王 英熊安元

1）（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局氣象信息中心，呼和浩特010051）2）（國家氣象信息中心，北京100081）

L波段探空儀器換型對高空濕度資料的影響

王 英1）熊安元2）*

1）（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局氣象信息中心，呼和浩特010051）2）（國家氣象信息中心，北京100081）

2002—2010年我國高空探測系統(tǒng)逐步完成了由原來的59-701型探空系統(tǒng)升級為L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)的工作，濕度傳感器由原來的腸衣更換為碳濕敏電阻。該文對全國98個高空站相對濕度探測值在換型前后的差異進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：探空系統(tǒng)換型后，相對濕度探測值較換型前顯著降低，表現(xiàn)為明顯的干偏差，且隨著高度的增加而增大，200，500 hPa和850 hPa相對濕度分別偏低14.6%，8.3%和5.3%。受太陽輻射的影響，這種干偏差在白天甚于夜間；換型前后相對濕度的概率分布也發(fā)生了明顯變化，整個對流層相對濕度低于20%的低值出現(xiàn)頻率明顯高于換型前，200 hPa相對濕度小于20%的出現(xiàn)頻率由換型前的10%增加到換型后的53%。最明顯的變化是相對濕度為3%以下的出現(xiàn)頻率，換型前各高度層出現(xiàn)頻率均接近于0，但換型后200，500 h Pa和850 hPa出現(xiàn)頻率分別達(dá)到16.2%，9.9%和2.2%。

探空系統(tǒng)；儀器換型；相對濕度

引 言

氣球探空濕度資料是序列最長、最重要的大氣濕度廓線資料，是數(shù)值天氣預(yù)報、全球氣候變化研究、大氣資料再分析最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源。研究表明，全球變暖將導(dǎo)致大氣中水汽含量增加［1-3］，數(shù)值模擬和衛(wèi)星觀測結(jié)果均證實大氣絕對濕度隨全球變暖而增加［4-7］。氣球探空資料一般作為表征大氣物理狀態(tài)的相對真值，描述高空大氣的氣候變化，并作為評估衛(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［8-10］。隨著探空儀研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，探空儀不斷更新，在獲得更高探測精度資料的同時，也導(dǎo)致觀測序列在時間上的不連續(xù)，大量研究發(fā)現(xiàn)全球探空資料時間序列存在不均一的問題［11-17］。我國高空溫度和濕度序列也由于歷史上探空儀的多次更新或者輻射誤差訂正技術(shù)的變化而導(dǎo)致不連續(xù)［13-18］。探空資料序列的不連續(xù)將嚴(yán)重影響氣候變化事實的分析結(jié)果。

與高空溫度探測相比，高空濕度的精確探測難度更高，全球絕大部分探空業(yè)務(wù)用濕度傳感器均存在干偏差問題。Soden等［19］通過比較TIROS（Television and Infrared Obseration Satellite）衛(wèi)星的業(yè)務(wù)用垂直探測儀（TOVS）獲得的濕度資料和全球Vaisala RS80-A探空儀觀測的濕度資料，發(fā)現(xiàn)探空濕度存在明顯的干偏差。Nakamura等［20］發(fā)現(xiàn)，Vaisala RS80-15G探空儀觀測的大氣可降水量較GPS（Global Positioning System）遙測大氣可降水量偏低3～4 mm（4%～6%）。Turner等［21］比較分析了美國大氣輻射計劃（ARM）布設(shè)的地面微波輻射計和探空水汽資料，發(fā)現(xiàn)RS80-H探空儀觀測的大氣水汽存在近5%的干偏差。

與衛(wèi)星觀測到的大氣濕度相比，我國業(yè)務(wù)用探空儀觀測的濕度同樣存在干偏差。Wang等［22］利用全球探空資料數(shù)據(jù)集（IGRA），以地基GPS／MET的大氣可降水量為參照，通過對北京站（54511）的資料分析發(fā)現(xiàn)，由于該站2002年更新為濕敏電阻探空儀，導(dǎo)致了探空大氣可降水量由原來的濕偏差變?yōu)楦善?，濕度記錄不連續(xù)，這種現(xiàn)象在白天甚于夜間。與國際上廣泛使用的一些探空儀相比，我國業(yè)務(wù)用的探空儀（59-701型雷達(dá)探空系統(tǒng)的機(jī)械式探空儀和L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)的GTS1電子探空儀）同樣存在一定偏差。Bian等［23］根據(jù)2009年8月在昆明進(jìn)行的GTS1電子探空儀，Vaisala RS80探空儀和CFH霜點式露點儀的對比觀測也得出GTS1電子探空儀存在干偏差的結(jié)論，且溫度越低，干偏差越大。

陽江第8次國際探空系統(tǒng)比對試驗［24］結(jié)果表明，在高空相對濕度探測方面，存在著明顯的不足，不同探空系統(tǒng)對濕度探測結(jié)果差別很大，在溫度小于－40℃情況下，濕度傳感器測量性能受到較大影響。郭啟云等［25］通過南京探空站冬季3個月的采用碳膜濕敏電阻傳感器的GTS1型、GTS1-1型電子探空儀、采用國產(chǎn)濕敏電容傳感器的GTS1-2型電子探空儀與芬蘭Vaisala RS92型探空儀的對比試驗表明：GTS1型、GTS1-1型電子探空儀的相對濕度探測值在300 hPa以下較芬蘭Vaisala RS92型探空儀明顯偏小，300 hPa以上較Vaisala RS92型探空儀偏大，而采用濕敏電容傳感器的GTS1-2型電子探空儀探測值與Vaisala RS92型探空儀較為接近。

2002年以來，我國高空探測系統(tǒng)逐步由59-701型探空系統(tǒng)更新為L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)，溫濕度探空儀器隨之由59型機(jī)械式探空儀更新為電子探空儀，探測儀測濕元件由原來的腸衣更換為濕敏電阻。腸衣元件在高濕和低濕環(huán)境下具有非常高的時間常數(shù)，滯后誤差很大，相對于腸衣元件而言，濕敏電阻具有更寬的濕度測量范圍和小得多的時間常數(shù)，因而應(yīng)獲得精度更高的濕度探測結(jié)果［26-27］。但儀器的更換無論是提高還是降低了探測精度，都可能導(dǎo)致觀測資料在儀器變更前后的系統(tǒng)偏差。張立功等［28］在酒泉高空站L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)與59-701型探空系統(tǒng)1個月的同步探測結(jié)果表明：兩者的相對濕度差隨高度增加而增加，L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)探測的相對濕度較59-701型探空系統(tǒng)系統(tǒng)性偏低，200 hPa L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)探測的相對濕度比59-701型探空系統(tǒng)約偏低35% 。

單站的研究結(jié)果證實，2002年以來，我國探空系統(tǒng)升級對濕度資料已產(chǎn)生影響，但上述結(jié)果是否適用于我國其他探空站，高空站濕度探測儀更換對我國高空濕度探測資料造成的影響如何，本文將利用全國98個高空站探測資料進(jìn)行分析，獲得上述問題的答案。

1 資 料

資料源于國家氣象信息中心存檔的1951—2010年全國120個高空站的探測資料數(shù)據(jù)集的氣溫和露點溫度資料，并經(jīng)過了基本質(zhì)量控制。在進(jìn)行儀器換型前后資料差異分析時，選取各站換型前后各3年的資料。對2008年以后換型的高空站未進(jìn)行統(tǒng)計，則共選取98個高空站。

相對濕度可根據(jù)露點溫度和氣溫測值計算得到［29］。換型后的L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)業(yè)務(wù)觀測規(guī)范規(guī)定的露點溫度計算公式，與59-701型探空系統(tǒng)觀測規(guī)范給出的露點溫度計算稍有差別。經(jīng)計算，兩者差別很小，氣溫越低差別越大，如氣溫低于－40℃時，不同露點溫度條件下相對濕度最大差異約為0.57%；氣溫高于2℃時，最大差異不超過0.2%。因此，本文不考慮由于相對濕度與露點溫度計算公式的變化導(dǎo)致的差異。

2 探空系統(tǒng)換型情況

全國目前運行126個高空站，其中5個為單測風(fēng)站，另外，福建龍巖（58927）為4—6月探空觀測，因此未進(jìn)行分析。2002年1月開始，我國高空探測系統(tǒng)從59-701型探空系統(tǒng)逐步更新為L波段雷達(dá)-電子探空系統(tǒng)，溫濕度探空儀器隨之由59型機(jī)械式探空儀更新為電子探空儀，探測儀測濕元件更換為濕敏電阻。圖1給出了2002年1月以來探空儀更換的時間及站數(shù)，自2002年1月北京站第1個更換探空系統(tǒng)后，大規(guī)模的換型主要集中在2005—2007年，至2010年底全國高空站基本更新為L波段雷達(dá)-電子探空系統(tǒng)。

圖1 2002年1月以來全國探空儀換型時間及站數(shù)Fig.1 Dates and number of stations for radiosonde system changing since January of 2002

3 換型前后平均相對濕度的差異

3.1 對流層各高度的差異

計算各站各高度層探空儀換型前后各3年平均相對濕度差值。圖2給出了對流層上層（200 hPa）、中層（500 hPa）和低層（850 hPa）的平均相對濕度差值分布。由圖2可見，探空儀換型后的相對濕度觀測值在整個對流層均較換型前偏小，表現(xiàn)為偏干趨勢，這種偏干現(xiàn)象隨著高度增加愈加明顯。在200 hPa高度，換型后的相對濕度探測值較換型前平均偏小14.63%（表1），換型前后的差異幾乎所有站均達(dá)到0.1顯著性水平；在500 hPa高度，除了西北地區(qū)極少數(shù)站表現(xiàn)為小的正偏差外，全國75%以上的站為負(fù)偏差，換型后的相對濕度探測較換型前平均偏小8.31%（表1），換型后的偏干現(xiàn)象東部較西部明顯。在850 h Pa高度，換型前后的差異沒有對流層中高層明顯，但絕大部分站換型后較換型前偏干，且54.4% 的站達(dá)到0.1顯著性水平，換型后的相對濕度觀測值較換型前平均偏小5.32%（表1）。

圖2 換型前后200 h Pa，500 h Pa，850 h Pa平均相對濕度差值（單位：%）（實心圓表示差值達(dá)到0.1顯著性水平，空心圓圈表示未達(dá)到0.1顯著性水平）Fig.2 Differences of relative humidity between pre-change and post-change of sensor at 200 hPa，500 hPa and 850 hPa（uint：%）（the solid circle denotes passing the test of 0.1 level，hollow circle denotes no significance）

續(xù)圖2

表1 各層換型前后相對濕度差異的全國平均值（單位：%）Table 1 Mean differences of relative humidity between pre-change and past-change of sensor（uint：%）

可見，我國探空濕度儀自2002年以來陸續(xù)更新后導(dǎo)致的濕度干偏差現(xiàn)象并不只是存在于之前研究指出的個別站［22，25-26］，而是具有普遍性。

換型前后相對濕度的差值隨高度的變化通過北京站和武漢站（57494）（圖3）可更直觀地看到，差值隨高度增加而增加，00：00（世界時，下同）和12：00均如此。

在我國探空系統(tǒng)由59型機(jī)械式探空儀更換為GTS1電子探空儀時，濕度傳感器和溫度傳感器同時改變。馬穎等［30］對我國70個高空站1個月的對比觀測分析表明，100 hPa高度以下，59型機(jī)械式探空儀與GTS1電子探空儀的溫度探測值沒有系統(tǒng)性差異。因此可以推測，換型后對流層大氣的絕對濕度也將同樣存在干偏差問題。

圖4給出了1981—2010年北京站各高度年平均相對濕度和年平均溫度變化曲線。北京站在2002年1月將59-701型探空系統(tǒng)更換為L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)后，相對濕度出現(xiàn)了明顯的不連續(xù)下降，200 h Pa高度年平均相對濕度較換型前約偏低20%，但溫度探測值變化不明顯。

圖3 北京站和武漢站換型前后相對濕度的平均差值隨高度變化Fig.3 Variation with heights for relative humidity difference between pre-change and post-change of sensor at Beijing Station and Wuhan Station

圖4 北京站各高度年平均相對濕度和年平均溫度Fig.4 Time series of annual mean relative humidity and annual mean temperature at Beijing Station

續(xù)圖4

3.2 差異的日變化

由于太陽輻射對濕度傳感器的加熱作用，探空濕度的干偏差問題存在于全球大多數(shù)業(yè)務(wù)上使用的濕度傳感器上，導(dǎo)致濕度的干偏差在白天比夜間明顯得多［22，31-32］。Wang等［33］研究表明，太陽輻射導(dǎo)致Vaisala RS92型探空儀探測的相對濕度存在明顯的干偏差，且是Vaisala RS92型探空儀濕度探測偏差的主要組成部分。

我國探空使用的59型機(jī)械式探空儀的溫濕傳感器均有防輻射罩，GTS1電子探空儀的濕度傳感器有防輻射罩，溫度傳感器有防太陽輻射的涂層但沒有防輻射罩，大大減少了溫濕度探測受太陽輻射的影響程度。但這種防輻射作用是有限的，因此，各探空儀生產(chǎn)廠家均在探空系統(tǒng)資料處理軟件中對溫度進(jìn)行了輻射訂正，但未對濕度進(jìn)行訂正。對溫度的輻射訂正是否有效，需要通過大量探測資料的精確分析才能得出結(jié)論。顯然，如果對溫度的輻射訂正不適當(dāng)，就會影響到飽和水汽壓的計算結(jié)果，進(jìn)而影響空氣絕對濕度值。

圖5 換型前后不同高度層00：00和12：00相對濕度差值散點分布Fig.5 Scatter diagram for relative humidity difference of different heights between pre-change and post-change of sensor at 0000 UTC and 1200 UTC

為了分析我國探空儀器換型前后濕度探測值差異是否受太陽輻射影響，選取110°E以東的45個高空站，確保這些站在探測時次00：00觀測期間的絕大部分時段為白天，在觀測時次12：00探測期間絕大部分時段為夜間。圖5給出了45個站換型前后3個高度00：00（代表白天）和12：00（代表夜間）相對濕度差值的散點分布?？梢姡^大部分臺站在白天的差值大于夜間，在對流層的3個高度均如此。因此，太陽輻射對濕度觀測有影響，使我國2002年之后使用的L波段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)的濕度系統(tǒng)性偏低更加明顯。由圖3給出的北京站和武漢站也可清楚地看到，00：00的相對濕度差值高于12：00。

續(xù)圖5

4 換型前后相對濕度概率分布的差異

圖6 換型前后不同高度相對濕度出現(xiàn)頻率分布Fig.6 The probability distribution of relative humidity between pre-change and post-change of sensor

概率分布是氣象要素的重要統(tǒng)計特征。為了分析探空儀器換型對濕度概率分布特征的影響，計算全國各高空站探空儀換型前后6—8月各高度層相對濕度出現(xiàn)頻率分布（圖6）。儀器換型前，各高度層的相對濕度分布均表現(xiàn)為單峰型的偏態(tài)分布，但換型后的分布明顯偏離正態(tài)，且相對濕度低值出現(xiàn)頻率明顯增加。在對流層高層（200 h Pa），換型前，相對濕度出現(xiàn)頻率最高的區(qū)間位于20%～60%，換型后，高頻區(qū)為0%～30%，相對濕度小值出現(xiàn)概率明顯增大。而相對濕度在60%以上的出現(xiàn)頻率由換型前的15%下降為換型后的不到3%。在對流層中層（500 hPa），相對濕度20%以下的低值區(qū)出現(xiàn)頻率在換型前為9.5%，換型后增加到26%，相對濕度在20%以上的各值域段除80%～90%外，換型后的出現(xiàn)頻率均明顯減少，如相對濕度為20%～70%的出現(xiàn)頻率由換型前的52%減少到換型后的39.7%，但相對濕度為80%～90%的出現(xiàn)頻率在換型后明顯增加。在對流層低層（850 hPa），換型前后相對濕度出現(xiàn)頻率的變化與500 hPa類似，相對濕度在20%以下的低值區(qū)出現(xiàn)頻率在換型后增加，相對濕度為20%～90%的高值區(qū)出現(xiàn)頻率在換型后減少，但90%以上的高濕頻率在換型后有所增加，只是變化的幅度較500 hPa和200 hPa偏小。

換型前后變化最明顯是相對濕度在3%以下的出現(xiàn)頻率，換型前各高度層出現(xiàn)頻率均接近于0，但換型后各層均出現(xiàn)較高頻率，200 hPa，500 hPa，850 hPa層出現(xiàn)頻率分別為16.2%，9.9%和2.2%。造成該現(xiàn)象的原因尚不完全清楚，但探測數(shù)據(jù)處理的兩種方法可能與此有關(guān)：①當(dāng)測量的相對濕度低于0%時，軟件系統(tǒng)自動將其訂正為2%［34］。我國高空探測要求碳濕敏電阻在施放前要在基測箱內(nèi)進(jìn)行基測，以確定相對濕度為零時的阻值（輸出頻率），盡管規(guī)范要求高空站經(jīng)常烘烤基測箱內(nèi)的干燥劑以確保箱內(nèi)相對濕度為零，但實際不能達(dá)到，其結(jié)果必然使高空探測到的接近0%的相對濕度變?yōu)樨?fù)值；②GTS1型電子探空儀穿越對流層云中過飽和高濕環(huán)境，在出云后不能及時恢復(fù)，這時傳感器有時失效，業(yè)務(wù)軟件自動將濕度賦值為2%［35］。

5 結(jié)論與討論

本文對全國98個探空站相對濕度探測值在探空系統(tǒng)換型前后的差異進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：

1）探空系統(tǒng)換型后，大氣對流層相對濕度觀測值較換型前顯著降低，表現(xiàn)為明顯的干偏差，且隨著高度的增加而增大，200，500 h Pa和850 hPa相對濕度分別較換型前偏低14.6%，8.3%和5.3%。

2）儀器換型造成的干偏差在00：00大于12：00，即白天甚于夜間，與太陽輻射有關(guān)。

3）換型前后相對濕度的概率分布發(fā)生了明顯變化，整個對流層相對濕度低于20%的低值出現(xiàn)頻率明顯高于換型前，200 hPa小于20%相對濕度出現(xiàn)頻率由換型前的10%增加到換型后的53%，換型前各高度層相對濕度在3%以下的出現(xiàn)頻率均接近于0，但換型后200，500 h Pa和850 hPa出現(xiàn)頻率分別達(dá)16.2%，9.9%和2.2%。

本文僅通過對觀測資料的分析得到由于探空儀更新導(dǎo)致我國高空探測相對濕度出現(xiàn)系統(tǒng)性偏干結(jié)果，但對其原因的分析仍然十分粗淺，需深入探究。探空儀的測濕元件腸衣或濕敏電阻對濕度的測量偏差、太陽輻射影響、儀器的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理方法等各種因素都可能是造成該現(xiàn)象的原因。太陽輻射對溫度和濕度觀測值的影響是高空觀測誤差的重要原因之一，本文研究表明：濕度儀器換型前后相對濕度的差異在白天大于夜間，間接證實了太陽輻射對濕度觀測值的影響，且在儀器換型前和換型后的影響不同。太陽輻射對溫度和濕度測量值均有影響，最終會造成大氣濕度觀測值的誤差。這種誤差的形成和訂正需要通過對探空系統(tǒng)和大量資料的仔細(xì)分析才能確定。目前，尚未見到我國探空業(yè)務(wù)系統(tǒng)中不同廠家輻射訂正的公開資料，這也給探空溫濕度資料的訂正帶來了困難。

探空濕度資料的誤差將對基于觀測資料的高空氣候和氣候變化研究結(jié)果以及數(shù)值預(yù)報模式同化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響，應(yīng)引起足夠重視。由于碳濕敏元件在不同環(huán)境溫度下感濕特性曲線不相同，我國業(yè)務(wù)探測中探空儀器生產(chǎn)廠家根據(jù)實驗室試驗數(shù)據(jù)并參考國外情況對相對濕度探測量進(jìn)行了訂正處理，實驗室靜態(tài)測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明訂正效果并不十分理想，并提出了效果更佳的訂正方法［34，36］。進(jìn)一步的研究工作除了實驗室研究外，還應(yīng)重點分析儀器換型前后資料系統(tǒng)性差異產(chǎn)生的原因以及觀測到的大氣濕度與真實大氣濕度間的偏差，消除資料的系統(tǒng)誤差。

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Effects of Radiosonde System Changing to L-band Radar Digital Radiosonde on Humidity Measurements in China

Wang Ying1）Xiong Anyuan2）

1）（Inner Mongolia Meteorological Information Center，Hohhot010051）
2）（National Meteorological Information Center，Beijing100081）

The radiosonde sounding is a major tool for measuring the vertical structure of atmospheric variables.Accurate monitoring of water vapor is vital for numerical weather prediction and climatic change assessment.The radiosonde sounding system in China begins upgrading to L-band radar digital radiosonde system from 59-701 system since 2002 and completes in 2011，and the sensor for humidity measurement is changed from goldbeater’s skin to a carbon hygristor.These changes may result in discontinuity of radiosonde observation series.

In order to determine the observational bias brought by the upgrade，comparative analysis of relative humidity（RH）measurement between pre-change and post-change of the system is made using radiosonde humidity observations.98 radiosonde stations out of 120 stations in China are selected to analyze differences between 3 pre-change years and 3 post-change years.Results show that RH after changing the sensor has a significant dry bias.There are statistically significant dry bias in almost all selected stations at 200 hPa，and in 75%and 54%stations at 500 hPa and 850 hPa，respectively.RH dry biases increase with height in troposphere，with values of 14.6%，8.3%and 5.3%at 200 hPa，500 hPa and 850 hPa，respectively.There are more dry biases during daytime than nighttime due to impacts of solar radiation.The probability distribution of relative humidity after the system upgrading has a significant shift comparing to pre-upgrading.The occurrence frequency of RH with the value less than 20%after system change is much higher than that during pre-change，which are 53%vs 10%at 200 hPa.The frequency of RH with the value less than or equal to 3%are 16.2%，9.9%and 2.2%on 200 h Pa，500 hPa and 850 hPa after system upgrading，but that is nearly 0 at three levels before upgrading.Causes of these dry biases and biases between actual value and the observation will be further studied.Also，methods for correcting the bias should be developed.

radiosonde；sensor change；relative humidity

王英，熊安元.L波段探空儀器換型對高空濕度資料的影響.應(yīng)用氣象學(xué)報，2015，26（1）：76-86.

10.11898／1001-7313.20150108

2014-03-31收到，2014-10-11收到再改稿。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2010CB951600），公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY200906014）

* 通信作者，email：xay＠cma.gov.cn