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1、第二章 资料处理和客观分析2.1 资料处理随着气象观测手段的发展和现代化，得到的资料数量增多，门类拓广，有常规站点观测，有非定点海洋观测，有飞机观测，有气象卫星观测，有定时观测和非定常观测等等，怎样使用这些资料呢？一般来说，对气象资料的要求有两方面：一是可靠性，二是便于使人所周知。气象测站的分布是不规则的，因此我们只能得到这些不规则点上的气象资料，但是数值预报中的网格点是规则的，因而资料无法直接使用。另外，无论是用穿孔纸带或用电信号的形式将气象电报直接输入电子计算机，都要首先按照专门的程序进行译码、检查、整理。因为气象电报的内容，是按照气象电码格式编发的，而它的形式又是按照邮电电码格式编发的，
2、从观测、编码、发报，到传递、转换、接收等，在每个工序和环节上，都存在着出错的可能性。因此，我们所接收到的气象电码，不可避免地存在着一些错误或不妥之处。所以，要正确使用这些气象资料，必须经过必要的处理。比较简单的资料处理可分为以下几个方面：2.1.1记录错情判断 在利用接收到的气象资料之前，首先对资料要作错情判断。一般的做法是根据不同等压面上各种要素值的大小，给出相应略大于其最大值的一个数作为其上限值；也给出相应的略小于其最小值的一个数作为其下限值。例如在我国范围内的各测站，冬季500百帕层上的位势高度最小值不超过500位势什米，我们则取500作为其下限值；最大值不超过600位势什米，我们就取6
3、00作为其上限值。然后利用比较大小的子程序，由计算机对每一组数据进行判断，凡是大于上限值或小于下限值的记录，我们就认为它是错误的，予以舍掉，作为缺测记录。另外还可利用气象要素在时间变化上的连续性和空间分布上的连续性，来判断一个气象要素记录是否错误。对于错误记录，可用下面介绍的补缺测记录的方法，另外补一个值。2.1.2 补缺测或漏传记录 一般可把缺测或漏传记录的测点看作是一个网格点，然后由下节介绍的客观分析方法，利用周围已有的测站记录，插一个值补上。2.1.3 实测风矢量的分解 气象台站观测到的风场资料，是一个既有大小又有方向的风矢量，为便于该资料的利用经常将实测风分解为东西和南北两个分量。分别
4、用请预览后下载！u、v表示，并规定：u向东为正，V向北为正。其数量值分别由下式计算： (2.1) 图2.1实测风矢量的分解 这里为实测风速值，为测风报告发布的风向度数。如，实测风为西南风，为240，风速10m/s，算得： 2.1.4 风场订正诊断分析一般都是在有限区域内进行的，多数都采用正方形网格。客观分析后所得到的网格点上的u、v分量值，并不处处与网格区的，轴平行，因此还必须进行风向订正。因为只有在基线上的网格点，其东西、南北方向与，方向一致，其他网格点上东西、南北方向与，方向总有一个偏差角，这显然会给计算带来误差，特别是当计算范围取得较大时，边缘的网格上，这种风向的误差显得更加突出。不进行
5、适当订正是不行的。如图2.2，先考虑在基线以西的某一网格点A，N是北极，NO为基线，NA和CA分别为经过A点的经线和纬线，MA和LA分别和这个正方形网格系统的X轴及Y轴平行。假设A点的风速在经纬的分量分别为u和v。而在网格的X,Y方向的分量分别为、，由于A点所在的经线不与基线相平行，故、分量和、分量彼此也不平行，而是有一夹角，ANO。由图可看出，它们之间有如下的换算关系： (2.2)请预览后下载！图2.2风场订正示意图在基线以西的网格AO0，所以a=sin-1(AO/AN)0；在基线以东的网格，AO0，所以a0；在基线上的网格，0，则、。即不必订。 设在某网格点上，10米秒，45由 (2.2)
6、式订正后 2.1.5 平滑和滤波 气象观测资料，总存在着各种各样的误差。比如由气象仪器安装不标准等带来的，非偶然性误差（器差）和由工作人员在观测、编码、发收报等造成的偶然性误差，以及将要素值内插到网格点上时，产生的舍入和插值误差等等。无疑，这些误差都将会影响计算的结果，为了减少误差的影响，通常在计算之前先对原始资料等进行平滑和过滤（滤波），滤掉那些次要的小的天气意义的东西，而保留和突出主要的量，或者，为了研究的需要滤去资料中某些波长的量，而保留与问题有关的量。现分别介绍如下：(1) 一维平滑算子 这是最简单的平滑算子。利用同一直线上三点的资料，又称三点平滑算子 (2.3)这里表示第j点平滑后的
7、值，表示第j点平滑前的值。S为平滑系数（可正可负）。该平滑算子对j点对称，其权重除j+1，j和j-1点外均为0。请预览后下载！图2.3 一维平滑算子对函数(x)可展成富氏级数，在点，可写成： (2.4)这里C为常数，A为波动的振幅。为波数，L为波长，为位相。同样在和点，函数(x)可写成 (2.5)将，代入(2.3)式得： (2.6)比较(2.4)、(2.6)式，平滑后的波相未变，改变的只是波的振幅，平滑后的振幅为： (2.7) 令R，称响应函数，即平滑波幅同原波幅之比，表示平滑后的变化。显然，R1，表示平滑后波幅一样，R1，表示平滑后使原波幅被放大。由(2.7)式知： 或者 (2.8)可见对于
8、固定的网格距，响应函数R只与波数k（波长L）以及平滑系数S有关。 由于0sin2(px/L) 1若希望平滑后使原波动衰减，以致滤掉（但不希望出现反位相情况），由只须要有0R1，于是由(2.6)式知：0S1/2。倘若希望平滑后使原波动增幅，即R1，则必有平滑系数S2x的波，可以使其波幅有所恢复。比如取L=6x时： 一次平滑得 R1(6x,1/2)=0.75 二次平滑得 R1-2=R(6x,1/2)R (6x,-1/2)=0.94 二者相比，二次平滑使该波幅恢复了19。表明这种平滑对保留长波是有益的。（2）二维平滑算子 对于平面的问题，须进行二维空间的平滑，把一维推广到二维有两种处理方法： 将计算
9、的场先分别在X方向和Y方向进行平滑，然后取平均，即 (2.12)其中: 这里用到的是，点及其前、后、左、右共五个点的资料，故称为五点平滑格式。 将场先在一个方向平滑，然后再在另一方向上平滑，即 (2.13)其中：2fij同(2.12)，2*fij=fi+1,j+1+fi+1,j-1+ fi-1,j+1+ fi-1,j-1-4fi,j。这里用的是，点及其前后，左右及前后点的左右点（式左右点的前后点）共九个点的资料，故称为九点平滑格式。用Kx，Ky，Lx，Ly分别表示X，Y方向上的波数和波长，其平面波的表示形式可写成 其中为振幅。以之代入(2.12),(2.13)易得其相应的响应函数 (2.14)
10、 (2.15)请预览后下载！2.1.6 尺度分离 实际的大气运动，包含了各种尺度的天气系统，为着研究的需要，经常要将实际的扰动，分离成不同尺度的波。应用富里叶级数将扰动展成不同尺度的波是常用的分离状的谱分析方法，但是它只能用于沿整个纬圈的半球性分析，不便考察某一特定地区和某些特定尺度系统等之间的关系。而利用上节所讲的平滑滤波技术同时可以满足这些方面的要求，同时又有着明显的天气意义。 为了分离不同尺度的波，须事先设计一个合适的滤波器。 对于任意天气变量A，可以写成： A=+(A-)。表示平滑后的A场，显然：(A- )表示原始场与平滑场的差。如果在作平滑的过程中，滤去高频波（短波），保留低频波（长
11、波），这种平滑就称为一个低通滤波器，它的作用是让低频波通过。表示场的低频部分，即大尺度运动。而(A- )部分，为该场的高颇（短波）部分，即小尺度系统。对(A- )进行运算，也就相当于一个高通滤波器。这里问题的关键，是如何选择滤波器，如何选择平滑系统和平滑次数，要看对具体问题的分析。比如要想分离出短波(波长L为500km左右）可以选用三点平滑算子，取S1/2，连续平滑三次，就得到单波响应函数：R1-3=(1-sin2(px/L)3。 如果计算网格距d取为100km，在场中波长为5d(500km)以下的波，衰减了70以上。保留了30以下，而对波长L=20d(2000km)以上的波，竟保留了95以上。这表明，经过如此过滤之后，在场中主要是波长为2000公里以上的天气波。而在(A- )场中，主要是波长在500km以下的次天气尺度的短波系统。 如果研究的是面（二维）上的问题，即可采用二维平滑，如用九点平滑算子： 其中 (2.16)将实测风场，分解为u、v分量，取d100km，S=1/2，u、v分别用(2.15)式连续平滑三次，然后再合成，即得到相应的流场。 此外，还可以根据这种方法，设计只允许某一范围的波通过，而其它波不能通过的所谓
