廖捷;王蕙莹;胡开喜;江慧;曹丽娟;姜立鹏;李庆雷;周自江;刘志权;张涛
【摘 要】用于全球大气再分析的常规气象观测资料由表面(地面站、船舶和浮标等)和高空(无线电探空、测风气球、下投式探空、飞机和风廓线雷达等)观测资料组成.基于已有工作进展,总结了我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)常规观测资料预处理与同化应用研究进展.在CRA-40研发阶段,完成了15个地面、高空、飞机和海洋观测数据源的资料的收集整理、分类整合和质量评估.相对NCEP CFSR同化的常规观测资料,CRA-40同化了更多中国地区的地面站、常规探空观测资料,增加了美国地区的TAMDAR和ACARS飞机报湿度数据.CRA-40采用RAOBCORE 1.4数据集提供的订正量完成了全球探空温度的偏差订正,采用NCEP辐射订正算法减小太阳辐射引起的热敏电阻季节性观测误差.对再分析同化结果带来负面效果的观测(如高海拔地面站观测、模式地形层以下高空观测以及300 hPa以上探空湿度等)在观测资料预处理阶段被剔除.CRA-40采用的黑名单提供了不同时期观测资料存在问题的地面站、高空站、飞机、船舶和浮标等信息.这些信息来自观测资料和ERA-Interim再分析的偏差统计结果,以及NCEP CFSR、ECMWF提供的历史黑名单,后者在使用前进行了严格的诊断评估和确认.经过预处理和质量预评估的全球历史常规资料已应用于CRA-40的10年试验产品研制.
【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】2018(008)001
【总页数】10页(P133-142)
【关键词】再分析;常规资料;整合;质量控制;黑名单
【作 者】廖捷;王蕙莹;胡开喜;江慧;曹丽娟;姜立鹏;李庆雷;周自江;刘志权;张涛
【作者单位】国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;美国国家大气研究中心,博尔德 80301,美国;国家气象信息中心,北京 100081
【正文语种】中 文
0 引言
再分析最早起源于第一次全球大气研究实验（FGGE）中观测资料的应用。为了给数值天气预报初始化提供更好的观测，科学家们对观测资料进行了多次分析研究，并很快发现通过再分析可以为大气科学研究提供一个更有价值的数据集[1]。随后，欧美数值预报机构推出一系列再分析产品。第一代产品包括ERA-15[2]、NCEP/NCAR再分析数据[3]和NASA/DAO[4]，第二代产品包括NCEP/DOE[5]、ERA-40[6]和JRA-25[7]，第三代产品包括ERA-Interim[1]、CFSR[8]、MERRA[9]和JRA-55[10]等。各数值预报机构通过使用更好的模式、更好的输入资料和同化方法不断提高再分析产品的质量。
大气再分析同化的高空定点观测（in situ）温度、风和湿度来自无线电探空、测风气球、飞机和风廓线雷达；表面气压、2 m温度、2 m相对湿度和近地面风来自船舶、浮标观测地面气象站和机场站。除了飞机报在20世纪90年代后期飞速增长外，其他各类常规观测资料的数量相对稳定。欧洲中期数值天气预报中心（ECMWF）最新再分析系统的评估结果[11]表明，1979—1990年，常规观测占总观测的比例约35%，对分析的影响权重高达75%；随着卫星观测的快速增加，至2015年，常规观测占总观测的比例约10%，对再分析的影响权重约20%，对大气再分析依然起到不可忽视的约束作用。
各机构研制新版本的全球再分析产品时，所需的常规观测资料通常以国际上已发布的再分析输入观测资料集为主要数据源，同时补充了最新收集的观测资料。如ERA-Interim同化的历史常规观测资料来自ERA-40观测资料集和ECMWF业务同化归档数据。JRA-55在ERA-40同化的观测资料基础上补充了美国国家环境预报中心（NCEP）同化的一些地面站、高空观测，以及俄罗斯水文气象局、美国大学大气研究联合会、美国气象水文局的积雪资料[10]。ECMWF、美国和日本研制的再分析产品对常规资料的质量控制均采用了本国家、机构的业务质量控制方案，如JRA-25和JRA-55均采用了动力质量控制[12]，NCEP/NCAR、CFSR和MERRA在同化前对探空、飞机报和风廓线资料进行综合质量控制[13]。
相对第二代再分析产品，第三代再分析产品更加重视探空温度的偏差订正，奥地利维也纳大学于2007年发布了全球首套日定时均一性订正数据集RAOBCORE[14]，为全球1184个探空站点提供的不同高度层温度偏差订正量已被应用到MERRA、JRA-55、ERA-Interim等多套全球大气再分析的探空温度订正中，较好的避免了仪器换型、观测方法改变等因素引起的探空温度时间序列存在的非均一性。ECMWF、NCEP均在同化前区分不同地区、仪器类型订正太阳辐射引起的热敏电阻季节性观测误差，但具体算法和参数存在差异。ECMWF最新研制的第四代再分析产品对历史探空资料的订正量来自RICH[15]，在业务同
化系统中采用了探空和飞机报的变分偏差订正[16-17]。
欧美机构在全球大气再分析产品研发过程中已开展了大量的资料收集整理工作，但国际已发布的再分析产品同化的中国地区常规观测资料均来自全球通信系统（GTS）或双边交换，包含的地面气象站点不及国家级地面气象站的1/3，高空站点约为国内高空站点的2/3，同一探空站包含的垂直层次不到高空月报表包含观测层次的一半，包含的中国飞机报也比国内共享飞机报少。2013年底，中国气象局完成了1951年以来国家级和省级地面、高空纸质报表的数字化，通过多个步骤的质量检测、控制和人工核查订正，建成的中国地面、高空基础数据集相对GTS交换资料的完整性和质量明显提升[18]。在此基础上，国家气象信息中心自2013年底牵头准备和启动了1979年以来全球大气再分析产品（简称CRA-40）研制。CRA-40是我国自主研制的第一代大气再分析产品。CRA-40的全球常规观测资料准备工作以提高地面、高空、飞机、海洋等基础气象资料的质量及其应用能力为核心，重点解决国内自助研制基础数据集和最新收集的多来源国外观测资料的整合、质量控制等问题，力争提高全球大气再分析常规气象资料的同化应用水平。
1 数据源和方法
1.1 数据源
CRA-40同化的常规资料（简称CRA_OBS）来自CFSR同化输入观测资料集（1979—2014，简称CFSR_OBS）、GDAS同化输入观测资料（2015年以来，简称GDAS_OBS），以及国家气象信息中心（简称NMIC）收集归档的各类常规观测资料。CFSR_OBS的详细介绍参见文献[8]。
依据完整性、和质量状况，可以将NMIC收集归档的各类观测资料分成两类。第一类为经过质量控制的观测数据集。包括：
探空气球
1）NMIC研制的2400多个国家级地面气象站逐小时基础数据集，其数据源为1979—2014年中国地面气象站纸质月报表数字化资料和NMIC实时数据库（简称NMIC_RDB）资料。
2）美国NCEI释放的全球综合地面观测资料（ISD），包含了气象站和机场站观测资料。
3）NMIC研制的中国高空定时值基础数据集，其数据源为1951—2012年中国高空纸质月报表数字化资料和2013年以来的高空月报数据文件，提供了将近150个无线电探空站的气压、位势高度、温度、露点温度和风场观测数据。数据集所含等压面观测数据相对于GTS
交换数据的增量约为50万/年，部分站点提供了世界时06时和18时的加密观测。
4）美国NCEI释放的综合全球探空归档数据集（IGRA）[19]，包含了全球范围的无线电探空和测风气球观测资料。
5）美国NOAA释放的国际综合海洋大气数据集（简称ICOADS 3.0）[20]，包含了船舶、浮标、海岛站及潮位站观测资料。
6）美国N C E I释放的全球飞机报数据集（1973—1998年）。
第二类为未经质量控制的观测原始报文。包括：
1）NMIC_RDB保存的全球高空天气报。
2）国家海洋信息中心、韩国气象局等机构释放的中国、韩国、日本、俄罗斯及澳大利亚周边地区的船舶、浮标、海岛站及潮位站观测报文。
3）NMIC_RDB保存的中国AMDAR报文；美国NCAR释放的NCEP全球飞机观测原始报文（简称NCEP_ADP，1999年10月至今），英国CEDA释放的英国气象局实时库全球飞机报
（简称MetDB_OBS）。
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