《L波段雷达探空秒级风场计算方法》编制说明

气象行业标准

《L波段雷达探空秒级风场计算方法》编制说明

一、工作简况

1.任务来源

本标准由全国气象基本信息标准化技术委员会（SAC/TC346）提出并归I」。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（气法函[2023]50号），项

目编号为B-2024-050,立项名称为L波段雷达探空秒级风场计算方法。

2.制定背景

探空资料是数值预报和再分析最重要的输入源之一，是卫星、雷达等遥感遥测资料的检

验评估基准。保证探空资料的质量对业务应用有重要意义。从2002年开始至2010年，我

国探空观测站点逐步完成/由59型探空仪一701二次测风雷达向L波段雷达观测系统的换

型，实现秒级探空资料的获取。但是目前我国业务上L波段雷达探空数据的处理果用的依然

是基于701雷达精度的算法，探空气球施放后的前20分钟、第21-40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

线性内插方法获取。这样的算法没有充分利用秒级观测资料的优势，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量级，并且对数据的评估还发现

探空秒级风场存在个别廓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L波段雷达探空秒级资料质量评估工作，积累经验

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“气象资料质量

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秒级数据产品（VL0版）。在研制过程中发现

探空秒级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是对风风量进行插值等问题,在VI.0版数据产品提供应

用之后，接到用户反馈，业务原始观测的秒级风场的处理存在过度平滑，导致重力波动能比

欧美同类产品低一个量级等问题。针对上述问题，国家气象信心中心研发了L波段雷达探空

秒级风场计算方法，于2021年9月通过技术论证，并基于该算法研发了“中国L波段雷达

探空秒级数据集（V2.0）”，通过国家级气象大数据云平台实时更新。

（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

的观测与处理方面富有丰富经验。

（3）标准规范的相关学习

本标准起草组通过中国气象标准化网，系统学习了气象标准编写基本要求、编制说明要

求、TCS软件使用方法、标准项目编制问题分析等内容，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《L波段雷达探空秒级风场计算方法》征

求意见稿。

4.协作单位

河北省邢台市气象局、中国气象局气象探测中心参与编制.

5.标准工作组成员及其所做的工作

本标准由国家气象信息中心负责牵头编制，负责人是远芳，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，组织编写工作，负责

本标准技术思路、算法设计研究

刘立辉河北省邢台市气象局算法在探空观测业务中的检验评估方案

设计和检验效果把关

廖捷国家气象信息中心技术把关及标准修改定槁

吴恒河北省邢台市气象局标准中多个公式的测试验证

夏元彩中国气象局气象探测中心算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

李庆雷国家气象信息中心算法与国内外同类算法的对比评估

二、标准编制原则、主要内容及其确定依据

1.标准编制原则

本标准结合业务需要，遵从科学性、适用性、可操作性的原则进行编制。

（1）科学性

本标准规定的L波段雷达探空秒级风场算法是为了解决当前观测业务算法存在过度平

滑，导致重力波动能比国外同类产品低一个量级等制约性问题，算法的研制过程中吸收了国

内外的研究成果，重点参考了美国业务系统对探空秒级风场的莫法，并利用同球观测的

Vaisala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

本标准规定的算法己用于历史数据产品的研发，于2021年9月完成了2006年底以来仝

国120个探空站秒级风场的重和，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

现实时追加更新。对重算风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L波段雷达观测风场的计算。

（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/T1.1-202C《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）术语与定义

所有的术语皆有出处，其中大部分引自现有的国标或行标，少数引自正式出版的著作和

公开下发的全国性文件。

（2）算法研制所用数据源

算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。该试验采用

同一个探空气球上悬挂GPS定位观测风场的VaisalaRS92型探空仪和L波段雷达定位的

GTS1型（业务用）探空仪的方式，于2013年12月8T0日开展了15次观测。也用到了2007

年以来业务观测的全国120个探空站的大量秒级数据开展了算法的适用性评估。

（3）目前探空业务算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型探空仪一701二次测

风雷达向L波段二次测风雷达观测系统的换型，实现了1秒分辨率探空资料的获取。但遗憾

的是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

球施放后的前20分钟、第21-40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，整分钟内各秒级时刻的风向风速通过线性内插的方法获取。

这样的算法没有充分利用秒级观测资料的优势，而且更关键的是，该方法对秒级数据的处理

过度平滑，造成用风向和风速数据计算得到的重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器、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VaisalaRS92型探空仪和

使用L波段雷达定位的GTS1型（'也务用）探空仪。从图la中可以清楚地看到，相对于GPS

观测结果（黑线），L波段雷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

存在精度不够的同题，图中风速的分辨率是lm/s,垂直屏线上会出现小段廓线为常数的情

况。图1b和1c是利用AllenandVincen（1995）的方法计算的对流层和平流层低层的重

力波动能，可以看到L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。

为了解决当前业务算法存在的上述问题，起草组提出本标准，利用L波段雷达观测的仰

角、方位角和斜距，基于最小二乘法多项式曲线拟合算法重新计算探空秒级风向风速，支撑

业务应用。本标准的算法于2021年9月通过技术论证。

102030036912150102030

Windspeed(m/s)Kinticenergy(J/kg)Kinticenergy(J/kg)

图1阳江站2013年12月10日01UTCL波段雷达观测（红线）和维萨拉探空仪观测（黑

线）的秒级风速垂直廓线（a）、对流层（b）和平流层低层（c）的重力波动能

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量。

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

的设置，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条错误观测的示例，从图中可以看到斜距的错误有多种表

现形式，大致可以分为两类，一类是雷达测距功能完全失效，观测结果全为0km（图3绿线

所示）或其他错误数值，这种情况可以用位势高度和仰角的计算斜距（图3紫线）来替代原

始斜距。另一类错误是一条基本正确的观测廓线上有些错误小片段，本标准提除了质量控制

算法来识别这些错误片段并将其剔除。

本标准提供了两种质量控制方法，分别针对持续性且变率较大的异常数据片段问题（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

题（如图5所示个例），提出要素间一致性检杳。共中滑动均方根误差变率检杳借鉴均一化

寻找断点的思路，要素间一致性检查则利用位势高度和仰角计算斜距，然后比较原始斜距与

重算斜距的差异是否超出特定阈值。

(a)D*s

20

30

50

70

100

200-

300-

500-

雕...............

050100150200250

Dis(km)

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）L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斜距。

图4河北乐亭站（54539）2015年9月15日12JTC斜距廓线

图5新禧若羌站（51777）2020年7月8日00UTC斜距廓线

三、试验验证的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效益、社会效益和生态效益

1.斜距质量控制算法

（1）渭幼均万根误差变率检自

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值而不是比值。利用F检验进行检查的也不是原始斜距廓线,

而是本标准公式（A.1）所规定的均方根误差廓线（Rmse）,因为对比测试表明R廓线更能

凸显错误数据与正确数据之间的对比。对大量历史数据的评估表明，在数据正常情况下，F

值基本为0,当某段数据异常时，该段的平均F值会大于0。图6给出了一次廓线的质控个

例，可以看到原始斜距扩项上的五段明显的异常片段均被有效剔除。

⑻2

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2o2o2o

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dl3ooQ:3oo3oo

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10001000收I，，i，।J

0102030400.00.51.01.52.02.5010203040

SlopeDistance(km)RMSE-FresultSlopeDistance(km)

图6河北乐号•站（站号54539）2015年9月15日12UTC斜距廓线（a）,（b）RMSE（紫色）

和F（绿色）廓线以及（c）质控后的斜距廓线（红线）

（2）要素间一致性检杳

图7中蓝线是两个斜距观测异常的个例，与图6a不同的是，图7a和c并没有表现出垂

直变率的异常。可以看到图7a中从160hPa左右、图7b从lOOhPa左右，原始观测廓线开始

很稳定的偏离如图7b和d中红线所示的正常范围。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，便是图7b和d中灰色部分。但是显然图中黑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，若廓线上灰色标记的点持续出现超过120秒；则从

第一个灰色的点开始向前追溯，将连续出现的、原始斜距与重和斜距绝对差值超过2km的

点都标记为可疑，效果如图7b和d中黑色廓线所示。

对大量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，有的台站雷达故障持续超过一两个月，造成该时段内全部斜距观测为错误或

者缺测的情况。为了提高风场资料完整性，统计每条斜距廓线的上述两个质量检查的疑误率,

将疑误率超过25%的原始斜距用重算斜距进行了替换。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算的斜距进行了替

代。

10

«20

d30

£50

S

3170

W00

8OO

42OO

300

080

5

7

0

图7四川达县站（站号57328）2018年11月16日00时和新疆若羌站（站号51777）

2020年7月8日00时斜距廓线（蓝线：原始斜距，红线：重算斜距，灰、黑线：

未通过一致性检查的原始斜距）

2.探空秒级风场算法

使用质控后的秒级仰角、方位角和斜距，利用标准中公式C.1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红线（本标准算法结果）

或黑线（原始观测风速）所示的、供用户直接使用的探空秒级风速。

图9给出本标准规定的利用L波段雷达探空观测的秒级仰角、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，本标准最终选择使用仰角、

方位角和斜距来计算秒间隔的风分量，接着对风分量做两次60秒时间窗的滑动二阶多项式

拟合、对50hPa以上的数据额外进行一次120秒二阶多项式拟合的方案来最终获取探空秒级

风场。

图8新禧民丰站（站号51839）2019年1月6日00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，分线是经过拟合的风速c

图9L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了算法所需不同参数的对比评估。图10a中蓝点是秒间

隔风分量计算的风速，绿线是进行一次拟合的结果，为了更清楚的展示，图10b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，廓线上没有“折角”。图10b

中一次拟合和两次拟合的效果基本接近是因为在开展探空对比式验前，台站观测人员对雷达

进行了严格的校准，其观测质量相对更高，而对大量业务观测数据的分析发现部分观测的秒

间隔风场明显更为分散，有必要进行第二次拟合。从图10c中可以看到，经过拟合后L波段

雷达观测的风速与维萨拉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秒时同窗波动略大，而120秒时间窗略为平滑，整体而言60秒时间

窗的结果与维萨拉探空仪的风场最为一致（图10d）°此外，高层之后由于探空仪距离雷达

较远，更容易出现信号不稳定造成秒间隔风场散乱的情况，因此对5OhPa以上的风分量廓线

增加一次120秒滑动时间窗的二阶多项式拟合处理，以获得稳定有效的风场。

Windspeed(m/s)

27

24

121

818

p15

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<_192

6

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C10203040

Windspeed(m/s)

27

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s192三20

vl<

619

18

3”

图10阳江站（站号56993）263年12月9日15UTC探空对比试验廓线（a）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（a）

中1275km的局部放大。（c）是采用120秒（绿线）、60秒（红线）和30秒（蓝线）时间

窗的计算L波段雷达观测的风速和维萨拉GPS探空仪观测的风速（黑线）。（d）是图（c）中

1477km的局部放大。图e和f分别是对流层和平流层低层的重力波动能，其中红线是60

秒滑动窗口重算风场计算结果，黑线是维萨拉探空仪观测风场计算结果，紫色虚线是原始风

场计算结果。

图10e和10f是不同风速和相应平流层低层的重力波动能的对比。可以看到重算的L波

段雷达风速（红点）与Vaisala探空仪观测风速（黑点）有较好的一致性，重力波动能在整

体上也是基本一致的，相比之下，原始L波段雷达风速（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54511）2011年至2020年重力波动能月值序列（图11）,可以看到重算的动能与原始观

测动能变化趋势基本一致，但是显著高于原始观测的数值，恃别在平流层低层。此外分析还

发现重力波动能近十来年表现出下降趋势（图11所示匹条序列的长期趋势均通过

Mann-Ke