Page 261 - 《高原气象》2022年第6期
P. 261

高     原      气     象                                 41 卷
              1624
                                    表2   那曲站（55299）风场观测相对于模式背景场的标准差和偏差
                   Table 2  Standard deviations and bias of wind observations at Naqu（55299）station against model background
                                                      -1
                                                                             -1
                                             标准差/（m·s ）               偏差/（m·s ）             累积资料剔除率/%
                     质量控制方案
                                            U           V           U           V           U           V
                        仅QC1               7. 02       3. 16       1. 88       0. 21       35. 1      35. 1
                  加QC2（仅背景场检查）             4. 61       3. 10       0. 64       0. 19       40. 9      35. 7
                  加QC2（加上d指数检查）            2. 79       2. 95       0. 25      -0. 02       53. 1      56. 4

             3. 3  质量控制效果综合分析                                   Zhang et al，2019，沈学顺等，2020）。需要说明的

                  为综合考察两步质量控制方法的效果，查看秒                          是，此次同化试验并未考虑秒级探空的时空漂移信
             级探空资料质量控制前后观测背景差 OMB 的概率                           息，而采用和常规探空相一致的廓线同化方式，在
             分布（图 8），并结合 OMB 样本的统计性质，包括均                        垂直方向上按照“模式最接近层次挑选”的方案将
             值，标准差，偏度系数以及峰度系数，来检查质控                             上千层探空观测稀疏化到 GRAPES 模式层。另外，
             后观测能否满足同化系统的特殊要求。从结果可                              为了突出探空资料的影响，在同化系统中关闭了卫
             知：每一步质量控制均能有效减小 OMB 样本差值                           星辐射率这类大体量观测。
             的跨度分布，以 U 风为例［图 8（a）~（c）］，质量控制                     4. 2  新息向量分析
                                                  -1
             前，OMB 的差值区间为［-188. 64 m·s ，184. 25                     对同化系统产生的新息向量进行监控和分析
                 -1
             m·s ］，尾部的极端异常观测（因资料占比相对总                           是资料同化的重要环节（陈敏等，2014）。同化系统
             样本很小，图中未能显示）使得样本异常陡峭，峰                             中的新息向量包含了背景误差和观测误差两部分
             度系数（Kurtosis）达到了 224. 01，同时因为右侧极                   信息，其中背景误差取决于模式的预报性能，因此
             端值相对更多，导致样本呈左偏分布，偏度系数                              新息向量在一定程度上敏感于观测误差的大小（王
             （skewness）达 到 -3. 08。 经 过 两 步 质 量 控 制 后 ，          金成等，2015）。表 4 统计了上述 3 组同化试验的
                                                        -1
                                            -1
             OMB 差值区间变为［-14. 79 m·s ，17. 99 m·s ］，              OMB/OMA（observation minus analysis）的均方根误
             峰 度 系 数 显 著 降 低 为 1. 17，偏 度 系 数 减 小 为              差信息。从表 4 可知，（1）各个同化变量的 O-A 均
             0. 065，样本的整体陡缓程度与正态分布更为接                           方根误差基本小于 O-B，说明观测资料得到了有效
             近，整个区间的频率分布也更好地贴合了拟合高斯                             同化，形成了合理的分析增量，使得模式分析场向
             曲线。总的来说，两步质量控制方法使得风场、温                             观测进行调整；（2）秒级探空两步质量控制后各变
             度和湿度的量化指标调整为与正态分布更为接近，                             量 的 O-B/O-A 的 均 方 根 误 差 相 对 于 缺 省 方 案
             同化适用性更强，但是对于湿度的观测偏差无法修                            （Exp1）明显减小，表明秒级探空质量进一步提高，
             正，未来还需针对性开展湿度偏差订正方法研究来                             模式分析场对于观测的拟合更为合理；（3）两步质
             进一步提高资料应用性。                                        控后的秒级探空的观测误差与目前业务系统中使
                                                                用常规探空相当，这从侧面证明了严格质控后秒级
              4   数值试验
                                                                探空的准确度很高，具备了良好的资料基础。
             4. 1  试验方案                                         4. 3  同化效果分析
                  利用中国气象局数值预报中心自主研发的                                为保证检验资料的相对独立性，以飞机报和掩
             GRAPES-GFS 全球预报系统（V2. 4 版本）来探讨秒                    星观测作为参考场，比较上述 3 组不同试验生成的
             级探空两步质量控制方法在实际同化中的适用性。                             循环同化分析场（Xa）和预报场（Xb）的差异。图 9
             为此，本文设计三组循环同化试验，模拟时段从                              给出了Xa/Xb场相对于飞机报的标准差和偏差的垂
             2018 年 7 月 1-10 日，分析区域为东亚区域（15°N-                  直分布，飞机报主要反映的是风场的变化。从统计
             65° N，70° E -145° E），具 体 试 验 设 计 见 表 3。            结果可知：首先，敏感性试验（红线）相对于控制试
             GRAPES-GFS 模式的水平分辨率为 0. 25°×0. 25°，                验（黑线）的风场标准差明显减小，U 风和 V 风的整
             垂直方向共 60 层，同化系统为 GRAPES 变分分析                       层标准差平均减小了 3. 9% 和 3. 2%，风场的整体偏
             系统，可同化资料包括探空报、地面报、船舶报、                             差也更接近于零，表明秒级探空的两步质量控制方
             飞机报、云导风、洋面散射计、掩星折射率以及卫                             案优于同化系统的缺省方案，能有效修正风场的误
             星辐射率资料（庄照荣等，2014；王瑞文等，2017；                        差。其次，将常规业务探空（绿线）作为平行试验进
   256   257   258   259   260   261   262   263   264   265   266