中國地區(qū)探空漂移距離與漂移速度分析

楊榮康，李 偉，郭啟云

（中國氣象局氣象探測中心，北京，100081）

0 引言

用數(shù)值模式作有限區(qū)域天氣預(yù)報，需要給出預(yù)報變量的初始值和邊界值。它們的值給定的好壞，對模擬結(jié)果的影響很大。隨著數(shù)值預(yù)報的發(fā)展,模式的分辨率越來越高,可達十幾公里甚至幾公里。因此，能不能提高預(yù)報變量的初始值和邊界值的質(zhì)量，會直接影響到數(shù)值天氣預(yù)報的精度。在這方面，王躍山詳細闡述了構(gòu)造模式初始場時客觀分析的重要性；從物理學(xué)角度來說，如果初始值和邊界值和實際天氣形勢越接近，即初始值和邊界值對實際天氣形勢的差別越小，則模擬結(jié)果理論上會更加接近實際結(jié)果。

為了深入了解探空資料的漂移對高分辨率數(shù)值預(yù)報模式的影響程度，探索探空資料的應(yīng)用價值，李偉等根據(jù)探空氣球?qū)崪y到的斜距與經(jīng)緯度設(shè)計了探空漂移信息計算方案，并且根據(jù)中國氣象局2004年全年120個探空站的探空漂移信息，初步分析了中國地區(qū)探空漂移的各標準等壓面的年平均漂移規(guī)律、季節(jié)漂移規(guī)律，以及地域漂移規(guī)律；嵇磊等通過修改MM5模式中的客觀分析系統(tǒng)，將包含有實際探空氣球在各個氣壓層上精確的經(jīng)緯度信息的新型探空資料帶入模式初始場，針對一次層狀云降水個例進行模擬分析，得到結(jié)論：位置訂正所帶來的初始場差異在500hPa以上較明顯，對強降水天氣系統(tǒng)的反應(yīng)比較敏感；模擬結(jié)果對于雨區(qū)分布和強降水中心的位置有較大改善；位置訂正后的評分總體優(yōu)于不加探空和不加漂移的評分，隨著模式分辨率的提高，位置訂正后對小量級降水的模擬效果欠佳，但對大量級降水的模擬效果較好。

1 探空漂移計算分析

1.1 探空漂移計算原理

由于探空氣球在探測過程中的最大水平漂移距離相對于地球半徑很小，而且大氣折射誤差、電磁波傳播誤差和地球曲率誤差都很小，因此，在高空氣象探測空間定位計算中可以把地球表面（球面）看成一個平面，探空氣球相對經(jīng)緯度偏移量可用下列簡化公式計算。

水平投影距離

圖1 水平投影示意圖Fig.1 Horizontal projection map

r：雷達實測氣球的斜距；

E0：雷達實測氣球的仰角；

L：氣球的水平投影距離；

H: 氣球距測站高度；

②水平距離投影東西、南北分量

X為氣球水平投影東、西分量；

Y為氣球水平投影南、北分量；

圖2 水平距離投影東西、南北分量分解示意Fig.2 The west-east component and north-south component decomposed map

③相對經(jīng)緯度偏差的計算

R ：地球半徑，常量（6368 Km）；δ ：測站緯度 ；R’：測站在緯度δ處的地球截面半徑

相對緯度偏差:

相對經(jīng)度偏差:

根據(jù)公式（1）-（6），計算出中國120個高空站點探空漂移數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)討論探空氣球漂移的時空特征。

1.2 探空漂移距離高度變化特征

圖4為探空氣球漂移隨高度的變化情況。從圖中可以看出：探空氣球一般在500hPa開始出現(xiàn)明顯漂移（青藏高原地區(qū)測站除外），年平均漂移在6km左右；隨著高度的增加，漂移距離一般呈增大的趨勢，并且在500hPa到100hPa之間漂移現(xiàn)象十分明顯，年平均每100hPa漂移約10km，這與最大風(fēng)速中心在200hPa高度附近的結(jié)論比較吻合，可稱這一區(qū)域為“有效漂移層”；冬季（1～3月，11～12月）的“有效漂移層”會延伸到更高的高度，漂移速率也更快，而5～6月在50hPa以上卻出現(xiàn)了微弱的“回漂”的現(xiàn)象，即隨著高度的增加，漂移距離反而減小。另外，從圖中也可以得出，冬、春季的漂移距離遠大于夏、秋季的漂移距離。

圖4 探空漂移距離隨高度的變化Fig.4 The floating distance change with height

1.3 漂移速度變化特征

已知標準等壓面的平均高度，可以計算出各等壓面平均高度差，氣球每分鐘平均升速為400m/min，計算出氣球經(jīng)過各等壓面的平均時間，再根據(jù)各等壓面之間平均水平漂移距離，計算出各等壓面之間的平均漂移速度V：

公式（7）中，L代表等壓面之間平均水平漂移距離，H代表標準等壓面的平均高度。

根據(jù)長期的觀測結(jié)果，統(tǒng)計得到各標準等壓面的平均高度如表1。

利用2004年全國120個探空站的高空漂移數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（7），計算各標準等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

1.3.1 年平均漂移速度

根據(jù)公式（7），計算全年各標準等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

圖5 標準等壓面平均漂移速度分布Fig.5 Mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖5可見，整體上氣球漂移的平均速度均小于2km/min，氣球漂移速度從地面到對流層頂呈遞增趨勢，到了對流層頂漂移速度達到最大，過了對流層頂漂移速度逐漸減小，但是到了50hPa左右漂移速度又逐漸增加。

圖5 標準等壓面緯向漂移速度分布Fig.5 Mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

圖6 標準等壓面經(jīng)向漂移速度分布Fig.6 Mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

表1 各規(guī)定等壓面平均高度Table 1 The mean height of standard pressure layers

由圖5可見，對于緯向漂移，全年漂移距離不超過1.8km/min，并且整體上均為西風(fēng)，在整體趨勢上與上面氣球漂移速度分析趨勢一致；由圖6可見，對于經(jīng)向漂移，與緯向漂移相比，漂移速度小了一個數(shù)量級，在50hPa以下為北風(fēng)，在50hPa以上轉(zhuǎn)為微弱南風(fēng)，漂移速度從地面到500hPa增大，之后至250hPa逐漸減小，從250hPa到100hPa漂移速度增大，然后又逐步減小，整體上變化較緯向漂移復(fù)雜，但是最大變化幅度僅為0.1m/s。

1.3.2 月平均漂移速度

根據(jù)公式（1），計算每月各標準等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

圖7 標準等壓面每月平均漂移速度分布Fig.7 Monthly mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖7可見，整體上各月漂移速度變化趨勢基本一致，漂移速度從小到大為6月、7月、8月、9月、5月、10月、4月、11月、12月、3月、1月、2月，冬季漂移速度最大，春季與秋季次之，夏季最小，其中11月、12月、1月、2月、3月最大漂移速度出現(xiàn)在150hPa，而其它月份出現(xiàn)在250hPa，說明隨著天氣環(huán)流系統(tǒng)的變化，平均漂移速度也發(fā)生變化。此外，從上圖可見，4月30hPa以上、5月50hPa以上、6月70hPa以上出現(xiàn)小的負漂移速度，說明氣球漂移回轉(zhuǎn)，漂移距離減小，其它各層次、各月份均為正漂移速度，因此整體上漂移距離從地面到高空增大。

圖8 標準等壓面每月平均緯向漂移速度分布Fig.8 Monthly mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖8可見，緯向漂移速度整體趨勢與氣球漂移速度一致，整體上為向西的漂移，最大緯向漂移速度達到3km/min；從上圖可見，6月、7月、8月在100hPa以上出現(xiàn)負的漂移速度，也就是向東的漂移，最大可達1km/min，5月和9月在70hPa以上出現(xiàn)向東的漂移，因此在5月-9月在高空出現(xiàn)氣球回漂現(xiàn)象。

圖9 標準等壓面每月平均經(jīng)向漂移速度分布Fig.9 Monthly mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖9可見，對于經(jīng)向漂移速度，大致可以分為兩組，一組為正“U”型，開始為正，然后逐漸變?yōu)樨?，再逐漸變?yōu)檎?，包?月、3月、8月、9月、5月、7月、6月；另外一組為反“U”型，開始為負，然后逐漸變?yōu)檎?，再逐漸變?yōu)檎?，包?0月、1月、12月、11月、2月；兩組變化趨勢基本呈反相變化，向南漂移速度最大達到0.4km/min，向北漂移速度最大達到0.2km/min。

2 總結(jié)

通過以上分析，可以得到以下初步結(jié)論：

（1）隨著高度的增加，漂移距離一般呈增大的趨勢，并且在500hPa到100hPa之間漂移現(xiàn)象十分明顯，年平均每100hPa漂移約10km。

（2）冬、春季漂移大，夏、秋季漂移小的特點，并且越到盛夏，漂移越小，越到隆冬，漂移越大，隨四季變化呈現(xiàn)出“U”字型變化趨勢，但緯向的變化幅度遠大于經(jīng)向的變化幅度。

（3）整體上氣球漂移的年平均速度均小于2km/min，氣球漂移速度從地面到對流層頂呈遞增趨勢，到了對流層頂漂移速度達到最大，過了對流層頂漂移速度逐漸減小。

（4）整體上各月漂移速度變化趨勢基本一致，漂移速度從小到大為6月、7月、8月、9月、5月、10月、4月、11月、12月、3月、1月、2月。

（5）緯向漂移速度整體趨勢與氣球漂移速度一致，整體上為向西的漂移，最大緯向漂移速度達到3km/min。

（6）對于經(jīng)向漂移速度，3月-8月與其它月份變化趨勢基本呈反相變化，向南漂移速度最大達到0.4km/min，向北漂移速度最大達到0.2km/min。

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