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。     

中国区域高空三种气温、湿度资料交叉对比

本文对比分析了2011—2013年中国区域L波段探空气温、湿度廓线,COSMIC掩星气温、湿度廓线和ERA-Interim再分析资料的气温、湿度廓线之间的差异。对比显示,从时间变化来看,三者之间有很好的正线性相关关系。除10 hPa以上的少数层次外,三种气温资料之间互相吻合较好,彼此偏差范围在±0.4℃之间,偏差标准差在1~2℃,对流层中高层,L波段探空气温受太阳辐射影响较大,气温偏高,与COSMIC相比,L波段探空偏高最高可达到0.64℃。而对于相对湿度,三种数据存在明显差异。对流层中低层到对流层顶L波段探空存在不同程度的偏干,且有较明显的昼夜、季节和区域差异:白天、春夏季和南方潮湿气候区域偏干更明显。一般来说,在对流层顶附近区域,L波段探空相对湿度偏干较明显,200 hPa附近及以上L波段探空相对湿度转为偏湿。在对流层顶以下,L波段探空与COSMIC掩星、ERA-Interim再分析相对湿度具有明显的正相关,对流层顶以上表现为负相关。     

中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的对比研究

为评估中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的差异,基于ERA-Interim、JRA-55、MERRA和CFSR再分析和中国118探空站1979-2015年逐月850-300 hPa大气比湿和相对湿度的原始值及均一化序列,通过分析探空与再分析资料的相对偏差、相关系数、标准差比和变化趋势,研究了两者在多年平均值、年际变率、离散度及长期变化趋势等方面的差异。结果表明,中国探空原始湿度序列存在显著的非均一性问题,均一化提高了序列的连续性,但存在显著的低偏差,总体较原始湿度偏低5%-43%。再分析中国平均对流层大气比湿和相对湿度较探空观测偏高,相对湿度的偏差幅度（7%-48%）较比湿大（4%-13%）,对流层高层较低层大,春秋季偏差较夏季显著。各再分析资料间的差别较小,JRA-55在对流层高层较其他再分析资料偏低,与探空观测较接近。再分析与均一化后中国探空比湿和相对湿度年际变率和离散度在对流层低层较为一致,对流层中高层再分析资料的离散度明显高于探空。再分析与均一化探空中国平均比湿在对流层低层一致呈上升趋势;对流层中层探空为上升趋势,再分析资料为下降趋势。再分析与均一化探空相对湿度变化趋势差异较大,探空为上升趋势且对流层中高层上升显著,对流层再分析为下降趋势。      

中国L波段探空湿度观测资料的质量评估及偏差订正

L波段探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中均为最基本和最重要的一类数据,而其湿度观测资料的质量对同化分析及降水预报有直接影响。通过用L波段探空湿度观测资料与不同类型的其他观测反演的湿度资料互校及与NCEP、GRAPES、EC等不同模式分析场为背景的湿度场比较,评估中国L波段探空湿度观测资料的质量状况,对探空湿度资料的质量有了新的认识,为更好地使用该资料提供依据。研究发现中国L波段探空湿度观测资料存在偏干的现象,特别是当背景场湿度大于60%时,观测湿度偏低更加明显。通过分析其偏差特征,找出了适合中国L波段探空湿度观测资料偏差特点的分段函数订正方法。个例试验表明,对探空湿度观测资料的偏差订正后,观测偏差明显减小,订正效果非常显著;模式降水强度预报能力有一定的提高。从连续试验检验的降水预报评分(TS)和预报偏差(Bias)看,中雨和暴雨的预报在探空湿度观测偏差订正后都表现出正效果。     

L波段探空仪器换型对高空湿度资料的影响

2002—2010年我国高空探测系统逐步完成了由原来的59-701型探空系统升级为L波段雷达-电子探空仪系统的工作,湿度传感器由原来的肠衣更换为碳湿敏电阻。该文对全国98个高空站相对湿度探测值在换型前后的差异进行了统计分析。结果表明:探空系统换型后,相对湿度探测值较换型前显著降低,表现为明显的干偏差,且随着高度的增加而增大,200,500 hPa和850 hPa相对湿度分别偏低14.6%,8.3%和5.3%。受太阳辐射的影响,这种干偏差在白天甚于夜间;换型前后相对湿度的概率分布也发生了明显变化,整个对流层相对湿度低于20%的低值出现频率明显高于换型前,200 hPa相对湿度小于20%的出现频率由换型前的10%增加到换型后的53%。最明显的变化是相对湿度为3%以下的出现频率,换型前各高度层出现频率均接近于0,但换型后200,500 hPa和850 hPa出现频率分别达到16.2%,9.9%和2.2%。     

L波段雷达-电子探空仪系统对比观测分析

利用酒泉高空站L波段雷达-GTS1电子探空仪系统与“59-701”系统1个月的同步观测资料,对该站使用L波段探空系统后高空探测资料变化情况进行分析评估。通过直接对比、与国家气象中心数值预报6 h初估场比较和相关性检验分析,得到各规定等压面上位势高度、温度、湿度、风向、风速等的偏差和均一性检验结果。结果表明,酒泉站使用L波段雷达系统后,温度、高度、风向、风速记录平均而言未产生跳变,对流层上层湿度记录离散性小,新老系统的相对湿度差随高度增加而增加,记录准确率有明显的改善。在温度较低的对流层上层,59型探空仪测定的相对湿度偏高,GTS1型电子探空仪测定的湿度数据更接近国际上比较先进的探空仪。     

大气相对湿度资料融合及融合湿度精度检验——基于2013年1月我国中东部地区卫星和探空相对湿度数据

利用2013年1月MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)的大气廓线产品计算得到大气相对湿度廓线,并与探空观测得到的相对湿度资料进行对比,发现总体上MODIS反演的相对湿度高于探空值,且在相对湿度较低区域误差较大;需要剔除有云影响的MODIS数据和相对湿度小于5%的探空数据;用平均值订正法对MODIS数据进行均一性修正,采用直接订正法、最大相关系数法开展MODIS和探空相对湿度资料融合试验,对融合结果进行分析对比和精度检验。结果表明:(1)直接订正法融合湿度在相对湿度较低区域高于探空湿度,在相对湿度较高区域低于探空湿度,最大相关系数法融合湿度在高湿区和低湿区均与探空接近;(2)融合结果精度检验表明,直接订正法融合湿度与探空湿度的平均绝对误差在850 hPa不超过10%,在925 hPa不超过12%,在1000 hPa不超过9%;采用最大相关系数法融合得到的相对湿度值在各层与探空湿度的绝对误差均不超过4%。总体来看最大相关系数法比直接订正法融合效果更好。     

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波段电子探空仪相对湿度误差研究及其应用

为了提高高空大气探测数据准确度, 我国从2002年1月开始推广使用L波段雷达-电子探空仪探测系统, 用携带碳湿敏元件的数字式电子探空仪代替用肠膜测湿元件的59型探空仪进行相对湿度探测。但大量的实测探空资料表明:相对湿度探空曲线仍然存在较大误差。利用能测到-30℃低温的高精度湿度校准设备在-30~30℃试验温度范围内对碳湿敏元件进行大量静态测试, 在进一步了解碳湿敏电阻校准线随温度变化的特征基础上, 结合实际探空资料, 修正工厂的相对湿度订正原理和公式, 从而可以提高碳湿敏电阻在高湿端的测量准确度, 提高判断云层垂直位置的准确性, 进而提高L波段探空仪温度测量的精度。     

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。     

L波段与59 701探空系统观测资料差异评估

利用四川在59-701探空系统向L波段雷达GTS1型电子探空仪系统转变时,就4个高空台站开展了两套系统对比观测的资料进行了差异评估。结果表明:太原厂59型探空仪所测的温度、位势高度比上海厂59型探空仪所测偏高。100 hPa高度以下温度、位势高度观测数据没有明显的跳变,但以上高度换型带来的变化较明显;两套系统所测湿度差异较大,近地面差值最小,差值随高度升高而增大;L波段系统所测湿度基本是低于59-701系统所测湿度。两套系统所测平均风向、平均风速差异较小。直接差异各要素差异的峰值均较大。各要素差值的离散情况随高度的变化各异,总体离散程度最大的是位势高度,其次依次是风向、湿度、露点、风速、温度。两套系统所测要素的差值变化趋势虽然普遍没有太大差异,但湿度、风向和风速的差值变化还是表现出与地理位置、季节和施放时间有关。两套系统在观测所使用设备、原理、精度、订正、观测方法、对比时的放球时间等的不同,都会引起测量值出现差异。     

全程探空记录数据分析

文章通过分析探空仪上升和下降这两个阶段所得资料,发现下降段温度元件的长波辐射误差、太阳辐射误差均比上升段的相应误差小,下降段温度元件的滞后误差比上升段相应误差大,但下降段温度元件总体测温误差并没有增加。外界温度变化速率的大小对现用探空气压传感器影响不大,同时从上升和下降两段观测到的等压面和对流层顶气压看,下降段气压观测误差几乎没有出现,不影响观测的可用性。湿度滞后误差与环境温度密切相关,测湿误差虽然较大,但其观测误差仍然远远好于过去的59型探空仪。雷达测风数据与探空仪上升或下降状态没有关系,因此探空仪下降段的资料可用。     

1979—2012年中国探空相对湿度资料的非均一性检验与订正

利用加拿大环境部气候研究中心研发的PMTred非均一性检验方法,以ERA interim资料作为参考序列,应用中国区域各探空台站详细的元数据信息为主要断点判断依据,对1979—2012年我国125个探空台站各标准等压面月平均探空相对湿度资料进行了非均一性检验和订正。并结合详细的元数据信息分析了造成我国探空相对湿度序列非均一问题形成的主要原因及对资料的影响程度。结果表明：仪器换型、探测系统资料整理计算方式变化以及辐射订正方法改变和探测系统升级等是造成这一时段中国区域月平均探空相对湿度资料不均一的主要原因。其中,2002年以后的L波段雷达 电子探空仪换型造成了相对湿度资料非常明显的不连续问题,这主要是由于早期59 701型探空仪穿云挂水,造成探测到的相对湿度资料明显偏湿。两个观测时次相对湿度序列不均一的台站数和断点数随高度的增加而增加。各标准等压面上月平均相对湿度序列不均一的探空台站平均订正幅度也随着高度的升高而增大,并且订正量为负值的比例在整套订正资料中所占的比例较高,说明我国的探空月平均相对湿度原始观测资料有明显高估的问题。1979—2012年以来,从全国的情况来看,订正前全国850~300 hPa 5个标准等压面全部为相对湿度降低趋势。但是订正后,850~300 hPa这5个标准等压面在1979—2012年相对湿度的变化趋势均不显著。     

下投探空资料在台风莫拉克路径预报的应用试验

2009年8月7日中国大陆举行了首次利用机载下投式探空仪观测台风的试验,飞机在台风莫拉克与天鹅之间的云带相对稀薄区释放11个下投式探空仪。基于下投探空观测资料、常规探空资料和1°×1°分辨率的NCEP再分析资料,分析下投探空资料的可用性,并以下投探空资料初步分析了两台风间南海上空的风场、湿度场等大气特性;分别进行了有无以同化下投探空为初始场的GRAPES模式的模拟试验,以了解下投探空资料对台风莫拉克预报的影响作用。初步结论表明,台风天鹅与莫拉克之间的南海上空对流层中低层为深厚的西南气流,对流层低层及高层湿度小,中间层大;同化下投探空资料后,观测地区(下投探空点及其附近)800 hPa以下西南风减弱,以上加强,湿度中低层减小;有无同化下投探空资料的初值场差异随模式积分向下游传播,影响台风的环境场,改变了台风的引导气流:同化后500 hPa台风引导气流偏东、偏北分量加强,使台风的路径更接近实况路径,48 h台风路径预报误差比原来减少18%。     

锡林浩特探空站L波段雷达—电子探空仪换型前后相对湿度对比分析

文章对内蒙古锡林浩特探空站的L波段雷达—电子探空仪在换型前后相对湿度的进行了统计分析。结果表明:该站在换型后比换型前相对湿度偏小,同时存在相对湿度值小于2.5%偏多的现象,该结果是对文献研究结论进行检验。     

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

L波段与701 400M探空系统观测资料比较评估

利用四川达州站在701-400M探空系统向L波段雷达GTS1-2型电子探空仪系统转变时的对比观测资料进行了评估分析。结果表明:温度平均差值为-0.28℃,200hPa以下平均差值为-0.05℃,200hPa以上平均差值为-0.52℃,换型带来的温度变化还是明显的;直接差异的80.1%在-1.0~1.0℃间。位势高度平均差值为-7.63gpm,100hPa以下高度平均偏低-1.13gpm,100hPa以上高度平均偏低-19.57gpm,换型带来的位势高度变化还是明显的;直接差异的89.0%在-50~10gpm间。湿度平均差值为-2%,直接差异的87.2%在-20%~10%间。风向平均差值为1.0°,直接差异的80.1%在-10°~10°间。风速平均差值为0.3m/s,直接差异的95.0%在-5~5m/s间。就平均差值来看,温度、位势高度、湿度是L波段系统所测值低于701-400 M系统所测值,而风向、风速则反之。换型造成各要素差异的峰值还是较大。由于两套系统所使用的设备、探空仪的制造、测量精度、施放、接收等方面的不同,都会引起测量值出现差异,但对各要素的影响确有所不同。     

TK-2GPS人影火箭探空数据与L波段探空数据对比分析

利用TK-2GPS人影探测火箭探空数据,与L波段探空数据进行对比分析,结果表明TK-2GPS火箭探测仪能够比较好的描述温度、湿度、露点、风向、风速等气象要素的变化特征;TK-2GPS火箭探测仪温度廓线与L波段探测数据非常一致,且可以清楚的描述大气中存在的逆温特征;湿度露点等廓线存在一定的偏差,这也与两种探空资料的时间不同有关;TK-2GPS火箭探空仪数据在风速风向垂直廓线中存在突变,这可能与探测仪器稳定性及灵敏度有关。