3種新型探空儀的質(zhì)量評估及風(fēng)險應(yīng)對措施

張 明,覃金華,孫文輝

(湖北省宜昌市氣象局,宜昌 443000)

0 引言

常規(guī)高空氣象觀測是指以氣球攜帶探空儀探測地面至幾萬米高空大氣中的氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素變化的活動,所獲得的探測資料是中國綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分,不僅在天氣預(yù)報、氣候診斷預(yù)測及大氣環(huán)境監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用,還可作為各種大氣遙感觀測設(shè)備如風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計、人影探空火箭等的參考標(biāo)準(zhǔn)[1-12]。因此,探空數(shù)據(jù)的質(zhì)量越來越受到廣大學(xué)者的重視[13]。

在影響探空數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素中,觀測儀器的質(zhì)量與探測精度會對探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接的影響[14]。世界各國為了提高高空探測資料的準(zhǔn)確性和精度,不斷地采用新技術(shù)對探空儀加以改進(jìn)。中國為了更好地滿足用戶需要及不同業(yè)務(wù)的需求,亦在不斷地以新技術(shù)、新工藝改進(jìn)探空儀。在改進(jìn)的過程中,探測精度一直是廣大學(xué)者關(guān)注的重點,然而探空儀的質(zhì)量極少受到關(guān)注[15-22]。

2020年1月中國氣象局組織全國各高空氣象觀測站開展了新型探空儀的平行觀測和業(yè)務(wù)試運行,現(xiàn)新型探空儀已正式用于探空業(yè)務(wù),期間采取業(yè)務(wù)試用和交叉使用相結(jié)合的方式逐步加深對新型探空儀的業(yè)務(wù)使用。目前,在業(yè)務(wù)使用過程中3種新型探空儀會不定期出現(xiàn)基測不合格、探空儀變性、信號突然消失等問題,對儀器的使用、探測數(shù)據(jù)質(zhì)量等造成了一定的影響。文章以宜昌國家高空氣象觀測站為例,統(tǒng)計分析3種探空儀在業(yè)務(wù)使用中出現(xiàn)的質(zhì)量問題,并針對質(zhì)量問題提出可行的防范處理方案,以期為新型探空儀的業(yè)務(wù)應(yīng)用及探空數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響研究等提供參考。

1 資料來源

探空儀質(zhì)量資料來源于2020—2021年宜昌國家高空氣象觀測站在開展高空氣象觀測過程中的值班日志及每月的質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。文章涉及的數(shù)字式探空儀分別為GTS11型、GTS12型以及GTS13型探空儀。

2 探空儀質(zhì)量評估

根據(jù)《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范》,定時常規(guī)高空氣象觀測應(yīng)在正點進(jìn)行,不得提前施放,不得早測(在規(guī)定正點時間前開始進(jìn)行觀測)或遲測(超過規(guī)定正點時間5 min以上開始進(jìn)行觀測)。早測在臺站幾乎不會發(fā)生,但遲測現(xiàn)象時有發(fā)生,除臺風(fēng)、大風(fēng)(風(fēng)速14 m/s及以上)、暴雨、暴風(fēng)雪、雷達(dá)故障等非人為原因外,在探空儀準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)儀器不合格、施放前儀器要素突然變性及信號突然消失等造成的儀器重新準(zhǔn)備也是導(dǎo)致遲測的主要原因。宜昌高空站2021—2022年3種新型探空儀(GTS11,GTS12,GTS13)施放頻次分別為367次、753次和342次。

2.1 探空儀準(zhǔn)備情況

為詳細(xì)了解宜昌高空站使用的3種新型探空儀的質(zhì)量情況,主要針對可能引起遲測的因素,統(tǒng)計2021—2022年3種儀器在儀器準(zhǔn)備中出現(xiàn)的基測不合格、要素變性、信號突然消失等情況的分布(圖1)。

圖1 3種新型探空儀在準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)的異常情況

探空儀基測不合格主要出現(xiàn)在儀器準(zhǔn)備的最初階段,表現(xiàn)為探空儀基測過程中氣壓、氣溫、濕度中的一種或多種誤差超過測量誤差范圍。該問題出現(xiàn)后需更換儀器并重新基測,這會增加儀器準(zhǔn)備時間,但由于問題出現(xiàn)較早,在提前45 min準(zhǔn)備的情況下,對探空儀的施放影響相對較小。

探空儀要素變性在儀器準(zhǔn)備過程中或儀器施放后都可能出現(xiàn),表現(xiàn)為探空儀氣壓、氣溫、濕度中的一種或多種要素值出現(xiàn)極大或極小值并保持不變。在儀器準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)探空儀要素變性需重新準(zhǔn)備儀器,這會大大增加儀器準(zhǔn)備時間,進(jìn)而導(dǎo)致探空儀的遲放;在儀器施放后出現(xiàn)探空儀要素變性則可能導(dǎo)致重放球,此種現(xiàn)象在臺站無法有效防范,故未做統(tǒng)計。

探空儀信號突失在儀器準(zhǔn)備過程中或儀器施放后都有可能出現(xiàn),表現(xiàn)為無法有效接收探空儀信號,所有要素均丟失。在儀器準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)探空儀信號突失需重新準(zhǔn)備儀器,這會大大增加儀器準(zhǔn)備時間,進(jìn)而導(dǎo)致探空儀的遲放;在儀器施放后出現(xiàn)探空儀信號突失則可能導(dǎo)致重放,此種現(xiàn)象在臺站無法有效防范,故未做統(tǒng)計。

在探空儀準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)的要素變性、信號突然消失情況,因為涉及探空儀的更換及重新基測、儀器裝配等,將對臺站的探空質(zhì)量造成較大的影響。從圖1可以看到GTS13出現(xiàn)要素變性、信號突然消失的情況較多,而GTS12出現(xiàn)要素變性、信號然消失情況的比例明顯較少。因此,在對探空觀測質(zhì)量的影響方面,GTS12的質(zhì)量優(yōu)于GTS11,GTS11的質(zhì)量優(yōu)于GTS13。

2.2 跑球情況

跑球是指在探空儀施放后因探空儀質(zhì)量問題、高空信號干擾、雷達(dá)問題等引起的L波段雷達(dá)未有能效跟蹤探空儀,進(jìn)而導(dǎo)致探測的風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)異常,對探空質(zhì)量造成一定的影響。

統(tǒng)計2021—2022年3種新型探空儀施放后出現(xiàn)的跑球情況統(tǒng)計如圖2所示。由圖2可知,出現(xiàn)跑球的概率大小順序為GTS11

圖2 3種新型探空儀施放后出現(xiàn)的跑球情況統(tǒng)計

3 風(fēng)險防范對策

3.1 基測不合格的防范

探空儀基值測定在探空儀基測箱中進(jìn)行,要求環(huán)境穩(wěn)定,避免陽光直射。探空儀各傳感器要在探空儀基測箱環(huán)境中充分感應(yīng),探空數(shù)據(jù)的變化特性要與標(biāo)準(zhǔn)儀表的響應(yīng)特性相適應(yīng)。探空儀測得的氣象要素值與標(biāo)準(zhǔn)儀表示值比較,必須達(dá)到規(guī)定的要求,否則不得施放。探空儀在基測箱環(huán)境中測得的氣象要素值穩(wěn)定后,由值班員在高空氣象觀測軟件中啟動基測功能,并錄入標(biāo)準(zhǔn)儀表示值以判斷是否達(dá)到規(guī)定的要求,若未達(dá)到,則需更換探空儀并重新置入基測箱內(nèi),待充分感應(yīng)后啟動新儀器進(jìn)行基測,這將大大增加儀器準(zhǔn)備的時間。

防范措施:由于基測箱及探空儀通電后,儀器探測值可以通過高空氣象觀測軟件直接查看,且標(biāo)準(zhǔn)儀表示值可通過基測箱面板直接查看。因此,在高空氣象觀測軟件中啟動基測功能前,可以比較兩者的差距,若任一要素的誤差超出規(guī)定要求,則可以判定其不合格,須更換儀器,無需啟動基測,進(jìn)而減少儀器準(zhǔn)備時間;若連續(xù)多個儀器出現(xiàn)誤差超出規(guī)定要求,則需檢查基測箱是否處于正常狀態(tài)。

3.2 儀器準(zhǔn)備中要素變性、信號突然消失的防范

在儀器準(zhǔn)備過程中出現(xiàn)要素變性、信號突然消失,須立即更換探空儀,并重新基測、裝配儀器等。此類故障多出現(xiàn)于儀器裝配完成等待施放的過程中,會嚴(yán)重影響探空儀的施放。因此,出現(xiàn)此類故障時需要最大限度地減少儀器準(zhǔn)備時間,以避免高空探測的遲測現(xiàn)象。

防范措施:探空儀的準(zhǔn)備過程包括儀器包裝的拆除、儀器基測、電池的賦能、儀器的裝配及與氣球的連接。其中儀器基測、儀器的裝配及與氣球的連接無法提前準(zhǔn)備,需要在更換儀器時進(jìn)行操作,同時,儀器基測可以在準(zhǔn)備階段按章節(jié)3.1的防范措施提前確保儀器基測合格;而儀器包裝的拆除、電池的賦能則可以在首次儀器準(zhǔn)備時準(zhǔn)備好,即提前準(zhǔn)備一套備份探空儀及電池,進(jìn)而減少儀器準(zhǔn)備時間。

3.3 施放后跑球的防范

在探空儀探測過程中,因探空儀質(zhì)量問題、電磁環(huán)境干擾等造成雷達(dá)無法有效跟蹤探空儀,簡稱跑球。跑球會導(dǎo)致探測的氣象要素異常,若無法及時調(diào)整雷達(dá)正常跟蹤則會嚴(yán)重影響探測的質(zhì)量。

防范措施:對于探空儀施放后因探空儀質(zhì)量問題引起的跑球,要強(qiáng)化對設(shè)備異常的敏感性。除了日常對雷達(dá)的維護(hù)保障,在探空儀準(zhǔn)備過程中,若發(fā)現(xiàn)雖能正常采集探空儀的氣象要素值,但異常值較多的情況,則應(yīng)調(diào)整雷達(dá)天線,使其對準(zhǔn)探空儀,若調(diào)整后異常值仍較多,則探空儀質(zhì)量可能存在問題,應(yīng)及時更換探空儀以避免升空后出現(xiàn)跑球現(xiàn)象;對于因其他原因引起的跑球,無法在準(zhǔn)備階段發(fā)現(xiàn),只能在出現(xiàn)跑球現(xiàn)象時進(jìn)行人工補(bǔ)救,因此,要在高空探測過程中密切監(jiān)視探測情況,同時,強(qiáng)化學(xué)習(xí)跑球問題的處理方法。

4 結(jié)束語

在儀器準(zhǔn)備過程中,GTS13出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率最大,但GTS11出現(xiàn)要素變性、信號突然消失的情況較GTS12多;在儀器施放后,出現(xiàn)跑球的概率大小順序為GTS11GTS11>GTS113,即GTS12質(zhì)量最好,GTS11其次,GTS13質(zhì)量最差。

針對探空儀準(zhǔn)備過程中因質(zhì)量問題所存在的風(fēng)險,防范的措施包括:1)儀器基測前通過觀察基測箱面板值及高空業(yè)務(wù)軟件接收的儀器探測值,提前確認(rèn)是否能通過基測;2)始終準(zhǔn)備好2套探空儀和電池,一套使用,另一套備用,確保在儀器準(zhǔn)備階段出現(xiàn)異常時能盡可能減少更換儀器的時間。針對探空儀施放后因質(zhì)量問題所存在的跑球風(fēng)險,防范的措施主要包括:1)增強(qiáng)對設(shè)備異常的敏感性,及時發(fā)現(xiàn)并提前更換儀器;2)加強(qiáng)業(yè)務(wù)技術(shù)學(xué)習(xí)。

文章并未提及探空儀的質(zhì)量問題對探空資料質(zhì)量的影響程度,僅提出了針對性的防范處理措施,質(zhì)量問題對探空數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響還需后期進(jìn)行試驗研究。