《Atmospheric Research》：Inter-station measurements redundancy and bias structure for optimising closely spaced radiosonde thermodynamic profiling networks
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来自邻近发射站点的探空仪（Radiosonde）观测数据显示，尽管使用了名义上相同的仪器，但仍存在可测量的空间异质性。温度偏差普遍较小，而相对湿度则表现出更强的空间变异性，这与地表和边界层过程有关。异方差函数回归（Heteroskedastic Functio
来自邻近发射站点的探空仪（Radiosonde）观测数据显示，尽管使用了名义上相同的仪器，但仍存在可测量的空间异质性。温度偏差普遍较小，而相对湿度则表现出更强的空间变异性，这与地表和边界层过程有关。异方差函数回归（Heteroskedastic Functional Regression, HFR）表明，环境和共定位效应主导了总不确定性，而仪器误差仍然很小。COSMIC-2的比较表明，局部环境条件和共定位代表性对探空仪偏差的影响大于传感器性能本身。
研究背景与科学问题
高精度且一致的大气观测是现代气象学和气候科学的基石。温度、湿度和风廓线对于数值天气预报（NWP）、长期气候监测以及理解边界层动力学至关重要。探空仪作为运行标准，已部署超过七十年，但其网络面临成本高昂、覆盖不均等挑战。即使在北美和欧洲等站点密集区域，站点间距通常为300–500公里，难以捕捉小尺度的热力学梯度或城乡对比。当两个或多个探空站点距离较近时，其观测可被视为对近乎相同大气状态的冗余测量，这为评估测量精度、系统偏差和代表性误差提供了手段。然而，由于气球水平漂移、仪器差异、校准不一致以及局地环境条件的影响，观测差异的来源复杂，区分测量偏差与真实大气变率仍是高空观测的核心难题。因此，利用密集探空网络量化不确定性并检测偏差具有重要意义。
本研究旨在达成两个主要目标：第一，评估来自邻近发射站点（斯特林、巴尔的摩乡村站、巴尔的摩城市站）的探空观测的冗余性和系统偏差；第二，利用卫星无线电掩星（RO）数据作为外部验证，评估局地环境条件（包括地表异质性和中尺度变率）对观测到的温度和湿度廓线的影响。最终，该研究通过阐明密集探空站点何时提供独立或冗余信息，有助于增强对高空观测网络的信心，改进不确定性量化、资料同化以及卫星验证活动的解读。
主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：
- 1.
数据预处理与插值：将所有探空廓线线性插值到共同的1000–50 hPa气压层上，以消除垂直分辨率差异带来的采样不确定性。
- 2.
站点配对差异分析：定义并计算任意两个站点在同一时间、同一气压层的观测变量差值（D(i,j)=Ys1(i,j)-Ys2(i,j)），用于量化站间偏差。
- 3.
时空匹配与外部验证：将探空仪廓线与COSMIC-2任务提供的全球导航卫星系统无线电掩星（GNSS-RO）湿廓线产品（wetPrf）进行匹配，采用最大时间差1小时、最大水平距离100公里的标准，共获得517个匹配对，用于外部验证。
- 4.
异方差函数回归（HFR）模型：应用HFR模型分解总廓线不确定性，将其归因于仪器偏差、环境变异性和采样不匹配等不同组成部分。
研究结果
3.1 探空观测的冗余性与偏差结构
研究人员通过对三个CoURAGE站点（斯特林、巴尔的摩城市站M1、巴尔的摩乡村站S2）的配对比较发现，温度偏差总体较小，而相对湿度表现出更强的空间变异性。这种湿度变异性与地表覆盖和边界层过程密切相关，表明即使使用名义上相同的Vaisala RS41/92系统，观测结果仍受局地环境影响。研究指出，站点间的距离（约54–86公里）不足以完全消除由下垫面差异引起的观测差异，揭示了密集网络中观测信息的冗余性与独立性并存的特征。
3.2 环境因素与共定位效应对偏差的影响
通过HFR模型分析，研究人员发现环境和共定位效应主导了总不确定性，而仪器本身的误差贡献最小。这一结论强调了在评估探空数据质量时，必须考虑观测点所处的具体环境背景，而非仅仅关注传感器性能。与COSMIC-2 RO数据的比较进一步证实，局地环境条件和共定位代表性对探空仪偏差的影响远大于传感器性能本身。这意味着，在进行卫星验证或模式评估时，空间代表性误差可能掩盖真实的仪器或模式表现。
3.3 不确定性来源分解
HFR模型成功地将总廓线不确定性分解为多个分量。结果表明，由气球水平漂移和局地大气梯度引起的空间采样不匹配是重要的误差源。在温度方面，系统性偏差在自由大气中较小，但在边界层内有所增加；在湿度方面，偏差呈现出更大的垂直和水平变化，尤其是在低层大气中，这与地表通量和混合过程的差异有关。
总结与结论
本研究利用CoURAGE实验中的密集探空网络，结合HFR模型和COSMIC-2 RO数据，系统地评估了邻近探空站点的观测冗余性和偏差结构。研究结论明确指出，尽管使用了相同的仪器，但局地环境条件和共定位效应是造成观测差异的主要因素，其影响超过了仪器本身的误差。温度偏差较小，而相对湿度的空间变异性更强，反映了地表过程和边界层动力学的复杂性。
这项研究的结论强调，优化密集探空网络时，应重点考虑站点的环境代表性，而非单纯追求仪器一致性。研究成果预期将改善高空观测的不确定性量化，提升资料同化效果，并为全球气候观测系统（GCOS）及其基准高空观测网络（GRUAN）建立更稳健的不确定性框架提供支持。通过明确密集站点何时提供独立或冗余信息，本研究有助于增强对整个高空观测网络的信心。
