CN103616732A - 高空风资料的质量控制方法及其质量监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空风资料的质量控制方法及其质量监控装置，该质量控制方法通过判断各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差是否在预设的最大容许误差范围内，判断各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料给出相应的质量控制码。由此可知：本发明改变当前高空资料质量控制中多采用大尺度动力学平衡约束的现状，基于热成风余差的统计分布提出一种新的高空风资料的质量控制方法，充分考虑热成风与实际风切变之间的差值的时空分布特征，满足日益精细化的气候统计、数值预报等工作对高空观测资料的准确性、完整性要求。

Description

高空风资料的质量控制方法及其质量监控装置

技术领域

本发明涉及一种高空风资料的质量控制方法及其质量监控装置，尤其是一种针对高空风场与温度场的动力协同性对高空风的观测资料进行质量控制的方法，属于大气科学研究领域，用于有效减少中国地区区域气候变化分析结果的不确定性。

背景技术

在采用气象资料进行气候变化研究，如气候统计、数值预报等工作前，一般均需要对其进行质量控制。原因在于，一方面，气象资料在观测、资料处理、编码、发报和解报等过程中都有可能存在误差；另一方面，探空观测仪器和测量方法改变等原因也可能导致观测结果存在误差；因此，如果不对气象资料进行质量控制，则极易造成气候变化研究结果存在不确定性。

一般地，大体上可将气象资料的误差划分为三类，分别为随机误差、过失误差和系统误差；其中，随机误差在气候变化研究中可以忽略，过失误差通常由操作失误引起，可以通过气象资料的质量控制予以剔除；而系统误差一般会导致气象资料存在长序列的间断点，因此，可通过均一化方法去除。由此可知，气象资料的质量控制在气象资料处理过程中是一项十分重要的工作。

目前，气象资料的质量控制可分为单站质量控制和空间质量控制两大类，每类方法又分为不同的检查方案。传统的单一探空测站的质量控制主要包括极值检查、时变检查、要素一致性检查、垂直一致性检查、静力学检查等多种合理性检查措施。这些检查中，有些方案是基于单要素的气候统计结果，如极值检查、时变检查等；有些方案是基于要素间的逻辑一致性，如要素一致性检查等；有些方案则是利用要素之间的动力协同性，如静力学检查等。

在高空资料的质量控制中，如何进一步判别单项检验为可疑的数据是错误还是正确的，也是一个重大的技术问题。针对这一技术问题，气象工作者们提出了综合判别法；所谓综合判别法，实质上为一个辅助决策的综合质量控制过程，其目的是在尽可能去除错误记录的同时，尽量避免将正确的观测记录判别为错误；因此，在这个过程中要充分利用变量及变量之间所满足的统计、动力和热力学定律。例如，利用静力平衡关系对温度和位势高度进行检查；利用地转平衡对风场进行检查。再如，综合静力学法的理论核心是大气热力层结性和动力旋转性具有相同的重要性，使得流体静力平衡（相应有流体静力检验质量控制方法）和静力稳定度假设（相应有静力稳定性检验质量控制方法）适用。但是，这些质量控制方法利用的均为大尺度大气运动所遵循的平衡关系，将实际风近似等同于地转风，多适用于全球尺度的质量控制。但是在实际的大气运动中，这些平衡关系，特别是地转平衡，并非时时处处成立，因此难免在质量控制过程中导致错判、漏判。

要改变上述现状，迫切需要研究更符合实际观测要素满足的约束关系，并应用于高空资料的质量控制中，从而有效提高高空观测资料的代表性和准确性

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高空风资料的质量控制方法，其首要技术目的是改变当前高空资料质量控制中多采用大尺度动力学平衡约束的现状，基于热成风余差的统计分布提出一种新的高空风资料的质量控制方法，充分考虑热成风与实际风切变之间的差值的时空分布特征，满足日益精细化的气候统计、数值预报等工作对高空观测资料的准确性、完整性要求。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种高空风观测资料的质量控制方法，用于对待质控高空风观测资料进行质量监控，所述待质控高空风观测资料为不同探空站在不同标准等压面上所采集的探空资料，通过判断各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差

是否在预设的最大容许误差范围内，获得各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料给出相应的质量控制码。

进一步地，本发明所述预设的最大容许误差为热成风容差；该热成风容差通过下述步骤计算：首先，将再分析资料中的高空风场、温度场通过最优插值法插值到各探空站上，构建出一个虚拟高空风资料；然后，基于虚拟高空风资料，计算各探空站在各标准等压面上的热成风余差；通过计算上述热成风余差的均方根误差的2.5倍，即可得到热成风容差。

进一步地，本发明所述的待质控高空风观测资料为中国地区133个探空站，分别处于00时刻、12时刻，在16个标准等压面上的风速、风向和温度观测资料；16个标准等压面分别为1000、925、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa。

进一步地，本发明所述再分析资料为欧洲中心介于1972-2001年之间的高空风场、温度场的再分析资料；所述虚拟高空风资料通过再分析资料插值到中国地区133个探空站点上而形成；所述热成风余差为基于虚拟高空风资料，逐日计算各探空站处于00时刻、12时刻在各标准等压面上的热成风余差。

进一步地，本发明所述的热成风余差

通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}}=u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1}\\ {\mathrm{\δv}}_{\mathrm{ti}}=v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1}\end{array}\right.$

其中：δu_ti和δv_ti分别为标准等压面p_i上特定探空站的热成风余差

的纬向、经向分量；

分别为特定探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的垂直风切变

的纬向、经向分量，通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=u_{i+1}-u_i\\ v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=v_{i+1}-v_i\end{array}\right.$

分别为特定探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的热成风的纬向、经向分量，通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ti}}^{i+1}=B\frac{{\∂T}_i^{+1}}{\∂y}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\\ v_{\mathrm{ti}}^{i+1}=-B\frac{{\∂T}_i^{+1}}{\∂x}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\end{array}\right.$

u_i、v_i分别为特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风、经向风分量；u_i+1、v_i+1分别为相应探空站标准等压面p_i+1上的纬向风、经向风分量；

为相应探空站在两个标准等压面p_i、p_i+1之间的平均温度，B=R/f，R=287J·K^-1·kg^-1，指科里奥利参数，其中Ω=7.292×10^-5rad·s^-1为地球旋转角速度，为各测站所在的纬度。。

进一步地，本发明所述的热成风容差通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}}=2.5\×{\mathrm{rmsdu}}_i\\ {\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{ti}}=2.5\×{\mathrm{rmsdv}}_i\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{rmsdu}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\\ {\mathrm{rmsdv}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\end{array}\right.$

其中：Δu_ti和Δv_ti分别为虚拟高空风资料中，对应于标准等压面p_i上的特定探空站的热成风容差的纬向、经向分量；rmsdu_i和rmsdv_i分别为虚拟高空风资料中，对应于标准等压面p_i上的特定探空站的纬向风、经向风的均方根误差；

分别为虚拟高空风资料中，相应探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的垂直风切变

的纬向、经向分量；分别为虚拟高空风资料中，相应探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的热成风的纬向、经向分量；N表示所用再分析资料的样本数，一般取30。

进一步地，本发明所述的各探空站所采集的探空资料在进行热成风余差

计算前，先经过质量控制预处理步骤；所述的质量控制预处理步骤包括缺测检查步骤、极值检查步骤。

进一步地，本发明所述质量控制码包括未检测、正确、可疑和错误四级；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i缺测，则该探空站的质量控制码输出为未检测；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i未通过极值检查，则该探空站的质量控制码输出为错误；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均不大于对应的最大容许误差，则将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为正确；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均大于对应的最大容许误差，且二者异号，则可判定该探空站所采集探空资料在标准等压面p_i层上的纬向风u_i或/和经向风v_i存在观测误差，将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为可疑；对于定义为可疑的探空站所采集的探空资料，若其在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差的纬向分量满足下式：

$\frac{1}{2}({\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)$

则将该可疑的探空站所采集的探空资料的纬向风ui定义为错误，其中：δu_ti-1为特定探空站在标准等压面p_i-1上的热成风余差

的纬向分量；δu_ti为特定探空站在标准等压面p_i上的热成风余差的纬向分量；Δu_ti为对应于标准等压面p_i上的特定探空站的热成风容差的纬向分量；Δu_ti-1为对应于标准等压面p_i-1上的特定探空站的热成风容差的纬向分量。

本发明另一技术目的是提供一种基于上述高空风资料的质量控制方法的质量监控装置，包括数据接收模块、数据处理模块以及质量判断输出模块；其中：所述数据接收模块，设置数据接收接口，用于接收待质控高空风观测资料；所述待质控高空风观测资料为不同探空站在不同标准等压面上所采集的探空资料；所述数据处理模块，用于处理数据接收模块所接收到的待质控高空风观测资料；该数据处理模块先计算各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差

，然后将所得到的热成风余差与预设的最大容许误差做比较；所述质量判断输出模块，根据数据处理模块所得到的热成风余差

与预设的热成风容差之间的比较结果，判断各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料输出相应的质量控制码。

进一步地，本发明各探空站所采集的探空资料在进行热成风余差

计算前，先经过质量控制预处理步骤；所述的质量控制预处理步骤包括缺测检查步骤、极值检查步骤；所述质量控制码包括未检测、正确、可疑和错误四级；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i缺测，则该探空站的质量控制码输出为未检测；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i未通过极值检查，则该探空站的质量控制码输出为错误；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均不大于对应的最大容许误差，则将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为正确；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均大于对应的热成风容差，且二者异号，则可判定该探空站所采集探空资料在标准等压面p_i层上的纬向风u_i或/和经向风v_i存在观测误差，将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为可疑；对于定义为可疑的探空站所采集的探空资料，若其在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差的纬向分量满足下式：

$\frac{1}{2}({\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)$

则将该可疑的探空站所采集的探空资料的纬向风u_i定义为错误，其中：δu_ti-1为特定探空站在标准等压面p_i-1上的热成风余差

的纬向分量；δu_ti为特定探空站在标准等压面p_i上的热成风余差

的纬向分量；Δu_ti为对应于标准等压面p_i上的特定探空站的热成风容差的纬向分量；Δu_ti-1为对应于标准等压面p_i-1上的特定探空站的热成风容差的纬向分量。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本发明基于热成风余差的统计分布开发了针对高空风资料的质量控制方法；该方法不同于Alduchov等（1996）提出的热成风关系质量控制方法，并非基于地转平衡等大尺度动力学约束，从而使得对资料错情的判断可以不受测站空间分辨率的约束。与现有技术相比，这种方法可以在实际业务中有效减少高空风资料的误判和错判，满足日益精细化的气候统计、数值预报等工作对高空观测资料的准确性要求。

2、本发明所述方法，充分考虑了各个测站热成风与实际风切变之间的差值，即热成风余差的时空变化特征。因此，与现有技术相比，提供了能够正确反映高空风的气候变化趋势的动力-统计相结合的质量控制方法。

3、本发明所述方法与其它质量控制方法的有效结合，将为高空风资料的综合质量控制提供更加合理的判据，有助于高空资料综合质量控制水平的提高。

附图说明

图1是中国区域待检验的133个高空站的分布示意图；

图2是中国地区133站10月16日00时与12时热成风余差的统计结果比较图；

图3是基于热成风余差统计分布的质量控制流程图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

本发明的技术思想是，将基于热成风余差的统计分布应用于高空风资料的质量控制，以充分考虑热成风与实际风切变之间的差值的时空分布特征，有效减少高空风资料的误判和错判，提高气象资料的质量控制精度。

以下将针对中国地区133个探空测站的16个标准等压面的风资料进行。热成风容差的构造采用欧洲中心30年（1972-2001年）再分析资料，空间分辨率为1°×1°。

热成风容差的构造

首先将欧洲中心再分析资料中的高空风场和温度场插值到中国地区133个站点上，计算16个标准等压面（1000、925、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa）热成风余差，并对其气候特征进行统计。对于某一站点，其指定等压面pi上，纬向和经向风的均方根误差rmsdui和rmsdvi计算采用下式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{rmsdu}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\\ {\mathrm{rmsdv}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\end{array}\right.$

结合误差分析理论，确定将该站逐日00时和12时的热成风余差的均方根误差的2.5倍作为热成风容差，即

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{ti}}=2.5\×{\mathrm{rmsdu}}_i\\ {\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{ti}}=2.5\×{\mathrm{rmsdv}}_i\end{array}\right.$

为了验证该容差的合理性，将其与利用中国地区21年（1988-2008年）探空资料计算的每天两个时次的热成风余差进行了比较。图2以10月16日00时和12时的结果为例，给出了中国地区133站10月16日00时和12时热成风余差的统计结果比较。比较实际探空资料的热成风余差与利用再分析资料构造的热成风容差的比较来看，无论是对于纬向风分量还是经向风分量，在150hPa以下的高度，21年实际探空资料的热成风余差的均方根误差均不超过热成风容差。由此可知，本发明构造的热成风容差可以应用于对流层内高空风资料中的质量控制中。

初步质量控制

为了避免对缺测和明显错误资料进行质量控制所导致的计算冗余，本发明在利用热成风余差的统计分布进行质量控制之前，首先对实时输入的探空资料进行初步的质量控制，主要包括缺测检查和极值检查。对于某一站点，若某层数据缺测，则将其质量控制码定义为未检查。

极值检查根据风速、风向的气候统计特征对其出现的范围进行判断；要求观测值必须处于一定的范围之内，否则将其质量控制码定义为错误。各层的风向值都必须在0°到360°之间。风速的极值因高度、月份而异，本发明中主要分为两类，即5-10月、11月-次年4月各自采用一组极值。表1公开了本申请所采用的16个等压面上的风速极值。此外，如果上下两个标准层的风速都大于15m/s，则上下两层的风向应该相差在50°以内，而且上下两层风速的比值应在0.5到2之间。如果这些条件不能满足，那么上下两标准层的风资料均判断为可疑。

等压面（hPa）	5-10月（m/s）	11-4月(m/s)
			1000	50.	60.
925	50.	60.
			850	65.	65.
700	70.	70.
			500	103.	110.
400	125.	130.
			300	140.	160.
250	150.	160.
			200	150.	160.
150	140.	150.
			100	140.	150.
70	140.	150.
			50	140.	150.
30	140.	150.
			20	140.	150.
10	140.	150.

表1

高空风场资料的转换

经初步质量控制的风速（wspd）、风向（wdir）资料在进入热成风余差质量控制模块之前，需要将其转换为纬向（u）和经向风（v），其转换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}u=\mathrm{wspd}\×\sin (\mathrm{wdir}-180)\\ v=\mathrm{wspd}\×\cos (\mathrm{wdir}-180)\end{array}\right.$

热成风余差的计算

本申请中，两个指定等压面p_i和p_i+1之间的热成风余差（δu_ti,δv_ti）由两个等压面之间热成风

和垂直风切变

之间的差值确定，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δu}}_{\mathrm{ti}}=u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1}\\ {\mathrm{\δv}}_{\mathrm{ti}}=v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1}\end{array}\right.$

其中，垂直风切变定义如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=u_{i+1}-u_i\\ v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=v_{i+1}-v_i\end{array}\right.$

热成风定义如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ti}}^{i+1}=B\frac{{\∂T}_i^{+1}}{\∂y}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\\ v_{\mathrm{ti}}^{i+1}=-B\frac{{\∂T}_i^{+1}}{\∂x}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\end{array}\right.$

式中，B=R/f，R=287J·K^-1·kg^-1，f为科里奥利参数，由测站所处的纬度确定。为两个气压层之间的平均温度，其纬向和经向的梯度需要利用周围邻近站点的温度资料通过最优插值进行计算，i表示16个标准等压面中的指定等压面。

相邻等压面上风场和温度场的动力协调性判断

逐层计算热成风余差与热成风容差，如果相邻两层（p_i，p_i-1）的热成风余差均大于最大容许误差，且二者异号，则可以判断这两个相邻等压面上风场和温度场不协调；即若

$\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}}\right|>{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}}\\ \left|{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}\right|>{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}\\ {\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}}/{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}<0\end{array}\right.$

则可以初步判定中间层（p_i）上的u_i可能有错。此时，将u_i的质量控制码定义为可疑。

质量控制码的确定

对于步骤iii中判断为可疑的u_i和v_i，进一步利用如下不等式进行判断，即若

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2}({\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)\\ \mathrm{and}\left(\mathrm{or}\right)\\ \frac{1}{2}({\mathrm{\&delta;v}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\&delta;v}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)\end{array}\right.$

则可以判断p_i层上的u_i和（或）v_i有错，其对应的质量控制码可以定义为错误。

对于u_i和（或）v_i判断为可疑或者错误的层次，需要结合三倍方差检验法进一步确定风速和风向的质量控制码。三倍方差检验法，又称莱因达检验，以p_i层上的风速V_i为例，若其残差ν_i满足下式

$v_i=|V_i-\stackrel{\&OverBar;}{V}|>3S$

则认为V_i可疑。其中，

为利用该站p_i层上21年的风速资料计算的平均值，S为利用贝塞尔公式计算的方差，表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&OverBar;}{V}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i\\ S=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_i/(n-1)}\end{array}\right.n=21$

如果u_i和（或）v_i判断为可疑，则将风速和风向的质量控制码均定义为可疑；在此基础上，若风向和（或者）风速经三倍方差检验法检验确定为可疑，则将其对应的质量的控制码定义为错误。利用此法，可逐站给出各标准等压面上风向、风速的质量控制码。

结论

事实上，本发明所述的技术方案并不局限于中国区气象探测资料的质量控制，我们可以将这样的技术构思应用其他探空站的探测资料质量控制。

另外，本发明所述的质量控制方法，可以将其集成一芯片，以对气象观测资料进行质量控制，满足气象科研人员后续使用气象观测资料的便利性。具体为：

一种基于上述高空风资料的质量控制方法的质量监控装置，包括数据接收模块、数据处理模块以及质量判断输出模块；其中：所述数据接收模块，设置数据接收接口，用于接收待质控高空风观测资料；所述待质控高空风观测资料为不同探空站在不同标准等压面上所采集的探空资料；所述数据处理模块，用于处理数据接收模块所接收到的待质控高空风观测资料；该数据处理模块先计算各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差

，然后将所得到的热成风余差

与预设的热成风容差做比较；所述质量判断输出模块，根据数据处理模块所得到的热成风余差

与预设的热成风容差之间的比较结果，判断各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料输出相应的质量控制码。

以下将采用上述的质量监控装置对中国地区133个探空站00时和12时（世界时，下同）16个标准等压面上的风速、风向和温度进行质量控制，具体为：

1）通过数据接收模块向数据处理模块实时输入探空资料；

2）数据处理模块逐一计算各探空站在各标准等压面上的热成风余差；

3）数据处理模块逐层比较热成风余差与热成风容差，判断各探空站相邻两个等压面上风场和温度场是否协调；

4）质量判断输出模块基于风场和温度场的动力协调性判断结果，逐站给出各标准等压面风场资料的质量控制码。

Claims (10)

1.一种高空风观测资料的质量控制方法，用于对待质控高空风观测资料进行质量监控，所述待质控高空风观测资料为不同探空站在不同标准等压面上所采集的探空资料，其特征在于，通过判断各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差

是否在预设的最大容许误差范围内，获得各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料给出相应的质量控制码。

2.根据权利要求1所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，所述预设的最大容许误差为热成风容差；该热成风容差通过下述步骤计算：首先，将再分析资料中的高空风场、温度场通过最优插值法插值到各探空站上，构建出一个虚拟高空风资料；然后，基于虚拟高空风资料，计算各探空站在各标准等压面上的热成风余差；通过计算上述热成风余差的均方根误差的2.5倍，即可得到热成风容差。

3.根据权利要求1所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，所述的待质控高空风观测资料为中国地区133个探空站，分别处于00时刻、12时刻，在16个标准等压面上的风速、风向和温度观测资料；16个标准等压面分别为1000、925、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa。

4.根据权利要求1所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，所述再分析资料为欧洲中心介于1972-2001年之间的高空风场、温度场的再分析资料；所述虚拟高空风资料通过再分析资料插值到中国地区133个探空站点上而形成；所述热成风余差为基于虚拟高空风资料，逐日计算各探空站处于00时刻、12时刻在各标准等压面上的热成风余差。

5.根据权利要求1或2所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，所述的热成风余差

通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}}=u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1}\\ {\mathrm{\&delta;v}}_{\mathrm{ti}}=v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1}\end{array}\right.$

其中：δu_ti和δv_ti分别为标准等压面p_i上特定探空站的热成风余差

的纬向、经向分量；

分别为特定探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的垂直风切变

的纬向、经向分量，通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=u_{i+1}-u_i\\ v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}=v_{i+1}-v_i\end{array}\right.$

分别为特定探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的热成风的纬向、经向分量，通过下式计算而得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ti}}^{i+1}=B\frac{{\&PartialD;T}_i^{+1}}{\&PartialD;y}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\\ v_{\mathrm{ti}}^{i+1}=-B\frac{{\&PartialD;T}_i^{+1}}{\&PartialD;x}1n\frac{p_i}{p_{i+1}}\end{array}\right.$

u_i、v_i分别为特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风、经向风分量；u_i+1、v_i+1分别为相应探空站标准等压面p_i+1上的纬向风、经向风分量；

为相应探空站在两个标准等压面p_i、p_i+1之间的平均温度，B=R/f，R=287J·K^-1·kg^-1，；

指科里奥利参数，其中Ω=7.292×10^-5rad·s^-1为地球旋转角速度，

为各测站所在的纬度。

6.根据权利要求5所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，该热成风容差通过以下步骤获取：将再分析资料中的高空风场、温度场通过最优插值法插值到各探空站上，构建出一个虚拟高空风资料；基于前述的虚拟高空风资料，通过下式计算热成风容差：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}}=2.5\&times;{\mathrm{rmsdu}}_i\\ {\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{ti}}=2.5\&times;{\mathrm{rmsdv}}_i\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{rmsdu}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(u_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-u_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\\ {\mathrm{rmsdv}}_i=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(v_{\mathrm{tvi}}^{i+1}-v_{\mathrm{ti}}^{i+1})}^2}\end{array}\right.$

其中：Δu_ti和Δv_ti分别为虚拟高空风资料中，对应于标准等压面p_i上的特定探空站的热成风容差的纬向、经向分量；rmsdu_i和rmsdv_i分别为虚拟高空风资料中，对应于标准等压面p_i上的特定探空站的纬向风、经向风的均方根误差；

分别为虚拟高空风资料中，相应探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的垂直风切变

的纬向、经向分量；

分别为虚拟高空风资料中，相应探空站在相邻两标准等压面p_i和p_i+1之间的热成风的纬向、经向分量；N表示所用再分析资料的样本数。

7.根据权利要求1所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，各探空站所采集的探空资料在进行热成风余差

计算前，先经过质量控制预处理步骤；所述的质量控制预处理步骤包括缺测检查步骤、极值检查步骤。

8.根据权利要求7所述高空风资料的质量控制方法，其特征在于，所述质量控制码包括未检测、正确、可疑和错误四级；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i缺测，则该探空站的质量控制码输出为未检测；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均不大于对应的最大容许误差，则将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为正确；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均大于对应的最大容许误差，且二者异号，则可判定该探空站所采集探空资料在标准等压面p_i层上的纬向风u_i或/和经向风v_i存在观测误差，将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为可疑；对于定义为可疑的探空站所采集的探空资料，若其在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差的纬向分量满足下式：

$\frac{1}{2}({\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)$ (此公式原稿有错，已经修正!!!!)

则将该可疑的探空站所采集的探空资料的纬向风u_i定义为错误，其中：δu_ti-1为特定探空站在标准等压面p_i-1上的热成风余差

的纬向分量；δu_ti为特定探空站在标准等压面p_i上的热成风余差

的纬向分量；Δu_ti为对应于标准等压面p_i上的特定探空站的热成风容差的纬向分量；Δu_ti-1为对应于标准等压面p_i-1上的特定探空站的热成风容差的纬向分量。

9.一种基于权利要求1所述高空风资料的质量控制方法的质量监控装置，其特

征在于，包括数据接收模块、数据处理模块以及质量判断输出模块；其中：所述数据接收模块，设置数据接收接口，用于接收待质控高空风观测资料；所述待质控高空风观测资料为不同探空站在不同标准等压面上所采集的探空资料；所述数据处理模块，用于处理数据接收模块所接收到的待质控高空风观测资料；该数据处理模块先计算各探空站所采集的探空资料在相应标准等压面上的热成风余差

，然后将所得到的热成风余差与预设的热成风容差做比较；所述质量判断输出模块，根据数据处理模块所得到的热成风余差

与预设的热成风容差之间的比较结果，判断各探空站所采集的探空资料在相邻的两个标准等压面上的风场、温度场是否存在动力协调性，从而对各探空站所采集的探空资料输出相应的质量控制码。

10.根据权利要求9所述的高空风资料的质量监控装置，其特征在于，各探空站所采集的探空资料在进行热成风余差

计算前，先经过质量控制预处理步骤；所述的质量控制预处理步骤包括缺测检查步骤、极值检查步骤；所述质量控制码包括未检测、正确、可疑和错误四级；若特定探空站在标准等压面p_i上的纬向风u_i和/或经向风v_i缺测，则该探空站的质量控制码输出为未检测；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均不大于对应的最大容许误差，则将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为正确；若特定探空站在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差均大于对应的最大容许误差，且二者异号，则可判定该探空站所采集探空资料在标准等压面p_i层上的纬向风u_i或/和经向风v_i存在观测误差，将该探空站所采集探空资料的质量控制码定义为可疑；对于定义为可疑的探空站所采集的探空资料，若其在相邻两层标准等压面p_i、p_i-1的热成风余差的纬向分量满足下式：

$\frac{1}{2}({\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}-{\mathrm{\&delta;u}}_{\mathrm{ti}})>\left(\right|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}-1}|+|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{ti}}\left|\right)$

则将该可疑的探空站所采集的探空资料的纬向风u_i定义为错误，其中：δu_ti-1为特定探空站在标准等压面p_i-1上的热成风余差

的纬向分量；δu_ti为特定探空站在标准等压面p_i上的热成风余差的纬向分量；Δu_ti为对应于标准等压面p_i上的特定探空站的最大容许误差的纬向分量；Δu_ti-1为对应于标准等压面p_i-1上的特定探空站的最大容许误差的纬向分量。

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