论文部分内容阅读
高空观测资料是高层大气变化研究的基础数据集，其质量和均一性对气候研究都具有重要影响。对高空不同高度上的风向风速的测定，有助于了解高空大气环流状况，对天气分析预报、航空飞行、大气湿度和能量传输、环境污染研究等方面都具有十分重要的意义。高空风资料也被广泛用于季风指数年际变化分析、降水长期气候变化成因分析、大气温度梯度变化等科学研究中。相对高空观测气温和位势高度资料，国际上关于高空风场观测资料质量控制、订正和评估的研究开展较少。我国业务使用的高空观测资料质量控制方案及参数均引自国外数值模式，未考虑我国观测资料的实际情况，导致我国高空风场资料存在较多的质量问题，错误数据未被订正，缺测数据未被处理，对国际上发布的再分析数据集中高空风场的可信度分析及风场观测资料时间序列检验相关研究也很少见。本文系统开展了中国高空风场观测资料的质量控制、插补订正、和再分析资料对比评估以及时间序列的连续性检验研究工作，主要研究内容及成果如下: (1)提出了一种新的高空风场观测资料质量控制方法(NewQC)，与已有的方法不同，该方法包含两次针对水平风的垂直切变检查，并考虑了高空风场区域和垂直差异，其阈值在不同的站点和不同的高度也各不相同。利用NewQC识别出了大量未被NMIC旧版质量控制方案(B01 QC)和美国国家大气海洋局下属气象数据同化输入系统(Meteorological Assimilation Data Ingest System，MADIS)中高空观测资料质量控制方法(MADIS QC)识别出来的错误数据。评估结果表明，New QC对高空风场观测数据的质量控制判断准确率为99.881％，效果要明显优于B01 QC和MADIS QC。 (2)在对比评估不同垂直插值方法在中国地区适用性基础上，构建了一套综合垂直插补方法。该方法对U分量、V分量、风向和风速的垂直插值系统偏差接近于零，U分量、V分量和风速的均方根误差均小于2 ms-1，850hPa至100hPa的风向均方根误差均小于10°。利用该方法，1980-2008年的风场观测资料中超过90％的错误数据得到订正，数据错误率由原来的0.4％左右下降到0.1％以下。对缺测数据进行插补后，1960年代和1970年代插补后的数据量为插补前数据量的三倍以上。经过垂直插补和订正得到的新观测序列能准确地反映出我国高空风场的变化趋势。 (3)利用垂直插补形成的高空风场观测序列，对ERA-40和NCEP-1两套再分析资料在中国地区高空风场的年平均值和月平均值的可信度进行了对比评估。结果表明，受同化的观测资料质量和数据量影响，再分析资料中高空风场序列在中国地区的可信度在不同时期差异较大，且具有明显的区域特征。ERA-40和NCEP-1在1979年以前的中国高空风场和观测序列的平均偏差和均方根误差较大;1980开始逐渐减小;1991年开始平均偏差趋近于零，风速的均方根误差在0.4ms-1以内。再分析和观测差异的平均偏差绝对值、均方根误差从低层到高层逐渐减小。相对而言，ERA-40对中国高空风场的描述能力要优于NCEP-1。 (4)本文基于完整性较高的11个代表站点开展了中国高空风场观测月平均值时间序列和ERA-40、NCEP-1再分析时间序列的连续性检验试验，结果表明，利用PMFT检验方法发现的高空风场观测资料的时间序列非连续性特征中，可能包含了经纬仪测风、701雷达测风和L波段雷达测风换型引起的观测资料非均一性特征，未来需在构建合理的参考序列基础上进一步研究和探讨。