引言

一直以来，尽管基于卫星和GPS等各种观测手段获得的大气观测数据越来越多，探空观测在气象研究中的关键角色仍然无法被取代。在全球及区域数值预报的科学研究及业务同化应用中，无线电探空观测因能够完整描述大气三维结构而成为极其重要的陆地大气信息来源(Faccani et al, 2009)，是用以改善模式初始场质量、提高模式预报水平不可或缺的最为基础的资料之一。研究表明在观测资料稀缺地区，加入适应性观测外场试验加密的探空观测，可减少初始场的不确定性，改善同化分析结果(Agustí-Panareda et al, 2010; Amstrup et al, 1999)。张朝林等(2005) 利用观测系统数值试验，对“00.7”北京特大暴雨过程中各种气象监测资料的同化作用进行了评估，提出在三维变分同化方案下，常规探空是对改进预报结果影响最大的资料之一。对探空观测资料在西南暴雨中的同化试验，张利红等(2009) 指出同化探空资料能够改善背景场质量，且同化资料条数愈多，对背景场的改善作用愈突出。探空资料在西南区域新版数值预报业务系统BJ-RUC中的应用效果研究(张利红等，2013) 显示，其垂直信息丰富，对初猜场各层误差减小均有贡献，单独同化试验表明探空资料的同化有助于降水预报改进。此外，近年来探空资料在诊断大气垂直温度结构、研究行星边界层大尺度长期变化特征等方面的应用也受到了越来越多的关注( de la Torre et al, 1997; Durre et al, 2008;陈龙虎等, 2009)。

长期以来，对探空观测数据的收集存档普遍局限于规定等压面层及特性层，相应的数值预报同化应用也仅围绕这些特定层次上的探空观测展开，因此在目前探空观测资料的同化应用中不可避免地存在下列问题：

(1) 常规探空观测资料的垂直分辨率小于中尺度模式垂直分辨率。随着计算能力的不断飞跃，数值预报在垂直方向的分辨率不断提升，例如通常在2000 m以下大气边界层内中尺度模式垂直层次往往可以达到十几层，而相应业务探空观测资料常规等压面层仅有925和850 hPa两层，加上特性层也不过5、6层左右，其在垂直方向上提供的信息较为有限。

(2) 探空资料的业务同化应用未考虑气球水平漂移信息。无线电探空气球以约400 m·min^-1的升速上升，上升过程大约持续90 min，气球可上升至30~40 km高度。在此过程中，气球受高空气流影响发生水平漂移而偏离地面测站上空，一般偏移距离为几十千米，最大可超过100 km甚至可达200 km(刘红亚等, 2005;陈哲, 2010)。因此随着数值预报模式分辨率的提高，气球的水平漂移距离实际上已经大大超过了模式网格距。针对这一问题，国内学者已开展了一定研究。如刘红亚等(2005)、嵇磊等(2008) 的研究均指出探空气球随高度的漂移对高分辨率模式有影响，位置订正前后分析场差异低层小、高层大，位置订正可在一定程度上提高初始场质量，改善降水预报效果。但目前业务上的同化分析并没有考虑探空气球水平漂移信息，而是将探空观测视为测站正上空的垂直廓线信息进行同化，故在探空气球发生明显漂移的情况下，模式吸收的观测信息实际上已经存在水平位置误差，对中小尺度天气系统来说这一影响可能更为突出。

对包含精确空间位置信息的高垂直分辨率探空数据开展同化应用为解决上述问题提供了一个途径。数值气候模拟、资料同化及数值天气预报分析均可受益于高垂直分辨率探空数据的获取和应用(Hamilton et al, 1995)，观测系统越密，它对分析精确度的贡献越大，这个事实在水平和垂直方向都成立(Kalnay, 2005)。

我国于2011年全面完成由59-701型探空系统向L波段高空气象探测系统的更新换代，共120站，该系统可获取时空密度更大、精度更高的秒级和分钟级采样频次的探空观测，其在天气学研究中发挥了很大的作用(苑跃等，2014；杨湘婧等，2011)。刘梦娟等(2014) 利用L波段探空秒数据垂直分辨率、精度均较高的特点，以其为实况，对BJ-RUC系统分析和预报边界层性能进行了初步评估。赵桂香等(2013) 将L波段秒探空用于研究大暴雨过程的云团及环境场特征，以解释不同云团形成的环境场差异，提炼更多的暴雨中尺度信息和先兆信号。蔡淼等(2014) 利用L波段探空资料，通过相对湿度阈值法判断云区位置，得到一套适合于L波段秒探空数据的云垂直结构判别方法。石春娥等(2014) 利用高分辨率探空资料，从大气层结及近地层输送条件等方面探讨了2013年1月安徽霾天气频发的原因。但是目前针对高分辨率探空观测的同化应用研究仍然有限，尤其是秒探空的应用，因其采样时间短、具有极高的垂直分辨率，在同化应用时需要通过稀疏化手段来解决观测之间垂直相关过大的问题；此外在资料的代表性及质量控制方面仍然需要继续深入研究。最近郝民(2014)等 形成了一种稀疏化方案，即将秒级和分钟探空观测插值到模式面后以廓线形式进行同化，取得了较好的效果。但是仍然存在问题有待考虑，一是插值过程本身会形成误差，其二对于分钟探空观测而言，其垂直分辨率几乎与当前的区域模式相当，因此可以尝试在无需稀疏化的条件下开展同化应用。此外，研究中并没有考虑气球漂移对同化分析的影响。

结合当前模式垂直层次分布，相对于以往探空数据的应用研究，L波段分钟探空数据具备垂直分辨率高、包含探空气球水平漂移信息等优势。因此本文将尝试采用不同的同化分析方案，探讨L波段分钟探空数据在同化中的恰当应用，以期充分发挥其垂直加密及加入气球水平漂移信息的优势，有效改善同化分析、预报效果，并为其后进一步开展秒级探空观测的同化应用积累经验。

1 L波段分钟探空观测资料的特征

L波段分钟探空由L波段秒级探空在时间上进行稀疏化后形成，同时达到了垂直方向上观测空间稀疏化的目的，但其垂直分辨率仍然高于传统气压层探空观测。分钟探空不仅包含了常规气象要素观测值，而且包含了探空气球上升过程中精确的定位信息。

对2013年7月1日00时至31日12时(UTC)每日00和12时，共62时次的常规及分钟探空数据进行统计，分析L波段分钟探空资料相对于常规探空资料的垂直加密特征及气球漂移特征。

垂直层次方面，50 hPa以下分钟探空数据的温度、相对湿度、风三要素垂直层数全场平均约为56层，而常规探空各要素垂直平均约为20层，前者明显多于后者。统计两套资料三种要素垂直层数与不同层次间的差异，可知分钟探空较常规探空垂直层次的加密主要表现在500 hPa以上，且加密的层数随高度增加而增大。气球漂移特征方面，以35°N为界，统计中国南、北方50 hPa以下探空气球夏季漂移特征(如图 1所示)。其中分别利用纬偏、经偏指示气球南北、东西向漂移。由图 1知，气球在850 hPa以上开始表现出一定漂移特征。我国北方地区，经向漂移明显，500 hPa以上，经度偏差迅速增加，200 hPa达到0.3°，100 hPa以上可超过0.5°，而纬向漂移较小，这与我国北方地区夏季对流层中盛行西风，最大风速中心约位于40°N、200 hPa高度附近有关。而南方地区，经向漂移与纬向漂移平均而言均较弱，这与我国南方地区，各层风速普遍较北方小，且受对流层中层副热带高压及对流层上层南亚高压两个盛行风向不同的系统支配，使得气球漂移路径常出现折转有关，因此由气球漂移导致的经纬偏差较小。

由此可知，相对于传统常规探空，L波段分钟探空观测垂直层次更加密集，且包含的气球漂移信息具有较好的指示意义，在一定程度上不容忽视。

2 L波段分钟探空观测的三维变分同化试验 2.1 试验方案

L波段分钟观测资料一方面仍然可以与常规探空一样，视为探空测站正上方的垂直廓线进行同化，但较常规探空可以引入更多垂直方向上的观测信息；另一方面，由于L波段探空观测系统包含了探空气球上升过程中相对于测站地理位置的水平经纬度漂移信息，且精确到了0.01°，因此可以将每个空间位置上的分钟观测均看作一个独立的探空站观测进行同化，这样不仅纳入垂直方向上更为密集的观测信息，而且相对于廓线方式，能够在正确空间位置、而不是近似的测站地理位置反映实际观测信息。因此设计同化方案如下。

本文采用中国气象局北京城市气象研究所基于WRF模式和WRFDA资料同化系统研发的BJRUCv2.0系统(范水勇等, 2013;陈敏等, 2011) 的9 km区域进行试验，该区域水平网格点数分别为400×649，垂直方向38层。本文采用NCEP GFS的12 h预报场作为模式同化初猜场进行资料同化，然后进行24 h预报。

2.2 单个探空站的同化试验

首先对2013年7月1日00时单个探空站(北京观象台，站号：54511) 按上述三种不同方案进行同化试验，以获得对考虑垂直层次加密及探空气球漂移情况的探空观测同化效果的初步认识。

试验用以对比的常规探空观测来自当时业务用同化观测数据集，从地面到50 hPa模式层顶，其温度、湿度和风分别有12、9、11个观测，除常规气压层和地面层外，仅有一个特性层观测位于134 hPa。而分钟探空温、湿、风三要素分别有63层，远高于常规探空资料的垂直密度。此外，由图 2所示的54511站分钟观测空间位置变化可知，探空气球一直维持向下风方向漂移的趋势，且因通常纬向风U分量大于经向风V分量，气球的东西向偏移最远漂移了0.6个经度，明显大于南北向偏移。试验中所有层次上的观测均被同化吸收形成了有效的分析增量。

图 3给出54511站所在位置各预报要素的同化初猜场(bckg)、各试验同化后形成的模式层分析场(ana)以及常规和分钟观测(obs)的垂直廓线分布。可以看出，分钟探空比常规探空在垂直方向上分布更为密集，且与模式垂直层次匹配均匀。

分析各个要素的垂直分布可知，U分量在400~925 hPa之间的模式同化初猜场明显较探空实况偏弱，而常规探空仅能在有限的气压层(500、700和850 hPa)上反映该特征(图 3a)，因此同化分钟探空的方案在500~800 hPa层之间的分析增量最终较控制试验CONV方案大1 m·s^-1左右(图 4a)，即分钟探空同化后的分析场具有更强的西风分量，更加接近于观测实况。对于V分量(图 3b)，分钟探空亦揭示了更多常规探空无法反映的关键变化信息，

例如在600和350 hPa附近分别为弱北风和极值达7.96 m·s^-1的南风。常规探空的V分量从400 hPa的弱北风直接转为300 hPa的偏南风，但分钟探空在两层之间的6个观测则揭示了更多风场垂直变化的细节，初猜场在这两个气压层之间均为北风分量，因此PROF比CONV形成了更大的分析增量(图 4b)，600 hPa层也有类似的情形。

分钟探空反映的温湿度垂直变化基本趋势与常规探空是一致的(图 3c, 3d)，两种探空的有效观测差异主要表现在850 hPa以下，因此同化这两种探空观测形成的温湿度(特别是湿度)分析增量差异在850 hPa以下层次较为明显(图 4c, 4d)。从这个例子来看，较之同化常规探空，同化分钟探空后54511测站的边界层及对流层低层更为暖湿。

由之可见，同化垂直层次更为密集的分钟探空确实较常规探空能够更大程度地修正模式初猜场，使之更加接近实际观测。与此同时，对比图 3~4中给出的以两种不同方式同化分钟探空得到的分析和分析增量垂直廓线，可以看出，INDV试验与PROF试验到300 hPa层以上开始有明显差异，而300 hPa层以下几乎完全一致，反映了在同化过程中探空气球水平漂移位置对同化结果的影响在对流层高层才会变得显著。

分析三种同化方案的差异，可以客观认定探空观测在垂直层次上加密、考虑探空气球精确位置对垂直方向上同化结果的独立影响，分别采用PROF-CONV、INDV-PROF和INDV-CONV来表示。

图 5给出了三种同化方案形成的U、V、T要素沿探空站所在位置东西方向垂直剖面上的分析增量差值，PROF-CONV表示以相同廓线方式同化垂直层次更密的分钟探空和常规探空后分析增量的差异，反映了探空观测垂直加密的作用。如图 5a所示，PROF在925~400 hPa之间形成了更大的U分析增量，而在200~100 hPa层内U分析增量小于CONV，且在水平方向的传播尺度可达500 km。如前文所述，这是由于分钟探空比常规探空能够在更为密集的垂直层次上反映U观测值在400~925 hPa之间大于初猜场、在100~200 hPa之间小于初猜场的特征。PROF-CONV的V分量在350和600 hPa分别出现了正负分析增量差极值中心(图 5d)，这与前文所述的V的OMB和分析增量(图 4b)的分布一致。但是探空观测在垂直方向的加密并未对温度同化结果形成大的影响(图 5g)。

INDV-PROF反映了考虑探空气球水平漂移后造成的同化结果差异。从图 2来看，因为探空气球在300 hPa以上高度向下游的水平漂移更为显著，可以预计这种影响主要集中在模式上层。由图 5e知，探空气球漂移位置对同化结果的影响主要体现在V分量上，其分析增量差异在200 hPa形成极值中心，反映了在高层水平方向上下游V分量具有更为明显的局地变化特征，对U分量和温度场的同化效果并没有形成显著影响(图 5b，5h)。

INDV-CONV表现了以逐点方式同化分钟探空与同化常规探空的分析结果差异，反映了在同化过程中同时考虑垂直观测加密和观测实际空间位置的综合影响。通过对比发现，其中起到主导作用的仍然是垂直观测的加密，仅V分量可以看出探空气球漂移对高层同化结果的影响(图 5f)。

因此，仅根据本例中单站探空观测的同化结果知，相对于常规探空观测，垂直层次上更为密集的分钟探空观测能够补充的主要是风场信息。而两种探空的温湿度观测垂直廓线差异主要集中在对流层低层(图 3c, 3d)，主要的分析增量差异也低于700 hPa。

2.3 个例及连续试验

选取2013年7月1—20日连续20 d，在BJRUCv2.0系统的9 km区域内采用上述三种方案开展连续模拟同化预报试验。三个试验仅同化L波段分钟及常规探空资料，预报范围内(图 6扇形区域)可同化的测站数约为107个(图 6所有彩色站点)。通过三种试验方案的对比，定量分析分钟探空更为丰富的垂直观测信息、及精确的探空气球漂移位置信息对模式同化和预报性能的影响。

2.3.1 个例试验分析

仍然以2013年7月1日00时起始的预报为例，较为细致地对比分钟探空观测与常规探空观测的同化效果。

首先分析个例试验中全国各站点同化的业务常规探空及分钟探空观测层次特征。对于分钟探空数据，U、V、T、Q四要素同化层数均为53层左右，而常规探空U、V约31层，T约23层，Q约19层。反映出个例试验中，模式区域内各站点常规探空数据虽同时包含常规气压层及特性层，但其各要素可同化的垂直观测数仍然少于垂直密度较高的分钟数据。分析显示，总体而言，分钟数据较常规探空加密的层次数在高层更多，相应的高层可同化层数亦更多，特别是300~100 hPa各要素可同化层数差异较其他层次显著。图 6给出了该个例全国分钟探空与常规探空U/V、T、Q变量同化垂直层次差异的空间分布情况，对于U/V变量(图 6a)，绝大多数站点分钟探空较常规探空多12层以上，特别是我国东部及北方地区，相差可超过18层。T变量(图 6b)，多数站点分钟探空较常规探空数据多16层以上，其中很大一部分多于24层。对于Q变量(图 6c)，主要对比500 hPa以下分钟数据与常规数据的差异，发现多数相差10层到20层。诊断三种试验方案的风场、温湿场分析增量情况，发现各方案形成的分析增量总体分布非常相似，但分析增量的大小仍有不同(图略)，这从一个侧面反映出，作为同源数据，常规、分钟探空观测层次上的差异不会带来气象形势场分析上的明显差别，但因分钟数据垂直层次信息更丰富，故两种探空同化后的分析增量在整个模式预报区域内仍然有一定程度的差异。结合图 7a, 7b和图 6可以看出，常规与分钟探空同化层数差异较大区域，通常分析增量差别也较清楚。

进一步细致讨论各试验方案间风、温、湿要素分析增量差异。如图 7a, 7b所示，其中700 hPa层上PROF-CONV的风矢量差表明同化分钟探空后加强了华北及东北南部的西风分量，正相当位温差的分布则表明PROF低层具有比CONV更优的温湿条件；200 hPa层上PROF较CONV形成的风场分析增量差别在影响范围和幅度上均较低层更为显著，尤其在新疆南部地区，PROF试验实际减弱了该地区高空急流的强度。分析INDV-PROF的结果(图 7c, 7d)可以发现，700 hPa层上INDV和PROF的分析增量有极为微小的差别；但是到200 hPa高度，尤其在我国北方地区200 hPa层高空急流所处位置，气球水平漂移造成的风场分析增量差别变得显著，特别在东北地区，INDV和PROF的风矢量差最大可超过3 m·s^-1，这与垂直加密观测的影响达到了类似的程度。与CONV相比，INDV试验实际综合了上述两个方面的影响，包括通过同化垂直方向更密的分钟探空进一步提升700 hPa暖湿条件并减弱新疆地区200 hPa西风急流强度和考虑气球漂移加强200 hPa层东北地区风场(图 7e, 7f)。

利用fnl资料对2013年7月1日00时700和200 hPa位势高度场及风场(图 8) 进行分析，可知700 hPa我国东北地区有一气旋性低涡存在，东北南部及华北地区位于低涡底部西风气流中，200 hPa我国北方地区处于较一致的平直西风急流区。结合上述分析，可以看出本个例试验中，在主要关键天气系统所在区域，存在分钟探空数据及常规探空数据同化分析结果的差异，可进一步探讨其对未来预报效果的影响。

就降水预报而言，整体上三个方案形成的预报结果非常相似，特别是PROF和INDV。但分析t=12~24的12 h累积降水预报结果(图 9) 可知，虽然同化常规探空的CONV及同化分钟探空的PROF(INDV，图略)均可较准确地预报出辽宁地区两条大雨带，且两者降水量级预报也基本一致，但仍有细微差别。特别是后者较前者可以更好地预报出河北中部地区较强的降水中心(图 9c，红框区)，更接近实况降水。可以通过对同化结果的分析来尝试寻找降水预报发生差异的原因。由于PROF和INDV的降水预报结果几乎一致，这里仅考虑PROF和CONV试验的差别。图 10a为PROF和CONV试验于分析时次的700 hPa层相当位温差和500 hPa风矢量差，其中，PROF试验同化后形成的500 hPa风场在华北、东北上游地区具有比CONV更强的气旋式增量，预示着PROF方案形成了更深的高空槽，在其向下游移动的过程中将在动力上更有利于降水发生；而700 hPa高度相当位温的正分析增量差值表明PROF较CONV试验在相应地区具有更为暖湿的初始条件。积分12 h后PROF-CONV的700 hPa风场在北京以南的华北中部地区为气旋式辐合，并在华北、东北地区为正的相当位温差(图 10b)，有利于PROF试验较CONV试验在上述地区形成更强的降水(图 10c)，与实况更为一致。

同时，从积分12 h后，PROF与CONV方案沿38.2°N附近(38.0°~38.5°N纬度平均，图 9c短红线示意)的水汽通量散度及涡度纬向垂直剖面分布(图 11) 可以看出，与图 9红框中标注的降水区对应，于114°~116.5°E范围，PROF与CONV方案的对流层低层均表现为水汽辐合区及正涡度区。但在河北中部强降水中心附近(图 11中箭头所指位置)，PROF方案相对于CONV方案，具有更强更明显的水汽辐合中心及正涡度中心。由此可知，PROF方案在细节上具有更有利于强降水产生的水汽及动力条件。

2.3.2 批量试验的预报性能评估检验

采用上述方案，对2013年7月1—20日开展批量同化和预报试验，并对结果进行高空要素和降水预报客观检验。高空和降水检验所用实况分别为预报区域内所有探空站(约160个)常规气压层要素观测和常规地面站24 h累积降水观测。

对分析时次(t=0时)、t=12时和t=24时三个时次的高空要素检验结果如图 12所示，可知同化了分钟观测的INDV和PROF试验在900 hPa以上分析效果优于CONV试验，其中INDV最优，PROF其次，对于风的分析改善尤为明显，但925 hPa以下则略差；其后的INDV和PROF预报较CONV的优势逐渐不明显，仅改善了300~200 hPa高度层上风的预报效果。另外由以预报区域内2000个地面站24 h累积降水为实况的降水检验结果可知，整体降水性能变化不大，但是对于暴雨以上级别(50 mm/24 h)的降水，同化更高垂直分辨率的分钟探空数据具有正效果(图 13)。

3 结论和讨论

本文首先对L波段分钟级别探空数据的基本特征进行了分析，基于此结果分别采用廓线和逐点方式开展分钟观测数据在模式中的同化应用，并与仅同化常规探空观测的试验进行对比，得到如下初步结论：

(1) L波段分钟探空观测作为秒级探空时间上的稀疏化，相应地在垂直方向上也实现了稀疏化，其垂直分辨率可高于常规气压层探空观测约20层，且较常规探空加密的层数随高度增加而增多，并且与华北区域快速更新同化循环预报系统模式层有较好的匹配，在垂直方向上能够补充常规探空无法解析的观测信息。

(2) 探空气球在升空过程中随风向下风方漂移，通过L波段分钟探空观测中包含的逐点空间定位信息，可以了解探空观测的漂移特征：我国北方地区，经向漂移明显，500 hPa以上，经度偏差迅速增加，200 hPa达到0.3°，100 hPa以上可超过0.5°，而纬向漂移较小；南方地区，经向漂移与纬向漂移平均而言均较弱。

(3) 本文采用两种方法开展L波段分钟级探空观测同化：一是通常采用的垂直廓线方式；二是将逐个空间位置上的探空记录作为独立观测进行同化。单个测站的同化结果表明，以廓线方式同化分钟探空观测，其更丰富的垂直观测信息可有效增加观测在分析中的权重，形成更接近观测的分析场；逐点同化方式较廓线方式同化结果的差异主要表现在对流层上层；分钟观测较常规观测的同化结果差异主要表现在风场，而温湿场的差异仅在对流层低层有所反映。

(4) 对降水个例的同化结果进行分析可知，采用廓线或逐点方式同化分钟探空后的大尺度形势场及降水预报结果与同化常规探空是类似的，但也在整个模式预报区域内形成了可分辨的影响。逐点同化分钟探空表明气球水平漂移造成的风场同化差异在200 hPa以及我国北方地区高空急流位置更为明显。分钟探空与常规探空同化结果差异主要分布在二者可同化垂直观测层数差异较大的地区，分钟探空补充的额外观测信息能够部分影响到其后的降水预报。

(5) 20天连续试验结果表明，逐点同化分钟观测具有最好的分析性能，然而在其后的常规气象要素预报中初始场优势逐渐减弱，但对流层高层风的预报性能仍有改善。对于大量级降水，无论采用哪种方法同化分钟探空，都能起到一定的正面效果。

同化较高垂直分辨率的分钟探空数据虽然对分析预报产生了一些积极影响，但不难看出，其大尺度的增量性改进效果是有限的，因此仍待进一步有针对性的开展精细、高分辨率的分析，以突出其在分析小尺度系统方面的优势，但这一工作不仅需要资料本身可以很好地反映小尺度特征，同时也需模式背景场误差协方差结构能很好地反映多尺度特征。另外, 我们使用的是3DVAR技术，在逐点同化时其实仅考虑了探空漂移带来的空间位置的细致差异，而无法(像4DVAR那样)考虑L波段分钟探空在上升过程中所表达的高时间分辨率信息。因此，未来同化系统的改进将有助于推动这一工作的开展和进一步显示L波段分钟/秒探空同化预报的有效性及潜力。