引言

天气和气候相关研究需要高质量和高分辨率的天气观测要素，例如温、压、湿、风的观测。无线电探空观测提供了固定地点长期高空温、压、湿、风等气象要素值，是天气分析和数值预报最常用的一类资料数据源(郝民等，2014；2016;阮新等，2015)。高空气象观测是气象观测业务的基础，是天气预报、气候分析、科学研究和国际交换气象情报和资料的主要来源(张涛和董洋，2012)。探空资料一直以来是数值预报最基本的资料，虽然随着越来越多卫星资料的使用，使得探空资料在业务分析系统的影响减少，但是探空资料仍旧是评估业务系统分析和预报的参考资料。探空资料相对其他资料全球站点分布稀疏，但是由于其垂直层较多，探空资料对数值预报同化分析的影响在常规资料中排在第一位。张利红等(2013)对不同资料在数值预报影响进行分析，试验表明探空资料对整层要素均有明显调整。何光碧等(2013)试验表明探空资料同化可以减小气象要素分析场和预报场的均方根误差，对高空要素预报的改进在前24 h较明显，尤其是前6 h；对降水TS评分也有所提高。探空资料对提高模式预报有着重要作用。郝民等(2016)将地面高山站资料作为探空资料的补充在资料同化中使用做了初步的尝试，研究发现在高山站较多的西南地区，高山站当做探空资料使用在小雨、中雨和暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用，可以弥补探空资料在高原地区稀疏的不足。

庄照荣等(2014)通过在同化系统中加入探空位势高度观测黑名单检查可以改善同化系统的分析，从而抑制了虚假观测导致的虚假分析。这从另一个角度说明探空资料虽然重要，个别质量差的探空资料仍会对同化分析和预报起到负作用。自2015年1月1日起，俄罗斯对探空观测进行了调整，减少了部分探空站的观测次数，图 1是2015年1月1日与2014年1月1日接收到的探空站点空间分布对比，0000 UTC(世界时，下同)俄罗斯地区探空观测减少110°E以东资料，大约有36站(图 2中的红点)；1200 UTC俄罗斯地区探空观测减少110°E以西资料，大约有62个站(图 2中的蓝点)。过去经验认为俄罗斯探空观测的质量相对较差，其探空观测减少对同化分析和预报的好坏不得而知。为检验站点减少对GRAPES模式的影响，选取2014年1月从中国气象局国家气象信息中心数据库中检索到的探空资料进行了影响试验。

1 试验设置

试验使用模式水平分辨率是0.5°×0.5°，采用可压的、非静力、半隐式-半拉格朗日的时间积分方案，水平方向离散采用Arakawa-C跳点格式，垂直方向离散采取Charney-Phillips跳层分布，垂直坐标选取高度地形追随坐标，垂直层次62层；模式变量是温度、风和比湿。同化系统是GRAPES三维变分同化系统模式面分析，分析的垂直层次为62层，水平分辨率为0.5°。分析变量是气压、风和相对湿度，同化时间窗是6 h。

同化系统使用的观测资料有经过预处理的探空、地面、飞机报、船舶、云导风、NOAA-15 AMSUA、NOAA-16 AMSUA、AMSUB、NOAA-18 AMSUA、NOAA-19 AMSUA、METOP-A AMSUA。

为检验减少站对GRAPES模式的影响，选取2014年1月接收到的探空资料分别在0000 UTC和1200 UTC剔除一些站(剔除站点分布见图 2)进行了两组试验。试验1为控制试验，采用上述观测进行连续试验；试验2使用和试验1相同观测类型，使用探空资料时分别在0000 UTC和1200 UTC剔除图 2中的相应站点。

本文将同化后得到的分析场和剔除的探空资料与参考场FNL(final operational global analalysis data)进行对比，计算不同气压层的偏差及偏差标准差进行分析，其偏差平均值及偏差标准差分别如式(1)和式(2)所示：

$ \Delta \overline{X}=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{i=n}{({{X}_{Ii}}-{{X}_{Oi}})} $

(1)

$ St{{d}_{\Delta X}}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum\limits_{i=1}^{i=n}{{{[{{X}_{Ii}}-{{X}_{Oi}}-\Delta \overline{X}]}^{2}}}} $

(2)

式中，$ \Delta \overline{X} $、Std_ΔX分别为分析场和剔除观测偏差的平均值和偏差均方差，X_Ii代表分析场和剔除观测，X_Oi代表参考场，n为参与计算的样本数。

2 同化结果分析

由于FNL资料是综合了多种观测资料，经过一系列分析处理后得到的资料, 资料质量较高，因此将其作为参考场。将试验得到的分析场与FNL数据比较计算偏差和均方差对分析场进行评估。对风场分析影响来看俄罗斯区域(40°~90°N、0°~180°E)300 hPa以下风场分析偏差和均方差都略有增大；其他区域风场偏差及均方差变化不大(图 3)。对高度分析(图 4)来看，俄罗斯地区探空观测资料减少对东亚地区和俄罗斯地区的高度分析有正贡献，这些地区500 hPa高度以上层次的偏差和均方差均有所减小。由于探空高度观测是温度观测和气压观测导出量，探空温度观测受太阳辐射影响较大(余君等，2016)但使用观测时并未考虑辐射订正，这说明与减少探空站的探空高度场观测质量相对较差有关系。

为了解剔除探空观测资料的质量，选用芬兰Vaisala公司的RS92/Ⅲ型探空仪作对比分析，RS92型探空仪灵敏度较高(邢毅等, 2009)。试验比较了剔除的探空观测和同时间的RS92型探空仪观测分别与FNL数据相比计算偏差和均方差。将计算结果进行对比，由于插值没有考虑地形高度，故700 hPa以下高度的偏差不做分析。由图 5来看，2014年1月0000 UTC时剔除的探空站风场与RS92/Ⅲ探空仪相比风场的偏差和均方差相当，表明剔除探空站的风场观测质量是可靠的，因而减少同化系统使用的探空风场观测信息，会使风场分析在俄罗斯地区和东亚地区变差(图 3b和3d)。但是剔除探空站的高度场和温度场观测与RS92/Ⅲ探空仪相比100 hPa以上高度偏差较大(1200 UTC时结果类似，图略)，最大值可达到80 gpm，高度场质量相对RS92/Ⅲ探空仪来说偏差较大，同化系统中加入偏差较大的观测会使分析变差，因而减少探空站后俄罗斯地区高度场分析偏差会减少(图 4b)。由于受仪器性能、观测环境、太阳短波辐射(白天引起正温度偏差)、长波红外辐射(夜间引起负温度偏差)、季节、观测技术和计算方法等因素影响，实际的探空温度资料是包含随机误差和系统性偏差的，探空温度在高层的观测偏差在一些文献(Haimberger et al，2008；Sherwood et al，2005；Sherwood，2007)中都有描述。另在使用探空资料过程中需要对探空温度资料进行偏差订正，而在本试验中未对观测进行偏差订正，这会影响探空温度资料的使用效果，这要在以后工作中考虑。

3 模式预报效果分析

对模式预报效果进行了检验，检验内容为8 d预报的500 hPa高度场距平相关系数(abnormal correlation coefficient, ACC)。从500 hPa高度场ACC(图 6)来看，减少俄罗斯东部部分探空观测对北半球0000 UTC的8 d预报的500 hPa高度场的ACC影响不大，只是第8天的预报略有降低。0000 UTC减少观测120 h以后的高度场预报东亚地区ACC略有提高，对5天后预报略有正贡献。

从1200 UTC起报的8 d高度预报场ACC(图 7)来看，减少俄罗斯西部探空部分探空观测对北半球和东亚地区高度场预报ACC影响不大。

4 结论

2014年1月俄罗斯探空站点减少后，GRAPES模式对俄罗斯大部地区的风场分析变差，对其他地区风场分析影响不大；俄罗斯地区和东亚地区的高度场分析略有变好，这与未对使用的探空温度观测进行偏差订正及缺失站点高度场观测质量有关。与目前国际上较先进的RS92/Ⅲ型探空仪对比计算观测与参考场之间的偏差及均方差，剔除观测的高度场和温度场与RS92/Ⅲ探空仪相比偏差较大，如果使用这部分资料需进行订正后使用。从8 d预报的500 hPa高度的ACC变化来看，减少观测对东亚地区5 d以后的预报略有改善，其他地区变化不大。