中国地区探空漂移距离与漂移速度分析

杨荣康，李 伟，郭启云

（中国气象局气象探测中心，北京，100081）

0 引言

用数值模式作有限区域天气预报，需要给出预报变量的初始值和边界值。它们的值给定的好坏，对模拟结果的影响很大。随着数值预报的发展,模式的分辨率越来越高,可达十几公里甚至几公里。因此，能不能提高预报变量的初始值和边界值的质量，会直接影响到数值天气预报的精度。在这方面，王跃山详细阐述了构造模式初始场时客观分析的重要性；从物理学角度来说，如果初始值和边界值和实际天气形势越接近，即初始值和边界值对实际天气形势的差别越小，则模拟结果理论上会更加接近实际结果。

为了深入了解探空资料的漂移对高分辨率数值预报模式的影响程度，探索探空资料的应用价值，李伟等根据探空气球实测到的斜距与经纬度设计了探空漂移信息计算方案，并且根据中国气象局2004年全年120个探空站的探空漂移信息，初步分析了中国地区探空漂移的各标准等压面的年平均漂移规律、季节漂移规律，以及地域漂移规律；嵇磊等通过修改MM5模式中的客观分析系统，将包含有实际探空气球在各个气压层上精确的经纬度信息的新型探空资料带入模式初始场，针对一次层状云降水个例进行模拟分析，得到结论：位置订正所带来的初始场差异在500hPa以上较明显，对强降水天气系统的反应比较敏感；模拟结果对于雨区分布和强降水中心的位置有较大改善；位置订正后的评分总体优于不加探空和不加漂移的评分，随着模式分辨率的提高，位置订正后对小量级降水的模拟效果欠佳，但对大量级降水的模拟效果较好。

1 探空漂移计算分析

1.1 探空漂移计算原理

由于探空气球在探测过程中的最大水平漂移距离相对于地球半径很小，而且大气折射误差、电磁波传播误差和地球曲率误差都很小，因此，在高空气象探测空间定位计算中可以把地球表面（球面）看成一个平面，探空气球相对经纬度偏移量可用下列简化公式计算。

水平投影距离

图1 水平投影示意图Fig.1 Horizontal projection map

r：雷达实测气球的斜距；

E0：雷达实测气球的仰角；

L：气球的水平投影距离；

H: 气球距测站高度；

②水平距离投影东西、南北分量

X为气球水平投影东、西分量；

Y为气球水平投影南、北分量；

图2 水平距离投影东西、南北分量分解示意Fig.2 The west-east component and north-south component decomposed map

③相对经纬度偏差的计算

R ：地球半径，常量（6368 Km）；δ ：测站纬度 ；R’：测站在纬度δ处的地球截面半径

相对纬度偏差:

相对经度偏差:

根据公式（1）-（6），计算出中国120个高空站点探空漂移数据，以此为基础讨论探空气球漂移的时空特征。

1.2 探空漂移距离高度变化特征

图4为探空气球漂移随高度的变化情况。从图中可以看出：探空气球一般在500hPa开始出现明显漂移（青藏高原地区测站除外），年平均漂移在6km左右；随着高度的增加，漂移距离一般呈增大的趋势，并且在500hPa到100hPa之间漂移现象十分明显，年平均每100hPa漂移约10km，这与最大风速中心在200hPa高度附近的结论比较吻合，可称这一区域为“有效漂移层”；冬季（1～3月，11～12月）的“有效漂移层”会延伸到更高的高度，漂移速率也更快，而5～6月在50hPa以上却出现了微弱的“回漂”的现象，即随着高度的增加，漂移距离反而减小。另外，从图中也可以得出，冬、春季的漂移距离远大于夏、秋季的漂移距离。

图4 探空漂移距离随高度的变化Fig.4 The floating distance change with height

1.3 漂移速度变化特征

已知标准等压面的平均高度，可以计算出各等压面平均高度差，气球每分钟平均升速为400m/min，计算出气球经过各等压面的平均时间，再根据各等压面之间平均水平漂移距离，计算出各等压面之间的平均漂移速度V：

公式（7）中，L代表等压面之间平均水平漂移距离，H代表标准等压面的平均高度。

根据长期的观测结果，统计得到各标准等压面的平均高度如表1。

利用2004年全国120个探空站的高空漂移数据，结合公式（7），计算各标准等压面的平均合成漂移速度、纬向与经向漂移速度。

1.3.1 年平均漂移速度

根据公式（7），计算全年各标准等压面的平均合成漂移速度、纬向与经向漂移速度。

图5 标准等压面平均漂移速度分布Fig.5 Mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由图5可见，整体上气球漂移的平均速度均小于2km/min，气球漂移速度从地面到对流层顶呈递增趋势，到了对流层顶漂移速度达到最大，过了对流层顶漂移速度逐渐减小，但是到了50hPa左右漂移速度又逐渐增加。

图5 标准等压面纬向漂移速度分布Fig.5 Mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

图6 标准等压面经向漂移速度分布Fig.6 Mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

表1 各规定等压面平均高度Table 1 The mean height of standard pressure layers

由图5可见，对于纬向漂移，全年漂移距离不超过1.8km/min，并且整体上均为西风，在整体趋势上与上面气球漂移速度分析趋势一致；由图6可见，对于经向漂移，与纬向漂移相比，漂移速度小了一个数量级，在50hPa以下为北风，在50hPa以上转为微弱南风，漂移速度从地面到500hPa增大，之后至250hPa逐渐减小，从250hPa到100hPa漂移速度增大，然后又逐步减小，整体上变化较纬向漂移复杂，但是最大变化幅度仅为0.1m/s。

1.3.2 月平均漂移速度

根据公式（1），计算每月各标准等压面的平均合成漂移速度、纬向与经向漂移速度。

图7 标准等压面每月平均漂移速度分布Fig.7 Monthly mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由图7可见，整体上各月漂移速度变化趋势基本一致，漂移速度从小到大为6月、7月、8月、9月、5月、10月、4月、11月、12月、3月、1月、2月，冬季漂移速度最大，春季与秋季次之，夏季最小，其中11月、12月、1月、2月、3月最大漂移速度出现在150hPa，而其它月份出现在250hPa，说明随着天气环流系统的变化，平均漂移速度也发生变化。此外，从上图可见，4月30hPa以上、5月50hPa以上、6月70hPa以上出现小的负漂移速度，说明气球漂移回转，漂移距离减小，其它各层次、各月份均为正漂移速度，因此整体上漂移距离从地面到高空增大。

图8 标准等压面每月平均纬向漂移速度分布Fig.8 Monthly mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由图8可见，纬向漂移速度整体趋势与气球漂移速度一致，整体上为向西的漂移，最大纬向漂移速度达到3km/min；从上图可见，6月、7月、8月在100hPa以上出现负的漂移速度，也就是向东的漂移，最大可达1km/min，5月和9月在70hPa以上出现向东的漂移，因此在5月-9月在高空出现气球回漂现象。

图9 标准等压面每月平均经向漂移速度分布Fig.9 Monthly mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由图9可见，对于经向漂移速度，大致可以分为两组，一组为正“U”型，开始为正，然后逐渐变为负，再逐渐变为正，包括4月、3月、8月、9月、5月、7月、6月；另外一组为反“U”型，开始为负，然后逐渐变为正，再逐渐变为正，包括10月、1月、12月、11月、2月；两组变化趋势基本呈反相变化，向南漂移速度最大达到0.4km/min，向北漂移速度最大达到0.2km/min。

2 总结

通过以上分析，可以得到以下初步结论：

（1）随着高度的增加，漂移距离一般呈增大的趋势，并且在500hPa到100hPa之间漂移现象十分明显，年平均每100hPa漂移约10km。

（2）冬、春季漂移大，夏、秋季漂移小的特点，并且越到盛夏，漂移越小，越到隆冬，漂移越大，随四季变化呈现出“U”字型变化趋势，但纬向的变化幅度远大于经向的变化幅度。

（3）整体上气球漂移的年平均速度均小于2km/min，气球漂移速度从地面到对流层顶呈递增趋势，到了对流层顶漂移速度达到最大，过了对流层顶漂移速度逐渐减小。

（4）整体上各月漂移速度变化趋势基本一致，漂移速度从小到大为6月、7月、8月、9月、5月、10月、4月、11月、12月、3月、1月、2月。

（5）纬向漂移速度整体趋势与气球漂移速度一致，整体上为向西的漂移，最大纬向漂移速度达到3km/min。

（6）对于经向漂移速度，3月-8月与其它月份变化趋势基本呈反相变化，向南漂移速度最大达到0.4km/min，向北漂移速度最大达到0.2km/min。

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