面向同化的探空温度数据质控参数优化及误差特性分析

针对双权重标准差法对探空温度质量控制中阈值参数不确定的问题,提出了以正态波形指标偏度和峰度为判定依据的阈值Z参数优化算法。利用2017年福建3部探空温度资料和ERA5模式再分析温度数据,对探空温度增量数据进行不同数据集质控前后对比分析总结出:峰偏值CKS随阈值Z的分布曲线表明阈值Z偏大则会造成质控不完全,阈值Z偏小则会造成过度质控;以峰偏值CKS所确定的最优阈值Z双权重标准差法比固定阈值的更符合模式同化系统正态分布要求,为探空温度数据在模式同化的应用提供了更好的质控方法。在质控前后温度增量分布特征上,温度观测增量总是以某一固定增量值在整个气压高度上剔除离群值,其中57.15%的离群点主要分布在0~100 hPa范围内,42.85%的离群点均匀分布在100~1000 hPa范围内,其中0~100 hPa范围内温度增量绝对值大于10℃的异常点是由于温度传感器受太阳辐射等因素影响超出了正常探测误差范围,这些异常点可以在质控前提前剔除,进一步提升探空温度数据质量。

探空温度资料质量控制技术研究

探空资料质量控制是探空资料在数值模式同化应用取得较好效果的重要保障，随着模式分辨率不断提高，探空资料飘移信息越来越需要应用到同化算子。本文通过全球谱模式T639L60（简称T639）分析场和掩星探测系统COSMIC资料对2011年7月我国u9个探空站温度资料进行分析，同时结合探空气球随高度飘移信息以及温度残余误差等因素，开展探空温度质量控制技术研究。研究结果表明：探空气球飘移距离随高度而增大，在300～100hPa之间飘移速率较大；基于探空温度资料残余误差和飘移因素建立的双权重标准质量控制方法能有效保障资料质量，是否考虑温度残余误差和飘移信息对质量控制结果有明显影响。当考虑温度残余误差时，300hPa以上离群资料量显著减少；考虑飘移信息时，高层飘移速率较大区间离群资料量明显减少；模式地形与测站地形的高度差异对质量控制结果有明显影响，当测站地形高度低于模式地形时，易出现离群点，且两种地形差异大小与离群点呈正相关，即地形差异越大，低层离群资料越多。

近50年我国探空温度序列均一化及变化趋势

利用1958—2005年我国116个站探空温度序列研究了我国高空温度变化趋势。首先通过静力学质量控制和两相回归法对原始序列进行了均一化处理。我国探空温度序列存在明显的间断点,间断点的订正对于序列的趋势影响较为显著。缺测率是影响我国探空温度序列应用性的重要因子,也是区域平均趋势统计中台站取舍的指标,减少台站总数会削弱我国对流层升温和平流层降温的变化趋势。分析表明:70作为最小资料有效率标准最为合理。为满足最小资料有效率,选取92个站统计我国高空温度变化趋势的区域平均值。结果表明:1958—2005年,平流层下层和对流层上层降温,对流层中、低层升温;高空温度变化趋势与研究时段明显相关,1958—1978年我国高空大气整层均为降温;1979—2005年,对流层中低层升温最为明显,增暖的幅度随高度增加而减小,400hPa以上各层转为降温。对流层的升温始于20世纪80年代,升温幅度与全球尺度的平均值有所不同。

探空温度传感器的太阳辐射误差研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级。为了实现此目标,运用计算流体动力学(CFD)方法对珠状热敏电阻器从海平面上升至32 km高空的整个过程进行太阳辐射误差数值分析。在此基础上,针对影响测温精度的引线、引线夹角大小以及太阳照射角度进行分析与探讨,获得其与太阳辐射误差的内在联系。数值求解结果表明:引线、引线夹角大小以及太阳照射角度是太阳辐射误差的重要影响因子。海拔高度与太阳辐射误差之间呈现出随海拔高度的增加斜率不断增大的类指数函数关系。

探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级.为了实现此目标,运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析.并在此基础上,针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析.仿真结果表明,太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子.当传感器倾斜角度为90?时,珠状热敏电阻的辐射误差最小.通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合,获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程;为验证方程的准确性,设计和搭建太阳辐射误差模拟系统.实验结果表明,辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K,均方根值RMS误差为0.023 K,验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.

3种方法对中国探空温度资料均一性检验对比分析

利用美国国家气候数据研究中心开发的Pairwise均一性检验订正方法、加拿大环境研究中心开发的PMFT方法和PMT方法,结合20世纪再分析资料和详细的元数据信息对1951—2008年中国123个探空台站的温度资料进行均一性检验和订正。结果表明:3种方法对中国探空温度资料订正幅度和订正前后的趋势变化存在差异。产生差异的主要原因,一方面由于Pairwise方法设计的问题,导致对中国大部分台站同时改变辐射误差订正方法和系统升级造成的断点检测能力较弱;另一方面由于PMFT方法未使用参考序列,不能去除气候变化本身的变化趋势,导致PMFT方法在断点判断上存在漏判的现象。而PMT方法结合20世纪再分析资料的客观判断方法较适合中国探空资料的均一性检验和订正,其订正结果表明,利用该方法得到的中国探空温度数据的统计学特征在低层小于全球尺度探空温度的订正结果,而在高层基本和全球探空数据的订正尺度相当。两个间断点和0.0—0.2℃的订正量所占的比例最大。从中国范围来看,对流层为增温趋势,这种增温趋势随高度的增加逐渐减弱,至对流层顶100 h Pa转为弱的降温趋势。

探空温度传感器辐射误差修正与实验研究

为解决高空低风速太阳辐射误差大的难题,文中设计一种基于压电陶瓷振动的探空温度传感器。该传感器能利用压电陶瓷在高空气流速度较低时的振动产生速度。首先,使用计算流体动力学(CFD)方法对探头进行仿真,以气流速度、太阳辐射强度、海拔高度作为影响参数计算出太阳辐射误差;然后,使用支持向量机(SVM)训练仿真数据,得出辐射误差修正曲线;最后,搭建一个模拟高空条件的低气压风洞平台,对不同影响参数下的太阳辐射误差进行测试,并将测试结果与SVM算法的预测数据以及传统温度传感器的测量数据进行对比,以验证传感器的测量精度。实验结果表明,热电偶传感器的平均测量误差与均方根误差分别为0.050 K和0.051 K。与传统的探空温度传感器相比,文中的热电偶传感器能通过压电陶瓷振动的方式降低太阳辐射误差,测量精度较高。

探空温度传感器受太阳辐射影响的仿真分析

随着高空温度探测精度要求的日益提高,如何减小温度传感器测量误差已成为亟需解决的问题,而太阳辐射作为影响温度传感器探测性能的重要因素已成为该领域研究的热点.利用计算机仿真技术,引入太阳高度角、引线夹角2个影响因子,根据流体动力学模型模拟分析探空温度传感器从海平面上升到32km高空时所受太阳辐射的影响,最终得到辐射误差与海拔高度的关系曲线族,仿真结果将为开展高空温度传感器误差分析提供基础依据,从而提高传感器测量准确度.

探空温度传感器辐射误差修正的数值方法

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级。为了实现此目标,基于对流换热和辐射换热理论的热平衡微分方程,建立适用于珠状热敏电阻导热对流辐射耦合计算的模型。在综合分析珠状热敏电阻热边界条件的基础上,运用伽辽金有限元法对不同太阳辐射强度和海拔高度下的珠状热敏电阻进行传热仿真分析。仿真结果表明,太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子。太阳辐射强度的增强将导致辐射误差的增大,其增大幅度随着海拔高度的增加越发显著;辐射误差随着海拔高度的增加而迅速增大,两者之间呈近似指数函数关系且单调递增。

探空温度传感器的动态性能分析

为了研究探空温度传感器的动态性能,提出利用计算流体动力学(CFD)方法分析探空温度传感器从地面到32 km高空不同气压和不同上升速度条件下的热响应时间常数;并利用该方法对不同海拔高度下温度传感器的气流温度阶跃响应特性进行分析。仿真结果表明,探空温度传感器的热响应时间常数与海拔高度呈正相关,与探空仪上升速度呈反相关。通过拟合获得不同上升速度下,气流温度阶跃变化后的传感器温度变化与海拔高度、时间的函数关系。这种数值方法和分析结果对探空温度传感器的动态性能分析有潜在的指导意义。

基于FNL和GRAPES分析场的探空温度数据的误差分析

分别以美国NCEP的FNL分析场和我国GRAPES的分析场为参考对北京探空站的温度数据从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差多个角度进行评估。根据评估结果对探空温度数据进行质量控制,并分析质量控制效果。结果显示:探空温度数据质量较高,误差基本在±1℃以内。基于FNL分析场的评估结果与GRAPES的评估结果有略微差异。单个时刻选取的可疑值和错误值的阈值具有根据基于分析场余差的分布特征自适应确定的特点。根据评估进行质量控制后的探空温度质量得到改善,且数据保留了原有的特征。该质量控制方法能够有效地消除季节性差异,且质量控制后两个参考标准的评估结果基本一致。

一种阵列式探空温度传感器设计

为降低传统探空温度传感器的横梁尾流热污染误差,设计了一种基于热电偶阵列的探空温度传感器。该传感器由铂电阻,四个热电偶组成的阵列,高精度测量电路等部分组成。采用计算流体动力学（CFD）软件FLUENT对探空温度传感器进行数值分析仿真计算。搭建了一套高空环境模拟实验装置。实验结果表明,使用阵列式热电偶作为探空温度传感器,可将横梁热辐射误差降低至横梁升温量的0.43%~8.72%,实验测量结果与仿真结果相差-3.02%~5.44%,吻合度较高。阵列式低辐射误差探空温度传感器和传统探空温度传感器相比,降低了横梁尾流在上升过程中对传感器探头的影响,具有较低的辐射误差。

探空温度传感器的流固耦合多物理场仿真分析

高空大气温度探测过程中,太阳辐射引起的探空温度传感器升温是影响温度测量精度的重要因素。传统的经验估测法和模型简化法难以对探空温度传感器在高空气流环境中的温度测量结果进行精确的定量求解。为解决上述问题,采用流固耦合多物理场分析方法对探空温度传感器进行计算流体动力学仿真。仿真结果表明,引线夹角较大的探空温度传感器的测温结果受太阳高度角影响较小;四引线结构探空传感器的测温结果受太阳照射角度变化影响较小,可获得较高精度。通过遗传算法对仿真结果进行拟合,获得探空温度传感器在不同太阳高度角和方位角条件下的测温结果计算方程。最后,通过理论分析探空温度传感器测量结果的变化趋势,验证流固耦合多物理场仿真分析结果的可信性。

探空温度传感器设计与辐射误差修正方法研究

针对太阳辐射影响探空温度传感器测量精度的问题,设计一种基于24位Σ-Δ模/数转换器的高精度温度测量电路。搭建太阳辐射模拟实验平台并在高低温低气压实验箱中进行实验,提出一种利用Levenberg-Marquardt(L-M)算法拟合出太阳辐射误差修正方程的方法。实验结果表明,该探空温度传感器及其算法将均方根误差从0.88℃降低至0.28℃,提高了探空温度传感器的测量精度,在高空气象探测领域具有一定的应用潜力。

探空温度偏差订正技术调研报告

探空资料在数值预报、资料同化、天气分析、气候变化、卫星资料校准等研究中发挥着重要作用。探空温度偏差大小持续受到太阳辐射等自然因素、观测系统改变等历史人为因素的叠加耦合作用影响,使得其偏差订正工作变得非常复杂,给上述众多研究应用带来较大的困扰和不确定性。本文调研了国内外主要探空温度偏差订正技术和相关产品的发展现状,重点对比分析国外不同科研业务单位的技术方法,同时结合中国探空温度偏差订正技术的发展现状和国内外差距,对未来工作提出展望。

探空资料中的人为误差对中国温度长期变化趋势的影响

利用1958～2005年探空温度序列,通过质量控制、均一化处理和序列缺测率分析,探讨了探空资料中人为误差对中国高空气温变化趋势的影响。中国探空温度序列存在明显的间断点,72%的序列包含2～4个间断点。相应的订正总体上降低了1958年以来平流层低层降温和对流层升温趋势,如700hPa和100hPa平均趋势值分别降低0.12K/10a和0.04K/10a。缺测率是气温区域平均趋势估算的重要参数,30%作为最大缺测率是中国探空温度序列适宜的取样标准。提高取样标准(台站数减少)使1958～2005年间对流层上层和平流层下层的降温趋势减弱。中国高空气温变化趋势与全球或北半球大体一致,但也有不同特点:500hPa以下大气趋于升温,以上则趋于降温,最大降温趋势位于对流上部的300hPa,而且各气候区间区域差异性十分明显。

辐射误差订正方法改变对中国探空资料温度序列的影响

辐射误差订正是探空观测过程中最重要的误差订正之一,辐射误差订正方法的引入和订正方法的修改是造成中国探空温度资料非均一性问题的最主要原因。本文利用加拿大环境部开发的惩罚最大F检验(PMFT)方法,结合详细的元数据信息对中国区域123个探空台站的温度资料进行均一性检验和订正。结果表明:中国大多数探空台站均存在由于辐射误差订正方法改变造成的资料不连续问题。由于辐射误差订正方法改变造成中国探空温度序列产生的间断点数占总间断点数的46.17%。从订正幅度可知,00时统计得到的温度订正量值随高度增加,订正量均为负值,较高层次的温度订正量值明显大于低层的温度订正量值。

探空资料同化应用研究:(Ⅰ)两种质量控制方法对比

本文以探空温度资料和T639模式资料为基础,对比双权重质量控制方法与传统标准差法质量控制的差异,结果表明:传统法得出的平均值、标准差均偏大。离群点的判断对标准差敏感度高,受平均值的影响小。两种质量控制方法得出的平均值相差较小,标准差相差较大,质量控制后,传统法对平均值和标准差的改变较大,而双权重法使平均值、标准差略有变化,因此双权重标准差法的稳定性好。质量控制结果显示:双权重法能全部剔除由传统法确定的离群点,还能检查出传统法不识别的离群点。两种方法在探空高层离群点判断上存在较大有差异,虽然双权重标准差法使得离群点增加很多,但提高了观测增量的精确度,有效保障了探空资料质量。双权重质量控制结果使探空观测与T639模式的温度增量的相关系数与标准差均有改进,尤其在西藏东部改进较大。

运用气象资料解决新疆下坂地水库径流计算技术探讨

下坂地水库位于我国新疆西部干旱区叶尔羌河支流塔什库尔干河上,该河水文资料短缺,且其上游冰川覆盖,径流主要来源于冰雪融雪。通过研究伊尔列黑站实测径流与喀什气象站高空探空气温的关系,提出适合本流域特征的径流插补分析方法,为资料缺乏地区融雪径流的分析提出一种有效的思考方法。

运用气象资料解决新疆下坂地水库径流技术探讨

下坂地水库位于我国新疆西部干旱区叶尔羌河支流塔什库尔干河上，该河水文资料短缺，且其上游冰川覆盖，径流主要来源于冰雪融水。通过研究伊尔列黑站实测径流与喀什气象站高空探空气温的关系，提出适合本流域特征的径流资料插补分析方法。