū)。法國生產(chǎn)的GEOLINK GPSonde GL98主要分布于熱帶地區(qū)。為了圖形清楚起見，其它使用少于10個測站的儀器類型沒有在本圖體現(xiàn)。

表1 2014年6—8月使用站點(diǎn)較多的儀器

3.2 溫度O-B偏差分析

這一節(jié)選擇幾種具有代表性的探空儀O-B溫度偏差特征進(jìn)行分析。圖2a、2b顯示，Vaisala RS92(80)型探空儀溫度觀測偏差較小，高度在20 hPa以下溫度偏差在0.4℃以內(nèi)，20～10 hPa基本溫度偏差在0.6℃以內(nèi)，冬季和夏季稍有差別。夏季在250 hPa附近有明顯0.4℃負(fù)偏差，往上逐漸由負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差，150～20 hPa溫度偏差約0.3～0.4℃，20～10 hPa約 0.4～0.6℃。冬季在250 hPa附近也有明顯0.4℃負(fù)偏差的趨勢，但沒有夏季明顯，往上也有逐漸由負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差的趨勢，但比夏季變化幅度小。溫度偏差的明顯差別在20～10 hPa，冬季隨不同太陽高度角變化較大。

由圖2a可見Vaisala RS92型探空儀(80)無論冬季還是夏季，夜間溫度偏差最小，尤其冬季溫度偏差基本在0℃附近。隨太陽高度角增大，溫度偏差也逐漸增大，但是變化幅度小?？傮w而言，與WMO規(guī)定[12]探空溫度觀測、測量誤差≤1.0℃，都在可接受范圍之內(nèi)。 圖2c、2d顯示Vaisala RS92(80)型探空儀溫度偏差標(biāo)準(zhǔn)差夏季和冬季變化趨勢相似。由于插值沒有考慮地形，故低層偏差不做分析，700～250 hPa均方差在0.8℃左右，隨高度升高增大，20 hPa處約為1.2℃。Vaisala RS92/Autosonde(81)、Vaisala RS80-57H(52)、Vaisala RS92/Digicora I，II or Marwin(79)三種探空儀類型的偏差變化趨勢及量級和Vaisala RS92/Digicora III相似(圖略)。

圖 3a、3b 顯 示 ，Sippican MK2 GPS/STAR(USA)類型溫度偏差在200 hPa附近負(fù)偏差稍大一點(diǎn)，約在0.4℃以內(nèi)，100 hPa以下層次基本在0℃附近，100 hPa以上基本在0.4℃以內(nèi)?？傮w趨勢以負(fù)偏差為主，溫度偏差與太陽高度角有一定關(guān)系，無論冬季、夏季，太陽高度角小于零度的情況下為負(fù)偏差，隨太陽高度角增大，溫度負(fù)偏差數(shù)值逐漸減小。從數(shù)值和變化趨勢來看Sippican MK2 GPS/STAR(USA)與Vaisala RS92/Digicora III型探空儀的變化相似。

圖4 a、4b顯示從垂直層次看，溫度偏差底層稍微偏正，300 hPa以下偏差在0～0.2℃；200～250 hPa向負(fù)偏差變化，在-0.4～0.2℃；100 hPa往上變?yōu)檎睿?.1～0.5℃；50 hPa以上又向負(fù)偏差變化。到10 hPa，其數(shù)值在-0.7～0.2℃之間?？傮w趨勢以負(fù)偏差為主。夜間除700 hPa以下外，溫度偏差總體偏負(fù)，隨高度增加負(fù)偏差越明顯；隨太陽高度角增大，負(fù)偏差逐漸減弱；無論冬季還是夏季，夜間都是負(fù)偏差。當(dāng)太陽高度角增大到20°時溫度偏差呈弱正偏差。冬季溫度偏差不明顯，整層在-0.3～0.3℃之間。

圖 5a、5b 顯示，VIZ/Valcom type A pressure-commutated儀器類型探測溫度偏差以正偏差為主。從垂直層次看，250 hPa以下其偏差在0～0.2℃；250 hPa向上偏差逐漸增大，在20 hPa接近1.5℃。不同太陽高度角溫度偏差存在差別，按偏差從大到小依次排列為：太陽高度角20～30°、30～40 °、10～20 °、＜0 °、0～10 °。太陽高度角在0～10°時，150 hPa以下溫度偏差幾乎為0℃，150 hPa以上與其它太陽高度角相比，溫度偏差最小。冬季溫度偏差和夏季基本相似。

圖6a、6b顯示，33類型探空儀溫度觀測在300 hPa以上偏差較大。尤其是夏季從850 hPa平均0.5℃到100 hPa增大到0.8℃左右。100 hPa以上，不同太陽高度角溫度偏差的差別很大，太陽高度角在20°以下，從100 hPa到70 hPa溫度偏差從1℃下降到-1℃，其中太陽高度角＜0°、0～10°、10～20°，溫度偏差分別從 0.2℃下降到-0.8℃、0.7℃下降到-1.5℃、1.2℃下降到-0.8℃，70 hPa往上，太陽高度角20°以下溫度偏差高層超過-2.5℃;太陽高度角＞20°，溫度偏差仍然保持正偏差。冬季，太陽高度角＜10°，100 hPa以下溫度偏差為正，100 hPa以上向負(fù)偏差方向變化，變化幅度比夏季小。

從圖6c、6d偏差標(biāo)準(zhǔn)差圖可看出，垂直變化趨勢和其它儀器的相似，但相比Vaisala系列探空儀的偏大。

在俄羅斯只有西部部分區(qū)域的探空站給出了探空儀器信息，其標(biāo)識為29。在夏季使用該儀器的測站數(shù)有11個，冬季僅5個。在夏季該儀器在300 hPa以下有較弱的正溫度偏差，300 hPa以上負(fù)溫度偏差非常明顯(圖7a)。

沒有儀器標(biāo)識以2和3開頭區(qū)站號的溫度偏差和標(biāo)準(zhǔn)差和Meteorit MARZ2-2(Russian Federation)類型儀器相似。Graw G.(Germany)類型儀器夏季和冬季溫度偏差圖略，200 hPa以下正偏差約0.2℃，高層達(dá)0.5℃；其溫度偏差標(biāo)準(zhǔn)差和Vaisala系列的差不多。GEOLINK GPSonde GL98(France)儀器夏季和冬季溫度偏差為正約為0.2～0.3℃，偏差隨高度變化不大；其偏差標(biāo)準(zhǔn)差也和Vaisala系列的相當(dāng)。Meisei RS-016(Japan)類型儀器存在明顯負(fù)偏差，100 hPa溫度偏差在0℃附近，負(fù)偏差向上增加，20 hPa達(dá)到-0.6℃左右；夏季和冬季圖形相似。

4 總 結(jié)

本文以歐洲中心再分析資料為參照場，針對全球探空站按探空儀器類型和太陽高度角統(tǒng)計探空溫度觀測資料相對于歐洲中心再分析場的平均偏差和均方差。統(tǒng)計時段分別為夏季 (2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)兩個季節(jié)。

大部分儀器溫度觀測與EC再分析場相比的偏差隨著太陽高度角增大而增大，但是不同儀器表現(xiàn)特征不同。有些儀器溫度觀測偏差較?。篟S92(儀器標(biāo)識碼為 80、81、82)、中國上海(儀器標(biāo)識碼為 32)、美國生產(chǎn)(儀器標(biāo)識碼為 52)、德國(17)、日本(55)、法國(77)；對RS92而言，溫度偏差與太陽高度角相關(guān)性較小。儀器標(biāo)識碼33、31、29、27、17等及沒有儀器標(biāo)識碼區(qū)站號以2和3開頭的測站，其溫度偏差隨太陽高度角增大偏差增大，大部分儀器偏差特征曲線特征隨冬夏變化相似。本文使用歐洲中心的再分析場對探空溫度進(jìn)行了評估，只使用單一資料對探空溫度進(jìn)行評估有一定的局限性[13]，后續(xù)工作會使用其它類的資料對探空溫度做進(jìn)一步的評估。而國內(nèi)大氣科學(xué)觀測工作也有可喜的進(jìn)步[14-15]。