銀川站探空儀換型平行觀測數(shù)據(jù)對比分析

陳 榮，李 琨，楊文軍，任柏帆

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.銀川市氣象局,寧夏 銀川 750002；4.賀蘭縣氣象局，寧夏 銀川 750200；5.中國電信股份有限公司 寧夏分公司，寧夏 銀川 750002）

L波段高空氣象探測系統(tǒng)是新一代高空探測系統(tǒng)的重要組成部分[1]，其由地面L波段二次測風(fēng)雷達(dá)GFE（L）1型和高空數(shù)字化電子探空儀GTS1型組成，具有自動化程度高、精度高、時(shí)效快、界面新穎、使用方便等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高空氣象探測儀器的數(shù)字化和自動化[2-3]。為進(jìn)一步提升我國高空氣象觀測水平，2020年中國氣象局開展了高空觀測探空儀換型工作。由于高空探測站內(nèi)任何新型元器件、探空儀、觀測方法等的應(yīng)用，常伴隨著探測精度的變化，因此中國氣象局相關(guān)觀測技術(shù)規(guī)范要求必須確定高空記錄在換型前后的變化量，以供氣候資料使用者和氣候變化研究者參考[4]。近年來，有不少專家在探空系統(tǒng)換型后，分析研究了相應(yīng)的換型記錄。陳芳等[5]、王英等[6]分析研究了59-701型探空系統(tǒng)升級為L波段雷達(dá)-探空儀系統(tǒng)的換型記錄,得出換型后雷達(dá)系統(tǒng)高度、溫度、相對濕度探測值較換型前顯著降低的結(jié)論。張聰娥等[7]研究了59型機(jī)械探空儀和L波段電子探空儀在100 hPa以下位勢高度、溫度、露點(diǎn)溫度和濕度測值的差值及差異存在的具體原因。針對新型探空儀，梁正鵬等[8]分析了三亞地區(qū)平行觀測期間GTS1-2和GTS11型探空儀的觀測數(shù)據(jù)，認(rèn)為GTS11型探空儀在整體上可以測得較低的溫度值和較高的相對濕度值，且能獲取更豐富的濕度數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)；在測量位勢高度上兩種型號的探空儀具有較好的一致性。賈秋蘭等[9]也對邢臺市探空系統(tǒng)在換型前后的差異性進(jìn)行了分析，認(rèn)為系統(tǒng)之間的差異與觀測時(shí)間有直接關(guān)系。

氣候研究需要高質(zhì)量、高分辨力的高空氣象探測要素。2020年1月和7月，銀川市國家高空氣象觀測站開展了探空儀換型平行觀測工作。本文通過分析探空儀換型平行觀測期間的探空高度以及30 hPa以下逐層規(guī)定等壓面層的探測數(shù)據(jù)，得出了新型探空儀和換型前探空儀的系統(tǒng)差異，為提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供了可靠的參考依據(jù)，同時(shí)為氣象科學(xué)研究和提高儀器性能、確定儀器使用權(quán)重提供了參考。

1 探空儀換型平行觀測與對比分析

1.1 平行觀測方法

本次換型設(shè)備主要包括探空儀和基測箱，換型前后的設(shè)備型號如表1所示。

表1 探空儀和基測箱換型前后的型號

平行觀測分別自2020年1月1日和2020年7月1日20:00開始，每天1次，20:00和08:00交替進(jìn)行。兩個(gè)階段共進(jìn)行有效平行觀測62次。對比期間,按照1—10日南京大橋（GTS11）；11—20日上海長望（GTS12）；21—31日山西太原（GTS13）的時(shí)間段分配使用探空儀。觀測過程中，采用同球串聯(lián)的施放方式，新型探空儀在下，換型前使用的探空儀在上，兩者相距1 m，并且要確保同時(shí)施放，以便于降低施放誤差。探空氣球凈舉力需按照新型探空儀及附屬設(shè)備的重量增加。為避免探空儀在平行觀測過程中的相互干擾，需將探空儀的頻率錯(cuò)開20 MHz，將換型前探空儀的中心頻率調(diào)至1 685 MHz，由應(yīng)急接收機(jī)接收信號；將新型探空儀的中心頻率調(diào)至1 665 MHz，由探空雷達(dá)接收信號。

1.2 資料與分析方法

本文采用的數(shù)據(jù)為銀川市國家高空氣象觀測站平行觀測原始數(shù)據(jù)，并且根據(jù)探空儀換型前和換型后獲取的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)等壓面逐日位勢高度、溫度、濕度的定時(shí)資料，計(jì)算了平均差值，分析了探空儀換型后對資料一致性的影響。平均差值的計(jì)算公式為

2 探空數(shù)據(jù)分析

2.1 探空儀基測值分析

放球前，對探空儀的基測是重要的準(zhǔn)備工作之一，也是檢驗(yàn)探空儀是否合格、能否施放的關(guān)鍵一步[10]?；鶞y是指使用基測箱將探空儀溫、濕度傳感器與檢測箱內(nèi)溫度、濕度的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行比對，使探空儀各傳感器在基測箱環(huán)境中充分感應(yīng)，從而使探空數(shù)據(jù)的變化特性與標(biāo)準(zhǔn)儀表的響應(yīng)特性相適應(yīng)，達(dá)到規(guī)定施放的要求。

GTS11，GTS12和GTS13型探空儀基測氣溫變量差值變化情況如圖1所示。由圖可知，3種型號探空儀的基測氣溫變量差值變化幅度均很小，平均值分別 為0（GTS11），0（GTS12），-0.1（GTS13）；其 中GTS13型探空儀最穩(wěn)定，氣溫變量55%為-0.1，45%為0；GTS11型探空儀的穩(wěn)定性次之，氣溫變量55%為-0.1，20%為0，20%為0.1，5%為-0.2。綜上可知，3種型號探空儀的基測氣溫最小變量均為0，最大變 量 分 別 為-0.2（GTS11），0.3（GTS12），-0.1（GTS13）。

圖1 GTS11，GTS12和GTS13型探空儀基測氣溫變量差值

GTS11，GTS12和GTS13型探空儀基測氣壓變量差值變化情況如圖2所示。由圖可知，3種型號探空儀的基測氣壓變量差值變化幅度均很小，平均值分別為-0.1（GTS11），0.3（GTS12），0（GTS13）；3種型號探空儀的基測氣壓最小變量均為0，最大變量分別為-1.7（GTS11），0.7（GTS12），-0.9（GTS13）；GTS13型探空儀的氣壓基測變量最小，表明其更接近換型前探空儀的氣壓基測值。

圖2 GTS11，GTS12和GTS13型探空儀基測氣壓變量差值

2.2 探空儀位勢高度平均差值分析

探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上位勢高度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖3所示。由圖可知，3種新型探空儀高空探測的位勢高度差值隨著高度的增加而增大，且均為負(fù)值；GTS12型探空儀的位勢高度差值最大，平均值為-14.6 gpm，最大值為-38.9 gpm；GTS13型探空儀的位勢高度差值最小，平均值為-7.5 gpm，最大值為-19.5 gpm。探空儀換型給位勢高度的觀測帶來了一定的差異性，3種新型探空儀測得的位勢高度均小于換型前探空儀的測得值，但總體情況比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的跳變。

圖3 GTS11，GTS12，GTS13與GTS1型探空儀位勢高度平均差值

2.3 探空儀溫度平均差值分析

探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上溫度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖4所示。由圖可知，GTS11型探空儀高空探測溫度差值在900～300 hPa隨高度的增加而增大，且為正值；在250～40 hPa隨高度的增加而增大，且為負(fù)值。表明GTS11型探空儀在300 hPa以上測得的高空溫度值高于GTS1型探空儀的測得值；在300 hPa以下測得的高空溫度值低于GTS1型探空儀的測得值。兩種探空儀測得的溫度平均差值為-0.2℃。

圖4 GTS11，GTS12，GTS13與GTS1型探空儀溫度平均差值

GTS12型探空儀高空探測溫度差值總體隨高度的增加而逐漸增大，且為負(fù)值，溫度平均差值為-0.4℃，表明GTS12型探空儀測得的高空溫度值低于GTS1型探空儀的測得值。GTS13型探空儀高空探測溫度差值隨高度的增加較為穩(wěn)定，基本保持-0.2℃不變，更接近換型前探空儀測量的高空探測溫度。

2.4 探空儀濕度平均差值分析

探空儀換型前后在規(guī)定等壓面上濕度觀測數(shù)據(jù)的平均差值變化情況如圖5所示。由圖可知，GTS11，GTS13型探空儀高空探測濕度差值的變化趨勢趨于一致，在700 hPa以上濕度差值為正值，即換型后探空儀濕度數(shù)據(jù)大于換型前探空儀濕度數(shù)據(jù)；700 hPa以下濕度差值轉(zhuǎn)為負(fù)值，即換型后探空儀濕度數(shù)據(jù)小于換型前探空儀濕度數(shù)據(jù)；總體趨勢為濕度平均差值隨著高度的增加而增大，但至150 hPa時(shí)，差值又逐漸減小。GTS11型探空儀濕度平均差值為-4.3%，GTS13型探空儀濕度平均差值為-5.6%，GTS12型探空儀濕度平均差值最小，為-1.5%。以250 hPa為界，地面～250 hPa濕度平均差值為正值，200～30 hPa濕度平均差值為負(fù)值。其表明在250 hPa以下GTS12型探空儀測量的高空濕度數(shù)據(jù)大于換型前探空儀的測得值；在250 hPa以上GTS12型探空儀測量的高空濕度數(shù)據(jù)小于換型前探空儀的測得值。

圖5 GTS11，GTS12，GTS13與GTS1型探空儀濕度平均差值

3 探空高度對比分析

探空儀換型前后探空平均高度差值變化情況如圖6所示。圖中，前11組數(shù)據(jù)為1月（冬季）探空平均高度差值，后11組數(shù)據(jù)為7月（夏季）探空平均高度差值。由圖可知，2020年1月GTS11和GTS12型探空儀與換型前探空儀相比，探空平均高度差值較大，是因GTS1型探空儀出現(xiàn)4次故障所致。2020年7月在31次觀測中僅GTS13型探空儀出現(xiàn)1次故障，GTS11和GTS12型探空儀的差值幅度較穩(wěn)定，但探空平均高度均低于GTS1型探空儀；與其他2種型號探空儀相比，GTS13型探空儀探空平均高度高于GTS1型探空儀探空平均高度的次數(shù)較多。GTS11，GTS12，GTS13型探空儀平行觀測期間探空平均高度分別為28 313 m，28 316 m和29 160 m，均高于GTS1型探空儀探空平均高度28 302 m，其中GTS13型探空儀探空平均高度最高，超過28 600 m的考核指標(biāo)。

圖6 GTS11，GTS12，GTS13與GTS1型探空儀探空平均高度差值

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）GTS11，GTS12，GTS13型探空儀基測氣溫、氣壓變量差值同換型前探空儀相比，均比較穩(wěn)定。

（2）GTS11，GTS12，GTS13型探空儀的位勢高度差值均為負(fù)值，且隨高度的增加而增大。新型探空儀測得的位勢高度整體上沒有大的跳變，均小于換型前探空儀的測得值。GTS13型探空儀的高空溫度測量值較為穩(wěn)定，隨著高度增加，高空探測溫度差值基本保持-0.2℃不變，更接近換型前探空儀的測得值。GTS11型探空儀在300 hPa以上測得的高空溫度值高于換型前探空儀的測得值；在300 hPa以下測得的高空溫度值低于換型前探空儀的測得值。GTS12型探空儀測得的高空溫度值始終低于換型前探空儀的測得值。

（3）在700 hPa以上，GTS11和GTS13型探空儀的高空濕度測量值大于換型前探空儀的測量值；在700 hPa以下，GTS11和GTS13型探空儀的高空濕度測量值小于換型前探空儀的測量值。在250 hPa以下，GTS12型探空儀的高空濕度測量值大于換型前探空儀的測量值；在250 hPa以上，GTS12型探空儀的高空濕度測量值小于換型前探空儀的測量值。

4.2 討論

GTS13型探空儀在獲取位勢高度、溫度、濕度數(shù)據(jù)方面，探測能力較為穩(wěn)定，其與換型前探空儀相比，探測值沒有大的跳變，更接近換型前探空儀的測得值。GTS13型探空儀的探空平均高度較高，超過了考核標(biāo)準(zhǔn)，且該儀器性能穩(wěn)定，故障率較低，使用干電池供電，操作更加便捷。高空觀測業(yè)務(wù)探空儀換型后以中國氣象局規(guī)定的儀器使用比例為基準(zhǔn)，基于以上優(yōu)點(diǎn)，建議以最大的比例使用GTS13型探空儀。