華云高精度導(dǎo)航探空儀在甘肅慶陽干旱氣候夏季的溫濕數(shù)據(jù)對(duì)比分析

楊加春 錢媛 徐潔 李慶軍

（1 華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

0 引言

高空氣象觀測作為綜合氣象觀測的重要組成部分，常用來表征大氣物理狀態(tài)的相對(duì)真值，描述高空大氣的天氣和氣候變化[1]，其不僅要滿足天氣分析和數(shù)值預(yù)報(bào)的需要，還要滿足氣候變化監(jiān)測的需要[2-5]。探空觀測資料對(duì)大氣遙感真實(shí)性檢驗(yàn)和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)作用無可替代，是風(fēng)廓線、GNSS/MET水汽觀測等高空遙感設(shè)備的相對(duì)比對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)[6-9]。探空觀測資料還可以作為評(píng)估衛(wèi)星反演的大氣溫濕度廓線的基準(zhǔn)應(yīng)用于衛(wèi)星資料的檢驗(yàn)與評(píng)估[10-14]。

高空的溫濕度觀測在天氣分析和資料同化預(yù)報(bào)中起著重要作用，特別在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中是必不可少的參考資料之一[15-16]。近年來與氣候相關(guān)的研究，特別是對(duì)低溫低濕的對(duì)流層上部和平流層下部的研究中，溫濕度探空數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度起著舉足輕重的作用[17]。

無線電探空儀是當(dāng)前科研和氣象領(lǐng)域中使用廣泛的一種高空氣象探測設(shè)備[18]。為了獲得更精確的高空氣象要素資料，探空儀一直在不斷地更新。20世紀(jì)初，蘇聯(lián)研制出了世界上最早的可用在氣象業(yè)務(wù)上的探空儀；芬蘭Vilho Vaisaia教授于1931年發(fā)明了無線電探空儀；Vaisaia公司在21世紀(jì)初研制出了采用GPS模式工作的數(shù)字化無線電探空儀RS92，自此，在Vaisaia公司的引領(lǐng)下，全球無線電探空儀行業(yè)進(jìn)入了全數(shù)字化探測時(shí)代[19]；我國從20世紀(jì)中后期便開始了探空儀的引進(jìn)和研發(fā)等相關(guān)工作[20]，與世界氣象組織（WMO）其他成員國相比，我國在平流層以下區(qū)域氣象探測的核心技術(shù)還比較落后[21]。目前，世界上各個(gè)國家都在積極投入到可用于探測平流層及以下海拔高度氣象要素的無線電探空儀設(shè)備的研究工作中。華云公司自2000年開始，承擔(dān)并完成了中國氣象局第一套GPS探空系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)；2008年開始參加中國氣象局的多次考核測試，并在2010年代表中國氣象局參加了WMO舉辦的第八屆全球高精度探空儀比對(duì)；2014年完成了北斗探空儀的研制和試驗(yàn)考核。

NCEP/NCAR再分析項(xiàng)目是美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）的合作項(xiàng)目，對(duì)于NCEP/NCAR再分析資料的可信度和質(zhì)量問題，國內(nèi)外許多學(xué)者用不同的方法，對(duì)不同地區(qū)，從不同角度對(duì)各種要素進(jìn)行了分析和比較[22-26]。FNL（Final）是NCEP的一種再分析資料，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h。它充分同化了盡可能全面的觀測資料，不僅可以為氣象模式、氣候模式提供初始場[27]，而且用于暴雨[28-29]、暴雪[30-31]和強(qiáng)寒潮[32]等天氣過程及氣候[33]的診斷分析研究。整體上，F(xiàn)NL非?？煽浚視r(shí)空分辨率相對(duì)較高，可以作為約定真值評(píng)估觀測數(shù)據(jù)。

新型探空儀的出現(xiàn)，是否代表著更準(zhǔn)確的高空氣象資料，需要對(duì)其探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。本文采用模式驗(yàn)證法，利用NCEP的FNL分析場為對(duì)比場，對(duì)華云高精度導(dǎo)航探空儀的溫濕數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)分析。

1 高精度導(dǎo)航探空儀簡介

1.1 導(dǎo)航探空儀組成

導(dǎo)航探空儀主要由導(dǎo)航定位模組、400 MHz無線電發(fā)射模組、TPU測量模組等幾個(gè)主要部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航探空儀組成框圖Fig. 1 Block diagram of the navigation radiosonde

利用導(dǎo)航定位模組進(jìn)行空間實(shí)時(shí)定位，測定氣球在高空大氣中隨時(shí)間漂移的速度與方向，從而計(jì)算出高空大氣的風(fēng)向、風(fēng)速；利用氣壓、溫度、濕度（PTU）傳感器實(shí)時(shí)測量大氣的氣象要素；利用400 MHz無線電發(fā)射機(jī)將定位數(shù)據(jù)和PTU數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接收系統(tǒng)。

1.2 溫濕傳感器特點(diǎn)

高精度導(dǎo)航探空儀溫度傳感器采用φ=0.6 mm珠狀熱敏電阻，表面采用真空鍍鋁工藝涂覆防輻射層。而現(xiàn)行業(yè)務(wù)使用GTS1型探空儀采用棒狀熱敏電阻，表面涂覆白漆。傳感器的響應(yīng)時(shí)間、測量準(zhǔn)確度、防輻射能力均比業(yè)務(wù)所用探空儀有了較大的提升。

高精度導(dǎo)航探空儀濕度傳感器采用高分子薄膜濕敏電容，相比GTS1型探空儀采用的碳膜濕敏電阻，具有低溫響應(yīng)快、全程測量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次試驗(yàn)針對(duì)的是甘肅慶陽地區(qū)2017年5—9月利用華云高精度導(dǎo)航探空儀探測所得溫濕數(shù)據(jù)。試驗(yàn)3個(gè)月內(nèi)共計(jì)施放天數(shù)為48 d，施放探空儀96個(gè)，分別是：2017年5月23—27日，共計(jì)5 d，施放10個(gè)探空儀，施放時(shí)次為每日02時(shí)、08時(shí)；2017年6月30日20時(shí)—7月31日14時(shí)，共計(jì)32 d，施放65個(gè)探空儀，施放時(shí)次為7月1—13日每日02時(shí)、08時(shí)，7月14—31日每日08時(shí)、14時(shí)；2017年8月31日20時(shí)—9月10日，共計(jì)11 d，施放21個(gè)探空儀，施放時(shí)次為每日08時(shí)、14時(shí)。

選取相同時(shí)間段FNL的02時(shí)、08時(shí)和14時(shí)溫濕數(shù)據(jù)對(duì)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。首先，將對(duì)比場的格點(diǎn)資料插值為站點(diǎn)資料，選擇其甘肅慶陽位置的對(duì)比場數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)對(duì)比場具有的等壓面（FNL資料共有31層等壓面，從1000 hPa至1 hPa）和慶陽站的實(shí)際情況（臺(tái)站海拔：1240 m；地面氣壓：880 hPa左右；高層一般探空儀抵達(dá)10 hPa左右），選取850～10 hPa的等壓面，提取探空資料中相應(yīng)等壓面的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。即以FNL的溫濕數(shù)據(jù)為約定真值，求出被評(píng)估探空儀測量值和參考標(biāo)準(zhǔn)的差，稱為觀測余差，對(duì)觀測余差按照規(guī)定等壓面分層進(jìn)行平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差（貝塞爾函數(shù)）統(tǒng)計(jì)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溫度誤差分析

3.1.1 溫度的觀測余差分析

以FNL分析資料為對(duì)比場，對(duì)甘肅慶陽探空站2017年5—9月華云高精度導(dǎo)航探空儀的溫度資料進(jìn)行誤差分析。圖2a是2017年5月26日（以這個(gè)日期的02時(shí)為例進(jìn)行分析，代表夜間情況）02時(shí)的模式和觀測溫度廓線（圖2a左側(cè)圖）和觀測余差廓線（圖2a右側(cè)圖）。由圖2a可知，探空觀測溫度和FNL溫度的趨勢一致，逆溫結(jié)構(gòu)和一些小細(xì)節(jié)都有很好的跟隨性；850～350 hPa的探空溫度和模式溫度基本重合，50 hPa以上也基本重合，350～50 hPa，探空溫度以模式溫度為軸，有微小波動(dòng)。觀測余差基本集中在±1℃以內(nèi)，大部分集中在±0.5 ℃之間，偶爾有超過2℃的觀測余差存在。

圖2 模式和觀測的溫度廓線和觀測余差廓線（a）2017年5月26日02時(shí)（UTC），（b）2017年7月10日08時(shí)（UTC），（c）2017年9月8日14時(shí)（UTC）Fig. 2 The temperature profiles of the model and observation and observed residual error profiles on (a) 26 May, 2017 02 UTC, (b) 08 UTC 10 Jul 2017, and (c) 14 UTC 8 Sep, 2017

由2017年7月10日（以這個(gè)日期的08時(shí)為例進(jìn)行分析，代表上午情況）08時(shí)的模式和觀測溫度廓線和觀測余差廓線（圖2b）可以發(fā)現(xiàn)，與5月26日02時(shí)相同，探空觀測溫度和FNL溫度一致性較好，逆溫結(jié)構(gòu)和一些小細(xì)節(jié)都有很好的跟隨性；與5月26日02時(shí)不同的是，7月10日08時(shí)所有等壓面的模式溫度和觀測溫度基本重合。相同地，觀測余差基本集中在±1 ℃以內(nèi)，大部分集中在±0.5 ℃之間，但此時(shí)±0.5 ℃之間的觀測余差相對(duì)較多。

圖2c是2017年9月8日（以這個(gè)日期的14時(shí)為例進(jìn)行分析，代表下午情況）14時(shí)的模式和觀測溫度廓線和觀測余差廓線，可以發(fā)現(xiàn)，與圖2a和2b相似，探空觀測溫度和FNL溫度的趨勢一致，逆溫結(jié)構(gòu)和一些小細(xì)節(jié)都有很好的跟隨性；800～700 hPa和150 hPa以上的觀測溫度相比模式溫度有微小波動(dòng)，其余等壓面兩者基本重合。觀測余差基本集中在±1 ℃以內(nèi)，大部分集中在±0.5 ℃之間，偶爾有超過2 ℃的觀測余差存在。

3.1.2 溫度的整體誤差分析

按照02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)將數(shù)據(jù)分段，分別對(duì)以FNL資料為對(duì)比場的溫度觀測余差的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析。圖3是三個(gè)時(shí)刻溫度的平均偏差廓線和標(biāo)準(zhǔn)偏差廓線，可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)時(shí)刻平均偏差大部分在±0.5 ℃以內(nèi)，以正偏差為主，負(fù)偏差較少；300～30 hPa的平均偏差主要集中在0.5～1.5 ℃之間；平均偏差呈現(xiàn)隨氣壓減小先增加后減小的趨勢。三個(gè)時(shí)刻相比，02時(shí)的平均偏差最小，整個(gè)高度層都基本在±0.5 ℃以內(nèi)；其次是08時(shí)的平均偏差較小。三個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本集中在0.4～1.6 ℃；整體上，三個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本一致，除70～30 hPa 08時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差突變，變得異常大。結(jié)合平均偏差一起分析可以得出結(jié)論，三個(gè)時(shí)刻中，02時(shí)的溫度誤差最小，即夜間的溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量最高；08時(shí)和14時(shí)的質(zhì)量相當(dāng)，在太陽輻射的防護(hù)和修正方法上可以具有進(jìn)一步提高的空間。

圖3 基于FNL的溫度平均偏差廓線和標(biāo)準(zhǔn)偏差廓線Fig. 3 The average deviation profile and the standard deviation profile of temperature based on FNL

結(jié)合單個(gè)時(shí)刻的溫度一致性，觀測余差、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，發(fā)現(xiàn)華云高精度導(dǎo)航探空儀探測所得的溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，誤差基本在±0.5 ℃以內(nèi)，且隨氣壓減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。02時(shí)、08時(shí)和14時(shí)相比，02時(shí)的溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量最高，剩下兩個(gè)時(shí)刻質(zhì)量相當(dāng)。

3.2 濕度誤差分析

3.2.1 濕度的觀測余差分析

以FNL分析資料為對(duì)比場，對(duì)甘肅慶陽探空站2017年5—9月華云高精度導(dǎo)航探空儀的濕度資料進(jìn)行誤差分析。圖4a是2017年5月27日（以這個(gè)日期的02時(shí)為例進(jìn)行分析，代表夜間情況）02時(shí)的模式和觀測濕度廓線（圖4a左側(cè)圖）和觀測余差廓線（圖4a右側(cè)圖）。由圖4a可知，相比溫度數(shù)據(jù)，探空觀測濕度和FNL濕度一致性略差；整體上，觀測濕度呈現(xiàn)偏濕的情況較多，偏干情況極少；50 hPa以上，由于濕度較小，探測誤差也很小，兩者基本重合。觀測余差基本集中在±20%以內(nèi)，大部分集中在±10%之間，偶爾有超過20%的觀測余差存在。

圖4 模式和觀測的相對(duì)濕度廓線和觀測余差廓線（a）2017年5月27日02時(shí)（UTC），（b）2017年7月3日08時(shí)（UTC），（c）2017年9月4日14時(shí)（UTC）Fig. 4 Profiles of relative humidity from the model and observation and observed residual error on (a) 02 UTC 27 May, 2017, (b) 08 UTC 3 Jul, 2017, and (c) 14 UTC 4 Sep，2017

分析2017年7月3日（以這個(gè)日期的08時(shí)為例進(jìn)行分析，代表上午情況）08時(shí)的模式和觀測濕度廓線和觀測余差廓線（圖4b），可以得出，與上個(gè)時(shí)次相比，探空觀測濕度和FNL濕度一致性相對(duì)較好，但仍然弱于溫度一致性；相比模式濕度，觀測濕度時(shí)而偏干，時(shí)而偏濕，對(duì)應(yīng)的等壓面在不同時(shí)刻有不同的表現(xiàn)。相同地，觀測余差基本集中在±20%以內(nèi)，大部分集中在±10%之間，但此時(shí)±10%之間的觀測余差相對(duì)較多。

圖4c是2017年9月4日（以這個(gè)日期的14時(shí)為例進(jìn)行分析，代表下午情況）14時(shí)的模式和觀測濕度廓線和觀測余差廓線。由圖可知，探空觀測濕度和FNL濕度的一致性相比08時(shí)差，與02時(shí)相當(dāng)；整體上，觀測濕度呈現(xiàn)偏干的情況較多，偏濕情況極少，與02時(shí)剛好相反；其余特征基本和02時(shí)的濕度誤差特征相同，除正負(fù)相反以外。

3.2.2 濕度的整體誤差分析

使用與溫度誤差分析相同的方法分析濕度的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5是三個(gè)時(shí)刻濕度的平均偏差廓線和標(biāo)準(zhǔn)偏差廓線。由圖可知，三個(gè)時(shí)刻平均偏差大部分在±10%以內(nèi)，大部分為正偏差，300～50 hPa 08時(shí)和14時(shí)為較大的負(fù)偏差；平均偏差呈現(xiàn)隨氣壓減小先增加后減小的趨勢。三個(gè)時(shí)刻相比，02時(shí)的平均偏差相對(duì)較小，整個(gè)高度層都基本在±10%以內(nèi)；其次是08時(shí)的平均偏差較小。三個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本集中在0～30%；整體上，三個(gè)時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本一致，02時(shí)相對(duì)較小。結(jié)合平均偏差一起分析可以得出結(jié)論，三個(gè)時(shí)刻中，02時(shí)的濕度誤差最小，即夜間的濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量最高；08時(shí)和14時(shí)的質(zhì)量相當(dāng)。但在對(duì)流層頂?shù)臐穸葴y量偏差較整體而言有變大的趨勢，在此范圍內(nèi)的探測性能還有進(jìn)一步提高的空間。

圖5 基于FNL的濕度平均偏差廓線和標(biāo)準(zhǔn)偏差廓線Fig. 5 The average deviation profile and the standard deviation profile of relative humidity based on FNL

結(jié)合單個(gè)時(shí)刻的濕度一致性，觀測余差，平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，華云高精度導(dǎo)航探空儀探測所得的濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好，誤差基本在±10%范圍內(nèi)，且隨氣壓減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。02時(shí)、08時(shí)和14時(shí)相比，02時(shí)的濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量最高，剩下兩個(gè)時(shí)刻質(zhì)量相當(dāng)。三個(gè)時(shí)刻中，夜間偏濕，下午偏干，早晨偏干和偏濕的等壓面相當(dāng)。

4 小結(jié)

本文以NCEP的FNL分析資料為對(duì)比場，對(duì)甘肅慶陽探空站使用華云高精度導(dǎo)航探空儀探測的溫濕度數(shù)據(jù)從觀測余差、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行誤差分析，得出以下結(jié)論：

1）從觀測余差（實(shí)時(shí)）角度分析：華云高精度導(dǎo)航探空儀探測所得的溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，誤差基本在±0.5 ℃以內(nèi)；濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好，誤差基本在±10%之間；無論是溫度數(shù)據(jù)還是濕度數(shù)據(jù)，它們的觀測余差都呈現(xiàn)隨氣壓減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；濕度數(shù)據(jù)在夜間偏濕，下午偏干。

2）季度參數(shù)（非實(shí)時(shí)）角度分析：從平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差兩個(gè)角度對(duì)誤差的特點(diǎn)和分布特征進(jìn)行分析評(píng)估，整體上，溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，平均偏差大部分在±0.5 ℃內(nèi)，以正偏差為主，負(fù)偏差較少，且平均偏差呈現(xiàn)隨氣壓減小先增加后減小的趨勢；探空濕度的平均偏差大部分在±10%內(nèi)，大部分為正偏差。三個(gè)時(shí)刻相比，無論是溫度還是濕度，02時(shí)誤差最小，數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳，08時(shí)和14時(shí)的質(zhì)量相當(dāng)，需要更詳細(xì)的分析來確定。