地面觀測(cè)資料特征的初步分析

鄭陶 喬前東 王月林 陳秀成

摘要 從分析常規(guī)地面觀測(cè)資料的特點(diǎn)入手，研究我國(guó)地面觀測(cè)站的分布特點(diǎn)，分析模式地形與站點(diǎn)地形高度誤差的差異程度。結(jié)果表明，我國(guó)2 872個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)在全國(guó)范圍內(nèi)分布不均勻，大體上呈東多西少的分布；大部分觀測(cè)站點(diǎn)分布在站點(diǎn)高度低于500 m的、土地面積僅占國(guó)土面積約27.0%的地區(qū)；站點(diǎn)地形和模式地形存在高度誤差，絕大多數(shù)站點(diǎn)的模式地形高于站點(diǎn)地形，所有觀測(cè)站與模式地形的高度誤差均值為130.76 m，有的站點(diǎn)的差值達(dá)1 000 m以上；模式地形與站點(diǎn)地形的高度差異程度分布很不均勻；根據(jù)Ruggiero同化方案，對(duì)地面觀測(cè)資料進(jìn)行初步篩選，不到40.0%的觀測(cè)資料進(jìn)入模式底層，導(dǎo)致地面觀測(cè)資料利用率較低。

關(guān)鍵詞 地面觀測(cè)資料；資料同化；GRAPES三維變分

中圖分類(lèi)號(hào) S16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）34-306-02

資料同化是使描述大氣初始狀態(tài)的資料盡量精確化的一種有效方法，是數(shù)值預(yù)報(bào)研究的重要方面。發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)表明，在可能促進(jìn)預(yù)報(bào)質(zhì)量提高的諸多因子中，資料同化系統(tǒng)是數(shù)值模式是否能比較準(zhǔn)確地描述大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的更新是最能在短時(shí)期內(nèi)取得明顯效益的因子[1]。但資料同化系統(tǒng)中，現(xiàn)有的常規(guī)探空資料已經(jīng)不能滿足模式的需要，因?yàn)?00 km間距或以上探空站分布稀疏，在資料客觀分析中往往丟失掉一些很重要的中尺度特征[2]。相對(duì)于探空資料，地面觀測(cè)資料的觀測(cè)量均為模式變量，更適合高分辨率的時(shí)空模式。目前我國(guó)有約2000多個(gè)人工地面觀測(cè)站，縣級(jí)氣象臺(tái)站普遍布設(shè)了自動(dòng)氣象觀測(cè)站，且還將不斷繼續(xù)建設(shè)，而常規(guī)探空資料站約120個(gè)[2]。從資料的數(shù)量和廣度上來(lái)說(shuō)，地面觀測(cè)資料更豐富。然而，目前我國(guó)的地面觀測(cè)資料利用率卻很低，沒(méi)能有效地進(jìn)入模式。地面觀測(cè)站在很大程度上來(lái)說(shuō)只是一種觀測(cè)手段，僅僅起到觀測(cè)資料、存檔總結(jié)的作用，造成資源的極大浪費(fèi)。

地面觀測(cè)資料難以利用的原因主要有兩方面：一方面，地面觀測(cè)資料在一定程度上受到地形、地貌的影響，另一方面，站點(diǎn)地形和模式地形存在高度差異[3-4]。如何充分有效地利用地面觀測(cè)資料，從中提取有價(jià)值的模式信息，并把它們和其他資料融合為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的初始資料，改善數(shù)值模式預(yù)報(bào)水平，是一項(xiàng)很有意義的工作。筆者在此從分析常規(guī)地面觀測(cè)資料的特點(diǎn)入手，研究我國(guó)地面觀測(cè)站的分布特點(diǎn)，分析模式地形與站點(diǎn)地形高度誤差的差異程度，為進(jìn)一步研究地面觀測(cè)資料的同化分析做準(zhǔn)備。

1 設(shè)計(jì)方案

從地面觀測(cè)資料入手，根據(jù)我國(guó)2 872個(gè)地面觀測(cè)站的數(shù)據(jù)資料，繪制站點(diǎn)分布圖，分析我國(guó)地面觀測(cè)站的分布特點(diǎn)。與站點(diǎn)地形進(jìn)行高度比較的模式是GRAPES模式[5]，通過(guò)計(jì)算模式地形與站點(diǎn)地形的高度差值，繪制站點(diǎn)地形關(guān)于模式地形與站點(diǎn)地形的高度差值的折線圖，分析這種高度誤差的分布特點(diǎn)。研究不同站點(diǎn)地形高度下，模式地形與站點(diǎn)地形高度差值的誤差程度。根據(jù)Ruggiero同化分析方案[6]，對(duì)地面觀測(cè)資料進(jìn)行初步篩選，分析進(jìn)入模式底層資料的特點(diǎn)。通過(guò)以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，初步了解地面觀測(cè)資料的特點(diǎn)，以便更深入地研究地面觀測(cè)資料同化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地面觀測(cè)站點(diǎn)的分布特點(diǎn)

我國(guó)幅員遼闊，地面觀測(cè)站比較多，但觀測(cè)站與觀測(cè)站間分布很不規(guī)則（圖1）。各地區(qū)地面觀測(cè)站的分布與該地區(qū)的地形、地貌狀況有很大關(guān)聯(lián)，整體上呈東多西少的分布。絕大部分站點(diǎn)分布在我國(guó)地勢(shì)的第一階梯和第二階梯，集中在華北、華東、江南、東南、西南以及西北東部等地區(qū)，其中華北地區(qū)東部、江南地區(qū)北部、華南沿海、西南地區(qū)北部的站點(diǎn)分布最為密集。相較而言，東北、內(nèi)蒙、新疆以及青藏高原地區(qū)的站點(diǎn)分布較少，密集程度和所處地域的面積成反比。據(jù)統(tǒng)計(jì)，73.6%的地面觀測(cè)站點(diǎn)集中分布在站點(diǎn)高度低于500 m以下的中低海拔地區(qū)，且這些地區(qū)的土地面積僅占國(guó)土面積的27.0%左右。

2.2 模式地形與站點(diǎn)地形高度差值的特點(diǎn)分析

我國(guó)地形、地貌相當(dāng)復(fù)雜，模式地形與觀測(cè)站地形高度存在差異，且差異大小分布很不規(guī)則。站點(diǎn)地形與模式地形高度對(duì)比圖（圖2）顯示，大部分站點(diǎn)落在等值線左側(cè)；站點(diǎn)高度低于300 m的地區(qū)，站點(diǎn)分布密集。根據(jù)站點(diǎn)地形高度的統(tǒng)計(jì)資料可知，在所有的2 872個(gè)站點(diǎn)中，共有2 220個(gè)站點(diǎn)的模式地形高于站點(diǎn)地形，其中差值最大的站點(diǎn)模式地形為2 607.67 m、站點(diǎn)地形為901.00 m，差值高達(dá)1 706.67 m；模式地形與站點(diǎn)地形高度差值最小為0.03 m。由此可知，不存在模式地形與站點(diǎn)地形高度完全重合的站點(diǎn)。雖然0.03 m的差值相對(duì)較小，但進(jìn)入模式底層后對(duì)資料同化是否存在影響還需要進(jìn)一步研究。

對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，設(shè)站點(diǎn)地形與模式地形高度誤差為R（m），R≤0的站點(diǎn)有652個(gè)，0

從模式地形與站點(diǎn)地形的高度差異（圖3）可以更加直觀地看出，絕大多數(shù)站點(diǎn)的模式地形高度大于站點(diǎn)地形高度，且高度誤差值在0～500 m；較少的點(diǎn)落于y軸負(fù)值區(qū)和差值>500 m的區(qū)域。根據(jù)Ruggiero同化分析方案[6]，2 872個(gè)站點(diǎn)中觀測(cè)站地形高度高于模式最低層高度的站點(diǎn)有652個(gè)，將作為高空資料進(jìn)入模式；模式最低層高度與測(cè)站地形的高度差>100 m的站點(diǎn)有1 172個(gè)，將被剔除；模式最低層高度與觀測(cè)站地形高度的差值<100 m的1 048個(gè)站點(diǎn)將進(jìn)入模式最底層，地面觀測(cè)資料利用率僅為36.5%。2002年UCAR與Korea合作開(kāi)展地面觀測(cè)資料同化研究工作，發(fā)現(xiàn)Ruggiero同化分析方案雖然考慮了模式地形與觀測(cè)地形的差異，但沒(méi)有采用直接變分同化，同時(shí)將許多觀測(cè)資料剔除掉了，資料沒(méi)有充分利用，且將地面觀測(cè)資料當(dāng)作高空資料進(jìn)入模式時(shí)，會(huì)造成模式初值各個(gè)物理量之間的不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致模式初始預(yù)報(bào)時(shí)期spin-up現(xiàn)象存在的時(shí)間延長(zhǎng)。

對(duì)模式地形和站點(diǎn)地形的高度誤差進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，分析模式地形與站點(diǎn)地形高度差值關(guān)于站點(diǎn)地形高度的分布情況。由表1可知，模式與觀測(cè)站地形高度差異大小在全國(guó)的分布很不均勻，但通過(guò)統(tǒng)計(jì)還是有規(guī)律可循。一方面，在所有站點(diǎn)地形低于100 m的站點(diǎn)中，有48.0%的站點(diǎn)資料進(jìn)入模式底層；所有站點(diǎn)地形低于500 m的2 115個(gè)站點(diǎn)中，有41.3%的站點(diǎn)資料進(jìn)入模式底層；站點(diǎn)地形高于500 m的站點(diǎn)中，有30.0%的站點(diǎn)進(jìn)入模式，資料利用率不高，但卻有60.7%的資料被剔除。另一方面，在所有觀測(cè)資料進(jìn)入數(shù)值模式最底層的1 048個(gè)站點(diǎn)中，站點(diǎn)地形高度在100 m以下的站點(diǎn)數(shù)為559個(gè)，約占總數(shù)的55.3%；站點(diǎn)地形高度在500 m以下的站點(diǎn)數(shù)為874個(gè)，約占總數(shù)的84.4%；在所有被剔除的1 172個(gè)站點(diǎn)中，站點(diǎn)地形高度低于500 m的站點(diǎn)約占60.7%，所占比重超過(guò)半數(shù)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明，所有地形高度下的站點(diǎn)資料剔除率均超過(guò)50%，利用率均不高；站點(diǎn)地形低于500 m的區(qū)域，站點(diǎn)數(shù)分布集中，雖然被剔