探空特性层温度偏差订正及效果检验算法制造技术

本发明专利技术公开探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，包括如下步骤：P1收集资料，整理成待订正的已有探空温度廓线；P2将已有探空规定层温度偏差订正量由时间序列做成空间廓线；P3将步骤P2中订正量在步骤P1中的插值应用；P4基于与再分析资料对比，对订正效果进行时间序列检验；P5对订正效果进行空间订正效果检验；P6叠加已有国际上的辐射误差订正后，检验订正效果。可以根据实际需要灵活地取用不同来源的规定层探空温度订正量，而由于不同来源的订正量往往通过不同的数理统计方法得到，可以通过本申请提出的方法，对不同的订正方法进行效果检验评估，也极大地扩充了探空温度订正量的选取范围；在应用于探空特性层历史资料时，可以替代以往的辐射误差订正方法。

Correction of Temperature Deviation in Sounding Characteristic Layer and Its Effect Checking Algorithms

【技术实现步骤摘要】
探空特性层温度偏差订正及效果检验算法
本专利技术涉及探空特性层
具体地说是探空特性层温度偏差订正及效果检验算法。
技术介绍
探空资料可以反映大气物理要素的垂直变化结构，在空气污染扩散、数值天气预报、流体动力学分析、再分析资料验证及气候变化研究等方面具有重要作用。探空观测实现对站点上空一定范围内、垂直大气不同高度、多个气象要素的精准描述。较之卫星资料而言，探空资料的垂直分辨率更高且历史时间序列更长，使其一直作为数值模式参数化和气候变化研究的重要数据基础。高空大气温度变化在气候变化研究中受到持续关注，但是由于探空观测仪器的温度传感器升级及辐射误差订正算法改进等原因，导致同一规定等压面高度处的探空温度长时间序列存在明显的不均一。已有的研究为了更好地研究高空大气温度变化趋势，常常需要对探空温度长时间序列进行必要的系统订正。值得一提的是，Haimberger等人以ERA-Interim再分析资料为参考序列统计断点和订正量，研发了全球1184个探空站点的规定等压面温度偏差订正量数据集RAOBCORE。通过与卫星资料得到的大气温度变化趋势进行对比，证实利用订正后的探空温度所得结果与前者更吻合；另一方面，结合临近站资料计算订正量，以便独立于参与同化的卫星资料，研发RICH数据集。目前国际上多套再分析资料，如美国的MERRA，日本的JRA-55，ECMWF，均采用了RAOBCORE数据集的探空温度订正量。而ECMWF的第四代再分析产品ERA5应用的历史探空资料订正量来自RICH数据集。在国内，陈哲等人用加拿大王晓兰的PMTred断点检验方法，结合较详细的元数据信息，采用QM方法计算订正量，对中国120个探空站的日定时探空规定等压面温度进行了详细的订正，形成“中国高空规定等压面日定时温度订正数据集”。然而，上述研究结果仅限于对探空规定等压面层的温度长时间序列进行订正，而由于每次探空观测的特性层高度不固定，因此很难利用上述订正方法进行系统订正，其订正效果也很难通过传统的固定等压面温度变化趋势统计方法进行检验评估。探空特性层作为描述探空气象要素垂直变化的显著拐点层，一次探空观测廓线上的特性层数目通常远远多于规定等压面层。在探空资料的研究应用中特性层一直发挥重要作用。例如，逆温层作为近地面的、两个温度特性层之间的特殊厚度层，其间温度随高度增大反而升高，可阻碍空气垂直运动，导致该高度以下大量烟尘、水汽凝结物聚集，使能见度降低，给人类生产生活带来非常不利的影响。然而，长期以来，对特性层温度的偏差订正一直没有深入开展研究。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于将已有的探空规定层温度偏差订正量应用到特性层，实现对探空特性层温度必要订正，并对其订正效果进一步检验评估的探空特性层温度偏差订正及效果检验算法。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，包括如下步骤：步骤P1：收集资料，整理成待订正的已有探空温度廓线；步骤P2：将已有探空规定层温度偏差订正量由时间序列做成空间廓线；步骤P3：采用插值算法，将步骤P2中已有探空规定层温度偏差订正量叠加在步骤P1中的已有探空温度上，得到探空特性层温度偏差订正量；步骤P4：基于与ERA-Interim再分析资料对比，对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行时间序列检验；步骤P5：对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行空间订正效果检验；步骤P6：叠加已有国际上的辐射误差订正后，检验步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果。上述探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，在步骤P1中，具体包括如下步骤：步骤P101：收集某一观测时次的探空各个规定等压面层的探空温度；所述等压面层的气压值为1000hPa、925hPa、850hPa、700hPa、600hPa、500hPa、400hPa、300hPa、250hPa、200hPa、150hPa、100hPa、70hPa、50hPa、40hPa、30hPa、20hPa、15hPa、10hPa、7hPa和5hPa；步骤P102：收集与步骤P101相同观测时次的特性层探空温度，所述特性层为温湿度特性层；步骤P103：将上述步骤P101和步骤P102中收集到的探空温度，按照对应气压值从大到小的顺序整合成探空温度垂直廓线的形式。上述探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，在步骤P2中，具体包括如下步骤：步骤P201：从已有的RAOBCORE数据集，提取各个探空台站不同规定等压面层的探空规定层温度偏差订正量；各个探空台站不同规定等压面层的探空规定层温度偏差订正量呈现逐日时间序列形式；步骤P202：针对步骤P201中某一台站某一探空时次，从各个时间序列中提取出所需要的各个规定等压面的温度偏差订正量，依据气压值从大到小顺序，整合成探空温度偏差订正量垂直廓线的形式。上述探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，在步骤P3中，具体包括如下步骤：步骤P301：对于任意一条探空廓线上特性层的探空温度Tx0而言，基于该特性层上下临近的、已有的规定层温度订正量ΔTy和ΔTz，采用探空领域使用的对数插值方法，计算该特性层探空温度订正量ΔT，具体的对数插值算法如式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示：Tx＝Tx0+ΔT(Ⅱ)其中，Tx为订正后特性层的温度；P为该特性层的气压值，Py和Pz分别是该特性层上下临近的规定层气压高度值。上述探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，在步骤P4中，具体包括如下步骤：步骤P401：分别计算订正前后的探空温度数据和ERA-Interim再分析资料之间的偏差Bias和均方根误差RMSE；偏差Bias为一定时段内ERA-Interim再分析探空温度平均值与订正前后探空温度平均值之差；均方根误差RMSE为一定时段内ERA-Interim再分析探空温度与订正前后探空温度偏差的平方与观测次数N比值的平方根；均方根误差RMSE的算法如式(Ⅲ)所示：其中：ERA为订正前后探空温度；OBS为ERA-Interim再分析探空温度；N为观测次数；步骤P402：将不同垂直探空高度得到的Bias和RMSE按照气压高度排列成垂直廓线的形式，比较订正前后的Bias和RMSE空间垂直廓线变化，若订正后的Bias和RMSE数值比订正前的Bias和RMSE数值减小，则说明订正效果显著；从而定量化评估订正效果。上述探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，在步骤P5中，具体包括如下步骤：步骤P501：设计提出空间一致性量化指标Temporal-SpatialConsistencyQuantifyIndex，简称TSCQI，进行效果评估，其数值越小，表明全球探空温度与模式背景场的空间一致性更好，空间一致性量化指标的算法如式(Ⅳ)和式(Ⅴ)所示：TSCQI1＝RMSE(BiasM)(Ⅳ)TSCQI2＝RMSE(RMSEM)(Ⅴ)其中：空间一致性量化指标TSCQI1代表全球M个探空台站相对于ERA-Interim再分析资料之间的偏差的BiasM的均方根误差，若取极端情形下所有探空台站的BiasM数值相等，则该TSCQI1数值为0，即可以通过对所有M个探空台站的探空温度进行相同幅度的加法修正，实现与ERA-Interim再分析资料的完全吻合；若本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤P1：收集资料，整理成待订正的已有探空温度廓线；步骤P2：将已有探空规定层温度偏差订正量由时间序列做成空间廓线；步骤P3：采用插值算法，将步骤P2中已有探空规定层温度偏差订正量叠加在步骤P1中的已有探空温度上，得到探空特性层温度偏差订正量；步骤P4：基于与ERA‑Interim再分析资料对比，对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行时间序列检验；步骤P5：对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行空间订正效果检验；步骤P6：叠加已有国际上的辐射误差订正后，检验步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果。

【技术特征摘要】
1.探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤P1：收集资料，整理成待订正的已有探空温度廓线；步骤P2：将已有探空规定层温度偏差订正量由时间序列做成空间廓线；步骤P3：采用插值算法，将步骤P2中已有探空规定层温度偏差订正量叠加在步骤P1中的已有探空温度上，得到探空特性层温度偏差订正量；步骤P4：基于与ERA-Interim再分析资料对比，对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行时间序列检验；步骤P5：对步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果进行空间订正效果检验；步骤P6：叠加已有国际上的辐射误差订正后，检验步骤P3中探空特性层温度偏差订正量的订正效果。2.根据权利要求1所述的探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，在步骤P1中，具体包括如下步骤：步骤P101：收集某一观测时次的探空各个规定等压面层的探空温度；所述等压面层的气压值为1000hPa、925hPa、850hPa、700hPa、600hPa、500hPa、400hPa、300hPa、250hPa、200hPa、150hPa、100hPa、70hPa、50hPa、40hPa、30hPa、20hPa、15hPa、10hPa、7hPa和5hPa；步骤P102：收集与步骤P101相同观测时次的特性层探空温度，所述特性层为温湿度特性层；步骤P103：将上述步骤P101和步骤P102中收集到的探空温度，按照对应气压值从大到小的顺序整合成探空温度垂直廓线的形式。3.根据权利要求2所述的探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，在步骤P2中，具体包括如下步骤：步骤P201：从已有的RAOBCORE数据集，提取各个探空台站不同规定等压面层的探空规定层温度偏差订正量；各个探空台站不同规定等压面层的探空规定层温度偏差订正量呈现逐日时间序列形式；步骤P202：针对步骤P201中某一台站某一探空时次，从各个时间序列中提取出所需要的各个规定等压面的温度偏差订正量，依据气压值从大到小顺序，整合成探空温度偏差订正量垂直廓线的形式。4.根据权利要求3所述的探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，在步骤P3中，具体包括如下步骤：步骤P301：对于任意一条探空廓线上特性层的探空温度Tx0而言，基于该特性层上下临近的、已有的规定层温度订正量ΔTy和ΔTz，采用探空领域使用的对数插值方法，计算该特性层探空温度订正量ΔT，具体的对数插值算法如式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示：Tx＝Tx0+ΔT(Ⅱ)其中，Tx为订正后特性层的温度；P为该特性层的气压值，Py和Pz分别是该特性层上下临近的规定层气压高度值。5.根据权利要求4所述的探空特性层温度偏差订正及效果检验算法，其特征在于，在步骤P4中，具体包括如下步骤：步骤P401：分别计算订正前、后的探空温度数据和ERA-Interim再分析资料之间的偏差Bias和均方根误差RMSE；偏差Bias为一定时段内ERA-Interim再分析探空温度平均值与订正前后探空温度平均值之差；均方根误差RMSE为一定时段内ERA-Interim再分析探空温度与订正前后探空温度偏差的平方与观测次数N比值的平方根；均方根误差RMSE的算法如式(Ⅲ)所示：其中：ERA为订正前后探空温度；OBS为ERA-Interim再分析探空温度；N为观测次数；步骤P402：将不同垂直探空高度得到的偏差Bias和均方根误差RMSE按照气压高度排列成垂直廓线的形式，比较订正前后的Bias和RMSE空间垂直廓线变化，若订正后的偏差Bias和均方根误差RMSE数值比订正前的偏差Bias和均方根误差RMSE数值减小，则说明订正效果显著；从而定量化评估订正效果。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李庆雷，陈哲，廖捷，周自江，胡开喜，费烨，
申请(专利权)人：国家气象信息中心，
类型：发明
国别省市：北京,11