探空温度观测与ERA-interim再分析资料的对比分析

田伟红，万晓敏，冯建碧

(1.国家气象中心，北京100081；2.中国民用航空华北地区空中交通管理局，北京100621)

1 引 言

探空资料是观测资料同化系统中重要的资料源之一。由于受仪器性能、观测环境、太阳短波辐射(白天引起正温度偏差)、长波红外辐射(夜间引起负温度偏差)、观测技术、计算方法等因素影响，实际的探空温度资料是包含随机误差和系统性偏差，探空温度在高层的观测偏差在文献[1-3]中都有描述。

在全球范围内，探空仪器多达几十种[4]。探空温度的偏差订正通常分两种，其一是在观测资料报告发布之前在台站进行的；另一种是在观测资料报告发布之后在资料处理中心进行的。无论哪一种温度偏差订正方法，都需要对温度观测有充分认识才能进行。前一种订正是探空仪器制造商和大气探测人员从仪器性能、探测原理角度分析探空温度偏差产生原因进行的[5-6]；或用多种仪器同时大量对比施放的基础上估计观测误差进行订正[7]。尽管大多探空资料发布之前都对温度观测资料进行了第一种偏差订正，因为各种仪器类型的订正方法和程度是不同的，一些仪器类型 (如Vaisala)探空温度偏差订正是充分合理的，有些类型探空仪温度偏差订正是不彻底的，系统性偏差仍然存在。对数值预报用户而言，在资料应用之前仍需要进一步订正。由于用户获取的探空资料缺少第一种探空温度偏差订正方法的必要信息(仪器性能、气球升速、云状况等)，只能进行后一种探空温度偏差订正。赵佳莹等[8]利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA-interim以及 MERRA三种再分析资料，讨论了风场的再分析资料在中国区域的适用性问题。结果表明：在中国区域的年平均场上，高空风速在我国对流层高层和中层均存在长期减弱的趋势，在我国东部和南部地区的对流层低层也存在减弱趋势，ERA-interim资料和MERRA资料适用性相对较好。唐南军等[9]利用中国91个L波段探空湿度观测数据进行分析，发现对流层中低层存在异常偏干的现象，而对流层高层及平流层存在系统性偏干。与COSMIC反演的湿度资料以及ECMWF的湿度分析资料相比，L波段探空系统的相对湿度整体偏干10%～20%。郭艳君等[10]比较中国探空观测与再分析气温的差异，利用中国118站850～300 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEP v1、NCEP v2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55 等 8 套 再 分 析月 平 均 气 温。总体上，ERA-Interim、JRA55和MERRA与其它再分析相比更相近中国均一化探空气温。为了解数值预报同化系统中使用的探空温度观测相对于ERA-Interim的偏差情况，本文利用欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)作为参照场，按仪器类型、太阳高度角分别统计夏季 (2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)探空温度观测的偏差及均方差。

本文第2节介绍资料处理及统计方法，第3节结果分析，最后进行小结。

2 资料处理及统计方法介绍

本文使用的探空资料是国家气象信息中心数据库夏季(2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)两个季节的探空观测资料，经过质量控制过程剔除错误的数据。质量控制过程包括：极值检查、要素间一致性检查、多层观测资料垂直一致性检查(温度递减率检查、逆温检查、静力学检查、风切变检查)、背景场检查。背景场选择欧洲中心的ERA-Interim再分析资料，其水平分辨率接近0.7°×0.7°、垂直方向60层。

统计之前需要把背景场从模式空间插值到观测空间。首先按照背景场水平分辨率，计算观测位置周围的四个格点，然后应用气压对数线性插值，垂直插值求出四个格点观测气压层的背景场值，再用双线性插值方法，由四个格点观测气压层的背景场值求出观测点的背景场数值。最后用观测和背景场的差，计算出两者的偏差及均方差。按照仪器类型、太阳高度角分别统计夏季(2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)探空温度观测与EC再分析场的偏差及均方差。

太阳高度角θ0的计算公式[11]为：

式中λ为地理纬度，δ为太阳赤纬(即太阳高度角相对于赤道的仰角)，h为太阳时角。

其偏差平均值及偏差标准差分别由式(2)～(3)所示：

太阳高度角共划分为10个等级，0度以下(代表夜间)，0度以上以10度为一等级。

3 统计结果分析

3.1 探空仪器种类及空间分布

以2014年6—8月为例，从国家气象信息中心资料库中检索到的探空站总数为637。表1给出了2014年6—8月使用站数大于10的探空仪器类型及其探空站数。另外还有100多个探空站没有给出探空仪器标识，其中区站号以2开头的42个，以3开头的34个，以4开头的26个，还有分别以 5、6、7、8、9 开头的各 1～2 个。这些没有给出探空仪器标识的探空站主要分布在俄罗斯、中亚、和东欧地区。有些台站(40～50台站)使用的仪器不是唯一的。

表1中仪器编码对应的仪器类型取自世界气象组织的COMMON CODE TABLE 3685[4](WMO，2010)，由于仪器编码表没有及时更新，仪器编码为31和33实际分别是我国太原长峰仪器厂和南京大桥仪器厂生产的。

由图1可见，Vaisala系列探空仪分布最广，其中Vaisala RS92/Digicora III型主要分布在加拿大、南美、澳大利亚、中东等区域；Vaisala RS92/Autosonde类型分布于欧洲、日本及澳大利亚；Vaisala RS80-57H类型分布于美国周边及南太平洋的赤道附近的一些岛国；Vaisala RS92/Digicora I，II or Marwin主要分布于非洲、南美洲。中国生产的仪器类型除支援蒙古一个测站外均分布在中国境内。美国生产的仪器类型 (Sippican MK2 GPS/STAR)主要分布在美国。俄罗斯生产的仪器类型(Meteorit MARZ2-2)分布于俄罗斯西部地区，而俄罗斯中东部地区的探空站没有给出仪器信息。德国生产的仪器类型(Graw G)分布于德国、南亚、东南亚及北美南部地区。法国生产的GEOLINK GPSonde GL98主要分布于热带地区。为了图形清楚起见，其它使用少于10个测站的仪器类型没有在本图体现。

表1 2014年6—8月使用站点较多的仪器

3.2 温度O-B偏差分析

这一节选择几种具有代表性的探空仪O-B温度偏差特征进行分析。图2a、2b显示，Vaisala RS92(80)型探空仪温度观测偏差较小，高度在20 hPa以下温度偏差在0.4℃以内，20～10 hPa基本温度偏差在0.6℃以内，冬季和夏季稍有差别。夏季在250 hPa附近有明显0.4℃负偏差，往上逐渐由负偏差转为正偏差，150～20 hPa温度偏差约0.3～0.4℃，20～10 hPa约 0.4～0.6℃。冬季在250 hPa附近也有明显0.4℃负偏差的趋势，但没有夏季明显，往上也有逐渐由负偏差转为正偏差的趋势，但比夏季变化幅度小。温度偏差的明显差别在20～10 hPa，冬季随不同太阳高度角变化较大。

由图2a可见Vaisala RS92型探空仪(80)无论冬季还是夏季，夜间温度偏差最小，尤其冬季温度偏差基本在0℃附近。随太阳高度角增大，温度偏差也逐渐增大，但是变化幅度小。总体而言，与WMO规定[12]探空温度观测、测量误差≤1.0℃，都在可接受范围之内。 图2c、2d显示Vaisala RS92(80)型探空仪温度偏差标准差夏季和冬季变化趋势相似。由于插值没有考虑地形，故低层偏差不做分析，700～250 hPa均方差在0.8℃左右，随高度升高增大，20 hPa处约为1.2℃。Vaisala RS92/Autosonde(81)、Vaisala RS80-57H(52)、Vaisala RS92/Digicora I，II or Marwin(79)三种探空仪类型的偏差变化趋势及量级和Vaisala RS92/Digicora III相似(图略)。

图 3a、3b 显 示 ，Sippican MK2 GPS/STAR(USA)类型温度偏差在200 hPa附近负偏差稍大一点，约在0.4℃以内，100 hPa以下层次基本在0℃附近，100 hPa以上基本在0.4℃以内。总体趋势以负偏差为主，温度偏差与太阳高度角有一定关系，无论冬季、夏季，太阳高度角小于零度的情况下为负偏差，随太阳高度角增大，温度负偏差数值逐渐减小。从数值和变化趋势来看Sippican MK2 GPS/STAR(USA)与Vaisala RS92/Digicora III型探空仪的变化相似。

图4 a、4b显示从垂直层次看，温度偏差底层稍微偏正，300 hPa以下偏差在0～0.2℃；200～250 hPa向负偏差变化，在-0.4～0.2℃；100 hPa往上变为正偏差，0.1～0.5℃；50 hPa以上又向负偏差变化。到10 hPa，其数值在-0.7～0.2℃之间。总体趋势以负偏差为主。夜间除700 hPa以下外，温度偏差总体偏负，随高度增加负偏差越明显；随太阳高度角增大，负偏差逐渐减弱；无论冬季还是夏季，夜间都是负偏差。当太阳高度角增大到20°时温度偏差呈弱正偏差。冬季温度偏差不明显，整层在-0.3～0.3℃之间。

图 5a、5b 显示，VIZ/Valcom type A pressure-commutated仪器类型探测温度偏差以正偏差为主。从垂直层次看，250 hPa以下其偏差在0～0.2℃；250 hPa向上偏差逐渐增大，在20 hPa接近1.5℃。不同太阳高度角温度偏差存在差别，按偏差从大到小依次排列为：太阳高度角20～30°、30～40 °、10～20 °、＜0 °、0～10 °。太阳高度角在0～10°时，150 hPa以下温度偏差几乎为0℃，150 hPa以上与其它太阳高度角相比，温度偏差最小。冬季温度偏差和夏季基本相似。

图6a、6b显示，33类型探空仪温度观测在300 hPa以上偏差较大。尤其是夏季从850 hPa平均0.5℃到100 hPa增大到0.8℃左右。100 hPa以上，不同太阳高度角温度偏差的差别很大，太阳高度角在20°以下，从100 hPa到70 hPa温度偏差从1℃下降到-1℃，其中太阳高度角＜0°、0～10°、10～20°，温度偏差分别从 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，太阳高度角20°以下温度偏差高层超过-2.5℃;太阳高度角＞20°，温度偏差仍然保持正偏差。冬季，太阳高度角＜10°，100 hPa以下温度偏差为正，100 hPa以上向负偏差方向变化，变化幅度比夏季小。

从图6c、6d偏差标准差图可看出，垂直变化趋势和其它仪器的相似，但相比Vaisala系列探空仪的偏大。

在俄罗斯只有西部部分区域的探空站给出了探空仪器信息，其标识为29。在夏季使用该仪器的测站数有11个，冬季仅5个。在夏季该仪器在300 hPa以下有较弱的正温度偏差，300 hPa以上负温度偏差非常明显(图7a)。

没有仪器标识以2和3开头区站号的温度偏差和标准差和Meteorit MARZ2-2(Russian Federation)类型仪器相似。Graw G.(Germany)类型仪器夏季和冬季温度偏差图略，200 hPa以下正偏差约0.2℃，高层达0.5℃；其温度偏差标准差和Vaisala系列的差不多。GEOLINK GPSonde GL98(France)仪器夏季和冬季温度偏差为正约为0.2～0.3℃，偏差随高度变化不大；其偏差标准差也和Vaisala系列的相当。Meisei RS-016(Japan)类型仪器存在明显负偏差，100 hPa温度偏差在0℃附近，负偏差向上增加，20 hPa达到-0.6℃左右；夏季和冬季图形相似。

4 总 结

本文以欧洲中心再分析资料为参照场，针对全球探空站按探空仪器类型和太阳高度角统计探空温度观测资料相对于欧洲中心再分析场的平均偏差和均方差。统计时段分别为夏季 (2014年6—8月)和冬季(2014年12月—2015年2月)两个季节。

大部分仪器温度观测与EC再分析场相比的偏差随着太阳高度角增大而增大，但是不同仪器表现特征不同。有些仪器温度观测偏差较小：RS92(仪器标识码为 80、81、82)、中国上海(仪器标识码为 32)、美国生产(仪器标识码为 52)、德国(17)、日本(55)、法国(77)；对RS92而言，温度偏差与太阳高度角相关性较小。仪器标识码33、31、29、27、17等及没有仪器标识码区站号以2和3开头的测站，其温度偏差随太阳高度角增大偏差增大，大部分仪器偏差特征曲线特征随冬夏变化相似。本文使用欧洲中心的再分析场对探空温度进行了评估，只使用单一资料对探空温度进行评估有一定的局限性[13]，后续工作会使用其它类的资料对探空温度做进一步的评估。而国内大气科学观测工作也有可喜的进步[14-15]。