中國地區(qū)探空漂移距離與漂移速度分析

楊榮康，李 偉，郭啟云

（中國氣象局氣象探測中心，北京，100081）

0 引言

用數(shù)值模式作有限區(qū)域天氣預(yù)報(bào)，需要給出預(yù)報(bào)變量的初始值和邊界值。它們的值給定的好壞，對(duì)模擬結(jié)果的影響很大。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展,模式的分辨率越來越高,可達(dá)十幾公里甚至幾公里。因此，能不能提高預(yù)報(bào)變量的初始值和邊界值的質(zhì)量，會(huì)直接影響到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度。在這方面，王躍山詳細(xì)闡述了構(gòu)造模式初始場時(shí)客觀分析的重要性；從物理學(xué)角度來說，如果初始值和邊界值和實(shí)際天氣形勢越接近，即初始值和邊界值對(duì)實(shí)際天氣形勢的差別越小，則模擬結(jié)果理論上會(huì)更加接近實(shí)際結(jié)果。

為了深入了解探空資料的漂移對(duì)高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式的影響程度，探索探空資料的應(yīng)用價(jià)值，李偉等根據(jù)探空氣球?qū)崪y到的斜距與經(jīng)緯度設(shè)計(jì)了探空漂移信息計(jì)算方案，并且根據(jù)中國氣象局2004年全年120個(gè)探空站的探空漂移信息，初步分析了中國地區(qū)探空漂移的各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的年平均漂移規(guī)律、季節(jié)漂移規(guī)律，以及地域漂移規(guī)律；嵇磊等通過修改MM5模式中的客觀分析系統(tǒng)，將包含有實(shí)際探空氣球在各個(gè)氣壓層上精確的經(jīng)緯度信息的新型探空資料帶入模式初始場，針對(duì)一次層狀云降水個(gè)例進(jìn)行模擬分析，得到結(jié)論：位置訂正所帶來的初始場差異在500hPa以上較明顯，對(duì)強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)的反應(yīng)比較敏感；模擬結(jié)果對(duì)于雨區(qū)分布和強(qiáng)降水中心的位置有較大改善；位置訂正后的評(píng)分總體優(yōu)于不加探空和不加漂移的評(píng)分，隨著模式分辨率的提高，位置訂正后對(duì)小量級(jí)降水的模擬效果欠佳，但對(duì)大量級(jí)降水的模擬效果較好。

1 探空漂移計(jì)算分析

1.1 探空漂移計(jì)算原理

由于探空氣球在探測過程中的最大水平漂移距離相對(duì)于地球半徑很小，而且大氣折射誤差、電磁波傳播誤差和地球曲率誤差都很小，因此，在高空氣象探測空間定位計(jì)算中可以把地球表面（球面）看成一個(gè)平面，探空氣球相對(duì)經(jīng)緯度偏移量可用下列簡化公式計(jì)算。

水平投影距離

圖1 水平投影示意圖Fig.1 Horizontal projection map

r：雷達(dá)實(shí)測氣球的斜距；

E0：雷達(dá)實(shí)測氣球的仰角；

L：氣球的水平投影距離；

H: 氣球距測站高度；

②水平距離投影東西、南北分量

X為氣球水平投影東、西分量；

Y為氣球水平投影南、北分量；

圖2 水平距離投影東西、南北分量分解示意Fig.2 The west-east component and north-south component decomposed map

③相對(duì)經(jīng)緯度偏差的計(jì)算

R ：地球半徑，常量（6368 Km）；δ ：測站緯度 ；R’：測站在緯度δ處的地球截面半徑

相對(duì)緯度偏差:

相對(duì)經(jīng)度偏差:

根據(jù)公式（1）-（6），計(jì)算出中國120個(gè)高空站點(diǎn)探空漂移數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)討論探空氣球漂移的時(shí)空特征。

1.2 探空漂移距離高度變化特征

圖4為探空氣球漂移隨高度的變化情況。從圖中可以看出：探空氣球一般在500hPa開始出現(xiàn)明顯漂移（青藏高原地區(qū)測站除外），年平均漂移在6km左右；隨著高度的增加，漂移距離一般呈增大的趨勢，并且在500hPa到100hPa之間漂移現(xiàn)象十分明顯，年平均每100hPa漂移約10km，這與最大風(fēng)速中心在200hPa高度附近的結(jié)論比較吻合，可稱這一區(qū)域?yàn)椤坝行茖印保欢荆?～3月，11～12月）的“有效漂移層”會(huì)延伸到更高的高度，漂移速率也更快，而5～6月在50hPa以上卻出現(xiàn)了微弱的“回漂”的現(xiàn)象，即隨著高度的增加，漂移距離反而減小。另外，從圖中也可以得出，冬、春季的漂移距離遠(yuǎn)大于夏、秋季的漂移距離。

圖4 探空漂移距離隨高度的變化Fig.4 The floating distance change with height

1.3 漂移速度變化特征

已知標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均高度，可以計(jì)算出各等壓面平均高度差，氣球每分鐘平均升速為400m/min，計(jì)算出氣球經(jīng)過各等壓面的平均時(shí)間，再根據(jù)各等壓面之間平均水平漂移距離，計(jì)算出各等壓面之間的平均漂移速度V：

公式（7）中，L代表等壓面之間平均水平漂移距離，H代表標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均高度。

根據(jù)長期的觀測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均高度如表1。

利用2004年全國120個(gè)探空站的高空漂移數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（7），計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

1.3.1 年平均漂移速度

根據(jù)公式（7），計(jì)算全年各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)等壓面平均漂移速度分布Fig.5 Mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖5可見，整體上氣球漂移的平均速度均小于2km/min，氣球漂移速度從地面到對(duì)流層頂呈遞增趨勢，到了對(duì)流層頂漂移速度達(dá)到最大，過了對(duì)流層頂漂移速度逐漸減小，但是到了50hPa左右漂移速度又逐漸增加。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)等壓面緯向漂移速度分布Fig.5 Mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

圖6 標(biāo)準(zhǔn)等壓面經(jīng)向漂移速度分布Fig.6 Mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

表1 各規(guī)定等壓面平均高度Table 1 The mean height of standard pressure layers

由圖5可見，對(duì)于緯向漂移，全年漂移距離不超過1.8km/min，并且整體上均為西風(fēng)，在整體趨勢上與上面氣球漂移速度分析趨勢一致；由圖6可見，對(duì)于經(jīng)向漂移，與緯向漂移相比，漂移速度小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，在50hPa以下為北風(fēng)，在50hPa以上轉(zhuǎn)為微弱南風(fēng)，漂移速度從地面到500hPa增大，之后至250hPa逐漸減小，從250hPa到100hPa漂移速度增大，然后又逐步減小，整體上變化較緯向漂移復(fù)雜，但是最大變化幅度僅為0.1m/s。

1.3.2 月平均漂移速度

根據(jù)公式（1），計(jì)算每月各標(biāo)準(zhǔn)等壓面的平均合成漂移速度、緯向與經(jīng)向漂移速度。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)等壓面每月平均漂移速度分布Fig.7 Monthly mean floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖7可見，整體上各月漂移速度變化趨勢基本一致，漂移速度從小到大為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，春季與秋季次之，夏季最小，其中11月、12月、1月、2月、3月最大漂移速度出現(xiàn)在150hPa，而其它月份出現(xiàn)在250hPa，說明隨著天氣環(huán)流系統(tǒng)的變化，平均漂移速度也發(fā)生變化。此外，從上圖可見，4月30hPa以上、5月50hPa以上、6月70hPa以上出現(xiàn)小的負(fù)漂移速度，說明氣球漂移回轉(zhuǎn)，漂移距離減小，其它各層次、各月份均為正漂移速度，因此整體上漂移距離從地面到高空增大。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)等壓面每月平均緯向漂移速度分布Fig.8 Monthly mean latitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖8可見，緯向漂移速度整體趨勢與氣球漂移速度一致，整體上為向西的漂移，最大緯向漂移速度達(dá)到3km/min；從上圖可見，6月、7月、8月在100hPa以上出現(xiàn)負(fù)的漂移速度，也就是向東的漂移，最大可達(dá)1km/min，5月和9月在70hPa以上出現(xiàn)向東的漂移，因此在5月-9月在高空出現(xiàn)氣球回漂現(xiàn)象。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)等壓面每月平均經(jīng)向漂移速度分布Fig.9 Monthly mean longitudinal floating velocity distribution of standard pressure layers

由圖9可見，對(duì)于經(jīng)向漂移速度，大致可以分為兩組，一組為正“U”型，開始為正，然后逐漸變?yōu)樨?fù)，再逐漸變?yōu)檎?，包?月、3月、8月、9月、5月、7月、6月；另外一組為反“U”型，開始為負(fù)，然后逐漸變?yōu)檎僦饾u變?yōu)檎?0月、1月、12月、11月、2月；兩組變化趨勢基本呈反相變化，向南漂移速度最大達(dá)到0.4km/min，向北漂移速度最大達(dá)到0.2km/min。

2 總結(jié)

通過以上分析，可以得到以下初步結(jié)論：

（1）隨著高度的增加，漂移距離一般呈增大的趨勢，并且在500hPa到100hPa之間漂移現(xiàn)象十分明顯，年平均每100hPa漂移約10km。

（2）冬、春季漂移大，夏、秋季漂移小的特點(diǎn)，并且越到盛夏，漂移越小，越到隆冬，漂移越大，隨四季變化呈現(xiàn)出“U”字型變化趨勢，但緯向的變化幅度遠(yuǎn)大于經(jīng)向的變化幅度。

（3）整體上氣球漂移的年平均速度均小于2km/min，氣球漂移速度從地面到對(duì)流層頂呈遞增趨勢，到了對(duì)流層頂漂移速度達(dá)到最大，過了對(duì)流層頂漂移速度逐漸減小。

（4）整體上各月漂移速度變化趨勢基本一致，漂移速度從小到大為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）緯向漂移速度整體趨勢與氣球漂移速度一致，整體上為向西的漂移，最大緯向漂移速度達(dá)到3km/min。

（6）對(duì)于經(jīng)向漂移速度，3月-8月與其它月份變化趨勢基本呈反相變化，向南漂移速度最大達(dá)到0.4km/min，向北漂移速度最大達(dá)到0.2km/min。

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