中國歷史探空資料部分等壓面位勢高度訂正

阮 新 熊安元 胡開喜 梁秀慧 王志文楊燕茹 鄒鳳玲

1)(國家氣象信息中心，北京 100081)2)(河北省氣象局，石家莊 050021) 3)(北京市氣象局，北京 100089)

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中國歷史探空資料部分等壓面位勢高度訂正

阮 新1)*熊安元1)胡開喜1)梁秀慧2)王志文3)楊燕茹1)鄒鳳玲1)

1)(國家氣象信息中心，北京 100081)2)(河北省氣象局，石家莊 050021)3)(北京市氣象局，北京 100089)

對中國高空探測歷史資料進(jìn)行靜力學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，1963年前900，800，80 hPa和60 hPa位勢高度記錄錯誤率異常偏高，20世紀(jì)70年代中期個別站250 hPa和70 hPa位勢高度記錄錯誤率也異常偏高。通過對中國高空觀測規(guī)范歷史沿革的分析和資料驗證，指出受當(dāng)時計算條件所限，這些等壓面上的位勢高度是在其他規(guī)定等壓面的位勢高度查表計算完成后，利用時間高度曲線通過人工插值估算獲得，主觀因素影響較大，易產(chǎn)生較大誤差，因而錯誤率異常偏高。該文提出依據(jù)靜力學(xué)原理重新計算這些等壓面位勢高度記錄的訂正方案，并進(jìn)行效果檢驗。結(jié)果表明：該方案能夠比較精確地還原臺站觀測時對位勢高度的正確計算，錯誤資料訂正后，相關(guān)高度靜力學(xué)余差序列趨向均一，訂正方案合理、有效。

探空資料; 位勢高度; 訂正

引 言

探空資料可以反映大氣的垂直結(jié)構(gòu)，在大氣污染擴(kuò)散研究、數(shù)值天氣預(yù)報、校準(zhǔn)衛(wèi)星資料、氣候變化研究等方面具有重要作用[1]。探空資料也被廣泛應(yīng)用于各種極端天氣氣候事件分析[2-7]。相對于衛(wèi)星資料而言，探空資料具有時間序列長、垂直分辨率高等優(yōu)點，是監(jiān)測高空大氣變化的重要數(shù)據(jù)來源[8]。而對于20世紀(jì)70年代以前，探空資料則是高空大氣的唯一信息來源[9]。位勢高度場對于分析大氣環(huán)流演變、理解全球及區(qū)域氣候變化和極端事件的動力特征具有重要意義，并對氣候變化研究、氣候模擬的檢驗以及再分析資料的評估和改進(jìn)具有重要作用[8,10-11]。

中國探空觀測開始于20世紀(jì)50年代初，此后迅速發(fā)展，50年代中期約有60個站，到1960年探空觀測站網(wǎng)已達(dá)到約100個站，并逐漸積累了完整、連續(xù)且覆蓋全國的歷史探空資料。中國探空觀測50年代初始階段采用美國和芬蘭等國的設(shè)備，50年代中期開始引進(jìn)、仿制蘇聯(lián)的觀測設(shè)備，并采用蘇聯(lián)的觀測規(guī)范。隨著時間的推移和我國氣象科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，先后經(jīng)歷了從蘇式P3-049型探空儀到我國自主研制的59型探空儀，以及目前使用的L波段高空探測系統(tǒng)的多次換型。觀測規(guī)范也經(jīng)歷了多次修訂。這些變化給高空觀測資料的質(zhì)量帶來各種各樣的影響，引入不同種類的誤差。這些誤差可能會影響基于歷史探空資料的科學(xué)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

觀測儀器的變化是導(dǎo)致高空觀測資料出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，進(jìn)而影響資料序列均一性的主要原因。大量研究結(jié)果表明，我國高空探測資料序列由于歷史上探空儀的多次更新而導(dǎo)致不連續(xù)。眾多研究表明，中國探空溫度和濕度資料序列由于儀器變更等原因?qū)е虏痪籟12-16]。馬穎等[17]利用中國70個探空站1個月的對比觀測資料，比較了59 型探空儀和L波段高空探測系統(tǒng)使用的電子探空儀溫度和位勢高度記錄的差異，分析了探空儀換型對資料一致性的影響。陶士偉等[18]以T213模式6 h預(yù)報場為背景場對L波段探空儀溫度資料的系統(tǒng)性偏差和隨機(jī)誤差進(jìn)行了評估。但這些研究主要針對探空資料中由于觀測原因造成的系統(tǒng)偏差和隨機(jī)誤差，且多限于較短時間的探空資料，僅翟盤茂[19]對中國歷史探空資料中的粗大誤差整體情況進(jìn)行了分析，并對20世紀(jì)60年代探空儀器變化給溫度和濕度時間序列帶來的不均一性進(jìn)行研究，指出不同時期的中國歷史探空資料因來源不同，錯誤率存在明顯差異。探空資料序列這些不連續(xù)將嚴(yán)重影響氣候變化事實的分析結(jié)果。

高空觀測中的記錄整理方法(如輻射誤差訂正方法、位勢高度計算參數(shù)等)變化同樣是引起觀測資料序列不均一的重要原因。20世紀(jì)80年代以來，世界氣象組織(WMO)委托英國氣象局利用歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心6 h預(yù)報場評估各國探空觀測的系統(tǒng)偏差和隨機(jī)誤差，分析全球高空記錄的一致性。20世紀(jì)90年代，該項工作曾報告中國探空觀測存在較大系統(tǒng)偏差和隨機(jī)誤差[20]。中國氣象局于2000—2001年對當(dāng)時59型探空儀的觀測誤差訂正方法進(jìn)行修正[21]。陶士偉等[22]依托中國國家氣象中心全球資料同化系統(tǒng)對訂正效果進(jìn)行了評估。

本研究發(fā)現(xiàn)，由于歷史上對原始觀測資料計算上的錯誤，導(dǎo)致1963年以前(含1963年)的中國歷史探空資料規(guī)定等壓面位勢高度記錄錯誤比例異常偏高，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)錯誤記錄集中在900，800，80 hPa和60 hPa 4個規(guī)定等壓面，比同期其他規(guī)定等壓面以及1964年以后相同規(guī)定等壓面位勢高度的錯誤率高出約兩個量級，且這一問題是全國性的。此外，1976—1977年云南省的昆明(56778)、河口(56989)、麗江(56651)和騰沖(56739)4個站在250 hPa和70 hPa兩個規(guī)定等壓面依然存在位勢高度記錄錯誤比例異常偏高的問題。在研究中國探空觀測歷史沿革的基礎(chǔ)上，深入分析了這一階段特定規(guī)定等壓面位勢高度錯誤記錄異常偏多的原因，提出了訂正方案，并從多個角度對訂正效果進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明：依據(jù)本文的訂正方案重新計算的位勢高度資料與正確的原始記錄非常接近；錯誤資料訂正后，相關(guān)氣層靜力學(xué)余差序列趨向均一，驗證了訂正方案的可行性。

1 中國早期探空觀測位勢高度資料存在的問題

靜力學(xué)檢查是針對探空資料中位勢高度和溫度在觀測完成后發(fā)生錯誤最有效的檢查方法。高空觀測中規(guī)定等壓面的高度由測站海拔位勢高度上累加規(guī)定等壓面之間厚度得到。臺站在記錄整理完成后，不僅報告觀測到的溫、壓、濕數(shù)據(jù)，同時報告規(guī)定等壓面的位勢高度，這就構(gòu)成了探空資料質(zhì)量控制的一個重要冗余信息。靜力學(xué)檢查以在一定的誤差范圍內(nèi)，能否用資料中的高度、溫度和濕度記錄還原臺站觀測時對規(guī)定等壓面之間厚度的計算作為判據(jù)，檢查溫度和位勢高度記錄是否存在粗大誤差[23]。

靜力學(xué)余差是指兩個等壓面之間的報告厚度與依據(jù)兩個等壓面的溫、壓、濕計算所得厚度的差[24]，這一差值是因為等壓面資料無法還原當(dāng)時的精確觀測過程產(chǎn)生的。它能夠反映探空資料是否在觀測完成后被引入了粗大誤差，如果資料正確，靜力學(xué)余差應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化。如果靜力學(xué)余差超過了通常的變動范圍，則提示資料可能在觀測完成之后發(fā)生了錯誤，這個通常的變動范圍即靜力學(xué)檢查的界限值。對于同一觀測站,一般在同一高度上，氣層越厚靜力學(xué)余差越大。靜力學(xué)檢查通過相鄰兩個氣層靜力學(xué)余差的大小和關(guān)系判斷資料是否存在錯誤。最典型的判斷是兩個相鄰厚度層靜力學(xué)余差都超過了界限值，如果它們符號相反，大小接近，則判斷這兩個氣層共用等壓面的位勢高度記錄為錯誤記錄；如果符號相同，大小接近則判斷是它們共用的等壓面的溫度為錯誤記錄。靜力學(xué)檢查具體方法可參閱文獻(xiàn)[23-26]。

本文用靜力學(xué)檢查對1951—2012年中國探空觀測所有規(guī)定等壓面資料進(jìn)行了質(zhì)量控制，包括1000，925，900，850，800，700，600，500，400，300，250，200，150，100，80，70，60，50，40，30，20，15，10，7 hPa和5 hPa。其中，900，800，80 hPa和60 hPa資料1975年12月截止，250 hPa和70 hPa資料始于1976年1月。圖1是中國探空觀測規(guī)定等壓面位勢高度逐年錯誤率，可以看出，1963年以前中國探空位勢高度資料的錯誤率與其他時段存在量級上的差異：1963年以前，規(guī)定等壓面位勢高度資料錯誤率明顯偏高，部分年份高達(dá)6%；1964年以后除20世紀(jì)70年代中期錯誤率稍高外，其他年份均未超過1‰；20世紀(jì)70年代末開始使用計算機(jī)以后，位勢高度的錯誤率降低到約0.1‰，甚至更低。圖2給出了各規(guī)定等壓面的位勢高度錯誤率，位勢高度的錯誤主要集中在900，800，80 hPa和60 hPa 4個規(guī)定等壓面，錯誤率達(dá)到2%～11%，而其他等壓面錯誤率不到1‰。

圖1 1951—2012年中國探空資料規(guī)定等壓面位勢高度逐年錯誤率Fig.1 Annual erroneous ratio of mandatory-level geopotential heights of Chinese radiosonde observations from 1951 to 2012

圖2 1951—2012年中國探空資料規(guī)定等壓面位勢高度錯誤率Fig.2 Erroneous ratio of each mandatory-level geopotential heights of Chinese radiosonde observations from 1951 to 2012

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，幾乎全國所有探空站與這些等壓面相關(guān)氣層的靜力學(xué)余差在1963年以前(含1963年)都遠(yuǎn)大于1963年以后。以江西省贛州站(57993)為例，其1963年12月以前和1964年1月—1975年12月兩個階段各規(guī)定等壓面之間氣層靜力學(xué)余差的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示，該站1963年以前900～1000 hPa，850～900 hPa，800～850 hPa，700～850 hPa和80～100 hPa，60～80 hPa靜力學(xué)余差的標(biāo)準(zhǔn)差明顯比1963年以后大，而其他氣層的靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差的差異不明顯。

圖3 1963年12月前后江西省贛州站各相鄰等壓面之間氣層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3 Standard deviation of hydrostatic residue of each mandatory level at Ganzhou Station of Jiangxi before and after Dec 1963

此外，1976—1977年昆明、河口、麗江和騰沖4個站250 hPa和70 hPa規(guī)定等壓面的位勢高度記錄錯誤比例也異常偏高，接近50%。這兩個規(guī)定等壓面從1976年1月開始觀測，以昆明站為例，比較了其1976年1月—1977年5月和1977年6月—1999年12月兩個階段各氣層靜力學(xué)余差的變化范圍(圖4)。結(jié)果表明：1977年5月以前250～300 hPa， 200～300 hPa， 70～100 hPa和50～70 hPa 4個氣層靜力學(xué)余差的變化范圍遠(yuǎn)大于1977年5月以后，其他氣層的靜力學(xué)余差在前后兩個階段差異不明顯。河口、麗江和騰沖3個站存在同樣問題。

圖4 1977年5月前后云南省昆明站各相鄰等壓面之間氣層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Standard deviation of hydrostatic residue of each mandatory level at Kunming Station of Yunnan before and after May 1977

靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差偏大，表明這些氣層在相應(yīng)階段的靜力學(xué)余差的變化范圍偏大，圖5和圖6給出了更直觀的展示。

受限于20世紀(jì)50年代和60年代中國高空觀測的技術(shù)條件，達(dá)到80 hPa或60 hPa的探空不多，且觀測誤差較大，因此，本文后續(xù)的實例分析主要以900 hPa，800 hPa以及1976年后250 hPa和70 hPa為例。

2 問題原因

靜力學(xué)檢查所判定的錯誤一般是觀測完成之后引入的[26]。這類錯誤通常是在觀測完成后的數(shù)據(jù)抄錄、編碼解碼和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)由于失誤等原因造成的，多為零散發(fā)生。但中國早期探空資料中900 hPa和800 hPa以及個別站250 hPa和70 hPa的位勢高度記錄的錯誤在特定階段集中發(fā)生。對1963年以前存在900，800，80 hPa和60 hPa等規(guī)定等壓面位勢高度錯誤的探空進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這些探空的相關(guān)靜力學(xué)余差存在共同點，即這些等壓面上下相鄰氣層的靜力學(xué)余差較大，超過界限值，且大小接近，符號相反。以800 hPa的位勢高度錯誤為例，這些探空800～850 hPa和700～800 hPa兩個氣層的靜力學(xué)余差均超過界限值，且大小接近、符號相反，因此，靜力學(xué)檢查判斷是它們共用的800 hPa高度錯誤，而跨過800 hPa厚度更大的700～850 hPa的靜力學(xué)余差卻很小。昆明、河口、麗江和騰沖4個站1976—1977年存在250 hPa和70 hPa位勢高度錯誤探空的相關(guān)靜力學(xué)余差也存在同樣問題。

圖5 1963年12月前后江西省贛州站900 hPa和800 hPa相關(guān)氣層靜力學(xué)余差變化Fig.5 Different range of hydrostatic residue for 900 hPa and 800 hPa at Ganzhou Station of Jiangxi before and after Dec 1963

圖6 1977年5月前后云南省昆明站250 hPa和70 hPa相關(guān)氣層靜力學(xué)余差變化Fig.6 Different range of hydrostatic residue for 250 hPa and 70 hPa at Kunming Station of Yunnan before and after May 1977

圖7給出了贛州站1963年12月前后兩個階段各跨層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計結(jié)果，從這兩個階段跨層靜力學(xué)余差的變化范圍看，該站850～1000 hPa和700～850 hPa的靜力學(xué)余差在1963年前后差異不大。圖8給出了昆明站1977年5月前后各跨層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計結(jié)果，該站200～300 hPa和50～100 hPa的靜力學(xué)余差的變化范圍在1977年5月前后也沒有明顯的差異。出現(xiàn)這一問題是在特定的時間段內(nèi)900，800，80 hPa和60 hPa位勢高度記錄的獲取方式與其他規(guī)定等壓面不同造成的。

圖7 1963年12月前后江西省贛州站各跨層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.7 Standard deviation of hydrostatic residue at Ganzhou Station of Jiangxibefore and after Dec 1963

圖8 1977年5月前后云南省昆明站各跨層靜力學(xué)余差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Standard deviation of hydrostatic residueat at Kunming Station of Yunnan before and after May 1977

高空觀測中記錄整理方式一般如下：首先將數(shù)據(jù)采樣點點繪并連接得到時間氣壓曲線、時間溫度曲線和時間濕度曲線，再通過氣壓與時間的對應(yīng)關(guān)系從時溫曲線和時濕曲線上讀取某個氣壓所對應(yīng)的溫度和濕度，得到該等壓面的溫度和濕度。然后按照定積分的中值定理，在時溫曲線和時濕曲線上用等面積法求得兩個規(guī)定等壓面之間氣層的平均溫度和平均濕度，再用靜力學(xué)公式計算就能夠得到相應(yīng)氣層的厚度，累加得到各等壓面高度。各規(guī)定等壓面高度點繪成時間高度曲線，可進(jìn)一步獲取規(guī)定高度風(fēng)等信息。

高空觀測過程中需要進(jìn)行大量計算。中國高空觀測在20世紀(jì)70年代末開始使用計算機(jī)前，由于缺乏計算條件，規(guī)定等壓面之間厚度通過查表得到。1963年以前觀測規(guī)范[27-30]給出的規(guī)定等壓面間厚度表里只有850～1000 hPa，700～850 hPa等氣層的厚度，900～1000 hPa和800～850 hPa等氣層的厚度無法通過查表直接得到，而是在查表得到1000，850 hPa和700 hPa的高度后，在時間高度曲線上通過內(nèi)插的方法人工讀取，主觀因素的影響較大，容易發(fā)生錯誤。反映在歷史探空資料各層的靜力學(xué)余差上，便出現(xiàn)了圖3～6所揭示的現(xiàn)象，部分相鄰規(guī)定等壓面間靜力學(xué)余差明顯大，而跨過這些等壓面厚度更大的氣層的靜力學(xué)余差反而小。

1963年7月中央氣象局頒布了新的《高空氣象觀測規(guī)范(使用P3-049 型探空儀)》[31]，明確了規(guī)定等壓面包括1000，900，850，800，700，600，500，400，300，200，150，100，80，60，50，40，30，20，15 hPa和10 hPa，在規(guī)定等壓面厚度表中增加900～1000 hPa，850～900 hPa，800～850 hPa，700～800 hPa 等氣層的厚度。1964年8月印發(fā)的《高空氣象觀測規(guī)范說明及問題綜合解答(使用P3-049 型探空儀)》[32]中再次強(qiáng)調(diào)各規(guī)定等壓面的高度必須通過計算得到。絕大多數(shù)臺站從1964年1月起，900～1000 hPa，850～900 hPa，800～850 hPa 和700～800 hPa等氣層的靜力學(xué)余差變化范圍減小到與此后一致的水平，但北京站和貴陽站分別到1964年2月和1965年1月才開始按照新規(guī)范獲取這兩個等壓面的位勢高度。

1976年觀測規(guī)范[33]新增加了250 hPa和70 hPa兩個規(guī)定等壓面，昆明、河口、麗江和騰沖4個站1976—1977年250 hPa和70 hPa兩個規(guī)定等壓面的位勢高度出現(xiàn)了類似早期900 hPa和800 hPa的問題，最長持續(xù)19個月。產(chǎn)生這一問題的具體原因已經(jīng)無從查考，可能與當(dāng)?shù)赜^測規(guī)范沒有及時更新貫徹，觀測人員習(xí)慣性地沿用1963年以前對900 hPa和800 hPa位勢高度記錄的處理方法有關(guān)。

3 訂正方案

由于臺站原始探空觀測信息已難以獲取，僅規(guī)定等壓面的溫濕度不足以反映大氣垂直結(jié)構(gòu)的所有細(xì)節(jié)。特性層捕捉了大氣層結(jié)中等溫層和逆溫層的起始位置、終止位置以及其他溫度和濕度梯度的顯著轉(zhuǎn)折點[31-35]，將特性層的溫、濕度記錄引入厚度計算能夠較精細(xì)反映真實的大氣垂直結(jié)構(gòu)，得出比較準(zhǔn)確的計算高度。中國早期探空觀測規(guī)范厚度表包含的1000，850，300 hPa和100 hPa等規(guī)定等壓面的位勢高度通過查表計算直接求得，得到的高度數(shù)值較為準(zhǔn)確。因此，可在這些規(guī)定等壓面高度的基礎(chǔ)上，充分利用特性層資料，采用靜力學(xué)公式對900，800，250，80，70 hPa和60 hPa的位勢高度進(jìn)行重新計算，完成對位勢高度的訂正。

根據(jù)壓高公式[35]，等壓面第(i-1)層和i之間的厚度為

(1)

假設(shè)兩個規(guī)定等壓面第(i-1)層和第i層之間有m個特性層，則這兩個規(guī)定等壓面之間的氣層被分隔為(m+1)個薄的氣層。為表述方便，將上下兩個規(guī)定等壓面和特性層統(tǒng)一重新編號為0到(m+1)。這些薄的氣層內(nèi)的溫濕度隨高度接近線性變化，該氣層內(nèi)的平均虛溫可以由上下層的虛溫求算術(shù)平均得到，并通過式(1)求得各個薄層的厚度，在規(guī)定等壓面第(i-1)層的高度上累加各個薄層的厚度，可以準(zhǔn)確地計算出規(guī)定第i層等壓面的位勢高度。

結(jié)合特性層資料，規(guī)定等壓面第(i-1)層和第i層之間厚度的計算公式為

(2)

我國2000年以前厚度計算公式中，干空氣比氣體常數(shù)Rd和重力加速度g的數(shù)值與目前所使用的數(shù)值略有不同。為了與同期其他規(guī)定等壓面位勢高度的計算保持一致，本文的厚度計算中這兩個參數(shù)也采用當(dāng)時的數(shù)值，即Rd取287.04 J/(kg·K)，g取9.80 m/s2。

此外，中國探空觀測對于400 hPa 以上的規(guī)定等壓面位勢高度計算時不進(jìn)行虛溫訂正[31-35]，因此,在重新計算250 hPa和70 hPa的位勢高度時，公式為

(3)

對這些規(guī)定等壓面位勢高度通過重新計算來訂正，要首先保證被訂正的等壓面溫度和濕度記錄、下面相鄰規(guī)定等壓面位勢高度、溫度和濕度記錄，以及兩個規(guī)定等壓面之間特性層記錄的正確。因此，首先采用氣候?qū)W界限值檢查、溫度的超絕熱遞減率檢查、靜力學(xué)檢查等方法對需要參與訂正計算的探空資料進(jìn)行質(zhì)量控制，只在這些資料正確的情況下進(jìn)行相應(yīng)探空的訂正計算。

4 對訂正方案的效果檢驗

4.1 獨立樣本檢驗

為了驗證訂正方案的有效性，首先采用贛州站和昆明站資料進(jìn)行效果檢驗。檢驗方法的設(shè)計思路是如果采用上述訂正方案重新計算的某等壓面的位勢高度(簡稱為計算高度)，與觀測時根據(jù)氣壓、溫度和濕度曲線正確計算得出的原始位勢高度記錄數(shù)值相差不大，那么訂正方案是可行的。由圖5和圖6可知，1964—1975年贛州站探空資料900 hPa和800 hPa的位勢高度不存在系統(tǒng)性計算錯誤問題，而1977年6月以后昆明站250 hPa和70 hPa的位勢高度資料也不存在類似問題。為此，分別采用1964年1月—1975年12月贛州站和1977年6月—1998年12月昆明站探空資料對訂正方案進(jìn)行檢驗。

圖9和圖10分別是1964年1月—1975年12月贛州站900 hPa和800 hPa以及1977年6月—1998年12月昆明站250 hPa和70 hPa的計算高度與原始高度記錄差值的概率分布。由圖9可以看到，贛州站900 hPa和800 hPa的計算高度的誤差均在±5 gpm范圍內(nèi)，其中分別有56.7%和44.4%的計算高度與原始高度記錄完全一致。對昆明站250 hPa位勢高度重新計算也取得了很好的效果，所有計算高度的誤差在±5 gpm范圍內(nèi)，其中，79.3%的計算高度誤差在±2 gpm范圍內(nèi)。但對昆明站70 hPa位勢高度的重新計算則誤差稍大，有近20%的計算高度誤差超過±5 gpm，但均在±19 gpm范圍內(nèi)。70～100 hPa氣層的厚度約為2300 gpm，遠(yuǎn)超過900～1000 hPa，800～850 hPa和250～300 hPa的厚度，這是用100 hPa的位勢高度重新計算70 hPa位勢高度誤差稍大的原因之一；此外，高空觀測規(guī)范規(guī)定對流層頂以上的特性層選取標(biāo)準(zhǔn)與對流層相比要寬泛一些[26-34]，只捕捉非常顯著的溫度拐點，這是采用100 hPa高度重新計算70 hPa高度誤差稍大的另一個原因。

圖9 江西省贛州站計算高度與原始高度差的概率密度分布Fig.9 Probability density distribution of difference between calculated and original geopotential heights at Ganzhou Station of Jiangxi

圖10 云南省昆明站計算高度與原始高度差的概率密度分布Fig.10 Probability density distribution of difference between calculated and original geopotential heights at Kunming Station of Yunnan

4.2 訂正效果檢驗

對于確實需要訂正的資料無法獲取其應(yīng)有的位勢高度真值，只能采用其他方法進(jìn)行訂正效果檢驗。以800 hPa位勢高度的訂正為例，采用在850 hPa位勢高度的基礎(chǔ)上累加根據(jù)溫、壓、濕計算出的800～850 hPa的厚度的方法，得到800 hPa訂正位勢高度。如果訂正合理，700～800 hPa之間氣層的靜力學(xué)余差應(yīng)減小。圖11是贛州站1963年12月以前900 hPa和800 hPa位勢高度訂正后850～900 hPa和700～800 hPa的靜力學(xué)余差?？梢钥闯?，與圖5相比，訂正后1963年以前700～800 hPa的靜力學(xué)余差明顯減小，并與1963年以后相應(yīng)氣層的靜力學(xué)余差表現(xiàn)一致，證明訂正方案可行。圖12是昆明站1977年5月以前250 hPa和70 hPa位勢高度訂正后相關(guān)氣層的靜力學(xué)余差與后期的比較。

圖11 江西省贛州站900 hPa和800 hPa相關(guān)氣層靜力學(xué)余差(1963年12月以前為訂正后位勢高度)Fig.11 Hydrostatic residue of 900 hPa and 800 hPa at Ganzhou Station of Jiangxi (with corrected geopotential heights before Dce 1963)

圖12 云南省昆明站250 hPa和70 hPa位勢高度相關(guān)氣層靜力學(xué)余差(1977年5月以前為訂正后位勢高度)Fig.12 Hydrostatic residue of 250 hPa and 70 hPa at Kunming Station of Yunnan (with corrected geopotential heights before May 1977)

5 結(jié) 論

研究表明：

1) 1963年以前的中國探空資料中900，800，80 hPa和60 hPa等規(guī)定等壓面位勢高度在靜力學(xué)檢查中發(fā)現(xiàn)大量錯誤，錯誤率達(dá)到2%～11%。原因是當(dāng)時觀測規(guī)范中尚不包含根據(jù)靜力學(xué)公式制作的這些規(guī)定等壓面在各種溫、濕條件下的厚度表。與其他規(guī)定等壓面不同，這些等壓面相關(guān)氣層的厚度不是查表得到，而是在時間高度曲線上通過內(nèi)插的方法人工讀取，受主觀因素影響，誤差較大。

2) 1976—1977年云南省昆明、河口、麗江和騰沖4個站250 hPa和70 hPa兩個規(guī)定等壓面相關(guān)的位勢高度記錄錯誤率也異常偏高，接近50%，相關(guān)氣層靜力學(xué)余差遠(yuǎn)大于其他氣層。

3) 本文依據(jù)靜力學(xué)原理，給出了結(jié)合特性層資料重新計算相應(yīng)規(guī)定等壓面位勢高度的誤差訂正方案。檢驗結(jié)果表明：依據(jù)訂正方案重新計算的位勢高度80%以上與正常的原始記錄誤差不超過±5 gpm，能夠比較精確地還原臺站觀測時對位勢高度的正確計算；錯誤資料訂正后，相關(guān)氣層靜力學(xué)余差序列趨向均一，表明訂正方案合理、有效。

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Correcting Geopotential Height Errors of Some Mandatory Levels of Chinese Historic Radiosonde Observations

Ruan Xin1)Xiong Anyuan1)Hu Kaixi1)Liang Xiuhui2)Wang Zhiwen3)Yang Yanru1)Zou Fengling1)

1)(NationalMeteorologicalInformationCenter,Beijing100081)2)(HebeiProvincialMeteorologicalBureau,Shijiazhuang050021)3)(BeijingMeteorologicalBureau,Beijing100089)

Radiosonde observations are crucial in weather forecast and upper-air climate research. Due to their high vertical resolution, they are also important for calibration and validation of satellite temperature and water vapor retrievals. Quality control of Chinese radiosonde observations of 1951-2012 is conducted with hydrostatic check, and the result reveals that ratios of erroneous geopotential height (GPH) of 900 hPa, 800 hPa, 80 hPa and 60 hPa before 1963 are 2%-11%, which are much higher than other levels. The ratios of erroneous GPH of 250 hPa and 70 hPa in mid of the 1970s of a few stations in Yunnan Province are also much higher than other levels. Changes with observation code and practice in Chinese radiosonde observations are thoroughly investigated. Then the possible cause of the phenomenon is analyzed and validated with observations.

The height of each pressure level in sounding is calculated by accumulating the thickness of layers between each pressure levels below on the base of station elevation. And the thickness is determined by hydrostatic equation automatically nowadays, but due to the limitation of calculation capacity before the 1980s, they are available in ready-made GPH-table. However, 900 hPa, 800 hPa, 80 hPa and 60 hPa are not included in the GPH-table possibly because they are not directly used in weather charts then. So GPHs of levels in question are obtained through interpolation on time-GPH chart after GPH of other levels are available on the chart through looking up the GPH-table. This practice makes GPH of levels in question vulnerable to human mistakes, thus many records contain errors. The explanation to the cause of the problem is validated with observations.

Furthermore, the method to correct the erroneous GPH record is proposed, which is to recalculate it based on hydrostatic equation with correct observations of other levels from the same sounding. The correcting method is validated since the originally correct GPH records are reproduced accurately. For 900 hPa and 800 hPa of Ganzhou Station, differences between reproduced GPHs and original ones are less than 5 gpm, and about 50% of reproduced GPHs are exactly the same as original ones. Differences for 250 hPa of Kunming Station are all less than 5 gpm either, but differences are slightly larger for 70 hPa, possibly because the layer between 70-100 hPa is as large as 2300 gpm approximately, and significant levels are not enough to reveal all the details of temperature profile. Besides, the correcting method is validated from another aspect, since after the erroneous GPH are corrected, the relevant hydrostatic residue series become consistent.

radiosonde observations; geopotential height; correction

10.11898/1001-7313.20150301

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2010CB951602),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201406001)，國家科技支撐計劃(2012BAC22B05),中國氣象局氣候變化專項(CCSF201330)

阮新,熊安元,胡開喜,等. 中國歷史探空資料部分等壓面位勢高度錯誤訂正. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26(3)：257-267.

2014-09-10收到， 2015-03-02收到再改稿。

* email: ruanx@cma.gov.cn