《L波段雷达探空秒级风场计算方法》编制说明.docx

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1、气象行业标准1.波段雷达探空秒级风场计算方法编制说明一、工作简况1 .任务来本标准图全国气纵基本信息标准化技术委员会（SACTC346）提出并归口.2023年12月22日,由中国气象局将标准编制工作下达国家气象信息中心（气法的202350号.项目编号为B-2O21-O5O.立J%称为I.波段南达探空秒汲风场计究方法.2 .制定IMt探空资料是数值预报和再分析最重要的怆入源之一,是卫星.南达等遥感遥测资料的检验评估玳准。保证探空资料的质联对业务应用有正要您义，从2002年开始至2010年，我国探空观测站点逐步完成了由59型探空仪一701二次测风价达向1.波段雷达观测系统的换里.实现杪级探空资料的

2、狭取.但是目演我国业务上!波段番达探空数据的处理采用的依然是明于701雷达精度的算法，探支气球施放后的旃20分钟、笫2ITO分钟和41分钟之后的三个时间段分别采用1分钟、2分钟和4分钟间隔的位置计算风场,其余时刻风向风速通过线性内捕方法茂取.这样的算法没有充分利用秒欲现刈资料的优势,并且对风场的处理存在过度平滑，导致计算出的重力波动能比欧美同类产品低一个城级，并且对数据的评估还发现探空秒级风场存在个别ME线上有风速异常偏大的情况.为了解决探空秒级风场数据中存在的这些问题，充分发挥高分辨率探空数据的价值，起草组制定了本标准.3 .起草过程（1）前期开展全国1.波段蕾达探空秒级资料胡玳评估工作，积

3、累经验2015至2020年国家气象信息中心牵头国家气象科技创新工程攻关团队“气象资料质设控制及多源数据融合与再分析”.在再分析产品的研制过程中对探空等基础资料的质量开展了深入评估，研制质量控制算法和探空观测杪级数据产M（VI.0版）.在研制过程中发现探空秒段风场存在个别廓线上有风速异常偏大的情况以及当前业务算法在计算过程中存在对风向风速直接进行线性内插而不足对风风量进行插值等何跑.在V1.0版数据产品提供应用之后，接到用户反馈，业务陵始观泅的杪级风场的处理存在过度平滑，导致由力波动能比欧美同类产品低一个量娘等问造。针时上述何超,国家气象信心中心研发了1.波段缶达探空杪级风场计算方法，于2021

4、年9月通过技术论证,并基于该算法研发了“中国1.波段雷达探空杪级数据柒V2.0)”，通过国凛级气象大数据公平台实时更新.(2) 2024年1月成立标准起草组,讨论并制定工作计划.标准起草组成员在探空资料的观测与处埋方面富有丰富羟验.(3)标准珑范的相关学习本标准起草组通过中国气象标准化N,系统学习了气象标准娘写基本要求、编制说明要求、TCS软件使用方法、标准项目编制向时分析等内容,为编写本标准打好基础，(4)形成征求意见稿2024年4月,根据调研结果和需求,起草完成41.波段雷达探空秒级风场计算方法征求懑见稿。4 .怫作单位河北省邢台市气象局、中国气取同气象探测中心参与编制.5 .标准工作坦成

5、员及其所做的工作本标准H1.国家气象信息中心负责牵头彘制,负贲人是远芳,起草小组成员及分工如下:姓名工作单位工作任务远芳国家气象信息中心标准起草牵头人，加织确耳工作，负责本玩准技术思路、售法设计研究刘立辉河北省邢台市气象局。法在探空观测业务中的检5金评估方案设计和检紧效果把关廖捷国家气象伯恩中心技术把关及标准修改定稿吴恒河北省邢台市气象局标准中多个公式的测试验证夏元彩中国气能局气象探测中心。法在探空观测业务中的试用与评估贾秋兰河北省邢台市气象局标准中多个公式的测试验证李庆南国家气能信息中心法与国内外同类算法的对比评估二、标准JKJ主要内容及其确定依据1 .标准制原JI1.本标准结合业务需要,遵

6、从科学性、适用性、可操作性的原则进行编制.(1)科学性本标准规定的1.波段甫达探空秒级风场算法是为了艇决当前观测业务算法存在过度T-滑，导致Hi力波动能比国外同类产品低一个信税等制约性问鹿，算法的研制过程中吸收了国内外的研咒成果,理点参考了美国业务系统对探空秒级风场的算法并利用同球观测的VniSaIa探空仪获取的数据对算法进行了检验.本标准也吸收了现有国家标准和行业标准合理的技术规定，提出的技术方法科学、合理。（2）适用性本标准规定的算法已用于历史数据产品的研发,于2021年9月完成了2006年底以来全国120个探空站秒级风场的用算.产品通过国家级气象大数据云平台发布提供用户应用并实现实时追加

7、更新.对重算用场的评估和用户的应用反馈均表明本标准规定的算法稳定有效.适用于当前1.波段雷达观测风场的计豫.（3）可操作性本标准给出了秒级风场计算的步骤和详细计算公式，具有较强的可操作性.（4规范性标准依据GB/T1.1-20204标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则给出的规则起草，符合标准编写要求.2 .相关内容及确定依据（1）术谙与定义所彳i的术语皆打出处，其中大部分引自现有的国标或行标，少数引自正式出版的箸作和公开下发的全国性文件。（2）算法研制所用数据源和法的研制过程用到了2013年在广东阳江开展的探空对比场地试验资料.该试蛤采用同一个探空气球上悬挂GPS定位观测风场的V

8、aisa1.aRS92型探空仪和1.波段而达定位的GTS1.型（业务用）探空仪的方式，于2013年12月8-10日开展了15次观刈.也用到了2007年以来业务观测的全国120个探空站的火电杪级数据开展了算法的适用性评估.（3）目前探空业务芽法的不足和本标准提出的改进方案从2002年开始至2010年，中国探空观测站点逐步完成了由59型探空仪一701次测风雷达向1.波段二次测风宙达观测系统的换鞭，实现了1杪分辨率探空资料的获取。但遗憾的毡目前中国业务上采用的依然是基于701雷达精度的算法，利用整分钟的数据,在探空气球俺放后的前20分钟、第2170分钟和11分钟之后的三个时间段分别采用I分钟、2分钟

9、和4分忡间隔的位置计算用场,整分怦内各秒级时刻的风向风速通过线性内插的方法找取.这样的尊法没fj充分利用秒级观测资料的优势,而且更关键的是,该方法对杪级数据的处理过度平滑，造成用风向和风速数据计算得到的由力波动能明显低于欧美同类产品，特别是在平流层低层.图1给出一个示例.图中所示数据为同一个探空气球上悬挂两个探空仪、同时进行观测的结果,两个探空仪分别是使用GPS定位观测风场的VaiSa1.aRS92型探空仪和使刖1.波段雷达定位的GTS1.型（业务用）探空仪。从图Ia中可以消是地后到，相对于GPS观测结果（黑线1.波段甫达观测秒级风场除了比较平滑、少了很多小尺度波动之外.还存在精度不够的何腮,

10、图中风速的分辩率是1.ms,垂直睨线上会出现小段麻规为常数的情况。图Ib和IC是利用AI1.enandVincen1995）的方法计算的对流层和平流层低层的重力波动能.可以存到1.波段雷达观测的风场计算的动能明显低于GPS观测的风场,特别是在平流层低层。为了斛决当前业务算法存在的上述问卷，起草如提出本标准，利用1.波段雷达观测的却用、方位角和斜距，基于最小二乘法多项式曲线拟合算法常新计匏探空秒级风向风速,支撑业务应用。本标准的算法于2021年9月通过技术论证。图1阳江站2013年12月10日O1.UTC1.波段雷达观测（红线）和维萨拉探空仪观测（黑线）的秒级风速垂直廓战储）、对流层（b）和平流

11、层低层（c）的本力波动能此外,在前期评估发现斜距的质量明显低于仰角和方位角.并且会影响风场数据的质地.这种情况主要是雷达测距功能失效造成.在放球过程中，观测员发现该情况以后会通过软件的设?1.利用位势高度的计算量取代斜距来计算探空风场，但是软件没有同步对秒级斜距观测数据进行修改，图2给出了12条措误观测的示例.从图中可以看到斜距的惜误有多种表现形式,大致可以分为两类,一类是南达测即功旎完全失效.观测结果全为Okm（图3名及线所示）或其他错误数值，这种情况可以用位势高慢和和角的计算斜距（图3紫线）来替代原始斜斯.另一类错误是一条基本正确的观测麻城上有些错误小片段，本标准提除了质量控制算法来识别这

12、些错误片段并将其剔除.本标准提供了两种质小控制方法，分别针对持续性巨变率较大的异行数据片段问SS（如图4所示个例）提出滑动均方根误差变率检查.针对持续性但变率稳定的异常数据片段问遨（如图5所示个例,提出要索间一致性检查.其中滑动均方根误差变率检查借鉴均一化寻找断点的思路，要索间一致性检杳则利用位势高度和仰角计舞斜距，然后比较原始斜距与重算斜距的差异是否超出特定网值.图2斜距观测异常的多种情况图3甘肃合作（56080）站2021年7月8日00（UTC）1.波段秒级斜距廓线，绿线为原始观测斜距，紫色线为用位势高度和仰角重新计算的斛距.图4河北乐亭站(54539)2015年9月15日12UTC斜距廊

13、城图5新SI若羌站51777)2020年7月8日OMJTC斜距廊线三、试验险证的分析、瀛述报告，技术较济论证，顼期的短济兼技、社会效益和生态效总1 .得题员/拄制算法(I)滑动均方根误差变率检查该项检查算法借鉴了长序列均一化常用的F检验.但是与统计学中F检验不同的是,这里F值是前后两段数据的绝对差位而不足比位.利用F检验进行检查的也不是原始斜柜班规.而是本标准公式(AD所规定的均方根误差脚线Rmse),因为对比测试表明R廊线更能凸显错误数据与正瑜数据之间的对比.对大量历史数据的评估表明,在数据正常情况下.F伯整本为0,当某段数据异常时，该段的平均F值会大于5图6给出了一次唬线的旗控个例,可以看

14、到原始斜跖扩项上的几段明整的异雷片段均被有效剔除。O10203040S1.opeDistance(km)0.00.51.01.52.02.5RMSE-Fresu1.t010203040S1.opeDistance(km)图6河北乐亭站（站号54539）2015年9月15日12UTC斜距廊戏（八）,（b）RMSE（紫色）和F（绿色）脚线以及（C）质控后的斛距廓线（红线）（2）耍索间一致性检查图7中蓝戏是两个斜柜观测异常的个例，与图6a不同的是，图7a和C并没有表现出垂直变率的异常.可以石到图7a中从160hPa左右、图7b从100hPa左右.原始观测觇线开始很稳定的偏离如图7b和d中红跷所示的正

15、常苞用。对于这种情况，把符合公式B,3所示条件的数据标记为错误，便及图7b和d中灰色部分。但是显然图中缘色部分也是错误观测，为此在公式B.3的基础上增加一个条件,若睨线上灰色标记的点持续出现超过120秒，则从第个灰色的点开始向前追潮，将连续出现的、原始斜距与正算斜距绝对差值超过2km的点都标记为可疑,效果如图7b和d中黑色嘛线所示.对大双业务观测数据的评估发现,有个别台站出现雷达测距功能发生故障的频率比其他台站更为频繁，有的台站缶达故障持续超过一两个月，造成该时段内全部斜距观测为锚说或拧决测的情况.为了提高风场资料完整性,统计每条斜即廊线的上述两个质St检查的毁误率.将疑误率超过25%的原始斜

16、距用JR算斜距进行了杓换，对2019年全国120个探空站斜距资料的评估发现，按照本标准提出的算法，有4.475%的原始观测斜距用重驾的斜跖进行了替代.图7四川达县站（站号57328）2018年11月16日OO时和新疆若羌站（站号51777）2020年7月8日00时斜距廊线（蓝线：原始斜距，红线：垂算斜距，灰,黑线：未通过一致性检查的原始斜距）2 .探空秒袋风场算法使用质控后的秒级仰月、方位角和斜距，利用标准中公式C1.至C4算得的风速如图8蓝点所示，需要对数据进行不同的平滑或拟合处理才能得到如图9红战（本标准算法结果）或黑线（原始观测风速所示的、供用户宜接使用的探空秒级风速.图9给出本标准规定

17、的利用I波段雷达探第观测的杪级仰角、方位角和斜距计算风向和风速的流程，参考了NCDC的多项式拟合算法,经过比较评估，本标准必终选择使用仰用、方位角和斜距来计算秒间隔的风分ht接着对风分E做两次60秒时间窗的滑动二阶多项式拟合、对SOhPa以上的数据额外进行次120杪：阶多项式拟合的方案来最终获取探空杪级风场.图8新疆民丰站（站号51839）2019年1月6日OO时风速观测，其中黑线是台站软件上传的原始观测风速，蓝点为秒间隔仰角斜距计算的风速，红线是经过拟合的风速。1.*191.波段雷达探空秒级风场计算流程利用广东阳江探空试验数据开展/舞法所需不同参数的对比评估.图Ioa中低点是秒间隔风分版计算

18、的风速，绿践是诳行一次拟合的结果，为了更清楚的展示，图IOb给出了局部放大效果,可以看到进行两次拟合（红线）的效果更为平滑,即线上没有“折角”.图IOb中一次拟合和两次拟合的效果星本接近是因为在开展探空射比试验前，台站现刈人员对雷达进行了严格的校准，其观测顺量相时更高，而对大t业务观测数据的分析发现部分观测的杪间隔风场明显更为分散.有必要进行第二次拟合.从图IOC中可以看到.经过拟合后1.波段雷达观测的风速与潍萨拉GPS探空仪测得风速基本相当.对于滑动时间窗的选取，相对于GPS观测（黑线），30杪时间窗波动略大,而120秒时间窗略为平滑,整体而言60杪时间窗的结果与维济拉探空仪的风场最为一致（

19、图IOd）.此外.高层之后由于探空仪扑离雷达较远，更容易出现信号不枪定造成秒间隔风场散乱的情况，因此对SOhPa以上的风分以廓我增加一次120杪滑动时间窗的二阶多项式拟介处理，以获得稳定有效的风场。Windspeed(m,s)Windspeed(m,s)14203040Windspeed(m)图10阳江站（站号56993）2013年12月9日15UTC探空对比试的廊然（八）秒间隔风速（蓝点）和第一次2阶多项式拟合（绿线）和第二次多项式拟合的结果（红线），（b）是图（八）中1275km的局部放大。（C）是采用120秒（媒线）、60秒（红线）和30秒（蓝线）时间面的计算I波段雷达观测的风速和维萨拉

20、GPS探空仪观测的风速（黑线）。d）是图（C）中14T7km的局部放大.图e和f分别是对流层和平流层低层的玉力波动能，其中红线是60秒滑动窗口重算风场计算结果，黑饯是维萨拉探空仪观测风场计算结果，紫色虐鼓是原始风场计算结果.图IOe和Iof是不同风速和相应平流层低层的通力波动能的对比.可以看到理律的1.波段雷达风速（红点）与VaiSa1.a探空仪观测风速（黑点）有较好的一致性，虫力波动能在整体上也是基本一致的，相比之下,原始1.波段宙达风速（紫色点）较为平滑，重力波动能明显偏低.为了评估本标准提出的算法应用于长期大量业务观测资料的稳定性，计算了北京站（站号545ID2011年至2020年塞力波

21、动能月值序列（图11）,可以存到理算的动能与原始观测动能变化趋势基本致,但是显著高于原始观测的数值，特别在平流层低层.此外分析还发现电力波动能近来年表现出下降趋势（图11所示四条序列的长期均势均通过Mann-Kenda1.19S%显著件检验）.-Erjwc5432011201220132014201520162017201820192020Timeb）SVa1.oeoM21-115-123-Iiaiiiiii2011201220132014201520162017201820192020Bmo图11北京站（站号54511）2011-2020利用市算风场（红线）和原始风场（蓝戏计算的对流层（八）

22、和平流层低层（b）重力波动能时间序列，虚线是线性趋势。四、与国际、国外同类标准技术内容的对比情况，或者与能试的国外样品、样机的有关效据对比情况无.五、以国际标准为期a的起草情况，以及是否的I引用或者采用国际、国外标准的情况本标准为自主研制标准,未采川国际标准.六、与有关法律、行政法般及相关标准的关系本标准与现行有关法律、法规和强制性标准没有矛盾,七、重大分如见的处理经过和依据无。八、涉及专利的有关说明本标准规定的算法未中谓专利，九、实施标盘的襄求，以及但做指延、技术指*、过渡期和实It日期的建议等指建议探空秒级风场数据在风能评估和大气湍流等动力学分析方面有重要应用价值.建议在电力、航空等相关行业内加强立货.十、其他应予说明的，项无.