我国飞机观测气象资料概况及质量分析

为全面了解我国飞机观测气象资料的时空分布特征和质量状况,该文介绍了AMDAR(Aircraft MeteorologicalData Relay)计划的发展及我国通过AMDAR计划实施获取的飞机观测气象资料(又称AMDAR资料)的时空分布特征,分析了起飞和降落阶段飞机观测所获廓线资料的可用性,并分别对全球AMDAR资料和我国AMDAR资料进行极值检查、空间位置检验和时间一致性检验,对我国AMDAR资料错误率的月值变化和垂直分布特征进行了分析。结果表明:我国三分之二的AMDAR资料集中在飞机的起飞和降落阶段,并主要集中在我国中东部地区;利用我国AMDAR资料制作的廓线垂直分辨率大部分高于10 hPa。我国AMDAR资料的气温错误率低于全球水平,但风速错误率高于全球水平,错误资料主要集中在近地面层。从2008年开始,我国AMDAR资料的质量状况较往年有了明显改善,风速错误率一直维持在1.3%以下,气温错误率维持在0.2%以下。总体来说,我国AMDAR资料已成为我国高空气象观测资料的重要组成部分,资料质量稳定,具有较高的应用价值。     

杭州飞机气象观测资料处理及质量分析

为了更好地将全球共享的飞机气象观测资料(AMDAR资料)应用于本地气象业务,解决由AMDAR资料时空分布不均匀带来的应用不便的问题,利用2019年4月至2020年5月杭州地区获取的AMDAR资料,在质量控制处理基础上提出一种新的提取AMDAR廓线数据的处理方法,将机场周边一定时间和空间范围内的飞机探测资料视作探空气球漂移至不同位置的观测,垂直方向采用插值算法实现廓线数据均匀分布,并利用中值滤波算法对廓线做进一步质控。最终提取的AMDAR廓线数据与杭州探空数据进行了对比误差分析。结果表明：温度、风速和风向的总体平均偏差分别为-0.83℃、0.02 m/s、0.47°,均方根误差分别为1.93℃、2.02 m/s、25.05°,AMDAR温度廓线数据整体偏小,且相对暖湿的季节比相对干冷的季节偏小更加明显,AMDAR风廓线数据无明显系统误差,数据质量较好;温度和风速对比误差在2000 m及以上高度范围随高度增加而增大,但风向的对比误差相反;环境风速越大,风速的对比误差越大,风向的对比误差却越小;AMDAR廓线数据与探空数据具有较好的一致性,但在02:00—06:00以及5000 m以上高度缺...     

AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料的对比分析

为了解飞机观测气象资料(AMDAR资料)的可用性,推进AMDAR资料在湖南气象预报业务中的应用,对2013年5月至2016年12月的AMDAR资料时空分布特征进行了分析,并参考美国国家环境预报中心(NCEP)提供的AMDAR资料质量控制方法,对AMDAR气温资料进行质量控制,并在此基础上对湖南范围内的AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料(长沙、怀化、郴州)进行了对比分析。结果表明:我国AMDAR资料主要分布在100 h Pa气压层以下,起飞和降落阶段资料约占68. 75%。AMDAR气温资料数据质量稳定,气温疑误率低于0. 13%。在对比样本上,AMDAR观测气温(t_a)与常规高空观测气温(ts)存在非常显著相关性,相关系数为0. 9966,均方根误差为1. 065℃,AMDAR观测气温平均偏低0. 13℃,差值呈准正态分布,且73. 76%的差值在-1~1℃。AMDAR观测气温与常规高空观测气温的差值分布与飞行状态和飞行高度相关,上升状态AMDAR气温偏高,下降状态AMDAR气温偏低。500 h Pa高度以下,样本飞行状态多为下降,t_a较ts平均偏低0. 25℃; 500h Pa高度以上,样本飞行状态多为上升和平飞,t_a较ts平均偏高0. 03℃。     

AMDAR观测资料分析及质量控制

随着中国气象局与民航总局AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)合作项目的开展,气象部门获得的AMDAR观测资料逐渐增加.为获取高质量的AMDAR观测资料和充分合理地使用这些观测资料,必须对AMDAR观测资料时空分布、飞行状态信息、观测资料质量等信息进行充分调研分析,并开发设计出具有实际运用价值和能力的质量控制(QC)技术,使AMDAR观测资料在数值预报业务模式系统中发挥更大作用.AMDAR QC方案在参考国际先进AMDAR QC方案的基础上,根据AMDAR资料的特点和数值天气预报模式对AMDAR资料应用的要求而设计,其目的是解决AMDAR观测资料在数值预报中应用的质量问题.文中方案采用多种质量控制技术,其中包括气候极值检查、要素间一致性检查、时间一致性检查、持续性检查、背景场一致性检查、空间一致性检查、综合决策算法、自动统计评估反馈技术,并将该方案应用于2007年6-8月的实际观测资料.试验结果表明:该方案能有效地识别观测资料中存在明显错误的资料,有效地为AMDAR资料在数值模式中的应用提供客观质量依据.     

AMDAR资料特征及质量分析

利用统计学方法,分析了AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料的时空分布特征,并将航站上的AMDAR资料与常规探空资料进行了对比。研究表明:AMDAR资料是一种高时空密度的观测资料,航站上的AMDAR资料的质量接近探空资料,但其时间密度大约是探空资料的10倍。因此,可以用来监测航站及附近地区天气系统及其演变的更细微的特征,为短时特别是临近预报提供更多的参考依据。     

面向同化的探空温度数据质控参数优化及误差特性分析

针对双权重标准差法对探空温度质量控制中阈值参数不确定的问题,提出了以正态波形指标偏度和峰度为判定依据的阈值Z参数优化算法。利用2017年福建3部探空温度资料和ERA5模式再分析温度数据,对探空温度增量数据进行不同数据集质控前后对比分析总结出：峰偏值C_KS随阈值Z的分布曲线表明阈值Z偏大则会造成质控不完全,阈值Z偏小则会造成过度质控;以峰偏值C_KS所确定的最优阈值Z双权重标准差法比固定阈值的更符合模式同化系统正态分布要求,为探空温度数据在模式同化的应用提供了更好的质控方法。在质控前后温度增量分布特征上,温度观测增量总是以某一固定增量值在整个气压高度上剔除离群值,其中57.15%的离群点主要分布在0～100 hPa范围内,42.85%的离群点均匀分布在100～1000 hPa范围内,其中0～100 hPa范围内温度增量绝对值大于10℃的异常点是由于温度传感器受太阳辐射等因素影响超出了正常探测误差范围,这些异常点可以在质控前提前剔除,进一步提升探空温度数据质量。     

面向数值同化应用的L波段秒级探空资料的质量控制方法研究

世界气象组织于2003年提出探空报文格式改革,推动探空资料从传统报文转向二进制秒级存储,这一举措促使秒级探空资料在数值预报模式中的应用成为未来的发展趋势。资料的质量控制是同化应用前极为重要的基础性工作,L波段秒级探空观测误差特点与传统常规探空显著不同,因此,本文发展了面向同化应用的L波段秒级探空资料的两步质量控制方法。第一步质控在集成常规探空质量控制方法的基础上,针对秒级探空的资料特性增加对应检查步骤,旨在尽可能剔除人为观测误差;第二步质控在同化系统中引入动态黑名单检查模块,同时借助同化系统自带的背景场检查来剔除观测和背景间偏离较大的资料,目的在于控制观测的代表性偏差。本文通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,并结合数值模式的实际同化分析结果,综合论证了两步质量控制方案的合理性：两步质控后资料异常大幅减少,观测背景差更接近高斯分布,资料的同化适用性更强,同化应用效果更优。本文的研究工作为今后L波段秒级探空资料在GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式中的实现业务应用奠定了基础。     

AMDAR温度观测的误差统计特征分析

观测资料的误差结构特征是影响资料同化效果的重要因素之一,在GRAPES资料同化系统中使用的观测资料误差结构特征是借鉴国外的同化系统或参考文献,没有直接使用实际观测资料统计。因为同化系统的差异和观测系统的不断改进,观测资料误差结构特征也应随着改变。现在同化系统中的观测误差结构特征不能满足同化系统的精细化要求,比如飞机的观测误差特征没有按飞机标识、纬度带和飞行状态进行区分。为了提高AMDAR资料的应用效果,本文对AMDAR资料的误差特征进行统计分析。通过对比AMDAR资料和NECP再分析资料,分别对全球不同纬度带、不同飞行状态和不同飞行标识两者的温度差异进行统计。本文使用的AMDAR资料是从国家信息中心实时库获取的,资料时段为2013年5—7月。统计结果显示在北半球中纬度(20°~50°N)AMDAR资料最密集的区域,AMDAR资料的温度偏差最大,约-2~-1℃,标准差约1.2~1.6℃。温度的标准差在不同飞行状态随纬度而异,赤道地区(20°S~20°N)平飞状态最小,约0.8℃,北半球高纬度(50°~90°N)平飞状态最大,约1.5~2℃。通过分析AMDAR资料的误差特征,可以更有针对性地做好AMDAR资料质量控制及偏差订正,改进同化预报效果。     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

AMDAR温度资料的偏差订正及对GRAPES系统的影响

通过对AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)温度资料进行了偏差订正来改善数值预报同化预报效果。方法是以NECP(National Centers for Environmental Prediction)的GFS(Global Forecast System)的6 h预报场作为参考场来统计AM DAR观测温度减去参考场的偏差,根据飞机上升率和下降率,应用最小二乘法拟合温度资料偏差的线性回归方程,然后用回归方程结合探空资料对温度观测进行偏差订正。AMDAR资料来源是国家气象信息中心数据库,偏差统计时间为冬季(2014年12月到2015年1—2月)和夏季(2014年6—8月)。另外,应用GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统对订正后的AM DAR温度资料进行了1个月(2013年12月)的同化预报影响试验,结果表明,同NCEP的FNL(Final Operational Global Analysis data)资料相比,加入订正后的AMDAR温度资料可以减小高度分析场的偏差和均方根误差,尤其在平飞阶段(300~150 hPa),其偏差、均方根误差减小了2 gpm,对温度分析场的影响也有正效果,偏差和均方根误差最多减小0.15℃。高度场和温度场的预报距平相关系数在250 hPa以上也比温度资料订正前有所提高,温度场的预报时效提高了0.5天。     

中国地面月气候资料质量控制方法的研究

由于气象台站信息变化以及观测规范的频繁变动, 使中国地面气象资料序列比较复杂。该文在分析中国地面历史气象资料中可能存在的非均一性和错误性、研究月气候资料序列存在的可能分布状态的基础上, 提出了中国地面月气候资料质量控制技术。通过分析认为, 中国地面月气候资料的质量控制, 应把下列3种方式结合起来, 进行综合质量检测:①把12个月的气候资料序列联合起来, 进行长时间连续性错误资料检测; ②把时间序列变换为接近正态分布的均一序列后, 进行时间域和空间域的奇异值检测; ③对检测出的连续性可疑资料和单个数据点的奇异值进行人工分析辨别。利用上述质量控制方法, 对1971—2000年中国地面700多基准基本站月统计气候资料进行了质量检查, 最后介绍了质量检查结果。     

单多普勒雷达反演风场的质量控制

利用扩展VAP方法,通过极值订正,时间和空间连续性订正等方法,对反演后的风场进行质量控制,并与双多普勒雷达风场反演结果进行了对比.结果表明,经过订正的反演风场中大部分有明显误差的点得到了修正,而且订正后的风场更合理,与双多普勒雷达风场反演结果更一致,提高了反演风场的质量.     

北京自动气象站实时数据质量控制应用

自动气象站(AWS)观测资料是中尺度、短时效天气预报不可缺少的重要资料源之一.但由于AWS观测资料的特殊性,其质量问题不同程度地阻碍了它的使用.因此,AWS观测资料的质量控制越显重要.北京市气象局设计的自动气象站观测数据质量控制的方案主要是物理极值检查、历史极值检查、内部一致性检查、时间一致性检查、空间一致性检查等方法并把它应用于北京地区2007年奥运气象服务演练,取得了令人鼓舞的效果.结果表明:该质量控制方案的建立,能够实时反映北京市气象局自动站观测数据的可靠性,同时也反映出数据的缺测和及时性也存在一些问题.此系统的运行对2008年奥运气象服务,特别是对INFO2008和城市运行实时数据服务的可靠性将会发挥重要作用.     

船舶海平面气压观测资料质量控制

随着数值预报模式不断发展,各类观测资料在数值模式中发挥着越来越重要的作用,船舶观测资料是海上3类观测系统 (卫星、飞机、船舶) 资料之一。为了保障船舶观测资料质量并有效地应用于数值模式,该文依据船舶观测资料的时空分布特征,以及2011年1月和7月T639分析场与观测资料对比分析结果,建立了一套船舶海平面气压资料质量控制方案,包括要素极值范围检查、缺测和冗余资料剔除、背景场一致性检查、测站黑名单建立等,并将该方案应用于2011年2月、6月、8月的观测资料。结果表明:船舶观测资料在时间上不连续且空间分布不均匀,会影响时间一致性检查和空间一致性检查质量控制效果;船舶海平面气压观测资料在所有观测要素中资料量最大,但其缺测和冗余资料量约占50%;黑名单资料的质量控制方案能够有效识别和剔除黑名单资料,且有利于对各测站的检查与维修工作;由于五大湖和大奴湖地区地形高度的影响,在背景场一致性检查过程中需对这些区域的背景场资料进行订正。     

综合一致性质量控制方法及其在气温中的应用

由于历史逐日气温资料在气候分析、气候变化研究中的基础性作用,其数据质量状况日益受到关注。利用邻近参考站日平均气温、最高气温和最低气温资料及线性回归模型,设计了基于线性回归数据估计方法的质量检查算法,该算法同时包含了时间一致性和空间一致性两种检查方法。通过数据植入误差检测以及与单一空间回归检查方法的比较,该算法的错误数据检测性能较高,可检测出与正确日气温数据相差3℃左右的可疑值。在该算法的基础上,研制了综合一致性数据质量控制方法,该方法具有以下特点:第一类错误发生率较低;保持了时间、内部和空间一致性的逻辑关系;参考了天气因素。因此,与一般的数据质量控制方法相比,综合一致性数据质量控制方法具有较高的错误数据检测性能。经过在华中区域湖北、湖南和河南三省251个站1961—2009年逐日气温资料的应用,取得了较好效果。各要素奇异值检出率平均气温为0.001%,最高气温为0.05%,最低气温为0.04%。     

AMDAR资料在机场天气预报中的应用

介绍了我国航空器空中报告（AMDAR）的下传及应用情况，包括AMDAR的数据特点、资料的实时分析及应用。重点介绍了AMDAR资料在机场临近预报中的应用，包括在风场分析、颠簸的诊断及警报以及在天气分析中的应用。     

中国地基GNSS/MET水汽产品质量控制及与再分析产品的对比评估

本文研究并提出中国地基全球导航卫星系统（GNSS）水汽产品的综合质量控制（CQC）算法。CQC算法由质量检查和综合决策两个环节组成。质量检查环节主要对待检观测数据与其参考数据的差异进行分析,包括界限值检查、考察时间一致性的临近点检查和低通滤波检查,考察空间一致性的邻近站检查、距平值检查和峰谷值检查,以及基于背景场的粗大误差检查等7个模块。每个检查标记出超过阈值的观测数据,随后利用综合决策算法对数据的标记情况进行综合评分,最终给出数据的质量控制码。基于质量控制后的数据,评估了中国第一代全球大气再分析产品（CRA）、ERA-Interim和ERA5等五套再分析数据在中国地区的水汽模拟效果。结果表明几套再分析资料模拟的大气可降水量（PWV）在冬季整体略高于观测,夏季则明显低于观测。在空间上,中国南方地区和西部地区模拟的PWV低于观测,这种情况在夏半年更加明显。相对于观测,CRA的平均偏差（O?B）为0.633 mm,均方根误差为3.650 mm。CRA相对于观测的误差略高于ERA5,但略低于ERA-Interim,明显优于JRA55和NCEP2结果。     

全球地面天气报历史资料质量检查与分析

全球地面天气报资料是气象资料中数据量最大、使用频率最高的资料之一。国内作为气候资料接收和保存的全球地面天气报资料中包含45个气象要素, 每日4次定时观测资料。利用2005年用于全球地面天气报资料接收、处理实时业务中的质量控制方法, 对保存于国家气象信息中心气象资料室的全球地面天气报历史资料数据集进行了全面的质量检查, 对原数据集中因解码而引起的比较明显的批量错误资料进行了修改, 生成具有质量控制码的二版全球地面天气报历史资料数据集。同时还系统介绍了1980年1月—2003年12月全球地面天气报历史资料数据集质量检查结果, 分析了资料的质量情况。