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1、L 波段雷达系统秒级观测数据扩展应用探讨李宇中 1） 李辉城 2） 梁建平 3） 覃晓玲 4） 韦丽英 5） 刘旭 6） 梁科炎 7）1） （广西壮族自治区气象局，广西 南宁 530022） 2） （南宁市气象局，广西 南宁 530022）3） （桂林市气象局，广西 桂林 541001） 4） （河池市气象局，广西 河池 547000）5） （百色市气象局，广西 百色 533000） 6） （北海市气象局，广西 北海 536000）7） （梧州市气象局，广西 梧州 543000）【摘要】对我国高空气象观测业务利用 L 波段雷达系统丰富的秒级观测数据以解决现存业务弊端及观测精度不高等问题进行了分
2、析评估，并对其主要技术手段进行了探讨，包括：数据平滑算法，野值判别、剔除和拟合补缺算法，量得风层秒数据序列求算方法等。分析指出：测风秒数据的最大利用价值在于藉此优化和调整量得风层的计算厚度（时间间隔），可将 L 波段系统的测风精度提高到与 RS92 GPS 探空系统同一数量级，基本满足业务部门对高空风的观测精度要求；通过气球下沉记录处理流程的调整改进可实现相关记录数据段的妥善保存，更能体现高空气象观测的“客观性”原则；采用探空和测风秒数据的野值综合判别、自动剔除和拟合补缺算法，可在提高秒数据利用率的同时进一步提升业务系统的智能化、自动化水平，使之适应当前高空-地面气象观测业务一体化改革的迫切需
3、求、切合全行业尽快实现业务现代化的目标。关键词:L 波段雷达，量得风层，野值删除，平滑，下沉记录 均方根偏差Discussing the Extended Application of L-band Radar System Second Observation DataLI Yuzhong1 LI Huicheng2 LIANG Jianping3 QIN Xiaoling4 WEI Liying5 LIU Xu6 LIANG Keyan71 Guangxi Meteorological Bureau，Nanning Guangxi 5300222 Nanning Meteorologica
4、l Bureau，Nanning Guangxi 5300223 Guilin Meteorological Bureau，Guilin Guangxi 5410014 Hechi Meteorological Bureau，Hechi Guangxi 5470005 Baise Meteorological Bureau，Baise Guangxi 5330006 Beihai Meteorological Bureau，Beihai Guangxi 5360007 Wuzhou Meteorological Bureau，Wuzhou Guangxi 543000This article
5、analysis and evaluates the application of rich source of second observation data provided by L-band radar system,in order to solve the existing problems and improve the accuracy of upper-air meteorological observation in our country.The main technical methods are discussed, including: data smoothing
6、 algorithm;outlier value judgment, eliminating and fitting compensation algorithm;sequence calculation method of the measured wind layer data per second ; etc.Research shows that the greatest use value of wind second observation is to optimize and adjust the calculation step(time interval) of measur
7、ed wind layer thickness, which can improve L-band system observation accuracy to reach the same level with RS92 GPS sounding system,and fit the basic requirements of the weather forecast service department. It also pointed out that balloon sinking record can be properly keep by adjusting the busines
8、s process flow, reflects the meteorological observation objectivity principle.Those comprehensive identification and interpolation method for outliers can be used to improve the utilization rate of second observation data provided by L-band radar system,further enhance the level of intelligent busin
9、ess system, so as to meet the need of the situation of integration business reform in meteorological observation service. Key words：L-Band radar system，Measured wind layer，Outlier-eliminating，Smoothing algorithm，Balloon sinking record，Root mean square deviation（RMSD）作者简介：李宇中，男，1971 年生，硕士，高级工程师，高级程序员
10、，目前主要从事综合气象观测业务运行管理工作。EMAIL:引言 L 波段高空气象探测系统自本世纪初在我国高空气象观测站推广应用以来，以其要素采样率和探测精度高、数据自动处理能力强、业务图表产品输出丰富、设备稳定可靠且易于维护等突出优点 13 ，受到基层气象观测员的普遍欢迎。然而时至今日、在系统业务运行了 13a 后，尽管相关软、硬件根据用户需求进行了多次改进升级，但从 701 雷达系统手工操作年代延续下来的以分钟数据应用为主的观测规范仍在制约着秒级观测资料的全面使用，致使 L 波段雷达的业务潜力未能得以充分发挥；加之雷达测风体制固有的技术性能短板，使得我国高空气象观测质量水平与当前日益推广普及
11、GPS 探测技术的国际同行相比仍有一定的差距，一些性能指标已难以满足现阶段 WMO 对高空气象观测的精度要求 46 。考虑到基于北斗-II 体系的国产 GPS 高空气象探测系统得以业务普及尚需时日，探讨如何对 L 波段雷达丰富的秒级观测资料加以扩展应用，可使之输出基本满足预报服务部门观测精度要求的业务产品，有助于实现在现有技术条件下尽可能地缩小与国际先进水平差距的目标；对相关数据处理技术的分析和实现，即便是将来完成了系统升级换代、L 波段雷达全部退出业务历史舞台后，仍可用作将业已积累下来的全国上百个观测站十多年原始观测数据集重新整编成可信度更高、细节更丰富的高空气象历史资料序列，供科研人员在天
12、气气候等业务领域长期使用。因此，本文所讨论的内容有其一定的现实意义。1 L 波段雷达秒级气象观测资料扩展应用分析评估1.1 现行高空气象业务规范及 L 波段系统软件存在的主要问题现行常规高空气象观测规范及相应的业务操作手册 7,8 （以下简称规范和手册）存在的最主要的问题是：大部分业务规定均简单沿用了以低采样率的分钟数据为基础的手工查算条件下的操作方法，未能及时根据新型 L 波段雷达系统所提供的丰富数据资源和强大计算资源进行优化调整；从而导致现行业务系统软件在算法设计上无法突破规范的局限，影响了现有数据资源的充分使用和业务能力的充分发挥。主要体现在以下几个方面：1、规范中界定“量得风层”是“相
13、邻计算分钟的平均风层”，导致测报软件只能以整分钟时刻附近的少量观测数据作为主要参考来求取每分钟间隔的“量得风层”、相应规定层要素（特别是风向、风速）还需进一步在分钟数据中“内插求取”，导致测风精度不高 5,9,10、甚至还会因上下两个分钟风层风向差接近 180、难以判断内插后风向的“过南过北”问题，导致规定风层出现“计算性缺测”。2、 规范虽明确了当温、压、湿、风等气象要素连续性缺测或可信度差时的处理细节，但相关处理操作目前仍有赖于值班观测员手工干预解决（尤其体现在测风方面） 、未能全面引入程序判别和处理算法自动实现，易导致因少量数据存在疑误使得整个规定层要素观测结果出现异常、甚至无法正常求取
14、的情况出现。例如，若分别将观测记录的第1、2整分钟时刻附近前后5秒左右的测风数据点删除（每段测风数据连续失测的时间仅为10s左右） ，将导致0.5、1.0分钟的量得风层无法求取、相应时段内的规定层风也以“缺测”告终，无法实现规范中“连续缺测时段t1min 时，数据照常计算处理”要求。3、 规范中对个别特殊记录的处理原则有违气象观测的“客观性”要求特别在对“气球下沉记录”的处理问题上。现行规范规定：当气球遇到强烈下沉气流、导致气球高度出现停滞甚至下降情况时，应“将（高度）重叠部分的记录删除” ；测报软件对相关探空和测风数据的处理方法是：“由人工确定气球下沉的起始点时间和下沉的终止点时间，并作删除
15、；计算机会自动将气球下沉和回升到下沉起始时刻之间的数据删除，下沉终止点以后的时间、数据记录往前移，即下沉终止时间后的各数据时间减去气球下沉期间的时间，以后记录照常整理” 。这种“删除拼接”操作虽可保证气球“时-高”曲线单调上升、为后续规定层要素的计算提供便利，但如此处理的结果显然与真实观测过程无法保持客观一致，而那些对雷暴云内部结构机理有着重要研究价值的各种气象要素在下沉时段内的信息也很可能因此永远流失。1.2 L 波段系统秒级观测数据的需求分析和应用效益评估实际上，现行规范和业务系统存在的一些短板，如能充分发掘利用L波段雷达丰富的秒数据信息、辅以合适的计算处理方法，是可以合理解决的。首先，“
16、量得风层”算法完全可以“秒”作为时间间隔单位，通过对比观测试验来确定最优的计算步长，不仅能显著提高计算精确度以基本满足 WMO 及预报服务部门的业务需求，且各规定层风也可直接查取、“内插”计算可以完全避免， “计算性缺测”问题亦不复出现。其次，基于充足的秒级观测数据序列，引入疑误数据（飞点或野值）的自动判别和删除算法，与曲线平滑（或拟合）自动补缺算法相配合，可以最大限度地减小疑误数据对最终观测结果的不利影响因少量资料缺测（或可信度不高）导致业务急需的规定层资料缺失等问题即可迎刃而解。至于气球下沉记录的“删除拼接”问题，应该说，在上世纪高空气象观测的手工查算时代，采用上述处理以便简化计算、解决报表生成的时效性问题有情可原；而在当前计算资源充裕的微电脑自动化处理时代，完全可以采用保留下沉数据段、对下沉开始至下沉结束时间段进行标注，然后由程序来自动判别和调整后续规定层
