廖捷 胡開喜 江慧 曹麗娟 姜立鵬 李慶雷 周自江 劉志權(quán) 張濤 王蕙瑩

（1 國家氣象信息中心，北京 100081；2 美國國家大氣研究中心，博爾德 80301，美國）

0　引言

再分析最早起源于第一次全球大氣研究實(shí)驗(yàn)（FGGE）中觀測資料的應(yīng)用。為了給數(shù)值天氣預(yù)報(bào)初始化提供更好的觀測，科學(xué)家們對觀測資料進(jìn)行了多次分析研究，并很快發(fā)現(xiàn)通過再分析可以為大氣科學(xué)研究提供一個(gè)更有價(jià)值的數(shù)據(jù)集[1]。隨后，歐美數(shù)值預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)推出一系列再分析產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品包括ERA-15[2]、NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)[3]和NASA/DAO[4]，第二代產(chǎn)品包括NCEP/DOE[5]、ERA-40[6]和JRA-25[7]，第三代產(chǎn)品包括ERA-Interim[1]、CFSR[8]、MERRA[9]和JRA-55[10]等。各數(shù)值預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)通過使用更好的模式、更好的輸入資料和同化方法不斷提高再分析產(chǎn)品的質(zhì)量。

大氣再分析同化的高空定點(diǎn)觀測（in situ）溫度、風(fēng)和濕度來自無線電探空、測風(fēng)氣球、飛機(jī)和風(fēng)廓線雷達(dá)；表面氣壓、2 m溫度、2 m相對濕度和近地面風(fēng)來自船舶、浮標(biāo)觀測地面氣象站和機(jī)場站。除了飛機(jī)報(bào)在20世紀(jì)90年代后期飛速增長外，其他各類常規(guī)觀測資料的數(shù)量相對穩(wěn)定。歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）最新再分析系統(tǒng)的評估結(jié)果[11]表明，1979—1990年，常規(guī)觀測占總觀測的比例約35%，對分析的影響權(quán)重高達(dá)75%；隨著衛(wèi)星觀測的快速增加，至2015年，常規(guī)觀測占總觀測的比例約10%，對再分析的影響權(quán)重約20%，對大氣再分析依然起到不可忽視的約束作用。

各機(jī)構(gòu)研制新版本的全球再分析產(chǎn)品時(shí)，所需的常規(guī)觀測資料通常以國際上已發(fā)布的再分析輸入觀測資料集為主要數(shù)據(jù)源，同時(shí)補(bǔ)充了最新收集的觀測資料。如ERA-Interim同化的歷史常規(guī)觀測資料來自ERA-40觀測資料集和ECMWF業(yè)務(wù)同化歸檔數(shù)據(jù)。JRA-55在ERA-40同化的觀測資料基礎(chǔ)上補(bǔ)充了美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）同化的一些地面站、高空觀測，以及俄羅斯水文氣象局、美國大學(xué)大氣研究聯(lián)合會、美國氣象水文局的積雪資料[10]。ECMWF、美國和日本研制的再分析產(chǎn)品對常規(guī)資料的質(zhì)量控制均采用了本國家、機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)質(zhì)量控制方案，如JRA-25和JRA-55均采用了動力質(zhì)量控制[12]，NCEP/NCAR、CFSR和MERRA在同化前對探空、飛機(jī)報(bào)和風(fēng)廓線資料進(jìn)行綜合質(zhì)量控制[13]。

相對第二代再分析產(chǎn)品，第三代再分析產(chǎn)品更加重視探空溫度的偏差訂正，奧地利維也納大學(xué)于2007年發(fā)布了全球首套日定時(shí)均一性訂正數(shù)據(jù)集RAOBCORE[14]，為全球1184個(gè)探空站點(diǎn)提供的不同高度層溫度偏差訂正量已被應(yīng)用到MERRA、JRA-55、ERA-Interim等多套全球大氣再分析的探空溫度訂正中，較好的避免了儀器換型、觀測方法改變等因素引起的探空溫度時(shí)間序列存在的非均一性。ECMWF、NCEP均在同化前區(qū)分不同地區(qū)、儀器類型訂正太陽輻射引起的熱敏電阻季節(jié)性觀測誤差，但具體算法和參數(shù)存在差異。ECMWF最新研制的第四代再分析產(chǎn)品對歷史探空資料的訂正量來自RICH[15]，在業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)中采用了探空和飛機(jī)報(bào)的變分偏差訂正[16-17]。

歐美機(jī)構(gòu)在全球大氣再分析產(chǎn)品研發(fā)過程中已開展了大量的資料收集整理工作，但國際已發(fā)布的再分析產(chǎn)品同化的中國地區(qū)常規(guī)觀測資料均來自全球通信系統(tǒng)（GTS）或雙邊交換，包含的地面氣象站點(diǎn)不及國家級地面氣象站的1/3，高空站點(diǎn)約為國內(nèi)高空站點(diǎn)的2/3，同一探空站包含的垂直層次不到高空月報(bào)表包含觀測層次的一半，包含的中國飛機(jī)報(bào)也比國內(nèi)共享飛機(jī)報(bào)少。2013年底，中國氣象局完成了1951年以來國家級和省級地面、高空紙質(zhì)報(bào)表的數(shù)字化，通過多個(gè)步驟的質(zhì)量檢測、控制和人工核查訂正，建成的中國地面、高空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集相對GTS交換資料的完整性和質(zhì)量明顯提升[18]。在此基礎(chǔ)上，國家氣象信息中心自2013年底牽頭準(zhǔn)備和啟動了1979年以來全球大氣再分析產(chǎn)品（簡稱CRA-40）研制。CRA-40是我國自主研制的第一代大氣再分析產(chǎn)品。CRA-40的全球常規(guī)觀測資料準(zhǔn)備工作以提高地面、高空、飛機(jī)、海洋等基礎(chǔ)氣象資料的質(zhì)量及其應(yīng)用能力為核心，重點(diǎn)解決國內(nèi)自助研制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集和最新收集的多來源國外觀測資料的整合、質(zhì)量控制等問題，力爭提高全球大氣再分析常規(guī)氣象資料的同化應(yīng)用水平。

1　數(shù)據(jù)源和方法

1.1　數(shù)據(jù)源

CRA-40同化的常規(guī)資料（簡稱CRA_OBS）來自CFSR同化輸入觀測資料集（1979—2014，簡稱CFSR_OBS）、GDAS同化輸入觀測資料（2015年以來，簡稱GDAS_OBS），以及國家氣象信息中心（簡稱NMIC）收集歸檔的各類常規(guī)觀測資料。CFSR_OBS的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[8]。

依據(jù)完整性、和質(zhì)量狀況，可以將NMIC收集歸檔的各類觀測資料分成兩類。第一類為經(jīng)過質(zhì)量控制的觀測數(shù)據(jù)集。包括：

1）NMIC研制的2400多個(gè)國家級地面氣象站逐小時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)源為1979—2014年中國地面氣象站紙質(zhì)月報(bào)表數(shù)字化資料和NMIC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（簡稱NMIC_RDB）資料。

2）美國NCEI釋放的全球綜合地面觀測資料（ISD），包含了氣象站和機(jī)場站觀測資料。

3）NMIC研制的中國高空定時(shí)值基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)源為1951—2012年中國高空紙質(zhì)月報(bào)表數(shù)字化資料和2013年以來的高空月報(bào)數(shù)據(jù)文件，提供了將近150個(gè)無線電探空站的氣壓、位勢高度、溫度、露點(diǎn)溫度和風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集所含等壓面觀測數(shù)據(jù)相對于GTS交換數(shù)據(jù)的增量約為50萬/年，部分站點(diǎn)提供了世界時(shí)06時(shí)和18時(shí)的加密觀測。

4）美國NCEI釋放的綜合全球探空歸檔數(shù)據(jù)集（IGRA）[19]，包含了全球范圍的無線電探空和測風(fēng)氣球觀測資料。

5）美國NOAA釋放的國際綜合海洋大氣數(shù)據(jù)集（簡稱ICOADS 3.0）[20]，包含了船舶、浮標(biāo)、海島站及潮位站觀測資料。

6）美國N C E I釋放的全球飛機(jī)報(bào)數(shù)據(jù)集（1973—1998年）。

第二類為未經(jīng)質(zhì)量控制的觀測原始報(bào)文。包括：

1）NMIC_RDB保存的全球高空天氣報(bào)。

2）國家海洋信息中心、韓國氣象局等機(jī)構(gòu)釋放的中國、韓國、日本、俄羅斯及澳大利亞周邊地區(qū)的船舶、浮標(biāo)、海島站及潮位站觀測報(bào)文。

3）NMIC_RDB保存的中國AMDAR報(bào)文；美國NCAR釋放的NCEP全球飛機(jī)觀測原始報(bào)文（簡稱NCEP_ADP，1999年10月至今），英國CEDA釋放的英國氣象局實(shí)時(shí)庫全球飛機(jī)報(bào)（簡稱MetDB_OBS）。

1.2　方法

CRA-40常規(guī)觀測資料預(yù)處理包含了數(shù)據(jù)整合和標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量控制、探空溫度偏差訂正、質(zhì)量預(yù)評估、黑名單等多個(gè)處理環(huán)節(jié)（圖1）。

常規(guī)觀測資料進(jìn)入CRA-40同化系統(tǒng)前以NCEP業(yè)務(wù)BUFR格式保存。為此，常規(guī)資料整合和標(biāo)準(zhǔn)化處理需要區(qū)分不同觀測平臺將地面、高空、飛機(jī)、海洋、風(fēng)廓線等幾大類資料進(jìn)一步細(xì)分成若干數(shù)據(jù)子類型，以便同化中對不同平臺的觀測數(shù)據(jù)采用不同的觀測誤差。地面資料區(qū)分為地面氣象站、機(jī)場站等；常規(guī)高空分為無線電探空、下投式探空、氣球測風(fēng)等；飛機(jī)報(bào)分為PIREP、AIREP、AMDAR和ACARS等，其中AMDAR資料又將TAMDAR和加拿大AMDAR進(jìn)行單獨(dú)分類。風(fēng)廓線資料按照所在區(qū)域進(jìn)行分類。在觀測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理前，按照上述資料分類對CRA-40收集的不同來源觀測資料進(jìn)行對比和整合，再進(jìn)入后續(xù)的質(zhì)量控制、評估、偏差訂正和數(shù)據(jù)選用過程。

圖1　CRA-40常規(guī)觀測資料處理流程圖Fig. 1 Processing flow of conventional observations in CRA-40

為避免質(zhì)量較差的觀測數(shù)據(jù)對同化造成負(fù)面影響，全球大氣再分析常規(guī)資料預(yù)處理期間，選用ERAInterim再分析資料為參考數(shù)據(jù)，評估了不同數(shù)據(jù)源在不同時(shí)間段、不同區(qū)域相對于ERA-Interim的平均偏差（簡稱BIAS）和均方根誤差（簡稱RMSE），以及整合前后、質(zhì)量控制前后、偏差訂正前后各類觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，觀測數(shù)據(jù)和ERA-Interim再分析偏差過大的站點(diǎn)或數(shù)據(jù)源需要進(jìn)行人工診斷分析，這一過程稱之為質(zhì)量預(yù)評估。通過質(zhì)量預(yù)評估可避免存在系統(tǒng)性偏差或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行同化系統(tǒng)，是同化前觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量保障的主要手段。

2　數(shù)據(jù)整合

地面、高空觀測按站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合。中國地面氣象站觀測和高空氣象站觀測分別來自NMIC研制的2400多個(gè)國家級地面氣象站逐小時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集和120站高空定時(shí)值基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。來自CFSR_OBS和GDAS_OBS的國外地面氣象站和全球機(jī)場站資料、國外無線電探空站和全球單測風(fēng)站資料被直接用于CRA-40，NCEI發(fā)布的ISD數(shù)據(jù)集、IGRA數(shù)據(jù)集提供了少量CFSR_OBS、GDAS_OBS未保存的地面、高空觀測數(shù)據(jù)。此外，從NMIC歸檔的高空天氣報(bào)中補(bǔ)充了錦州、丹東、東沙、花蓮等高空站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。由圖2可知，2013—2015年，CRA-40每日進(jìn)入同化的全球地面氣象站觀測數(shù)據(jù)約為CFSR的兩倍，探空溫度觀測增加超過1/5。

圖2　2013年5月—2015年7月每日四個(gè)時(shí)次（世界時(shí)00、06、12、18時(shí)，下同）全球地面氣象站表面氣壓（a）和探空溫度（b）有效記錄數(shù)。紅線和藍(lán)線分別代表CRA-40和CFSR的輸入數(shù)據(jù)Fig. 2 Six-hourly observation counts of surface pressure(a) and radiosonde temperature (b) of global SYNOP stations. Red line represents input data of CRA-40. Blue line is the input data of CFSR

圖3給出CRA-40同化的地面氣象站和機(jī)場站的空間分布圖。中國2400多個(gè)地面氣象站基本覆蓋我國除青藏高原以外的大部分地區(qū)。機(jī)場報(bào)主要集中在北美和歐洲，亞洲、非洲、南美、澳大利亞等地區(qū)的機(jī)場報(bào)非常少。

圖3　進(jìn)入CRA-40同化的地面氣象站（a）和機(jī)場站（b）的站點(diǎn)分布圖Fig. 3 Map of the surface meteorological stations (a) and METAR airports (b) for the CRA-40

CRA-40同化的幾類飛機(jī)報(bào)（AIREP、ACARS、AMDAR）數(shù)據(jù)源以CFSR_OBS和GDAS_OBS為主，ACARS報(bào)文開始于1992年。在此基礎(chǔ)上，增加了幾個(gè)區(qū)域的AMDAR資料，包括NCAR網(wǎng)站提供的TAMDAR資料和加拿大AMDAR資料、MetDB_OBS提供的韓國AMDAR資料，以及NMIC歸檔的未參加國際交換的中國AMDAR資料等。

圖4給出了不同時(shí)期各類飛機(jī)報(bào)觀測點(diǎn)的空間分布。AIREP報(bào)文集中在美國、北大西洋、北太平洋和澳大利亞周邊地區(qū)。部分位于北大西洋和北太平洋地區(qū)的報(bào)文經(jīng)緯度精度為5°。由于觀測要素對應(yīng)的經(jīng)緯度缺測，這些報(bào)文提供的經(jīng)緯度為估算值。ACARS報(bào)文集中在北美和日本地區(qū)；AMDAR報(bào)文以歐洲到美洲、非洲的航線以及澳大利亞地區(qū)航線為主，部分從歐洲到日韓的飛機(jī)經(jīng)過中國大陸地區(qū)時(shí)提供了少量觀測數(shù)據(jù)。中國AMDAR資料開始于2003年5月，以中東部地區(qū)為主。

海洋資料主體來自CFSR_OBS和GDAS_OBS。在此基礎(chǔ)上，以站點(diǎn)、船舶呼號為數(shù)據(jù)組織單元，開展CFSR_OBS、GDAS_OBS和NMIC收集歸檔的不同來源海洋資料的重復(fù)報(bào)對比分析和整合；對站點(diǎn)或船舶呼號缺測的報(bào)文，通過多源數(shù)據(jù)的觀測時(shí)間、位置進(jìn)行對比和整合。

圖5給出整合后不同時(shí)期進(jìn)入CRA-40同化系統(tǒng)的地面、高空、飛機(jī)和海洋觀測數(shù)量。1979—2016年，CRA-40每日同化的常規(guī)觀測記錄量級由105增加到107。進(jìn)入同化的陸地氣象站觀測（Ps）、無線電探空站（Ps，T，u/v，q）、測風(fēng)氣球（u/v）、下投式探空（T,u/v,q）、船舶和浮標(biāo)觀測（Ps，10米u(yù)/v）和飛機(jī)報(bào)（T,u/v）開始于1979年。風(fēng)廓線開始于1987年，覆蓋了北美和日本地區(qū)。機(jī)場天氣報(bào)（Ps）開始于1997年。

3　質(zhì)量控制

在觀測資料的同化應(yīng)用之前，需要對整合和標(biāo)準(zhǔn)化處理后的常規(guī)觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)選用。CFSR_OBS、GDAS_OBS，以及中國地面、高空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等經(jīng)過質(zhì)量控制的觀測數(shù)據(jù)集可直接進(jìn)入整合步驟。如數(shù)據(jù)源為未經(jīng)質(zhì)量控制的觀測原始報(bào)文，整合前需要進(jìn)行質(zhì)量控制。整合前，地面氣象站、船舶、浮標(biāo)和海島站觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過的質(zhì)量控制步驟包括氣候界限值檢查、主要變化范圍檢查、要素間內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間一致性檢查等；探空資料的檢查包括氣候界限值檢查、垂直方向的靜力學(xué)檢查、溫度遞減率檢查、水平風(fēng)切變檢查等；原始飛機(jī)報(bào)在進(jìn)入整合前經(jīng)過了包含航線軌跡檢查在內(nèi)的一系列檢查，以及多步檢查結(jié)果的質(zhì)量控制結(jié)果綜合決策。

圖4　不同時(shí)期的飛機(jī)報(bào)空間分布圖Fig. 4 Map of the aircraft reports in different period

CRA-40采用NCEP業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件實(shí)施循環(huán)同化前觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，具體包括背景場數(shù)據(jù)讀入、表面氣壓的背景場質(zhì)量控制、探空資料的綜合質(zhì)量控制和輻射誤差訂正、飛機(jī)報(bào)的重復(fù)報(bào)檢查和綜合質(zhì)量控制等。質(zhì)量控制算法詳見www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/data_processing/prepbufr.doc/document.htm。

表1給出了2006年7月9日00時(shí)幾類常規(guī)觀測數(shù)據(jù)的觀測數(shù)量、質(zhì)量控制剔除比例以及進(jìn)入同化系統(tǒng)的觀測比例。300 hPa以上的濕度觀測在同化數(shù)據(jù)篩查模塊被標(biāo)注為不同化。飛機(jī)報(bào)剔除的數(shù)據(jù)比例相對較高。這是由于采用BUFR格式編碼的飛機(jī)報(bào)時(shí)間精度已逐步提高到秒，NCEP業(yè)務(wù)質(zhì)量控制軟件包含的飛機(jī)報(bào)重復(fù)報(bào)檢查對部分觀測密度過大的時(shí)段或地區(qū)起到較好的稀疏化效果。

4　偏差訂正

4.1　探空溫度偏差訂正

觀測儀器和觀測方式的變化會導(dǎo)致探空溫度時(shí)間序列產(chǎn)生漂移。CRA-40使用RAOBCORE 1.4提供的訂正量[14]來訂正2013年以前全球探空溫度觀測的系統(tǒng)偏差。RAOBCORE 1.4以ERA-40和ERA-Interim的模式背景場作為參考序列進(jìn)行探空溫度斷點(diǎn)監(jiān)測和均一性訂正。對RAOBCORE 1.4未提供訂正量的部分中國站點(diǎn)，參照RAOBCORE 1.4的思路計(jì)算訂正量。此外，太陽輻射能導(dǎo)致白天觀測探空溫度存在系統(tǒng)偏差，該偏差大小與太陽高度角、儀器型號有關(guān)。經(jīng)過RAOBCORE 1.4溫度訂正后，再采用NCEP的輻射偏差訂正模塊（簡稱NCEP RADCOR）處理問題，具體參見文獻(xiàn)[21-22]。

圖5　不同平臺觀測的溫度、濕度和風(fēng)場的逐月數(shù)據(jù)量Fig. 5 Monthly counts, on a logarithmic scale, of observations assimilated in the atmospheric analysis component of CRA-40

圖6給出了2006年7月2—12日采用RAOBCORE 1.4訂正量和NCEP RADCOR前后中國探空站和國外探空站溫度相對于ERA-Interim再分析BIAS和RMSE的垂直分布。中國站點(diǎn)從2003年開始不再進(jìn)行輻射偏差訂正。RAOBCORE訂正后中國探空溫度和國外探空溫度相對于ERA-Interim的RMSE都明顯減小，溫度平均偏差絕對值在70 hPa以上顯著下降，和ERA-Interim更接近。在采用RAOBCORE基礎(chǔ)上增加RADCORE訂正量后，國外探空溫度的RMSE進(jìn)一步減小。但兩次溫度調(diào)整后，國外探空站在200 hPa附近相對ERAInterim的溫度負(fù)偏差有所增大。

從訂正前后誤差的空間分布圖看（圖7），訂正前中國探空溫度在50 hPa為明顯負(fù)偏差。印度、俄羅斯地區(qū)的溫度為明顯正偏差，個(gè)別站點(diǎn)的正偏差超過5 ℃。利用RAOBCORE1.4數(shù)據(jù)集實(shí)施訂正后，中國、印度、俄羅斯地區(qū)的誤差明顯下降，中國個(gè)別探空站的負(fù)偏差接近-2 ℃。采用NCEP RADCOR訂正后，部分站點(diǎn)的偏差有所下降，但印度、俄羅斯地區(qū)探空溫度的偏差過大現(xiàn)象依然存在。

表1　2006年7月9日00時(shí)CRA-40常規(guī)觀測數(shù)據(jù)量和質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)表Table 1 Data counts and quality control statistics for conventional data in CRA-40 for 0000 UTC 9 July 2006

圖6　探空溫度相對于ERA-Interim的BIAS（a，c）和RMSE（b，d）垂直分布（單位：℃）Fig. 6 Vertical distribution of bias (a, c) and RMSE (b, d) relative to ERA-Interim of radiosonde temperature for 2-12 July 2006. Dash lines are unadjusted. Solid lines are adjusted with RAOBCORE 1.4. Dot-dash lines are adjusted with RAOBCORE 1.4 and RADCOR

4.2　飛機(jī)觀測溫度偏差訂正

研究表明，飛機(jī)觀測溫度相對探空溫度在200 hPa附近存在暖偏差。飛機(jī)觀測溫度的系統(tǒng)偏差和飛機(jī)型號、飛行狀態(tài)等因素有關(guān)。CRA-40基于NCEP GSI同化系統(tǒng)對飛機(jī)觀測溫度進(jìn)行變分偏差訂正，訂正算法考慮了飛機(jī)的上升和下降速度。鑒于飛機(jī)觀測溫度偏差訂正不在同化前的觀測預(yù)處理環(huán)節(jié)，本文不過多闡述，具體細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[23]。

5　質(zhì)量評估與同化數(shù)據(jù)篩選

5.1　黑名單應(yīng)用

大氣再分析在進(jìn)入同化環(huán)節(jié)前關(guān)閉造成負(fù)面同化效果影響的觀測資料開關(guān)，這一過程稱之為數(shù)據(jù)選用（data selection）或黑名單（blacklist）。除了借助質(zhì)量控制剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，CRA-40通過質(zhì)量控制前的觀測資料預(yù)處理程序避免了觀測站點(diǎn)高度與模式高度差異懸殊的資料、模式地形層以下的探空資料、300 hPa以上探空濕度等觀測資料進(jìn)入同化系統(tǒng)。

此外，CRA-40同化系統(tǒng)會讀取外置黑名單文件。黑名單通常來自和觀測資料質(zhì)量相關(guān)的一些先驗(yàn)信息，如已知質(zhì)量較差的觀測站點(diǎn)，或者觀測儀器誤差較大的飛機(jī)、船舶等，或者通過質(zhì)量控制、比較觀測和背景場的偏差等方式來確定。對CFSR_OBS的質(zhì)量控制碼進(jìn)行分析可以獲取CFSR同化所用的部分觀測數(shù)據(jù)黑名單。ECMWF早期提供的同化前觀測數(shù)據(jù)選用信息包含了無線電探空、氣球測風(fēng)、飛機(jī)、地面氣象站、船舶和浮標(biāo)等幾類觀測數(shù)據(jù)被同化關(guān)閉的站號、船舶呼號、浮標(biāo)號或者飛機(jī)標(biāo)識符，但未提供具體的時(shí)間范圍。由于不同時(shí)期觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量存在差異，CFSR、ECMWF的黑名單并不完全適用于CRA-40。一些經(jīng)驗(yàn)性的做法可能導(dǎo)致過多觀測資料被關(guān)閉。如CFSR_OBS將2005—2007年的中國飛機(jī)報(bào)均標(biāo)注為黑名單，但分析發(fā)現(xiàn)，2005—2007年的中國飛機(jī)報(bào)僅2007年4月7日—5月25日中國飛機(jī)觀測溫度存在符號錯(cuò)誤，其他月份觀測數(shù)據(jù)未存在系統(tǒng)偏差或錯(cuò)誤。CRA-40常規(guī)資料預(yù)處理階段完成了所有常規(guī)觀測資料和ERA-Interim再分析的對比，以及CFSR_OBS和ECMWF黑名單信息的檢驗(yàn)評估，基于評估結(jié)果確定了觀測數(shù)據(jù)的黑名單。

圖7　2006年7月2—12日50 hPa探空溫度相對于ERAInterim的平均偏差（a）訂正前；（b）采用RAOBCORE 1.4訂正量；（c）采用RAOBCORE 1.4 +RADCOR訂正量。空心圈表示平均偏差超過5 ℃Fig. 7 Observation bias relative to ERA-Interim of radiosonde temperature on 50 hPa for 2-12 July 2006. (a)unadjusted, (b)adjusted with RAOBCORE 1.4, (c)adjusted with RAOBCORE 1.4 and RADCOR. Hollow circles represent the value is greater than 5 ℃

如圖8所示，進(jìn)入CRA-40黑名單的全球探空溫度和濕度數(shù)據(jù)在2010年以前比例超過了2%，進(jìn)入風(fēng)場黑名單的比例相對較低，約為0.6%。2010年開始進(jìn)入探空黑名單的觀測數(shù)據(jù)比例明顯下降，至2014年，僅0.5%的探空資料被納入黑名單。剔除黑名單站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)后，50～70 hPa全球探空溫度觀測相對于ERA-Interim的RMS有所減小，個(gè)別月份減小約0.3 ℃（圖9）。

圖8　2006—2014年進(jìn)入探空黑名單的逐月觀測數(shù)據(jù)比例Fig. 8 Rejecting percentage by blacklisting check of radiosonde data for 2006-2014. Solid line is temperature.Dash line is wind. Dot line is humidity

圖 9剔除黑名單前、后的70～100 hPa全球探空溫度相對于ERA-Interim再分析的逐月均方根誤差Fig. 9 Monthly RMSE of global radiosonde temperatures relative to ERA-Interim on 70～100 hPa for 2006 - 2014

CRA-40的飛機(jī)報(bào)黑名單來自各架飛機(jī)相對ERAInterim再分析的BIAS和RMSE統(tǒng)計(jì)分析。不同時(shí)期偏差過大的飛機(jī)標(biāo)識符被納入CRA-40的黑名單清單。評估發(fā)現(xiàn)全球飛機(jī)報(bào)包含的PIREP報(bào)文誤差過大，溫度相對AIREP、AMDAR、ACARS三類飛機(jī)報(bào)偏暖幅度接近2 ℃，因此CRA-40關(guān)閉了PIREP報(bào)文的同化。加入黑名單檢查后，全球飛機(jī)報(bào)的整體誤差水平有所降低,在對流層高層對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量改善效果相對更明顯，溫度RMSE降低了約0.1 ℃（圖10）。

5.2　濕度的評估與同化應(yīng)用

國際已有評估[24]表明，飛機(jī)觀測濕度的質(zhì)量和探空濕度相當(dāng)，有助于提高局地短期的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)效果。目前ECMWF、NCEP的全球和區(qū)域業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式均同化了飛機(jī)觀測濕度。CRA-40常規(guī)資料準(zhǔn)備過程中，完成了2000年10月至今的ACARS報(bào)文和2006年5月—2011年11月的TAMDAR報(bào)文兩類飛機(jī)報(bào)的濕度資料整理，這些濕度資料主要位于美國地區(qū)。為了決策是否在全球大氣再分析中同化飛機(jī)觀測濕度，對北美地區(qū)（50°—130°W，15°—55°N）探空、ACAR和TAMDAR的比濕相對于ERA-Interim的BIAS和RMSE進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，三者相對ERAInterim的RMSE均有明顯的季節(jié)變化，夏季誤差高于冬季。TAMDAR濕度的誤差接近探空濕度。但2011年以前，ACARS的濕度偏大。基于評估結(jié)果，1000 hPa以上的TAMDAR濕度和2011年以來的ACARS濕度進(jìn)入了CRA-40同化應(yīng)用。

圖10　黑名單檢查前后2014年7月全球飛機(jī)觀測溫度相對于ERA-Interim再分析的平均偏差和均方根誤差垂直分布Fig. 10 Vertical distributions of bias and RMSE of global aircraft observations relative to ERA-Interim before and after blacklisting for July 2014

分別選取2008年和2014年7—8月北美地區(qū)TAMDAR、ACARS、探空觀測濕度，計(jì)算觀測與分析場的差異（observation-minus-analysis，OMA），以及觀測與背景場的差異（observations-minusbackground，OMB）。結(jié)果（圖11）表明，飛機(jī)濕度的OMB、OMA和探空濕度的OMB、OMA垂直分布接近，飛機(jī)濕度OMA的平均偏差和均方根誤差總體小于探空濕度的OMA。在近地面層，探空和CRA-40比濕的平均偏差超過0.5 g/kg，ACARS比濕和CRA-40分析場的平均偏差不超過0.2 g/kg。TAMDAR、ACARS比濕相對CRA-40分析場的RMSE在對流層低層小于1 g/kg，比探空濕度對應(yīng)的RMSE要低0.5 g/kg。和ERA-Interim分析場相比，幾類濕度觀測更接近CRA-40分析場。

6　小結(jié)

CRA-40常規(guī)資料預(yù)處理的主要目的是為CRA-40及未來中國新一代的全球大氣再分析提供高質(zhì)量的觀測資料。針對40年全球大氣再分析（CRA-40）需求，國家氣象信息中心從2015年開始啟動全球常規(guī)資料預(yù)處理工作。以CFSR同化輸入常規(guī)觀測資料為主要數(shù)據(jù)源，收集和整理多個(gè)國家和機(jī)構(gòu)最新釋放的全球觀測數(shù)據(jù)集或歸檔的原始觀測報(bào)文，完成了多源觀測資料的整合。相對國際已有再分析產(chǎn)品，CRA-40同化應(yīng)用的全球常規(guī)資料在中國及周邊地區(qū)的地面、高空、海洋和飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)量明顯提升。偏差訂正后中國探空溫度在平流層的負(fù)偏差減弱，全球探空溫度相對ERA-Interim的RMSE在垂直各層總體減小。剔除黑名單對應(yīng)觀測數(shù)據(jù)可提高全球常規(guī)觀測資料的整體質(zhì)量。此外，CRA-40再分析產(chǎn)品研制新增了2006年以來部分飛機(jī)觀測濕度的同化。

圖11　2008年和2014年7—8月北美地區(qū)（50°—130°W，15°—55°N）比濕觀測相對于CRA-40分析場、背景場和ERA-Interim分析場的平均偏差（a，c）和均方根誤差（b，d）Fig. 11 Bias (a, c) and RMSE (b, d) of specific humidity observations relative CRA-40 analysis (solid lines),background (dash lines) and ERA-Interim reanalysis (dot lines) in North American for July - August in 2008 and 2014. Red lines represent radiosonde. Blue lines indicate TAMDAR. Black lines denote ACARS

附錄：英文縮寫定義

2017年6月，經(jīng)過預(yù)處理的2006—2016年全球常規(guī)資料已進(jìn)入CRA-40的10年中間產(chǎn)品研制。下一步，CRA-40常規(guī)資料預(yù)處理工作將繼續(xù)完成全球40年常規(guī)資料的預(yù)處理工作，重點(diǎn)解決40年資料黑名單的建立和評估問題。前期評估已發(fā)現(xiàn)，由于采用的元數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確度不高，RAOBCORE 1.4對1980—1990年代中國探空溫度的訂正量存在一些問題。CRA-40計(jì)劃在40年中國探空溫度訂正中采用自主研制的均一性訂正結(jié)果，并對RADCOR采用的中國歷史探空站輻射偏差訂正系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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