COSMIC资料在远洋气象保障中的应用

张钊扬 钟剑 周炯 王国云

摘要利用COSMIC大气主要气象要素廓线资料，经过数据标准化处理、质量控制、数据可视化，使其成为预报员能直接使用的可视化产品，以期改善包括广大海洋地区缺乏实况气象观测资料的现状。通过与再分析资料的对比发现，该资料虽然存在随机性和不确定性等缺点，但其覆盖面广、精度高，能够较好地反映大范围的环流形势和一定区域内的天气系统发展演变，尤其在测站稀少的大洋地区，在可预见的将来没有大范围气象站点布设的情况下，COSMIC资料能够起到部分替代实况观测的作用。

关键词COSMIC；标准化；质量控制；Cressman客观分析；远洋气象保障

中图分类号U666.135文献标识码A文章编号0517-6611（2017）35-0190-03

AbstractBased on the COSMIC profile data of the main meteorological elements，through standardization，quality control and data visualization，make it a visualized product which can be directly used by the forecasters，in order to improve the current situation of the lack of the actual meteorological observational data in the vast ocean area.Comparing with reanalysis data found that despite the shortcomings of randomness and uncertainty，its wide coverage and high precision can well reflect the largescale circulation situation and the development of the weather system of a certain area.Especially in the ocean，in the foreseeable future without a wide range of meteorological site layout，COSMIC data can play a part of the role of alternative reality observation.

Key wordsCOSMIC；Standardization；Quality control；Cressman objective analysis；Ocean meteorological support

随着中国经济的发展和贸易全球化的持续推进，远洋航运业务也日趋繁荣。面对广阔的大洋和陌生的海域，气象保障的重要性也日趋凸显。由于大洋地区观测资料稀少，目前远洋气象保障只能依靠數值预报产品。虽然数值预报的准确性越来越高，但其也经常存在错报漏报的情况，尤其是在缺乏实况检验的大洋地区。

20世纪90年代开始发展起来的空基GPS气象学就是利用GPS掩星资料反演大气主要气象要素。其原理主要是根据低轨卫星LEO（Low Earth Orbit）在掩星事件过程中接收到的GPS卫星发出的无线电信号的相位和振幅，利用GPS卫星和LEO卫星的位置和速度数据，计算出GPS信号经过地球大气时发生的弯曲角，再对局部球对称的假设下利用Abel积分求得折射率的廓线；最后利用折射率与大气温度、湿度和气压的关系公式，结合一维变分等方法反演出大气的温、压、湿等要素[1-2]。目前，GPS掩星反演资料主要应用于资料同化领域，用于改善数值模式初始场，直接应用于业务的较少。笔者选取较为成熟的GPS掩星反演大气主要气象要素数据——COSMIC数据，经过标准化处理、质量控制及可视化，使其成为预报员能直接使用的可视化产品，并考察其在气象预报保障中的可用性。

1COSMIC资料介绍

中国台湾地区和美国UCAR、JPL联合的气象、气候和电离层星座观测系统COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）计划由6颗LEO卫星组成，其主要目的有：改善全球和局地的天气预报；改善全球空间天气的检测和预报；为气候和全球变化研究提供数据；提高对地球重力场的认识[2-4]。

从2006年开始，COSMIC系统每天可提供全球2 500个掩星点的大气和电离层的观测资料和反演的气象要素廓线，资料基本达到实时要求，最新的观测资料2 h内就可以通过网上获得。

COSMIC系统发布的中性大气要素的廓线资料最常用的有3种类型：atmPrf资料为干模式下反演的大气要素廓线，不包括水汽信息；wetPrf资料是考虑了大气中水汽含量的湿模式下，利用AVN等预报模式的一维同化反演的大气主要要素廓线，主要包括不同高度上的温度、气压、水汽压和折射率；bfrPrf资料综合了atmPrf和wetPrf的结果，同时降低垂直分辨率，主要用于模式的资料同化[2]。在此选取的是wetPrf资料作为研究对象，其探测高度范围为0～40 km，垂直分辨率为100 m，分层数为40层，为表述方便，下文中简称为COSMIC资料。

2COSMIC资料的处理

COSMIC资料可从网页直接查看或下载，也可在UNIX或LINUX环境下通过cshell语言编程下载获得所需资料文件。需要注意的是，COSMIC反演的廓线数据采用的是NetCDF数据格式。因此，在数据使用之前需要对其进行解码。该研究主要使用FORTRAN程序读取NetCDF数据并将其转换为方便使用的文本数据格式。

对解码后的数据进行标准化处理、质量控制、图形化显示后，得到预报员可以直接使用的天气图，具体流程如图1所示。

2.1数据的标准化

COSMIC每一条气象廓线数据代表的是一个掩星点上空的气象情况，由于掩星事件发生的随机性和不确定性，因此COSMIC资料的时空分布也是没有规律的。如图2所示，每天2 000多个资料点代表互相独立的掩星事件，每个资料垂直层达400层，对于一般业务使用来说，过高的垂直分辨率不仅没有太大价值，而且还给计算和图形化显示带来不便。

针对COSMIC资料的上述特征，按照常规探空资料的规范对其进行了标准化处理。为了更加有利于预报员对天气形势转变的掌握，标准化过程中观测时次（6 h间隔）和垂直层（11 层）进行了加密，即世界时00Z、06Z、12Z、18Z的 925、900、850、800、700、600、500、400、300、200、100 hPa 气象要素情况。

垂直层的标准化相对简单，就是将所需要的垂直层的资料从原始资料中直接提取出来。时间的标准化过程中，引入一个大小为±3 h的时间窗口，将这个时间窗口内的所有COSMIC资料作为标准时刻的数据，即将T-3 h→T+3 h的数据都作为T时刻数据。以世界时12：00为标准时为例，09：00—15：00窗口期内所有资料都作为标准时刻资料（图3）。

2.2质量控制

国内外专家对COSMIC资料的可用性进行了深入研究[5-8]，发现其总体精度较高，其中温度的精度最高，整层均方差不超过2 K；500 hPa以下中低层位势高度具有较高精度，均方差小于3 dagpm，500 hPa以上均方差迅速增大到5 dagpm以上。因此，COSMIC资料总体上是可以满足一般业务需要。但COSMIC资料的精度受大气条件、仪器误差和资料分辨率等因素影响，资料中存在少量噪点。因此，该研究用设定阈值的方法对资料进行了噪点剔除处理，判定为噪点的数据标记为缺测，例如500 hPa高度场的阈值就设为492和592 dagpm，将不在这个范围内的数据点标记为缺测。

2.3数据可视化准备

可视化是气象资料业务应用的重要一环，COSMIC资料作为一种较新的气象数据，目前直接将其图形化显示，应用于业务还比较少。由于掩星事件的随机性和不确定性，COSMIC资料的分布也具有相应的特点。同时，目前COSMIC的6颗LEO卫星都是极轨卫星，因此中高纬度地区COSMIC掩星观测点明显多于低纬度地区。相对于陆上稠密的常规观测网来说，COSMIC资料没有固定的站点，呈稀疏的不均匀分布，这给其业务应用带来了困难。

针对以上问题，该研究参照常规站点资料格式，提取温、压、湿、风等气象要素并重新编码为二进制站点数据。为了克服资料稀疏和不均匀等问题，在此采用Cressman客观分析方法将标准化后的资料插值为格点数据。

Cressman客观分析通过逐步订正将离散点内插到规则格点，实现最优化插值，被广泛应用于气象领域。该方法基本原理是先给定初猜测场，然后用实际观测场逐步修正初猜场，直到订正后的值逼近观测值为止。用公式表示为

a′=a0+Δaij

其中：

Δaij=Kk=1（W2ijkΔak）Kk=1W2ijk

式中，ak为任意气象要素；a0是变量a在格点（i，j）上的初猜值；a′是变量ak在格点（i，j）上的订正值；Δak是观测点k上的观测值和初猜值之差；Wijk是权重因子，为0～1.0；K是影响半径R内的台站数。

Cressman客观分析方法的关键是确定权重函数Wijk，它的形式为

Wijk=R2-d2ijkR2+d2ijkdijk0dijk≥R

影响半径R一般取为1、2、4、7和10。dijk为格点（i，j）到观测点k的距离。

3可用性检验

以美国NECP （National Centers for Environmental Prediction）中心GFS （The Global Forecast System） 0.5°×0.5°分析场资料作参照，通过大气环流形势和区域天气形势对比，检验COSMIC资料在业务应用中的可用性。

3.1环流形势检验

大气环流一般是大范围大气基本运动狀态，是各种天气系统发生、发展和移动的背景。了解大气环流形势及其变化，对于制作短、中期乃至长期天气预报有重要指导作用。

安徽农业科学2017年

从GFS资料北半球500 hPa环流形势（图4）可以看出，北半球秋季冷暖气团势力相当，天气系统较为复杂，西北太平洋副热带高压虽势力减弱，但仍控制我国南方地区；亚欧大陆北部呈两槽一脊型，槽线位置分别位于乌拉尔山附近和日本列岛北部；菲律宾群岛东部的低纬度地区有热带低压系统发展。COSMIC资料和GFS资料的北半球环流形势场基本一致，能较为准确地体现天气尺度以上系统，例如北半球极涡多中心分布和亚欧大陆两槽一脊的环流形势都有很好的刻画。但是，相对于北半球稠密的观测网来说，COSMIC资料的空间分辨率偏低，尺度偏小的系统往往会被滤掉，有些天气尺度以上的系统在强度的体现上还有差异。 这在天气图上的表现就是COSMIC资料形势场为等值线较为平滑的大槽大脊形态，而GFS资料形势场呈不同尺度系统叠加的多中心分布。不同于COSMIC资料形势场中高纬大槽大脊，副热带高压呈不规则带状分布的环流形势，GFS资料中高纬低槽中有发展比较成熟的气旋系统，副热带高压在大陆和海上有多个强度不等的中心。

3.2区域天气形势检验

西南太平洋洋面开阔，气象海况恶劣，温带气旋年平均15.0个，主要集中在30°S附件及以南海域；热带气旋年平均发生数8.8个，占全球热带气旋总数的11%[9]。它们伴随有大风、强降水及低能见度等恶劣天气，对船舶航行和经济生产活动常常造成严重威胁。选取西南太平洋为关注区域，通过对比COSMIC资料和GFS再分析资料500 hPa形势场，检验COSMIC资料在区域天气形势分析中的应用效果。从南太平洋一次西风带槽脊系统东移过程GFS的形势场（图5a）可以看出，该区域中纬度基本是两槽一脊形态，槽线分别位于155°E、165°W，脊线位于174°E附近。如果以540 dagpm为参考高度线，两槽线与540 dagpm 交点在40°S，脊线与其交点在52°S。从COSMIC资料

500 hPa形势场（图5b）来看，槽脊线位置与GFS资料基本一致，同样以540 dagpm为参考，新西兰西侧高空槽较弱，与540 dagpm高度线交点在45°S左右，新西兰以东高空槽较深，与540 dagpm高度线相交于35°S左右，脊线与之相交在50°S附近。COSMIC资料形势场图的温度场与高度场配合较好，与GFS资料500 hPa温度场基本一致。

COSMIC资料可以较好地显示西南太平洋区域的天气形势，但系统强度还有一定的误差。掩星观测点在高纬度地区多于低纬度地区，赤道附近部分区域由于原始数据过于稀疏，导致插值后仍然存在误差较大甚至是数据空白。

4小结与讨论

通过对COSMIC系统下发的GPS掩星反演大气主要气象要素资料进行数据处理和可视化，使其转化为能供预报员直接使用的天气图，并从环流形势和区域天气形势2个方面探讨COSMIC资料直接应用于气象预报保障效果。结论如下：

（1）COSMIC资料能较好地反映大气环流形势，北半球天气尺度以上槽脊系统分布和形态均与再分析资料基本一致。在缺乏实况资料的情况下，COSMIC资料为中长期预报的制作提供了依据，同时也给短期天气预报的制作提供环流背景。

（2）选取实况资料稀少的南太平洋作为参考区域，对比再分析资料发现，COSMIC资料天气形势场能准确定位中尺度到天气尺度槽脊系统的位置，同时温度场分布也与再分析资料基本一致。

（3）虽然COSMIC资料在大尺度环流形势和资料稀疏的大洋区域与再分析资料基本一致，但由于其空间分辨率偏低，客观上对较小尺度系统起到了滤波作用，部分区域由于观测点偏少，造成插值后误差偏大。

COSMIC掩星观测资料具有覆盖面广、精度高、全天候、稳定性好等优点，但其目前2 500个左右掩星点的密度分布还不够，未来随着低轨卫星观测星座的不断加入，可以预见在不久的将来，掩星点的分布密度将大大增加，其应用前景也更加广阔。

参考文献

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