2005, 16 (6): 835-840
2. 北京市观象台, 北京 100089;
3. 中国科学院研究生院, 北京 100864;
4. 空军第七研究所, 北京100085
2. Beijing Weather Observatory, Beijing 100089;
3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864;
4. Seventh Research Institute of Air force, Beijing 100085
提高观测质量并逐步实现探测现代化是大气探测工作的首要任务[1] 。我国自20 世纪50 年代以来，与国际同步实施了世界天气监测(WWW)计划，逐步建立了WWW 网。该网基本上是以短期预报所需要的各高度上的温、压、湿、风、云及辐射等观测资料为基础，通过多年的建设，已形成了地基和空基探测相结合的探测体系。提高天气预报准确率是气象部门的首要任务之一，为了达到此目的，预报必须向定时、定点和全程滚动的方向发展，使中、短期，短时、临近预报的准确率均有提高。要作到这一点，需要高精度的观测资料。
用数值模式做有限区域的天气预报，需要给出初始值及边界值[2]，探空资料为数值模式提供初始场。以前使用探空资料时并没有考虑探空气球的漂移情况。随着数值模式的不断发展，探空气球的漂移偏差越来越不可忽略。郑良杰[3] 在华东中尺度天气试验成果中分析了探空资料的空间漂移误差，采用三角形面积权重订正办法对其进行了空间订正，对订正前后的物理量变化进行了对比，认为漂移误差会影响气象要素场的量值。杨玉华等[4] 采用模式的客观分析系统，研究探空气球的漂移对上海区域数值预报模式初值和结果的影响。刘红亚等[5] 根据探空资料的探测原理，设计定位方案，计算出了各气压层上探空气球所处的实际位置，对位置订正前后的资料分别用三维变分系统进行同化，将同化结果作为WRF 模式的初始场进行数值预报并对预报效果进行对比分析，结果表明:探空气球在施放过程中的漂移距离远远超过目前数值模式可取的水平分辨率；模式预报的结果显示，探空资料的定位使降水预报效果得到了改善。因此高空观测中由于气球漂移造成的经纬度偏差，是高空探测资料应用需要解决的重要任务。
随着区域模式水平分辨率的迅速提高，如北京区域数值预报业务模式MM5 V3 的水平分辨率为27/9/3 km, 探空气球在上升过程中可漂移多个格点，其对模式初值的影响显著，不能忽视。为改变上述状况，中国气象局提出一套探空、测风报的空间、时间扩充编码方案，以期减小探空资料的空间误差，该方案在北京(54511)站，于2003 年1 月1 日在59-701 探空系统中正式投入业务使用，2003 年2 月20 日在GFE(1)型二次测风雷达---GTS1 型数字式探空仪系统(简称L 波段雷达系统)中也投入业务使用，以下介绍改进方案的原理以及个例分析。
1 气球的经纬度漂移计算原理由于探空气球在探测过程中的最大水平漂移距离相对于地球半径很小，而且大气折射误差、电磁波传播误差和地球曲率误差都很小，因此，在高空气象探测空间定位计算中可以把地球表面(球面)看成一个平面，探空气球相对经纬度偏移量可用下列简化公式[6]计算。
1.1 水平投影距离水平投影距离的计算公式如下:
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(1) |
式(1)中，r 为雷达实测气球的斜距；E0 为雷达实测气球的仰角；L 为气球的水平投影距离；H 为气球距测站高度(图 1)。
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图 1. 水平投影示意图
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1.2 水平距离投影东西、南北分量
水平距离投影东西、南北分量计算如下:
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(2) |
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(3) |
式(2)、(3)中，X 为气球水平投影东、西分量；Y 为气球水平投影南、北分量；L 为气球的水平投影距离；β 为雷达实测气球的方位角(图 2)。
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图 2. 水平距离投影东西、南北分量分解示意图
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1.3 相对经纬度偏差的计算
相对经纬度偏差计算公式如下:
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(4) |
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(5) |
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(6) |
式(5)和(6)中，R 为地球半径，常量(约为6368 km)；δ为测站纬度；R′为测站在纬度δ处的地球截面半径；Δδ为相对纬度偏差；Δφ为相对经度偏差(见图 3)。
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图 3. 球坐标经纬度偏差示意图
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2 计算方案与个例分析 2.1 个例
本文以北京站(39.80°N，116.47°E)2003 年11 月6 日19 :00(北京时，下同)高空探测的资料为例。当天北京上空位于蒙古低涡前部的SW 气流里，地面出现雷雨夹雪天气，降雨雪28.7 mm 。图 4 为气球沿西南气流向东北方向漂移的示意。
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图 4. 北京站2003 年11 月6 日19 :00 气球漂移施放点的漂移轨迹示意图
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2.2 计算方法
利用探空雷达实测的每分钟球坐标数据，根据上述公式可计算出该时刻气球所处位置距测站的相对纬度偏移量Δδ与相对经度偏移量Δφ。例如:要计算第20 分钟的经纬度偏移量，其步骤如下:
(1) 取第20 分钟探空雷达所测得的量为E0=23.99°，β=72.56°，r=16.547 km, 测站纬度δ=39.80°，地球半径R=6368 km 。
(2) 根据式(1)计算出气球的水平投影距离L，根据式(2)和(3)得到气球的水平投影距离L 的东西(X)及南北(Y)分量:
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(3) 用求出的水平投影距离L，东西分量X，南北分量Y，根据式(4)-(6)计算出相对纬度偏移量Δδ及相对经度偏移量Δφ:
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同理可计算从第1 分钟到探测结束前的任何时刻的偏移量值，本文仅取部分时刻作为说明，根据气球施放过程中所探测到的仰角、方位与斜距进行相对测站经纬度偏差的计算，如表 1 所示。
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表 1 2003 年11 月6 日19:00 根据球坐标数据计算出的相对测站经纬度偏差 |
表 2为2003 年11 月6 日19 :00 北京站高空探测各规定等压面气象要素值，最后两列为根据球坐标数据计算出的相对测站经纬度偏差。通过测站纬度和经度与各规定等压面的相对经、纬度偏差量取代数和，便可知道所探测的规定等压面等资料所处纬度及经度。
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表 2 北京站2003 年11 月6 日19 :00 高空探测规定等压面记录及其相对测站经纬度偏差 |
2.3 逆运算方法
天气分析和预报及各种模式所需要的并不是上述计算出来的如表 2 所示的经、纬度偏差量，而是气球的水平投影距离L 的东西(X)及南北(Y)分量。而在高空探测实时业务所发的报文中己包含空间、时间扩充编码，该扩充编码中已给出Δφ，Δδ，所以只要利用空间定位公式逆运算即可得出气球偏移方向。从表 2 可知30 hPa 的纬向偏差为0.150°和经向偏差为1.073°，利用式(5)和(6)的逆运算及三角函数，便可求出此时刻气球距测站各参数值:
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上述计算结果表明，放球60.5 分钟时，气球到达30 hPa 的高度，向东偏移距本站91.63 km, 向北偏移距本站16.67 km(X，Y 为正值)，如图 4 所示表明本站高空盛行西南风，气球向东北方向，漂移施放点(水平投影距离)达93.13 km 。值得注意的是30 hPa 不是气球施放的最后高度，即最后水平偏移将大于上述值。
同样本文又计算了2004 年3 月11 日07 :00(图略)高空探测的偏移量的个例，前1 天(10 日)高空盛行西北气流，地面为5-6 级西北风，当天西北气流已有所减弱，以至气球向南漂移后又向偏北漂移。气球升空后第77.1 分钟时，气球升至10 hPa, 从探空、测风报空间时间扩充编码的报文中可查到，此时的纬度偏差-0.150°和经度偏差1.977°，利用公式(4)-(6)的逆运算便可求出此时刻气球距测站的气球偏移方向和南北距离、水平投影距离L :
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Y 值为负值、X 值为正值，表明气球在西北气流推动下，向东漂移168.87 km, 向南漂移16.67 km, 水平投影距离达169.69 km 。
探空、测风报空间、时间扩充编码方案规定见有关资料，本文不作描述。
3 小结由上述分析可知，我国制定的探空、测风报空间、时间扩充编码方案，即在传统高空探测的探空、测风报编码中增加各气层相对经纬度偏差及气球漂移时间的扩充编码，提高了探测信息精度，量化了因气球漂移产生的水平位置误差。可以预见，随着我国区域模式水平的提高，信息精度高的探空资料用于数值模式中，对于改进模式初值，进而提高天气预报准确率，将会产生积极影响。
| [1] | 大气探测学教程, 北京: 气象出版社, 1995: 1-5. |
| [2] | 数值天气预报教程, 北京: 气象出版社, 1995: 275-282. |
| [3] | 中小尺度天气系统的诊断分析和数值模拟, 北京: 气象出版社, 1989: 1-12. |
| [4] | 杨玉华,雷小途,夏立.探空气球的漂移及对中小尺度数值预报的影响研究.中国气象科学研究院及局专业研究所2004年度学术年会论文摘要,北京,2005.63。 |
| [5] | 刘红亚, 薛纪善, 沈桐立, 等. 探空气球的漂移及其对数值预报影响的研究. 应用气象学报, 2005, 16, (4): 518–526. |
| [6] | 中国气象局监测网络司.常规高空气象探测规范.2003.23-25。 |