引言

近几年，我国探空站的探空系统已经由59型探空系统逐步升级为L波段探空系统。它的电子探空仪采用电子感应元件，采样可达到1.2 s的秒级周期，这大大提高了大气探测精度，且提供了密集的“秒级”数据，为获取高垂直分辨率廓线探空信息提供了很好的平台。全国120个站点可连续自动测定高空温、压、湿、风等气象要素值。按照400 m·min^-1的升速计算，秒数据探空数据垂直采样间隔约为8 m，探测高度可达10 hPa(杨湘婧等，2011; 田广元等，2011)。与传统的探空资料相比，L波段探空系统秒数据资料具有时间和空间的高分辨率、定位准确的特点，是目前唯一能对全国高空大气进行同时的、立体探测的系统，且探测数据可靠。

在20世纪90年代国外已经开始研究利用高垂直分辨率探空资料分析小尺度天气结构特征，以及对对流层高层和平流层低层的温度廓线进行谱分析(Hamiliton et al, 1995)。进入21世纪美国科学家利用平流层过程及其气候作用计划(Stratospheric Processes and their Role in Climate，SPARC)积累的高分辨率无线电探空资料(high vertical resolution radiosonde data，，HVRRD)(卞建春等，2004；彭冲等，2012)进行重力波的研究。SPARC数据中心提供的高分辨率的探空资料(垂直分辨率约为30 m), 被用于研究分析重力波时空变化的谱特征，及热带对流系统质量通量和水汽收支的关系(Bell et al, 2008)。2005年起美国NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)可获取连续的秒级数据，相比SPARC垂直分辨率为30 m, 秒级数据垂直分辨率达到5 m, 该资料能更好地分析小尺度大气结构与特征。

目前，我国对L波段常规探测数据的使用大多数情况还多仅限于以往业务上使用的标准层与特性层资料，而对L波段探测“秒级”数据的开发应用分析仍存在很大的局限性，如“秒级”数据的时空分辨率都很高，而数值模式目前还尚未达到如此高的垂直分辨率，探空资料作为资料同化中资料质量较高、性能稳定的非常重要的一类资料如何合理使用这些高垂直分辨率信息，为数值预报模式服务是有待探索解决的问题。

本文使用我国的L波段探空系统秒数据资料，分析其水平和垂直结构特征，并将其应用于我国区域GRAPES变分同化系统中, 比较高垂直分辨率秒/分钟数据与传统探空数据使用对资料同化的影响，以便更好利用高分辨率探空资料，为提高数值预报的准确性打下基础。

1 秒/分钟资料特点

目前L波段探空秒级数据水平分布与传统探空分布是一致的，在中国区有120站点(如图 1)，从图上看总的分布是比较均匀的，仅在高原地区略为稀疏。秒级探空数据采样时间频次周期为1.2 s，分钟级采样周期是每1 min采样。而秒数据垂直间隔约8 m·s^-1, 探测高度10 hPa以上，分钟探空400~500 m·min^-1。秒资料垂直层次约4000层/站，分钟资料约90层/站，传统探空约40层/站, 比较表 1看出秒级探空数据不仅和传统探空一样可连续自动探测高空的温、压、湿等气象要素值，还可获取观测点的仰角、方位、距离等位移信息，为探空资料的准确定位带来了方便。图 2是单站2011年6月14日00时秒级探空以及分钟探空的垂直廓线，其中包括了温度、气压及湿度观测量。比较两廓线图看出两者基本是一致的，相比分钟廓线，秒级数据垂直层次更加密集。

2 质量控制

秒级探空数据的质量控制目前仍采用与传统探空观测一致的质量控制方法。如极值检查、内部一致性检查、温度递减率检查、逆温检查、风切变检查等(陶士伟等，2006)。同时剔除在温度小于-40℃且相对湿度小于5%的湿度资料。图 3分析2011年7月24日00时秒/分钟级探空数据及传统探空的u风场观测与模式背景场的散点分布，看出无论是观测值还是模式背景值都集中于对角线上，说明探空观测风场和预报模式背景场资料是非常接近的，没有明显的离群资料，探空风场资料质量较好。同样的温度场和气压场也有类似的结果(图略)。这对同化中探空资料的使用是非常有益的。

3 秒级探空的同化应用方法

秒级探空资料虽然垂直层次很密，但目前由于GRAPES模式的垂直分辨率还不是很高，仅有31层，故在实际应用中仍将秒级探空资料作为廓线资料来使用，采用将观测资料直接插值到模式面上, 进行同化分析。即在已知模式面上找观测资料最接近模式层的观测值，插值到最近的模式层上，这样可尽量减少由于插值带来的误差(王缅等，2011)。图 4是2011年7月24日00时(UTC)单站观测插值到模式面的秒级/分钟探空与传统探空的比较。从图 4a和4b为u、v风场的垂直廓线看，秒级探空、分钟探空和传统探空比较在各个层次上差异不大，数值上基本是一致的；图 4c为插值到模式面温度场，可以看出秒级/分钟探空与传统探空三条线几乎是完全重合的；而图 4d湿度场秒级和分钟探空比较一致，而与传统探空相比在850~500 hPa与之差异较大。这可能与探空湿度观测系统本身误差较大有关。由于秒级/分钟级探空资料其垂直分辨率较高，它比传统探空更好地反映大气垂直状况，所以在观测误差大时，这种差异表现更加显著。探空湿度观测误差较大给同化分析结果带来负面影响，目前还是有待解决的一个难题，需要进一步的质量控制加以处理，使之更加合理地应用于同化预报中。

4 个例试验

为了解高分辨率秒/分钟级探空资料在GRAPES 3DVAR同化系统中应用对同化分析产生的影响，选取2011年7月24日00时中国区域的秒级探空、分钟探空及传统探空资料在GRAPES 3DVAR同化分析系统中进行试验。7月24—25日，受蒙古南下低涡切变系统影响，河套地区500 hPa低槽向南加深，此时副热带高压西脊线伸至华南西部，西风带高压与副热带高压打通，同时850 hPa存在一条明显的西南急流带，强度达12 m·s^-1，冷暖空气在河套地区交汇，华北东部、黄淮发生强对流天气，这些地区伴有大范围的短时强降水(张小雯等，2011; 于超，2011；尹恒等，2012)。

试验采用中国气象局数值预报中心研发的区域GRAPES数值预报系统。模式采用全可压原始静力平衡与非静力平衡可选方案，半隐式、半拉格朗日动力框架，水平方向采用Arakawa-C跳点网格设计，垂直方向采用Charney-Philips跳层设计的地形高度追随坐标，取不等距31层(郝民等，2013; 薛纪善等，2008; 马旭林等，2009)。模式水平分辨率为0.15°×0.15°，预报范围(15°~65°N、70°~145°E)，覆盖了整个中国区域，其同化为GRAPES 3DVAR三维变分同化系统。试验得到相应高度、温度场和风场分析结果与NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析场进行比较(郑祚芳等，2013; 刘君等, 2013)。由于NCEP系统相对完善，分析场应用了较多的常规和非常规观测资料，使我们能得到的较好参照场。故设计4组对比试验见表 2，比较使用不同资料后的分析结果。

4.1 高度场分析

从图 5的500 hPa高度场分析中可以看出试验二、三、四的结果很接近，与试验一NCEP分析的差异主要表现在东南沿海和青藏高原北部地区。其中高原地区试验二、三、四分析场要比NCEP分析略强，都有一闭合的高压出现，且这3组试验之间在高原上分析差异不大。而在东南部地区的分析，试验三、四与试验一在强度和位置上都更加接近, 试验二与其他试验略有差异。图 6是试验二、三、四与试验一在500 hPa高度场分析的偏差场，从图 6a中可以更清楚看出试验二与试验一的偏差在新疆和青海等地区明显大于图 6b和6c试验三、四与试验一的偏差。即使用秒级探空数据的分析500 hPa高度场结果更接近NCEP分析，而使用传统探空资料的分析与NCEP分析比较偏差略大。同样比较4组试验在850和250 hPa的高度场分析(图略)可以得到相似的结果，说明高分辨率资料对于像资料稀少高原地区的分析改进是有正贡献的。

4.2 温度场分析

图 7是850 hPa温度场试验二、三、四与试验一的分析结果偏差，从中看出偏差最大在甘肃北部，其中图 7a试验二与试验一的偏差最大，达到2.5℃以上, 图 7b是试验三与试验一的偏差为1.5℃, 而图 7c是试验四与试验一的偏差约为1.0℃, 由此看出秒级探空资料和分钟资料的分析偏差都小于传统探空的分析偏差，即秒与分钟探空的分析明显优于传统探空的分析，更接近NCEP的分析结果。

4.3 风场分析

图 8是500 hPa风场分析偏差，从图 8a中看出风场偏差大的位置在高原北部地区，试验二与试验一的偏差为8 m·s^-1, 而图 8b试验三与试验一的偏差为3 m·s^-1, 图 8c试验四与试验一的偏差也为3 m·s^-1, 但试验三、四与试验一的偏差比较，范围要小些。故使用秒级资料的分析结果要略优于分钟资料的分析，而秒级和分钟级探空分析又都优于传统探空的分析。

5 连续试验

选取2011年6月1—30日连续30 d的秒级探空、分钟探空和传统探空资料在GRAPES 3DVAR同化系统进行连续模拟试验。为了能更清楚比较秒级/分钟级探空和传统探空资料使用对模式预报的影响，试验中仅同化了探空资料，没有加入其他资料，并做24 h模式预报。比较试验二、三、四同化分析结果与NCEP分析的风场均方根偏差以及24 h模式预报的降水预报评分，预报偏差等。

5.1 风场均方根偏差

图 9是试验二、三、四与NCEP风场分析比较的均方根偏差，图 9a、9b分别是u和v风场。从图中看出：使用高垂直分辨率的秒、分钟探空资料分析的风场偏差在绝大部分垂直层次上明显小于传统探空的偏差，特别是在高层150 hPa以上分析中，偏差的改进更加显著。风场u、v有同样的改进效果。说明使用高垂直分辨率探空资料对分析有一定的正效果。

5.2 24 h降水预报评分

图 10是在GRAPES 3DVAR中使用传统探空、秒级探空及分钟探空资料同化分析后做连续30 d模式预报试验的降水检验结果。图 10a是连续试验24 h降水预报评分ETS(Equitable Threat Score)，从中雨和大雨预报评分看使用秒级探空资料的预报评分明显优于其他方案，而使用分钟探空资料未显示出优势。图 10b为24 h预报偏差B值, 秒级探空使用的试验同样表现明显的优势，在小雨、中雨和大雨量级秒级探空使用后其预报偏差相比其他方案都是最小的。相比之下分钟级探空和传统探空的使用其预报偏差在各个量级上基本上是相近的。由此看出高垂直分辨率的秒级探空资料丰富的垂直信息的利用对模式降水预报评分和偏差都有显著的改进效果，而分钟级探空使用对模式降水预报未显示出很强优势。

6 结论

本文通过分析高垂直分辨率秒级、分钟级探空的水平、垂直分布特征，以及在GRAPES 3DVAR同化预报系统中应用，个例试验比较其分析场与NCEP分析的差异及30 d连续试验的降水评分和预报偏差发现：

(1) 秒级探空资料在我国其水平分布较均匀，垂直分辨率达到8 m, 最上层能到10 hPa以上。秒探空观测资料有仰角、方位及距离以便更加准确定位。

(2) 通过比较秒级探空资料与模式背景场发现，风场观测与背景场值偏差较小，故其风场观测质量较好。

(3) 比较4组试验的高度、温度和风场分析结果证实秒级探空资料的使用较其他方案在850、500 hPa等层次上分析都更接近NCEP分析, 显示对分析结果改进有明显正效果。分钟级探空资料使用后的结果与秒级探空使用结果相似。同时连续试验表明：风场在200 hPa以上的高层分析中改进尤其显著，在低层其分析场与传统探空分析是一致的。这也说明高分辨率资料使用在高层分析中对系统模拟准确性更有优势。故高垂直分辨率探空资料的使用对分析初值的改进有积极意义。

(4) 分析场的改善对降水预报的影响在预报评分和预报偏差上都有显著的改进。特别是秒级探空比分钟探空对降水预报的影响，偏差明显减小，评分增加，显示出改进效果。

目前L波段秒级探空资料作为一种高垂直分辨率资料可以在实时业务中获取，本文通过一系列试验结果显示出秒级探空资料在GRAPES 3DVAR同化分析和预报中应用都起到很好的改进作用，这为高分辨率的资料的进一步的开发利用奠定了基础。由于目前GRAPES模式同化系统垂直层次仅31层，垂直分辨率较低，高分辨率的秒资料还很难完全发挥其优势，随着数值模式分辨率的提高，同化技术的进步，秒级探空资料这种含有丰富时空信息的资料将有更广泛的应用前景。