探空溫度偏差訂正技術(shù)調(diào)研報(bào)告

李慶雷 陳哲 廖捷 周自江

（國(guó)家氣象信息中心，北京 100081）

0 引言

常規(guī)探空可以給出觀測(cè)站點(diǎn)上空一定范圍內(nèi)、垂直大氣不同高度、多個(gè)氣象要素的精準(zhǔn)描述，能夠有效反映大氣物理要素的垂直變化結(jié)構(gòu)，在數(shù)值預(yù)報(bào)、資料同化、天氣分析、氣候變化、衛(wèi)星資料校準(zhǔn)等研究方面發(fā)揮重要作用。與衛(wèi)星資料相比，探空資料的垂直分辨率更高且歷史時(shí)間序列更長(zhǎng)，一直作為數(shù)值模式、天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。探空溫度作為最常用的氣象要素之一，其重要性不言而喻。數(shù)值模式的發(fā)展及氣候變化研究的深入更是對(duì)探空溫度精準(zhǔn)性提出了越來越高的要求。然而，探空溫度的精準(zhǔn)性不僅一直受到太陽輻射的影響，而且持續(xù)受到不同廠家生產(chǎn)的探空儀溫度傳感器換型升級(jí)和太陽輻射誤差訂正算法逐漸改善的影響。這些因素會(huì)導(dǎo)致同一規(guī)定等壓面層溫度的長(zhǎng)時(shí)間序列存在明顯不均一現(xiàn)象。這種現(xiàn)象具體表現(xiàn)為，在儀器換型或算法改進(jìn)前后，探空溫度的均值或方差出現(xiàn)顯著的跳變，給數(shù)值預(yù)報(bào)資料同化、氣候變化等研究帶來極大的不確定性。因此，近年來國(guó)內(nèi)外許多氣象科研業(yè)務(wù)單位都針對(duì)此問題開展了一系列深入的技術(shù)研究。

本文旨在介紹國(guó)內(nèi)外主要探空溫度偏差訂正技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)比分析了國(guó)外不同業(yè)務(wù)科研單位的技術(shù)方法，同時(shí)探討了中國(guó)探空溫度偏差訂正技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來研究計(jì)劃。本文第1部分介紹影響探空溫度偏差大小的兩個(gè)主要因素：太陽輻射誤差和觀測(cè)系統(tǒng)改變。國(guó)際目前探空溫度偏差技術(shù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)將在第2部分中給出。在第3部分中，介紹了國(guó)家氣象信息中心在探空溫度偏差訂正方面的工作進(jìn)展。第4部分對(duì)全文進(jìn)行概述總結(jié)并對(duì)將來的工作進(jìn)行展望。

1 影響探空溫度偏差大小的主要因素

探空溫度時(shí)間序列的研究結(jié)果表明，影響溫度偏差大小的主要因素包括兩方面。一方面是自然因素，太陽輻射對(duì)于任何類型的探空儀器都具有明顯的影響，其影響程度的大小不僅與探空儀所處觀測(cè)點(diǎn)的太陽高度角有關(guān)，而且與不同探空儀器溫度傳感器響應(yīng)性能有關(guān)。同時(shí)，太陽輻射誤差的大小不僅與太陽輻射加熱量有關(guān)，還取決于觀測(cè)時(shí)的風(fēng)速及云量等因素，如風(fēng)速越大，帶走的熱量越多，可降低太陽輻射的加熱作用[1]。另一方面是歷史人為因素，不同廠家的探空儀溫度傳感器換型升級(jí)以及相應(yīng)的太陽輻射誤差訂正算法改進(jìn)，亦將顯著影響探空溫度偏差大小[2-7]。可以說，以上兩個(gè)因素是耦合在一起共同影響探空溫度偏差大小，使開展探空溫度偏差訂正工作變得非常復(fù)雜。具體來說，自然因素的影響是持續(xù)存在的，不同類型探空儀受太陽輻射影響的程度不同；而人為因素的影響盡管看起來是間斷性的——某一歷史時(shí)刻即完成換型或算法升級(jí)，但是它將通過自然因素的影響持續(xù)作用到整個(gè)探空溫度時(shí)間序列——該間斷點(diǎn)前后受太陽輻射影響程度顯著變化。因此，本文首先對(duì)這兩種因素及其影響進(jìn)行介紹。

1.1 太陽輻射誤差

所謂探空溫度太陽輻射誤差，是指?jìng)鞲衅髟诟呖諝庀筇綔y(cè)時(shí)，通過吸收太陽輻射造成的溫升將疊加在傳感器所測(cè)真實(shí)大氣溫度上，太陽輻射使溫度升高產(chǎn)生的測(cè)量誤差。研究表明，若沒有進(jìn)行有效的輻射誤差訂正，白天與夜間的100 hPa高度處的兩條探空溫度時(shí)間序列將存在非常明顯的差異[8]。太陽輻射誤差大小的決定因素主要是太陽高度角，而太陽高度角大小由太陽和地球上觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置決定：觀測(cè)地點(diǎn)的經(jīng)緯度、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)的海拔高度等等。此外，觀測(cè)點(diǎn)不同溫度傳感器的響應(yīng)性能、高空風(fēng)速大小、云量多少等變化因素[9]，都將會(huì)對(duì)太陽輻射誤差大小產(chǎn)生影響。

因此，太陽輻射對(duì)探空溫度的影響是全方位的，這不僅表現(xiàn)在，對(duì)同一類型探空儀器而言，其垂直上升高度和觀測(cè)站點(diǎn)分布引起的太陽輻射偏差大小差異，而且表現(xiàn)在，針對(duì)不同國(guó)家的不同類型探空儀，其溫度傳感器受太陽輻射影響程度亦顯著不同。例如，下圖1所示，歐洲中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）對(duì)2015—2016年期間分布于北半球20°—50°N的主要探空儀器類型進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，在不同標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度（hPa）的探空溫度觀測(cè)值與模式背景場(chǎng)之差（O-B）?？梢苑浅Ｃ黠@地看出，不同類型的探空儀器表現(xiàn)出不同的溫度偏差，而且對(duì)于同一類型的探空儀器，其溫度偏差的大小在不同的探空高度處亦顯著不同。

圖1 2015—2016年期間，針對(duì)分布于北半球20°—50°N的主要探空儀器類型，ECMWF統(tǒng)計(jì)的不同標(biāo)準(zhǔn)等壓面高度（hPa）的探空溫度O-B，其中虛線代表平均值，實(shí)線代表方差。圖中的彩色標(biāo)注代表不同的儀器類型，其中數(shù)字代表統(tǒng)計(jì)的探空?qǐng)?bào)數(shù)目（單位：百條）[10]Fig. 1 In 2015-2016, the sounding temperature O-B of different standard isobaric surface heights (hPa) calculated by ECMWF, for the main types of sounding instruments distributed in the Northern Hemisphere 20°—50°N.The dotted line represents the average value and the solid line represents the variance. The color mark in the figure represents different instrument types, and the number represents the number of statistical sounding reports (unit: 100)[10]

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)改變

本文涉及觀測(cè)系統(tǒng)改變，主要包括：一方面不同廠家生產(chǎn)的探空觀測(cè)儀器溫度傳感器不斷換型升級(jí)[10]，另一方面，即使是探空觀測(cè)儀器的類型沒有發(fā)生變化，其涉及的太陽輻射誤差訂正算法也會(huì)逐漸改進(jìn)完善。當(dāng)然，這種觀測(cè)系統(tǒng)變化亦有一些其他表現(xiàn)，例如，由于探空臺(tái)站遷移，由原來靠近城市遷至遠(yuǎn)離城市，亦會(huì)造成近地面的探空溫度的觀測(cè)偏差。但有研究結(jié)果表明，相對(duì)而言其影響幅度較前面兩者顯著偏小。

如下圖2顯示在1958—2009年期間[11]，位于英國(guó)的探空站點(diǎn)Camborne（Cornwal，UK）所使用4種不同的探空儀器類型隨時(shí)間變化，及不同探空儀器在200 hPa（圖2a）和700 hPa（圖2b）處的月平均溫度異常。其中，圖2c表示這段時(shí)間內(nèi)探空儀器換型情況，從左往右依次是：Phillips Mark IIb（1950—1970年）；Phillips MK3 （20世紀(jì)70—90年代）；Vaisala RS-80（20世紀(jì)90年代至2005—2006年）；VaisalaRS-92（2005—2006年）?？梢詫?duì)比看出，原始觀測(cè)（圖中黑線）與經(jīng)Hadley Centre（HadAT）訂正后數(shù)據(jù)（綠線）在不同的時(shí)間段的差異非常明顯。尤其是在Phillips MK3型號(hào)向Vaisala RS-80型號(hào)探空儀器換型的20世紀(jì)90年代以后，訂正前后的數(shù)據(jù)顯著不同。

圖2 1958—2009年，探空站點(diǎn)Camborn（Cornwall，UK）所使用4種不同的探空儀器類型隨時(shí)間變化，及其在200 hPa（a）和700 hPa（b）處的月平均溫度異常，其中黑線代表原始數(shù)據(jù)，而綠線代表經(jīng)Hadley Centre（HadAT）訂正后數(shù)據(jù)。（c）這段時(shí)間內(nèi)用到的探空儀器，從左往右依次是：Phillips Mark IIb（1950—1970年）；Phillips MK3（20世紀(jì)70—90年代）；Vaisala RS-80（20世紀(jì)90年代至2005—2006年）；VaisalaRS-92（2005—2006年）（圖中的十字代表輻射誤差訂正方法改變，星號(hào)代表數(shù)據(jù)截?cái)辔粩?shù)改變，菱形代表氣壓傳感器改變，三角代表測(cè)風(fēng)儀器的改變，方框代表相對(duì)濕度傳感器的改變）[11]Fig. 2 During 1958-2009, four different types of radiosonde instruments used in Camborn (Cornwall, UK)changed with time, and their monthly average temperature anomalies at 200 hPa (a) and 700 hPa (b), where the black line represents the original data, while the green line represents the data revised by Hadley centre (HadAT).(c) the sounding instruments used in this period, from left to right: Phillips mark IIB (1950-1970); Phillips MK3(1970s-1990s); Vaisala RS-80 (1990s to 2005-2006);Vaisala RS-92 (2005-2006). In addition, the cross in the figure represents the change of radiation error correction method, the asterisk represents the change of data truncation digit, the diamond represents the change of air pressure sensor, the triangle represents the change of wind measuring instrument, and the box represents the change of relative humidity sensor[11]

2 國(guó)際探空溫度偏差訂正技術(shù)經(jīng)驗(yàn)

國(guó)際上已有探空溫度偏差訂正工作主要分成兩方面的內(nèi)容：一是面向歷史探空資料的溫度偏差訂正，其主要是針對(duì)氣候變化分析，尤其是對(duì)流層上層及平流層溫度趨勢(shì)變化規(guī)律研究[12-15]。例如，由于探空儀器改變或輻射誤差訂正方法改變等原因，造成探空溫度長(zhǎng)時(shí)間序列在上述改變（斷點(diǎn)）前后的均值和方差存在明顯的跳變（資料不均一或不連續(xù)），以中國(guó)探空為例，上述不均一現(xiàn)象在探空溫度序列中的2000年后以及2010年前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)尤其明顯。前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)主要是由于觀測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)一升級(jí)，其中包括太陽輻射誤差訂正方法改變等一系列訂正參數(shù)的調(diào)整，而后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)則是由于59-701探空系統(tǒng)升級(jí)成為L(zhǎng)波段探空系統(tǒng)。

二是面向?qū)崟r(shí)探空觀測(cè)的溫度偏差訂正[16]，其主要是針對(duì)天氣預(yù)報(bào)模式應(yīng)用，在數(shù)值模式資料同化應(yīng)用過程中，必須對(duì)太陽輻射引起的探空溫度系統(tǒng)偏差進(jìn)行有效訂正。ECMWF在歷代再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品制造過程中，都是在上述兩個(gè)方向“面向歷史資料再分析”和“面向?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”上，對(duì)彼此相對(duì)獨(dú)立的兩套探空溫度偏差訂正方案進(jìn)行不斷優(yōu)化完善[17-18]。因此，接下來將從上述兩個(gè)方面對(duì)國(guó)際目前探空溫度偏差技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)闡述，具體可參見表1。

表1 國(guó)際主要?dú)庀髷?shù)據(jù)產(chǎn)品中所應(yīng)用到的探空溫度偏差訂正方案（對(duì)歷史和實(shí)時(shí)資料分別進(jìn)行）Table 1 Correction scheme of radiosonde temperature deviation applied in major international meteorological data products (respectively for historical and real-time data)

2.1 歷史探空溫度偏差訂正方法

最初發(fā)展的訂正方案主要是針對(duì)太陽輻射誤差的訂正，如美國(guó)原環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）在其再分析資料的制作過程中，采用了該方案[20-21]。該方案首先對(duì)國(guó)際上不同的探空儀器類型進(jìn)行分類[18]，統(tǒng)計(jì)其在不同太陽高度角條件下的太陽輻射誤差訂正量，針對(duì)每一種類型的探空儀器，需要提前做好一個(gè)訂正量的統(tǒng)計(jì)表。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過其探空綜合質(zhì)量控制系統(tǒng)中（Radiosonde Complex Quality Control）采用太陽輻射誤差訂正模塊（RADCOR）對(duì)訂正量表進(jìn)行讀取，找到相匹配太陽高度角對(duì)應(yīng)的偏差訂正量，對(duì)實(shí)際探空廓線進(jìn)行訂正[22]。在ECMWF的ERA-40再分析產(chǎn)品制作過程中[8,18,23]，其探空溫度太陽輻射誤差訂正在采用如上類似RADCOR訂正模塊（簡(jiǎn)稱SE）的同時(shí)，也會(huì)綜合考慮訂正前后的溫度數(shù)據(jù)與模式預(yù)報(bào)場(chǎng)的差異（OBS-FG）大小（依據(jù)OBS-FG訂正的方法），例如，若經(jīng)過太陽輻射誤差訂正模塊后，OBS-FG變大則需要將該模塊關(guān)閉。綜上可以看出，較NCEP而言，EC所用的訂正方案更為細(xì)致復(fù)雜，需要對(duì)比疊加訂正效果，從而確定最終選取哪一種訂正方案。

而ECMWF在后面幾代再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作過程中，如ERA-Interim[24]，使用了一種面向歷史探空溫度訂正的新方案。維也納大學(xué)的Haimberger等[13]以ERA-40再分析資料為參考序列統(tǒng)計(jì)斷點(diǎn)和訂正量，研發(fā)了全球1184個(gè)探空站點(diǎn)的規(guī)定等壓面溫度偏差訂正量數(shù)據(jù)集RAOBCORE。通過與衛(wèi)星資料得到的大氣溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)利用訂正后的探空溫度所得結(jié)果與前者更吻合[25]；目前國(guó)際上多套再分析資料，如美國(guó)的MERRA[26]，日本的JRA-55[27]，ECMWF的ERA-Interim[17,24]，均采用了RAOBCORE數(shù)據(jù)集的探空溫度訂正量，訂正效果如下圖3所示。

由圖3可以明顯看出，經(jīng)過RAOBCORE或RASE（RAOBCORE疊加太陽輻射誤差）訂正后，所得到全球探空高層的溫度差值（12UTC—00UTC）的空間一致性更好，其訂正效果顯著。更進(jìn)一步，Haimberger等[14]結(jié)合臨近站資料計(jì)算訂正量，以便獨(dú)立于參與同化的衛(wèi)星資料，研發(fā)RICH數(shù)據(jù)集。RICH包括兩個(gè)版本，分別為 RICH-obs和RICH-τ， RICHobs和RICH-τ均是基于RAOBCORE數(shù)據(jù)中的斷點(diǎn)，并借助臨近站資料作為參考研制而成。不同之處在于，前者直接以臨近站觀測(cè)資料作為參考序列進(jìn)行目標(biāo)站溫度的訂正；而后者則基于臨近站與背景場(chǎng)偏差構(gòu)建參考序列，對(duì)目標(biāo)站和背景場(chǎng)偏差訂正后返回目標(biāo)站，該方法部分保留了背景場(chǎng)對(duì)訂正值的影響，同時(shí)可以降低插值誤差。ECMWF的第4代再分析產(chǎn)品ERA5[19]，就是應(yīng)用RICH數(shù)據(jù)集對(duì)歷史探空溫度進(jìn)行訂正。

圖3 1989年1月1日—1990年12月31日的50 hPa高度處，全球探空溫度差值（12時(shí)—次日00時(shí)）的空間分布：（a）訂正前，（b）應(yīng)用RAOBCORE訂正后，（3）應(yīng)用RASE（RAOBCORE疊加太陽輻射誤差）訂正后[17]Fig. 3 The spatial distribution of the difference of global sounding temperature (12 UTC-00 UTC) at the altitude of 50 hpa from January 1, 1989 to December 31, 1990:(a) before the correction, (b) after the application of RAOBCORE correction, (3) after the application of RASE(RAOBCORE superimposed solar radiation error) [17]

2.2 實(shí)時(shí)探空溫度訂正方法

實(shí)時(shí)探空溫度訂正主要是針對(duì)太陽輻射誤差，其訂正量的計(jì)算統(tǒng)計(jì)方法主要分成兩種，一種是延續(xù)傳統(tǒng)的類似在2.1中介紹的RADCOR模塊，在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)分類統(tǒng)計(jì)訂正量，該訂正量是探空儀器類型、觀測(cè)時(shí)段、太陽高度角和位勢(shì)高度等變量的函數(shù)，此處不贅述。

隨著數(shù)值模式資料同化技術(shù)的不斷發(fā)展，ECMWF在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中發(fā)展了另一種更為先進(jìn)的訂正方法：所有的探空觀測(cè)溫度OBS都與相應(yīng)的實(shí)時(shí)模式背景預(yù)報(bào)場(chǎng)FG（如6—12 h預(yù)報(bào)結(jié)果）進(jìn)行比較，得到兩者的差值OBS-FG。然后，為了得到訂正量數(shù)值大小，分不同的探空儀器類型、不同的太陽高度角、不同的位勢(shì)高度對(duì)上述（OBS-FG）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到最近12個(gè)月的觀測(cè)值減去模式的短期預(yù)報(bào)值的差值（OBS-FG）組建的數(shù)據(jù)庫（訂正量表）；在實(shí)時(shí)訂正時(shí)，需要調(diào)取該表中相應(yīng)的訂正量對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中這個(gè)訂正量表按月份統(tǒng)計(jì)，并不斷逐月更新，或者根據(jù)實(shí)際時(shí)間需要間歇性更新[21]（本報(bào)告中該方法簡(jiǎn)稱，滾動(dòng)循環(huán)訂正）。在ECMWF的ERA-interim和ERA5數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，均采用了該方案對(duì)實(shí)時(shí)探空溫度偏差進(jìn)行有效訂正。

3 信息中心探空溫度訂正工作現(xiàn)狀

近年來，國(guó)家氣象信息中心依托國(guó)家氣象科技創(chuàng)新工程“氣象資料質(zhì)量控制及多源數(shù)據(jù)融合與再分析”，自主研發(fā)了中國(guó)日定時(shí)探空規(guī)定等壓面溫度訂正技術(shù)方案[28]和基于歷史規(guī)定等壓面訂正量的特性層溫度訂正技術(shù)[29]，并成功應(yīng)用于中國(guó)第一代全球大氣再分析產(chǎn)品（CRA-40）研制中[30]，取得較好應(yīng)用效果。

3.1 自主研發(fā)的中國(guó)歷史規(guī)定等壓面探空溫度訂正技術(shù)

國(guó)家氣象信息中心陳哲等人用加拿大王曉蘭的PMTred斷點(diǎn)檢驗(yàn)方法[31]，結(jié)合較詳細(xì)的元數(shù)據(jù)信息，采用QM方法計(jì)算訂正量[32]，對(duì)中國(guó)120個(gè)探空站的日定時(shí)探空規(guī)定等壓面溫度進(jìn)行了詳細(xì)的訂正，形成“中國(guó)高空規(guī)定等壓面日定時(shí)溫度訂正數(shù)據(jù)集”。其具體訂正流程如下圖4所示。

圖4 國(guó)家氣象信息中心（NMIC）自主研發(fā)的中國(guó)探空日定時(shí)探空溫度訂正流程圖Fig. 4 The flow chart of China’s radiosonde daily temperature bias correction independently developed by the National Meteorological Information Center (NMIC)

在上述流程中，首先進(jìn)行參考序列的選?。阂訣RA-Interim的12小時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)資料作為參考序列。同時(shí)考慮采用ERA-20C資料作為輔助參考序列來幫助判斷斷點(diǎn)。其次，是斷點(diǎn)檢驗(yàn)方法：主要采用加拿大Wang等[31]的PMTred斷點(diǎn)檢驗(yàn)方法作為日定時(shí)值斷點(diǎn)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[31,33]。同時(shí)在檢驗(yàn)過程中借鑒Haimberger[13]的做法，訂正前后兩個(gè)時(shí)次的差值序列（12—00 UTC）不應(yīng)出現(xiàn)明顯的資料不連續(xù)問題，因此增加晝夜差值序列的檢驗(yàn)[34]。第三，在斷點(diǎn)的判定時(shí)，主要采用統(tǒng)計(jì)顯著和斷點(diǎn)元數(shù)據(jù)核查相結(jié)合的方式，當(dāng)斷點(diǎn)超過95%的顯著性且有元數(shù)據(jù)支持時(shí)保留該斷點(diǎn)。最后，訂正量的計(jì)算：使用ERA-interim背景場(chǎng)資料計(jì)算訂正量。主要采用QM方法[32]計(jì)算訂正量，使得訂正量在4個(gè)季節(jié)上的差異與原始觀測(cè)序列一致。并對(duì)訂正后的（12—00 UTC）資料再進(jìn)行均一性檢查，對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和進(jìn)一步調(diào)整。

3.2 特性層溫度訂正

不管是前文提及的國(guó)外RAOBCORE和RICH數(shù)據(jù)集，還是中國(guó)日定時(shí)溫度訂正數(shù)據(jù)，都針對(duì)探空規(guī)定等壓面層的溫度長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行訂正，而由于每次探空觀測(cè)的特性層高度不固定，因此很難利用上述訂正方法進(jìn)行系統(tǒng)訂正，其訂正效果也很難通過傳統(tǒng)的固定等壓面溫度變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。而探空特性層作為描述探空氣象要素垂直變化的顯著拐點(diǎn)層，一次探空觀測(cè)廓線上的特性層數(shù)目通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于規(guī)定等壓面層[35]。在探空資料的研究應(yīng)用中特性層一直發(fā)揮重要作用。因此，有必要基于已有訂正量，發(fā)展面向特性層探空溫度的偏差訂正技術(shù)。圖5給出了在面向中國(guó)第一代全球大氣再分析（CRA-40）資料準(zhǔn)備工作中探空溫度偏差訂正的技術(shù)流程。

在圖5所示的訂正流程中，借助探空溫度訂正“RAOBCORE-1.4數(shù)據(jù)集”和“中國(guó)高空規(guī)定等壓面日定時(shí)溫度訂正數(shù)據(jù)集”的訂正量，對(duì)解碼后的探空溫度整合數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。在這個(gè)過程中，需要將規(guī)定層的訂正量插值計(jì)算到特性層[18]，從而將訂正量應(yīng)用到整條溫度廓線。經(jīng)訂正后的數(shù)據(jù)需要重新進(jìn)行編碼，并利用資料預(yù)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)訂正結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，以保證整個(gè)訂正流程科學(xué)合理。

圖5 基于已有規(guī)定層探空溫度訂正量的特性層溫度偏差訂正流程圖Fig. 5 Flow chart of significant layer temperature bias correction based on existing standard layer radiosonde temperature bias

3.3 CRA-40 中的探空溫度偏差訂正效果

對(duì)于中國(guó)區(qū)域探空站點(diǎn)而言，基于上述NMIC自主研發(fā)方法的訂正效果與國(guó)外水平相當(dāng)、訂正站點(diǎn)較RAOBCORE多、元數(shù)據(jù)信息更豐富等原因，國(guó)內(nèi)訂正采用NMIC自主研發(fā)的訂正結(jié)果。而對(duì)于國(guó)外探空站點(diǎn)的訂正，主要借鑒目前國(guó)際上已經(jīng)發(fā)布的多個(gè)再分析數(shù)集的做法——如MERRA、JRA55、ERAInterim 均采用了RAOBCORE數(shù)據(jù)集的訂正結(jié)果，最終訂正效果如圖6所示。

全球探空溫度的偏差訂正效果在溫度偏差分布的空間一致性上能清楚表現(xiàn)出來。這種改善效果，在探空高層體現(xiàn)的尤其明顯，如圖6中，給出100～200 hPa厚度層探空溫度相對(duì)于ERA-Interim再分析的Bias的空間分布。由圖6a可以看出，與歐美氣象發(fā)達(dá)國(guó)家比較，中國(guó)探空溫度偏差較大，很多站點(diǎn)的探空溫度偏差大小在1℃以上。圖6b是應(yīng)用RAOBCORE訂正后的結(jié)果，訂正效果尤其體現(xiàn)在俄羅斯、印度、中國(guó)等國(guó)家的一些探空站點(diǎn)，訂正后這些區(qū)域內(nèi)的探空溫度偏差減小，與周邊區(qū)域表現(xiàn)出更好的空間一致性。圖6c是在中國(guó)應(yīng)用NMIC自主研發(fā)訂正量訂正后的結(jié)果。對(duì)比圖6b和6c，還可以明顯看出，應(yīng)用NMIC自主研發(fā)的日定時(shí)值訂正量在中國(guó)區(qū)域訂正效果的優(yōu)勢(shì)，不但訂正的探空站點(diǎn)數(shù)目增加，且很多站點(diǎn)的Bias由0.6 ℃降低到0.4 ℃，其空間一致性更好。

圖6 1996年1月1日00時(shí)—1996年12月31日00時(shí)的全球探空溫度訂正效果的空間分布，100～200 hPa厚度層探空溫度相對(duì)于ERA-Interim再分析的Bias的空間分布（a）訂正前，（b）全球探空均應(yīng)用RAOBCORE訂正后，（c）國(guó)外探空溫度利用RAOBCORE訂正，且中國(guó)探空溫度應(yīng)用NMIC自主研發(fā)的日定時(shí)值訂正量進(jìn)行訂正后Fig. 6 The spatial distribution of the global radiosonde temperature correction effect from 00 UTC on January 1,1996 to 00 UTC on December 31, 1996 of 100-200 hPa layer radiosonde temperature relative to the reanalyzed bias of ERA-Interim: (a) before the correction, (b) global radiosonde corrected by RAOBCORE, (c) the overseas radiosonde temperature is corrected by RAOBCORE, and the Chinese radiosonde temperature is independently corrected by NMIC

4 面臨挑戰(zhàn)與展望

綜上所述，在探空溫度偏差訂正方法研究領(lǐng)域，國(guó)外氣象業(yè)務(wù)單位尤其是ECMWF取得了持續(xù)發(fā)展進(jìn)步。具體表現(xiàn)在，在面向歷史探空溫度訂正環(huán)節(jié)，綜合考慮了臺(tái)站元數(shù)據(jù)信息，以數(shù)值模式預(yù)報(bào)場(chǎng)和探空臨近站資料作為參考序列求取訂正量；在實(shí)時(shí)探空溫度偏差訂正考慮了訂正量的隨時(shí)間滾動(dòng)更新，使得訂正量計(jì)算結(jié)果更為合理。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)對(duì)探空溫度的偏差訂正工作起步較晚。在中國(guó)第一代全球大氣再分析產(chǎn)品（CRA-40）研制過程中，國(guó)家氣象信息中心充分吸收了國(guó)內(nèi)外的研究成果，自主研發(fā)了中國(guó)日定時(shí)探空規(guī)定層溫度訂正技術(shù)，1979年以來的訂正結(jié)果已應(yīng)用于CRA-40研制。但對(duì)國(guó)外高空站點(diǎn)觀測(cè)的歷史探空溫度偏差訂正仍處于研究階段，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)雖初步實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同探空儀器類型的統(tǒng)計(jì)偏差訂正，但訂正量尚未實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)更新，對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響也有待深入評(píng)估。

總的來說，國(guó)內(nèi)在探空溫度偏差訂正方面仍將面臨較大的挑戰(zhàn)。未來工作中，應(yīng)結(jié)合我國(guó)業(yè)務(wù)科研工作的需要，研發(fā)適用于我國(guó)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的探空溫度偏差檢測(cè)與訂正方案，提高探空資料的應(yīng)用水平。

1）對(duì)歷史探空溫度偏差訂正工作，應(yīng)參照ECMWF的發(fā)展思路，對(duì)比衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)等的高空觀測(cè)溫度偏差，研究綜合的全球探空溫度偏差訂正量計(jì)算方案，同時(shí)解決1979年以前中國(guó)探空日定時(shí)溫度偏差訂正技術(shù)中參考序列選取等一系列難題，以支撐我國(guó)下一代的全球大氣再分析產(chǎn)品研制工作。

2）在實(shí)時(shí)探空溫度偏差訂正技術(shù)研發(fā)方面，應(yīng)結(jié)合實(shí)況業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)探空溫度偏差滾動(dòng)循環(huán)訂正模塊，并結(jié)合同化系統(tǒng)發(fā)展，研究發(fā)展實(shí)時(shí)探空變分偏差訂正技術(shù)。

3）在觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)過程中，開展平行觀測(cè)試驗(yàn)和換型前后儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差評(píng)估、加強(qiáng)國(guó)內(nèi)不同型號(hào)探空儀與國(guó)際探空儀的比對(duì)工作，為開展國(guó)內(nèi)外不同型號(hào)探空儀之間的系統(tǒng)偏差分析提供科學(xué)參考。