地面观测资料特征的初步分析

郑陶 乔前东 王月林 陈秀成

摘要 从分析常规地面观测资料的特点入手，研究我国地面观测站的分布特点，分析模式地形与站点地形高度误差的差异程度。结果表明，我国2 872个地面观测站点在全国范围内分布不均匀，大体上呈东多西少的分布；大部分观测站点分布在站点高度低于500 m的、土地面积仅占国土面积约27.0%的地区；站点地形和模式地形存在高度误差，绝大多数站点的模式地形高于站点地形，所有观测站与模式地形的高度误差均值为130.76 m，有的站点的差值达1 000 m以上；模式地形与站点地形的高度差异程度分布很不均匀；根据Ruggiero同化方案，对地面观测资料进行初步篩选，不到40.0%的观测资料进入模式底层，导致地面观测资料利用率较低。

关键词 地面观测资料；资料同化；GRAPES三维变分

中图分类号 S16 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2015）34-306-02

资料同化是使描述大气初始状态的资料尽量精确化的一种有效方法，是数值预报研究的重要方面。发达国家的经验表明，在可能促进预报质量提高的诸多因子中，资料同化系统是数值模式是否能比较准确地描述大气运动状态的关键技术之一，它的更新是最能在短时期内取得明显效益的因子[1]。但资料同化系统中，现有的常规探空资料已经不能满足模式的需要，因为300 km间距或以上探空站分布稀疏，在资料客观分析中往往丢失掉一些很重要的中尺度特征[2]。相对于探空资料，地面观测资料的观测量均为模式变量，更适合高分辨率的时空模式。目前我国有约2000多个人工地面观测站，县级气象台站普遍布设了自动气象观测站，且还将不断继续建设，而常规探空资料站约120个[2]。从资料的数量和广度上来说，地面观测资料更丰富。然而，目前我国的地面观测资料利用率却很低，没能有效地进入模式。地面观测站在很大程度上来说只是一种观测手段，仅仅起到观测资料、存档总结的作用，造成资源的极大浪费。

地面观测资料难以利用的原因主要有两方面：一方面，地面观测资料在一定程度上受到地形、地貌的影响，另一方面，站点地形和模式地形存在高度差异[3-4]。如何充分有效地利用地面观测资料，从中提取有价值的模式信息，并把它们和其他资料融合为数值天气预报所需要的初始资料，改善数值模式预报水平，是一项很有意义的工作。笔者在此从分析常规地面观测资料的特点入手，研究我国地面观测站的分布特点，分析模式地形与站点地形高度误差的差异程度，为进一步研究地面观测资料的同化分析做准备。

1 设计方案

从地面观测资料入手，根据我国2 872个地面观测站的数据资料，绘制站点分布图，分析我国地面观测站的分布特点。与站点地形进行高度比较的模式是GRAPES模式[5]，通过计算模式地形与站点地形的高度差值，绘制站点地形关于模式地形与站点地形的高度差值的折线图，分析这种高度误差的分布特点。研究不同站点地形高度下，模式地形与站点地形高度差值的误差程度。根据Ruggiero同化分析方案[6]，对地面观测资料进行初步筛选，分析进入模式底层资料的特点。通过以上试验设计方案，初步了解地面观测资料的特点，以便更深入地研究地面观测资料同化分析。

2 结果与分析

2.1 地面观测站点的分布特点

我国幅员辽阔，地面观测站比较多，但观测站与观测站间分布很不规则（图1）。各地区地面观测站的分布与该地区的地形、地貌状况有很大关联，整体上呈东多西少的分布。绝大部分站点分布在我国地势的第一阶梯和第二阶梯，集中在华北、华东、江南、东南、西南以及西北东部等地区，其中华北地区东部、江南地区北部、华南沿海、西南地区北部的站点分布最为密集。相较而言，东北、内蒙、新疆以及青藏高原地区的站点分布较少，密集程度和所处地域的面积成反比。据统计，73.6%的地面观测站点集中分布在站点高度低于500 m以下的中低海拔地区，且这些地区的土地面积仅占国土面积的27.0%左右。

2.2 模式地形与站点地形高度差值的特点分析

我国地形、地貌相当复杂，模式地形与观测站地形高度存在差异，且差异大小分布很不规则。站点地形与模式地形高度对比图（图2）显示，大部分站点落在等值线左侧；站点高度低于300 m的地区，站点分布密集。根据站点地形高度的统计资料可知，在所有的2 872个站点中，共有2 220个站点的模式地形高于站点地形，其中差值最大的站点模式地形为2 607.67 m、站点地形为901.00 m，差值高达1 706.67 m；模式地形与站点地形高度差值最小为0.03 m。由此可知，不存在模式地形与站点地形高度完全重合的站点。虽然0.03 m的差值相对较小，但进入模式底层后对资料同化是否存在影响还需要进一步研究。

对所得数据进行更细致的分类统计，设站点地形与模式地形高度误差为R（m），R≤0的站点有652个，0

从模式地形与站点地形的高度差异（图3）可以更加直观地看出，绝大多数站点的模式地形高度大于站点地形高度，且高度误差值在0～500 m；较少的点落于y轴负值区和差值>500 m的区域。根据Ruggiero同化分析方案[6]，2 872个站点中观测站地形高度高于模式最低层高度的站点有652个，将作为高空资料进入模式；模式最低层高度与测站地形的高度差>100 m的站点有1 172个，将被剔除；模式最低层高度与观测站地形高度的差值<100 m的1 048个站点将进入模式最底层，地面观测资料利用率仅为36.5%。2002年UCAR与Korea合作开展地面观测资料同化研究工作，发现Ruggiero同化分析方案虽然考虑了模式地形与观测地形的差异，但没有采用直接变分同化，同时将许多观测资料剔除掉了，资料没有充分利用，且将地面观测资料当作高空资料进入模式时，会造成模式初值各个物理量之间的不协调，从而导致模式初始预报时期spin-up现象存在的时间延长。

对模式地形和站点地形的高度误差进行更细致的分类统计，分析模式地形与站点地形高度差值关于站点地形高度的分布情况。由表1可知，模式与观测站地形高度差异大小在全国的分布很不均匀，但通过统计还是有规律可循。一方面，在所有站点地形低于100 m的站点中，有48.0%的站点资料进入模式底层；所有站点地形低于500 m的2 115个站点中，有41.3%的站点资料进入模式底层；站点地形高于500 m的站点中，有30.0%的站点进入模式，资料利用率不高，但却有60.7%的资料被剔除。另一方面，在所有观测资料进入数值模式最底层的1 048个站点中，站点地形高度在100 m以下的站点数为559个，约占总数的55.3%；站点地形高度在500 m以下的站点数为874个，约占总数的84.4%；在所有被剔除的1 172个站点中，站点地形高度低于500 m的站点约占60.7%，所占比重超过半数。根据以上数据表明，所有地形高度下的站点资料剔除率均超过50%，利用率均不高；站点地形低于500 m的区域，站点数分布集中，虽然被剔