邱麗霞

(福建省氣象信息中心，福建 福州 350008)

1 概述

高空氣象觀測(cè)是氣象綜合觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是氣象預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、氣象服務(wù)、科學(xué)試驗(yàn)和相關(guān)行業(yè)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)性技術(shù)支撐。目前世界高空氣象觀測(cè)站主要分為GCOS探空站、全球資料交換探空站、非全球資料交換探空站。全球常規(guī)高空氣象觀測(cè)網(wǎng)(氣球攜帶探空儀觀測(cè))由約1600個(gè)探空站組成，其中有900個(gè)為全球資料交換站。我國(guó)業(yè)務(wù)化的高空氣象站網(wǎng)已經(jīng)成為世界高空氣象觀測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，120個(gè)常規(guī)高空氣象觀測(cè)站定時(shí)施放探空氣球或測(cè)風(fēng)氣球，通過其所攜帶的探測(cè)儀器探測(cè)高空氣象要素值，并將獲取的資料按世界氣象組織規(guī)定的統(tǒng)一格式整理、編報(bào)、傳輸給有關(guān)部門，其中有87個(gè)站參加全球資料交換。為保證資料的準(zhǔn)確性，對(duì)高空氣象觀測(cè)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制很有必要。

從我國(guó)目前高空觀測(cè)資料的獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程看，高空氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制工作主要包括三個(gè)層次：一是觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，主要包括各種儀器的訂正算法、感應(yīng)元件校準(zhǔn)等，在業(yè)務(wù)管理部門和探空儀生產(chǎn)工廠進(jìn)行；二是高空觀測(cè)過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，由臺(tái)站高空業(yè)務(wù)值班人員在觀測(cè)過程中完成；三是在資料入庫前最后的質(zhì)量控制，由省級(jí)對(duì)非實(shí)時(shí)高空氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行審核。本文總結(jié)了在省級(jí)審核過程中出現(xiàn)較多的典型記錄，并提出判別分析過程和處理方法。

2 早(遲)按放球鍵的觀測(cè)記錄

在高空觀測(cè)過程中，由于主、副班之間溝通不暢，會(huì)造成放球時(shí)刻主班按下放球鍵與副班氣球升空之間不同步，導(dǎo)致觀測(cè)記錄出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失(遲按放球鍵)或部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊(早按放球鍵)，出現(xiàn)這種問題常引起整份觀測(cè)記錄的系統(tǒng)誤差。

2.1 實(shí)例分析

資料來源于福州探空站(站號(hào)58847)2019年12月31日01時(shí)單測(cè)風(fēng)，氣球施放時(shí)能見度5.4km，有輕霧；探測(cè)資料時(shí)長(zhǎng)54min。

2.2 判別過程

這是58847站的一個(gè)單測(cè)風(fēng)放球記錄。從該份放球記錄的球坐標(biāo)曲線(圖1)上看，符合單測(cè)風(fēng)探測(cè)規(guī)律，曲線平滑，沒有突變，是一份正常記錄。

但是在查看放球后每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣球施放后的1s，仰角即從0.00°上升到60.79°，方位角從97.00°轉(zhuǎn)換到245.99°(表1)，這是不合理的。

圖1 球坐標(biāo)曲線

表1 放球后3s球坐標(biāo)數(shù)據(jù)

由于這是一個(gè)單測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)文件，沒有氣球升空后的壓、溫、濕數(shù)據(jù)和地面施放瞬間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合比對(duì)，只能通過查詢放球前的每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)來尋找雷達(dá)球坐標(biāo)突變的原因。表2為調(diào)取該時(shí)次放球前5min的部分球坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

表2 放球前5min每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)查詢(部分)

通過觀察放球前5min的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以看出，從放球前32s(即數(shù)據(jù)列表的4′28″，為倒計(jì)時(shí))開始，仰角上升，方位發(fā)生變化，高度遞增，符合探空氣球初升空的規(guī)律；同時(shí)，該組數(shù)據(jù)的最后一秒(即數(shù)據(jù)列表的4′59″)和放球后1s球坐標(biāo)數(shù)據(jù)的銜接是契合的，如表3所示。

表3 按放球鍵前、后1s球坐標(biāo)數(shù)據(jù)

基于此，判斷該份單測(cè)風(fēng)記錄由于主、副班沒有協(xié)調(diào)同步，導(dǎo)致氣球升空后32s才按下放球鍵，屬于遲按放球鍵問題。

2.3 解決方法

遲按放球鍵32s，相當(dāng)于丟失了從地面1～32s的雷達(dá)球坐標(biāo)數(shù)據(jù)，需對(duì)這32s的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。在數(shù)據(jù)處理軟件的“數(shù)據(jù)輔助處理”菜單中選擇“球坐標(biāo)數(shù)據(jù)查詢”狀態(tài)，再選擇“放球時(shí)間訂正”“遲按了放球鍵32秒”，軟件會(huì)將放球前32s的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)插入到放球后1s，其他數(shù)據(jù)順延。恢復(fù)后的記錄顯示，量得風(fēng)層、規(guī)定等壓面、規(guī)定高度、風(fēng)特性層的風(fēng)向風(fēng)速均產(chǎn)生了誤差，主要是因時(shí)間錯(cuò)誤而引起的系統(tǒng)誤差。圖2為恢復(fù)數(shù)據(jù)前后風(fēng)特性層的風(fēng)向、風(fēng)速誤差。

圖2 恢復(fù)數(shù)據(jù)前后風(fēng)特性層風(fēng)向、風(fēng)速誤差

3 錯(cuò)誤刪除探空信號(hào)的觀測(cè)記錄

錯(cuò)誤刪除探空信號(hào)主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)觀測(cè)中，值班員判斷錯(cuò)誤，把變化幅度較大的正常探空壓溫濕信號(hào)當(dāng)成野值刪除，因此造成氣壓、溫度或濕度特性層結(jié)的缺失。

3.1 實(shí)例分析

資料來源于龍巖探空站(站號(hào)58927)2018年5月25日07時(shí)綜合觀測(cè)，氣球施放時(shí)能見度10.3km，無天氣現(xiàn)象；探測(cè)資料時(shí)長(zhǎng)85min。

3.2 判別過程

通過“顯示所有數(shù)據(jù)曲線”和“恢復(fù)為修改前數(shù)據(jù)”操作，可以看到探空信號(hào)的原始狀態(tài)，圖3顯示的是58927站在該次施放氣球過程中6′00″～8′30″之間的探空濕度信號(hào)原始曲線，圖中畫圈處顯示，為了追求探空曲線的平滑，6′03″～6′10″、8′16″～8′27″之間的濕度信號(hào)被值班員刪除了。

圖3 探空濕度信號(hào)原始曲線

《高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》[1]規(guī)定，溫、濕特性層為溫度或濕度層結(jié)曲線的顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)，凡在U-lnP(相對(duì)濕度-對(duì)數(shù)氣壓)坐標(biāo)上，濕度變化曲線與已選溫、濕特性層間的相對(duì)濕度線性內(nèi)插值超過15%者，則在差值最大處補(bǔ)選一溫、濕特性層。

在該時(shí)次記錄中，由于被刪除的6′03″～6′10″之間的濕度最大值是64%，和前一特性層801hPa(56%)相比，小于15%，所以該段數(shù)據(jù)的刪除對(duì)特性層沒有影響；反之，被刪除的8′16″～8′27″之間的濕度最小值是719hPa(27%)，和前一特性層801hPa(56%)相比，大于15%。所以，除了應(yīng)該把719hPa處選取為特性層之外，還要在719hPa和前一特性層801hPa之間、719hPa和后一特性層644hPa之間的濕度差值最大處再選取一個(gè)特性層，分別為733hPa(49%)、716hPa(45%)。

3.3 解決方法

選中需要恢復(fù)數(shù)據(jù)的區(qū)域?qū)⒅畼?biāo)記為藍(lán)色，使用“恢復(fù)(一點(diǎn)或一段)數(shù)據(jù)有效”功能恢復(fù)8′16″～8′27″之間的探空數(shù)據(jù)并保存，重新生成高表-14?？梢钥吹剑謴?fù)數(shù)據(jù)后的特性層增加了3層，正是因?yàn)椴划?dāng)操作而丟失的近地面3個(gè)溫濕顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)(表4)。

表4 質(zhì)控前、后的特性層數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4為質(zhì)控前、后的特性層圖形對(duì)比，圖中畫圈處較為直觀地顯示了新增3個(gè)特性層的選取情況。

(a)

(b)

4 其它典型問題的觀測(cè)記錄

在日常大量的審核工作中，還發(fā)現(xiàn)一些其他有代表性問題的觀測(cè)記錄，這些記錄和氣球施放時(shí)刻的天氣狀況異常與否無關(guān)，都是由于對(duì)高空觀測(cè)規(guī)范理解不透徹或者粗心造成操作失誤，主要表現(xiàn)為以下幾大類型。

4.1 終止層選擇不當(dāng)

探空氣球上升到達(dá)一定高度后球皮會(huì)膨脹破裂，這意味著此次探測(cè)過程的結(jié)束，需要確定該次高空探測(cè)終止層。臺(tái)站在選擇終止層上常會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤是，把終止層確定在氣壓開始下降的那一刻，而不考慮溫度和濕度的變化。一般來說，球炸之后由于重力的作用，探空儀帶著破裂的球皮下降，這時(shí)氣壓會(huì)增大，溫度和濕度也會(huì)發(fā)生跳變，應(yīng)當(dāng)綜合這3個(gè)氣象要素來確定球炸的那一點(diǎn)為終止層；如果從探空信號(hào)難以確定終止層，還可以參考測(cè)風(fēng)球坐標(biāo)數(shù)據(jù)中仰角和高度值，觀察秒數(shù)據(jù)中仰角和高度下降的時(shí)間來綜合判斷。終止層選擇是否正確將直接影響到探測(cè)高度，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。

4.2 瞬間觀測(cè)超出規(guī)定時(shí)間范圍

《高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)在氣球施放前后5分鐘內(nèi)進(jìn)行施放瞬間壓、溫、濕、風(fēng)、云狀、云量、能見度和天氣現(xiàn)象等氣象要素的觀測(cè)。在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，有的值班員會(huì)忽視該規(guī)定。例如，58847站在2017年11月8日19時(shí)的觀測(cè)記錄，審核發(fā)現(xiàn)氣球施放瞬間濕度52%，而升空后第2秒濕度38%(未接收到第1秒數(shù)據(jù))，差值達(dá)14%。為尋找造成濕度如此大誤差的原因，省級(jí)審核查閱了當(dāng)日19∶15前后的自動(dòng)氣象站濕度分鐘數(shù)據(jù)，見表5。數(shù)據(jù)證明該時(shí)次的瞬間觀測(cè)是在19∶09進(jìn)行的，已經(jīng)超出規(guī)定時(shí)間范圍。經(jīng)驗(yàn)表明，瞬間觀測(cè)距離氣球施放時(shí)間越近，則地面點(diǎn)和氣球升空后的近地面數(shù)據(jù)擬合性越好，反之則誤差越大，需嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行。

表5 氣球施放時(shí)自動(dòng)氣象站濕度分鐘數(shù)據(jù)

4.3 變更放球點(diǎn)但未修改測(cè)站放球參數(shù)

在建設(shè)探空站時(shí)，一般會(huì)選取2～3個(gè)放球點(diǎn)，其中一個(gè)為固定放球點(diǎn)，其他為備選放球點(diǎn)。在常規(guī)高空探測(cè)中，需要根據(jù)氣球施放時(shí)刻的氣象因素(如大風(fēng)、靜風(fēng)、霧、強(qiáng)對(duì)流天氣等)和場(chǎng)地環(huán)境，選擇一個(gè)便于雷達(dá)天線自動(dòng)跟蹤、不易丟球的位置。變更放球點(diǎn)，就意味著變更施放點(diǎn)方位、仰角和施放點(diǎn)距離，即參與

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算的原點(diǎn)發(fā)生了變化，需要把默認(rèn)值修改為新的測(cè)站放球參數(shù)。以58847站2019年9月16日01時(shí)的觀測(cè)記錄為例，省級(jí)審核時(shí)通過“每秒球坐標(biāo)數(shù)據(jù)查詢”發(fā)現(xiàn)，地面0′00″和氣球施放后0′01″的方位角分別為335.0°和96.8°，顯然是變更了放球點(diǎn)但未修改測(cè)站放球參數(shù)。默認(rèn)參數(shù)為施放點(diǎn)方位335°，仰角0°，施放點(diǎn)距離36m；實(shí)際參數(shù)為施放點(diǎn)方位97°，仰角0°，施放點(diǎn)距離42m。通過修改地面觀測(cè)記錄表恢復(fù)為正確的記錄，發(fā)現(xiàn)規(guī)定高度300m、500m和規(guī)定等壓面1000hpa的風(fēng)向風(fēng)速，以及第1～3層風(fēng)特性層均受到了影響。

5 結(jié)束語

高空氣象數(shù)據(jù)審核是高空資料入庫及向國(guó)家氣象信息中心上傳資料前的最后一道質(zhì)量控制關(guān)卡，是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它是檢查判斷臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)是否與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相符合的過程，其目的在于檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而查找出可疑和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行修正。在這個(gè)過程中，工作人員要多檢查、多思考、多核對(duì)，做好高空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的格式檢查、缺測(cè)檢查、極值檢查、完整性檢查、一致性檢驗(yàn)等，特別要防止系統(tǒng)誤差、近地面層數(shù)據(jù)缺失等錯(cuò)誤，以確保高空氣象觀測(cè)資料的完整性和準(zhǔn)確性。