Page 226 - 《高原气象》2023年第1期
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高     原      气     象                                 42 卷
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             不足， 同时， 中国高空探测业务全面升级为 L 波段                         本身存在偏差且误差特征依赖于模式的预报性能，
             探空系统， 实现了“秒级”垂直高分辨率数据的采                            这导致评估结果可能存在不确定性的偏差。为了
             样， 秒级探空在要素场特征分析、 模式预报初值改                           更加精准地评估往返平飘式探空的质量， 需要联合
             进方面都体现出显著的优势（郝民等， 2014）。                           更多高精度的观测资料对其进行交叉评估。本文
                  整体而言， 现阶段我国高空站网在空间分布上                         拟采用掩星资料对往返平飘式探空进行更为细致
             仍然存在稀疏、 不均匀等现象， 同站址的时间加密                           的质量评估。
             也因消耗较大而不能在日常业务工作中长期维持                                  全球导航卫星系统（Global navigation satellite
             （郭启云等， 2018）。因此， 寻求一种兼顾观测资料                        system， GNSS）掩星（Radio Occultation， RO）技术
             数量在时空分布上的改善， 同时不受限于人力、 物                           是一种临边遥感观测技术。GNSS 发射的 L 波段信
             力制约的新型观测方式是当务之急。中国气象局                              号穿越大气层后到达低轨道卫星接收器， 受到大气
             气象探测中心一直致力于对新型探空技术的探索，                             折射率梯度的影响， 电磁波的传播路径会发生偏
             在 Vaisala RS41 秒探空系统的启发下， 创新性地提                    折， 信号弯角与大气参数有密切联系（Liu et al，
             出了往返平飘式探空观测技术（Return Radiosonde，                   2020）。基于掩星观测的几何原理， 在大气满足局
             RS）（王丹等， 2020； 王金成等， 2021）， 指在一次探                  地球对称假设的前提下， 利用 Snell 定律和 Abel 反
             空气球施放过程中完成“上升 1 h—平飘 4 h—下降                        演可以导出信号弯角的垂直廓线与大气折射率等
             1 h”三阶段观测， 构成总观测时长约 6 h 的往返平                       信息（Zeng and Zou， 2006）。
             飘式探空观测系统（曹晓钟等， 2019）。                                  不同掩星计划的相继发射完成， 使得这种观测
                  在提出这种新型探空技术的初期， 曹晓钟等                          技术不断壮大。2006年， 中国台湾与美国联合发射
             （2019）对其探空运动的动力学理论模型进行了详                           了由六颗卫星组成的 COSMIC。这之后， Metop 系
             细分析， 并选取长沙探空站开展了对比试验， 验证                           列卫星发射成功。风云 3系列卫星均搭载了我国自
             分析了理论模型的可行性。结果表明它的探测能                              主研发的新一代用于探测中性大气与电离层中电
             力和经济效益较目前现行的 L波段探空有明显的提                            磁波信号的掩星设备—GNOS（GNSS Occultation
             升， 具备很好的应用前景。因其在一次施放中对大                            Sounder）， FY-3C 分别于 2013 年、 FY-3D 于 2017 年
             气进行了多段连续观测， 在时空分布中自动实现了                            相继发射成功（Jin et al， 2019； Sun et al， 2018）。相
             观测加密、 数量加倍的需求， 并且平飘段观测可以                           较于以往的观测手段， 掩星观测技术具有诸多优
             对平流层大气进行长时间的连续观测， 这使大气上                            势， 如全球覆盖、 高垂直分辨率、 高准确性、 不受
             部观测资料的稀缺得到了有效补充。同时该技术                              云雨天气干扰、 长期稳定等（Zou et al， 2014； 孟恬
             也有效平衡了高空站网加密布设的成本投入， 具有                            等， 2021）。研究表明， 掩星观测在垂直方向8~30 km
             十分显著的优势。                                           内对大气观测的精准性极高， 称为“核心区域”
                  往返式探空观测目前仍处于初始发展阶段， 需                        （Fan et al， 2015； 王金成等， 2015； Liu et al， 2020；
             要广泛开展新型观测资料的质量评估工作。在对                              Gong et al， 2020）。不管是各掩星间相互检验， 还
             往返式探空观测资料的质量评估中， 钱媛（2019）以                         是与再分析资料相互对比， “核心区域”的温度不确
             FNL 分析资料和现行业务气象探空数据作为参考                            定性在全球范围均表现均为最小， 其年代际平均变
             标准， 发现新型探空观测的上升段和下降段中温                             化 仅 为 0. 05~0. 15  K（Steiner  et  al，  2013，  2020；
             度、 湿度、 气压数据均达到了业务指标， 但在平飘                          Gleisner et al， 2020）。这种在资料对比中展现出高
             段中温度质量表现欠佳， 尤其在 08:00（北京时， 下                       一致性、 高稳定性的特征， 使得掩星资料常被作为
             同）观测中平飘段温度受辐射影响较大、 偏差明显。                           校准资料， 可用于评估其他观测资料的质量情况
             王丹等（2020）提出了针对该新型探空资料的质量                          （He et al， 2009； Gilpin et al， 2018； Ho et al， 2020）。
             控制方案， 结果表明往返式探空观测精度整体达到                                本文采用掩星资料与往返平飘式探空资料的
             了世界气象组织 WMO 规定的目标， 部分观测要素                          温度要素进行对比， 分析往返平飘式探空资料的温
             如风场可直接同化， 其他要素在同化前需要进行偏                            度偏差在各观测阶段的特征表现， 并结合 ERA-In‐
             差订正， 以便充分发挥该资料在数值模式同化应用                            terim 再分析场进行交叉对比， 讨论不同资料间是
             中的优势。上述研究对往返平飘式探空观测要素                              否具备一致性。旨在通过本文的深入讨论为往返
             的质量进行了全面深入的讨论， 但仅采用了单一的                            平飘式探空资料的同化定量应用以及新型探空观
             模式分析场作为校验源， 然而数值预报背景场数据                            测的仪器设计和改进提供参考依据。
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