COSMIC資料在遠洋氣象保障中的應用

張釗揚 鐘劍 周炯 王國云

摘要利用COSMIC大氣主要氣象要素廓線資料，經(jīng)過數(shù)據(jù)標準化處理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)可視化，使其成為預報員能直接使用的可視化產(chǎn)品，以期改善包括廣大海洋地區(qū)缺乏實況氣象觀測資料的現(xiàn)狀。通過與再分析資料的對比發(fā)現(xiàn)，該資料雖然存在隨機性和不確定性等缺點，但其覆蓋面廣、精度高，能夠較好地反映大范圍的環(huán)流形勢和一定區(qū)域內(nèi)的天氣系統(tǒng)發(fā)展演變，尤其在測站稀少的大洋地區(qū)，在可預見的將來沒有大范圍氣象站點布設的情況下，COSMIC資料能夠起到部分替代實況觀測的作用。

關鍵詞COSMIC；標準化；質(zhì)量控制；Cressman客觀分析；遠洋氣象保障

中圖分類號U666.135文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）35-0190-03

AbstractBased on the COSMIC profile data of the main meteorological elements，through standardization，quality control and data visualization，make it a visualized product which can be directly used by the forecasters，in order to improve the current situation of the lack of the actual meteorological observational data in the vast ocean area.Comparing with reanalysis data found that despite the shortcomings of randomness and uncertainty，its wide coverage and high precision can well reflect the largescale circulation situation and the development of the weather system of a certain area.Especially in the ocean，in the foreseeable future without a wide range of meteorological site layout，COSMIC data can play a part of the role of alternative reality observation.

Key wordsCOSMIC；Standardization；Quality control；Cressman objective analysis；Ocean meteorological support

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和貿(mào)易全球化的持續(xù)推進，遠洋航運業(yè)務也日趨繁榮。面對廣闊的大洋和陌生的海域，氣象保障的重要性也日趨凸顯。由于大洋地區(qū)觀測資料稀少，目前遠洋氣象保障只能依靠數(shù)值預報產(chǎn)品。雖然數(shù)值預報的準確性越來越高，但其也經(jīng)常存在錯報漏報的情況，尤其是在缺乏實況檢驗的大洋地區(qū)。

20世紀90年代開始發(fā)展起來的空基GPS氣象學就是利用GPS掩星資料反演大氣主要氣象要素。其原理主要是根據(jù)低軌衛(wèi)星LEO（Low Earth Orbit）在掩星事件過程中接收到的GPS衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號的相位和振幅，利用GPS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的位置和速度數(shù)據(jù)，計算出GPS信號經(jīng)過地球大氣時發(fā)生的彎曲角，再對局部球?qū)ΨQ的假設下利用Abel積分求得折射率的廓線；最后利用折射率與大氣溫度、濕度和氣壓的關系公式，結合一維變分等方法反演出大氣的溫、壓、濕等要素[1-2]。目前，GPS掩星反演資料主要應用于資料同化領域，用于改善數(shù)值模式初始場，直接應用于業(yè)務的較少。筆者選取較為成熟的GPS掩星反演大氣主要氣象要素數(shù)據(jù)——COSMIC數(shù)據(jù)，經(jīng)過標準化處理、質(zhì)量控制及可視化，使其成為預報員能直接使用的可視化產(chǎn)品，并考察其在氣象預報保障中的可用性。

1COSMIC資料介紹

中國臺灣地區(qū)和美國UCAR、JPL聯(lián)合的氣象、氣候和電離層星座觀測系統(tǒng)COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）計劃由6顆LEO衛(wèi)星組成，其主要目的有：改善全球和局地的天氣預報；改善全球空間天氣的檢測和預報；為氣候和全球變化研究提供數(shù)據(jù)；提高對地球重力場的認識[2-4]。

從2006年開始，COSMIC系統(tǒng)每天可提供全球2 500個掩星點的大氣和電離層的觀測資料和反演的氣象要素廓線，資料基本達到實時要求，最新的觀測資料2 h內(nèi)就可以通過網(wǎng)上獲得。

COSMIC系統(tǒng)發(fā)布的中性大氣要素的廓線資料最常用的有3種類型：atmPrf資料為干模式下反演的大氣要素廓線，不包括水汽信息；wetPrf資料是考慮了大氣中水汽含量的濕模式下，利用AVN等預報模式的一維同化反演的大氣主要要素廓線，主要包括不同高度上的溫度、氣壓、水汽壓和折射率；bfrPrf資料綜合了atmPrf和wetPrf的結果，同時降低垂直分辨率，主要用于模式的資料同化[2]。在此選取的是wetPrf資料作為研究對象，其探測高度范圍為0～40 km，垂直分辨率為100 m，分層數(shù)為40層，為表述方便，下文中簡稱為COSMIC資料。

2COSMIC資料的處理

COSMIC資料可從網(wǎng)頁直接查看或下載，也可在UNIX或LINUX環(huán)境下通過cshell語言編程下載獲得所需資料文件。需要注意的是，COSMIC反演的廓線數(shù)據(jù)采用的是NetCDF數(shù)據(jù)格式。因此，在數(shù)據(jù)使用之前需要對其進行解碼。該研究主要使用FORTRAN程序讀取NetCDF數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為方便使用的文本數(shù)據(jù)格式。

對解碼后的數(shù)據(jù)進行標準化處理、質(zhì)量控制、圖形化顯示后，得到預報員可以直接使用的天氣圖，具體流程如圖1所示。

2.1數(shù)據(jù)的標準化

COSMIC每一條氣象廓線數(shù)據(jù)代表的是一個掩星點上空的氣象情況，由于掩星事件發(fā)生的隨機性和不確定性，因此COSMIC資料的時空分布也是沒有規(guī)律的。如圖2所示，每天2 000多個資料點代表互相獨立的掩星事件，每個資料垂直層達400層，對于一般業(yè)務使用來說，過高的垂直分辨率不僅沒有太大價值，而且還給計算和圖形化顯示帶來不便。

針對COSMIC資料的上述特征，按照常規(guī)探空資料的規(guī)范對其進行了標準化處理。為了更加有利于預報員對天氣形勢轉(zhuǎn)變的掌握，標準化過程中觀測時次（6 h間隔）和垂直層（11 層）進行了加密，即世界時00Z、06Z、12Z、18Z的 925、900、850、800、700、600、500、400、300、200、100 hPa 氣象要素情況。

垂直層的標準化相對簡單，就是將所需要的垂直層的資料從原始資料中直接提取出來。時間的標準化過程中，引入一個大小為±3 h的時間窗口，將這個時間窗口內(nèi)的所有COSMIC資料作為標準時刻的數(shù)據(jù)，即將T-3 h→T+3 h的數(shù)據(jù)都作為T時刻數(shù)據(jù)。以世界時12：00為標準時為例，09：00—15：00窗口期內(nèi)所有資料都作為標準時刻資料（圖3）。

2.2質(zhì)量控制

國內(nèi)外專家對COSMIC資料的可用性進行了深入研究[5-8]，發(fā)現(xiàn)其總體精度較高，其中溫度的精度最高，整層均方差不超過2 K；500 hPa以下中低層位勢高度具有較高精度，均方差小于3 dagpm，500 hPa以上均方差迅速增大到5 dagpm以上。因此，COSMIC資料總體上是可以滿足一般業(yè)務需要。但COSMIC資料的精度受大氣條件、儀器誤差和資料分辨率等因素影響，資料中存在少量噪點。因此，該研究用設定閾值的方法對資料進行了噪點剔除處理，判定為噪點的數(shù)據(jù)標記為缺測，例如500 hPa高度場的閾值就設為492和592 dagpm，將不在這個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點標記為缺測。

2.3數(shù)據(jù)可視化準備

可視化是氣象資料業(yè)務應用的重要一環(huán)，COSMIC資料作為一種較新的氣象數(shù)據(jù)，目前直接將其圖形化顯示，應用于業(yè)務還比較少。由于掩星事件的隨機性和不確定性，COSMIC資料的分布也具有相應的特點。同時，目前COSMIC的6顆LEO衛(wèi)星都是極軌衛(wèi)星，因此中高緯度地區(qū)COSMIC掩星觀測點明顯多于低緯度地區(qū)。相對于陸上稠密的常規(guī)觀測網(wǎng)來說，COSMIC資料沒有固定的站點，呈稀疏的不均勻分布，這給其業(yè)務應用帶來了困難。

針對以上問題，該研究參照常規(guī)站點資料格式，提取溫、壓、濕、風等氣象要素并重新編碼為二進制站點數(shù)據(jù)。為了克服資料稀疏和不均勻等問題，在此采用Cressman客觀分析方法將標準化后的資料插值為格點數(shù)據(jù)。

Cressman客觀分析通過逐步訂正將離散點內(nèi)插到規(guī)則格點，實現(xiàn)最優(yōu)化插值，被廣泛應用于氣象領域。該方法基本原理是先給定初猜測場，然后用實際觀測場逐步修正初猜場，直到訂正后的值逼近觀測值為止。用公式表示為

a′=a0+Δaij

其中：

Δaij=Kk=1（W2ijkΔak）Kk=1W2ijk

式中，ak為任意氣象要素；a0是變量a在格點（i，j）上的初猜值；a′是變量ak在格點（i，j）上的訂正值；Δak是觀測點k上的觀測值和初猜值之差；Wijk是權重因子，為0～1.0；K是影響半徑R內(nèi)的臺站數(shù)。

Cressman客觀分析方法的關鍵是確定權重函數(shù)Wijk，它的形式為

Wijk=R2-d2ijkR2+d2ijkdijk0dijk≥R

影響半徑R一般取為1、2、4、7和10。dijk為格點（i，j）到觀測點k的距離。

3可用性檢驗

以美國NECP （National Centers for Environmental Prediction）中心GFS （The Global Forecast System） 0.5°×0.5°分析場資料作參照，通過大氣環(huán)流形勢和區(qū)域天氣形勢對比，檢驗COSMIC資料在業(yè)務應用中的可用性。

3.1環(huán)流形勢檢驗

大氣環(huán)流一般是大范圍大氣基本運動狀態(tài)，是各種天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和移動的背景。了解大氣環(huán)流形勢及其變化，對于制作短、中期乃至長期天氣預報有重要指導作用。

安徽農(nóng)業(yè)科學2017年

從GFS資料北半球500 hPa環(huán)流形勢（圖4）可以看出，北半球秋季冷暖氣團勢力相當，天氣系統(tǒng)較為復雜，西北太平洋副熱帶高壓雖勢力減弱，但仍控制我國南方地區(qū)；亞歐大陸北部呈兩槽一脊型，槽線位置分別位于烏拉爾山附近和日本列島北部；菲律賓群島東部的低緯度地區(qū)有熱帶低壓系統(tǒng)發(fā)展。COSMIC資料和GFS資料的北半球環(huán)流形勢場基本一致，能較為準確地體現(xiàn)天氣尺度以上系統(tǒng)，例如北半球極渦多中心分布和亞歐大陸兩槽一脊的環(huán)流形勢都有很好的刻畫。但是，相對于北半球稠密的觀測網(wǎng)來說，COSMIC資料的空間分辨率偏低，尺度偏小的系統(tǒng)往往會被濾掉，有些天氣尺度以上的系統(tǒng)在強度的體現(xiàn)上還有差異。 這在天氣圖上的表現(xiàn)就是COSMIC資料形勢場為等值線較為平滑的大槽大脊形態(tài)，而GFS資料形勢場呈不同尺度系統(tǒng)疊加的多中心分布。不同于COSMIC資料形勢場中高緯大槽大脊，副熱帶高壓呈不規(guī)則帶狀分布的環(huán)流形勢，GFS資料中高緯低槽中有發(fā)展比較成熟的氣旋系統(tǒng)，副熱帶高壓在大陸和海上有多個強度不等的中心。

3.2區(qū)域天氣形勢檢驗

西南太平洋洋面開闊，氣象海況惡劣，溫帶氣旋年平均15.0個，主要集中在30°S附件及以南海域；熱帶氣旋年平均發(fā)生數(shù)8.8個，占全球熱帶氣旋總數(shù)的11%[9]。它們伴隨有大風、強降水及低能見度等惡劣天氣，對船舶航行和經(jīng)濟生產(chǎn)活動常常造成嚴重威脅。選取西南太平洋為關注區(qū)域，通過對比COSMIC資料和GFS再分析資料500 hPa形勢場，檢驗COSMIC資料在區(qū)域天氣形勢分析中的應用效果。從南太平洋一次西風帶槽脊系統(tǒng)東移過程GFS的形勢場（圖5a）可以看出，該區(qū)域中緯度基本是兩槽一脊形態(tài)，槽線分別位于155°E、165°W，脊線位于174°E附近。如果以540 dagpm為參考高度線，兩槽線與540 dagpm 交點在40°S，脊線與其交點在52°S。從COSMIC資料

500 hPa形勢場（圖5b）來看，槽脊線位置與GFS資料基本一致，同樣以540 dagpm為參考，新西蘭西側(cè)高空槽較弱，與540 dagpm高度線交點在45°S左右，新西蘭以東高空槽較深，與540 dagpm高度線相交于35°S左右，脊線與之相交在50°S附近。COSMIC資料形勢場圖的溫度場與高度場配合較好，與GFS資料500 hPa溫度場基本一致。

COSMIC資料可以較好地顯示西南太平洋區(qū)域的天氣形勢，但系統(tǒng)強度還有一定的誤差。掩星觀測點在高緯度地區(qū)多于低緯度地區(qū)，赤道附近部分區(qū)域由于原始數(shù)據(jù)過于稀疏，導致插值后仍然存在誤差較大甚至是數(shù)據(jù)空白。

4小結與討論

通過對COSMIC系統(tǒng)下發(fā)的GPS掩星反演大氣主要氣象要素資料進行數(shù)據(jù)處理和可視化，使其轉(zhuǎn)化為能供預報員直接使用的天氣圖，并從環(huán)流形勢和區(qū)域天氣形勢2個方面探討COSMIC資料直接應用于氣象預報保障效果。結論如下：

（1）COSMIC資料能較好地反映大氣環(huán)流形勢，北半球天氣尺度以上槽脊系統(tǒng)分布和形態(tài)均與再分析資料基本一致。在缺乏實況資料的情況下，COSMIC資料為中長期預報的制作提供了依據(jù)，同時也給短期天氣預報的制作提供環(huán)流背景。

（2）選取實況資料稀少的南太平洋作為參考區(qū)域，對比再分析資料發(fā)現(xiàn)，COSMIC資料天氣形勢場能準確定位中尺度到天氣尺度槽脊系統(tǒng)的位置，同時溫度場分布也與再分析資料基本一致。

（3）雖然COSMIC資料在大尺度環(huán)流形勢和資料稀疏的大洋區(qū)域與再分析資料基本一致，但由于其空間分辨率偏低，客觀上對較小尺度系統(tǒng)起到了濾波作用，部分區(qū)域由于觀測點偏少，造成插值后誤差偏大。

COSMIC掩星觀測資料具有覆蓋面廣、精度高、全天候、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但其目前2 500個左右掩星點的密度分布還不夠，未來隨著低軌衛(wèi)星觀測星座的不斷加入，可以預見在不久的將來，掩星點的分布密度將大大增加，其應用前景也更加廣闊。

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