可业务化应用的L波段探空系统高空风改进算法

为进一步挖掘L波段高空气象探测业务系统原始资料潜力、优化改进现行测风业务算法,本文基于新疆博斯腾湖东岸L波段系统机动站累积的2 a探空原始资料,提出了可业务化运行的高空风改进算法。该算法首先对雷达原始秒点坐标进行严格的质量控制,采用低通滤波、加权最小二乘法、线性补缺等方法去除探空仪摆动、雷达测量误差等对秒点坐标造成的扰动;然后采用逐秒点坐标滑动计算矢量平均风,通过与同球施放的GPS探空做比对分析得出,在全程使用50~60 s计算时间窗口或前50 min使用30~40 s时间窗口、50 min以后使用50~60 s时间窗口条件下,雷达矢量平均风廓线与GPS矢量平均风廓线吻合较好;规定高度层风和固定垂直分辨率高度层风采用查找表方法确定,其结果不仅能在风场结构上与现行业务算法一致,同时能呈现出明显的风层中小尺度扰动信息。     

L波段探空系统高空风平滑计算方法探讨

在分析现行业务L波段探空系统测风原理的基础上,提出改进高空测风数据的平滑计算方法.首先比较了业务分钟风与滑动平均风两种高空测风数据的平滑计算办法,并与GPS RS92测风数据进行了对比分析和批统计处理,特别是对业务L波段雷达在1～21、22～42和43分钟及以后采取不同的时间隔计算风的规定给出了分时段以及低仰角、远距离和小风速的统计分析.结果显示,滑动平均法在选取合适的滑动平均窗口的条件下,其计算的高空风与GPS RS92测风结果一致性更好且动态误差小.建议未来改进业务L波段探空系统的高空风平滑计算方法时,采用窗口为1分钟的滑动平均方式或者前20分钟采用30秒,以后采用1分钟的分段滑动平均方法.     

L波段高空气象探测系统测风算法改进探讨

对我国高空气象观测业务中的平均风计算方法及其存在的问题进行了分析和探讨,提出了完全采用矢量平均风算法来求取高空规定层风的业务流程改进方案;用锡林浩特站和阳江站同球施放的RS92GPS探空仪与L波段雷达-GTS1探空仪的对比观测数据集,对20~200s时间窗口下的各种矢量平均风计算方案及其规定风层计算结果进行了分析比对,提出未来改进的L波段高空气象观测系统可以测试使用时间窗口为30~45s的矢量平均风、使得计算风层达到每150~350m高程一个,以便进一步提高与GPS测风结果的一致性、更好地满足预报服务部门对高空风垂直分辨率的应用需求。     

基于地心坐标系的卫星导航测风平滑算法

本文从高空风探测原理出发，提出可业务化运行的卫星导航探空系统高空风平滑计算方法。该算法首先根据北斗〖CD*2〗GPS（Global Positioning System）双模式探空仪提供的大地坐标秒间隔数据，基于地心坐标系计算原始高空风；然后，采用矢量滑动平均法对原始数据进行平滑处理。通过与同球施放的芬兰RS92探空系统做比对分析得出，滑动平均窗口在0～32 km高度范围内设置为34 s、在32 km高度以上设置为60 s条件下，卫星导航探空系统与RS92探空系统高空风测量结果吻合较好。该算法计算结果同基于站心坐标系计算的30 s滑动平均风基本相同，但其风速分量误差范围在32 km高度以下略优、在32 km高度以上减小明显，升空全程误差范围更为稳定。     

风廓线雷达与L波段探空雷达测风资料的对比

为了探讨风廓线雷达资料的可用性,对2013年9月—2015年10月青岛站和济南站的风廓线雷达与L波段探空雷达测风数据进行相关、误差及有效样本比率分析。结果表明:(1)济南站和青岛站绝大多数高度层00:00和12:00风廓线雷达与L波段探空雷达的水平风速显著正相关,通过α=0.05及以上信度检验;(2)济南站00:00和12:00,晴天1.5 km以上及雨天0.64 km以上大多高度层风廓线雷达的水平风速比L波段探空雷达偏小约2 m·s~(-1),且当风廓线雷达与L波段探空雷达水平风向差≤20°时,有效样本比率基本在70%以上,资料质量很高;(3)青岛站00:00和12:00,6.48 km以下大多高度层风廓线雷达探测的水平风速比L波段探空雷达偏小2~4 m·s~(-1),水平风速资料可用,但当2部雷达风向差≤20°时,有效样本比率仅为20%,海陆风及2种仪器的布设距离是水平风向差异的主要原因。     

风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析

为了解风廓线雷达探测的准确性,对北京南郊大气探测试验基地2006-2008年3年的观测资料与常规高空探测资料即L波段雷达探空测风数据进行了对比,计算并分析了不同高度、不同时次、不同风速条件下的对比结果,进行了相关性分析,计算了平均差和标准差。结果表明,二者测风结果有较好的一致性,半小时平均水平风u、v分量的标准差在2.3m/s左右,为风廓线雷达和L波段雷达探空共同的测量误差及不同采样空间和时间的水平风的差异。     

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

CFL-06型风廓线雷达与L波段探空雷达测风对比分析

为探讨风廓线雷达资料的准确性和可用性,将2016年5月2017年4月张家口的风廓线雷达与L波段探空雷达测风资料进行对比分析。结果表明:1)张家口站大多高度层二者风速呈显著正相关,00:00的相关性优于12:00的,8km以上未通过显著性检验。2)4.11km以下风廓线雷达较L波段探空雷达水平风速偏大,平均误差为0.00~1.50m/s;4.11km以上风廓线雷达较L波段探空雷达水平风速偏小,平均误差为0.00~22.13m/s,并随高度的增加而增大。3)水平风速有效样本率(风速差≤3m/s)整体随高度增加呈先增大后减小的趋势,中低层(1.23~3.63km)的有效样本率较高,为60.0%~70.0%。4)2.196.03km各高度层水平风向的有效样本率(风向差≤20°)较大,稳定在70%~80%,有降水时风向有效样本率随高度的增高而增大,且各高度层波动较大。两个时次风向有效样本多集中在风向差为10°的范围内,28km各高度层有效样本率(风向差≤10°)可达到40%~60%。     

广东省高空风观测资料融合技术的应用

以广东省气象局多普勒雷达VWP产品、风廓线雷达数据和常规探空资料为基础,抽取同一时间点、相同或相近高度层数据,将其融合为高时间(30 min)和空间分辨率(27/31站)的高空风观测数据集(Micaps第2类数据产品格式)。该方法直观、简单,忠实于原始观测,验证了该数据集的可用性、科学性和实用性。实时生成融合产品及各种物理量分析图。     

科尔沁边界层风廓线雷达探测性能评估

利用2016～2017年科尔沁边界层风廓线雷达每6min的风场资料评估雷达探测性能,主要针对风廓线雷达数据获取率、风廓线雷达与常规探空探测风的相关性等进行了分析。结果表明：风廓线雷达平均数据获取率随高度的增加先增大后减小,3000米以下平均数据获取率都在60%以上。雷达探测数据存在日出后数据缺测率高,午后缺测率低的变化趋势。各层数据获取率与气温和比湿的相关系数分别在0.45和0.35左右。对比风廓线与常规高空探测数据发现：二者v分量的相关系数大于u分量；各高度层中400米到1900米的u分量的相关系数在0.4以上,500米到3400米的v分量的相关系数都在0.6以上；风廓线雷达与常规探空数据u分量相关系数随风速的增大时而减小,从春季到冬季u、v分量相关系数都呈减小趋势。各个季节中风廓线雷达与常规探空数据风速平均偏差春季最小、冬季最大。     

国产GPS探空系统探测能力分析

实验室测试和外场比对试验表明,我国研制的GPS探空系统采用卫星导航测风体制进行测风,GPS高度反算气压取代气压传感器,较之雷达探空体制要更为准确和精确。其在电气性能和稳定性、可靠性方面满足CIMO的探空要求。实验室测试表明,在采用新型温、湿、压传感器和测试条件情况下,准确性误差分别在±0.1℃、±2%、±1hPa之内,满足WMO对常规高空探测要求。与RS92型探空系统相比,国产GPS探空仪的动态测量性能除相对湿度准确性方面由于技术和工艺水平仍有一定差距外,其余要素已接近RS92的水平,尤其与GPS定位相关的气压、位势高度、风向和风速,其一致性标准差已与RS92相当,达到了较高的水平。与我国现有高空探测业务使用的L波段探空系统相比,测量准确性方面已优于L波段探空系统。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。     

59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比

利用全国探空系统换型时获取的70个高空台站的对比观测数据,计算了59型探空仪和L波段探空仪温度和位势高度的差异,分析了探空仪换型对于探空数据一致性的影响。结果表明:就全国平均而言,在100 hPa特别是在400 hPa以下高度,两套系统提供的温度和位势高度观测值没有明显的系统差异;但在70 hPa以上高空,59型探空仪测定的规定等压面温度比L波段探空仪低0.1～0.7℃,导致位势高度在20 hPa高度时偏低达30 m左右,换型前后变化明显。系统差异的产生与59型探空仪的生产厂家、施放地区和季节关系较大,进一步分析表明:太原厂生产的探空仪测得的温度在对流层偏高,在平流层偏低,位势高度在对流层偏高,在平流层逐步转为偏低;上海厂生产的探空仪测得的温度全程偏低,引起位势高度也全程偏低,因此两个厂家的59型探空仪相对于L波段的温度和位势高度系统差也有明显不同。用户在使用局部地区高空站59型探空仪的观测数据时需了解该59型探空仪的生产厂家。     

L波段与59-701探空系统相对湿度对比分析

通过统计全国探空系统早期换型时获取的59个高空站L波段雷达-GTS1型电子探空仪系统相对于59-701探空系统在1000 hPa到200 hPa之间各规定等压面相对湿度的差值,分析探空系统换型对于相对湿度一致性的影响。结果表明:GTS1型探空仪测得的相对湿度明显比59型探空仪低,且差值随高度增加而增大,近地层二者相对湿度差值低于5%,200 hPa高度二者差值达到20%以上;冬季两套探空系统相对湿度的差值明显大于夏季,且差值随高度分布情况不尽相同。分析表明:相对湿度差值的变化除了与探空仪施放过程中外界温度变化相关,还与湿度变化趋势和变化幅度密切相关,湿度传感器存在湿滞回线和滞后现象。分析还发现,太原无线电一厂与上海长望气象科技有限公司制造的59型探空仪的性能差异不明显,且GTS1型探空仪与59型探空仪的两种湿度传感器在白天受太阳辐射的残余影响差异也不明显。     

新一代高空探测系统使用技巧和故障处理方法

L波段二次测风雷达-电子探空仪高空气象探测系统是新一代高空气象探测系统,其性能、操作方法、业务流程等与59-701探测系统有所不同。文章介绍了杭州高空站2002~2004年3年中使用新一代高空气象探测系统的一些使用技巧和故障处理方法。内容包括雷达检查、探空仪基测、电池浸泡、仪器装配、瞬间观测及数据输入、气球施放、旁瓣抓球判断、探测中途丢球、放球软件出现非正常现象等。     

An assessment of radiosonde launch conditions affected by the surface wind

Carried out is an analysis of radiosonde launch conditions affected by the horizontal surface wind. Mathematically stated is a condition of successful launch agreed qualitatively with the known practical methods and upper-air sounding techniques. This condition is defined by several main factors taking account of the clamping force impact on the balloon, adaptation of the balloon speed to the wind speed, and approaching of the instrumental box of radiosonde to the surface immediately after the launch due to the deviation of the harness string from the vertical. The results obtained provide a theoretical basis for analyzing the launch parameters in order to increase the reliability of upper-air sounding and to develop the ways of its successful use under conditions of strong winds.     

改进高空测风算法的试验

通过L波段系统与GPS同步比对,分析了我国现行高空测风算法在一般情况下造成的误差、在特殊情况下对风的变化可能产生的错误判断或无法判断。目前高空探测系统实现了自动化,秒尺度坐标数据采样密度和计算机完成计算的条件下,计算方法应该也可以作相应的改进。本文以WMO的相关技术要求为标准,探讨了提高高空风探测的空间分辨率、计算精度和精细化描述风垂直变化的可能与具体实施的途径,进一步提高高空风测量结果的准确度。