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(cè)是指以氣球攜帶探空儀探測(cè)地面至幾萬(wàn)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(dòng),所獲得的探測(cè)資料是中國(guó)綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅在天氣預(yù)報(bào)、氣候診斷預(yù)測(cè)及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用,還可作為各種大氣遙感觀測(cè)設(shè)備如風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)、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(lái)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(cè)儀器的質(zhì)量與探測(cè)精度會(huì)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接的影響[14]。世界各國(guó)為了提高高空探測(cè)資料的準(zhǔn)確性和精度,不斷地采用新技術(shù)對(duì)探空儀加以改進(jìn)。中國(guó)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(guò)程中,探測(cè)精度一直是廣大學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn),然而探空儀的質(zhì)量極少受到關(guān)注[15-22]。

2020年1月中國(guó)氣象局組織全國(guó)各高空氣象觀測(cè)站開(kāi)展了新型探空儀的平行觀測(cè)和業(yè)務(wù)試運(yùn)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(duì)新型探空儀的業(yè)務(wù)使用。目前,在業(yè)務(wù)使用過(guò)程中3種新型探空儀會(huì)不定期出現(xiàn)基測(cè)不合格、探空儀變性、信號(hào)突然消失等問(wèn)題,對(duì)儀器的使用、探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量等造成了一定的影響。文章以宜昌國(guó)家高空氣象觀測(cè)站為例,統(tǒng)計(jì)分析3種探空儀在業(yè)務(wù)使用中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題,并針對(duì)質(zhì)量問(wèn)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(lái)源

探空儀質(zhì)量資料來(lái)源于2020—2021年宜昌國(guó)家高空氣象觀測(cè)站在開(kāi)展高空氣象觀測(cè)過(guò)程中的值班日志及每月的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)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(píng)估

根據(jù)《常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范》,定時(shí)常規(guī)高空氣象觀測(cè)應(yīng)在正點(diǎn)進(jìn)行,不得提前施放,不得早測(cè)(在規(guī)定正點(diǎn)時(shí)間前開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè))或遲測(cè)(超過(guò)規(guī)定正點(diǎn)時(shí)間5 min以上開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè))。早測(cè)在臺(tái)站幾乎不會(huì)發(fā)生,但遲測(cè)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,除臺(tái)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(guò)程中出現(xiàn)儀器不合格、施放前儀器要素突然變性及信號(hào)突然消失等造成的儀器重新準(zhǔn)備也是導(dǎo)致遲測(cè)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(duì)可能引起遲測(cè)的因素,統(tǒng)計(jì)2021—2022年3種儀器在儀器準(zhǔn)備中出現(xiàn)的基測(cè)不合格、要素變性、信號(hào)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(guò)程中出現(xiàn)的異常情況

探空儀基測(cè)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(cè)過(guò)程中氣壓、氣溫、濕度中的一種或多種誤差超過(guò)測(cè)量誤差范圍。該問(wèn)題出現(xiàn)后需更換儀器并重新基測(cè),這會(huì)增加儀器準(zhǔn)備時(shí)間,但由于問(wèn)題出現(xiàn)較早,在提前45 min準(zhǔn)備的情況下,對(duì)探空儀的施放影響相對(duì)較小。

探空儀要素變性在儀器準(zhǔn)備過(guò)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(guò)程中出現(xiàn)探空儀要素變性需重新準(zhǔn)備儀器,這會(huì)大大增加儀器準(zhǔn)備時(shí)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(tái)站無(wú)法有效防范,故未做統(tǒng)計(jì)。

探空儀信號(hào)突失在儀器準(zhǔn)備過(guò)程中或儀器施放后都有可能出現(xiàn),表現(xiàn)為無(wú)法有效接收探空儀信號(hào),所有要素均丟失。在儀器準(zhǔn)備過(guò)程中出現(xiàn)探空儀信號(hào)突失需重新準(zhǔn)備儀器,這會(huì)大大增加儀器準(zhǔn)備時(shí)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(hào)突失則可能導(dǎo)致重放,此種現(xiàn)象在臺(tái)站無(wú)法有效防范,故未做統(tǒng)計(jì)。

在探空儀準(zhǔn)備過(guò)程中出現(xiàn)的要素變性、信號(hào)突然消失情況,因?yàn)樯婕疤娇諆x的更換及重新基測(cè)、儀器裝配等,將對(duì)臺(tái)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(hào)突然消失的情況較多,而GTS12出現(xiàn)要素變性、信號(hào)然消失情況的比例明顯較少。因此,在對(duì)探空觀測(cè)質(zhì)量的影響方面,GTS12的質(zhì)量?jī)?yōu)于GTS11,GTS11的質(zhì)量?jī)?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(wèn)題、高空信號(hào)干擾、雷達(dá)問(wèn)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(cè)的風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)異常,對(duì)探空質(zhì)量造成一定的影響。

統(tǒng)計(jì)2021—2022年3種新型探空儀施放后出現(xiàn)的跑球情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。由圖2可知,出現(xiàn)跑球的概率大小順序?yàn)镚TS11

圖2 3種新型探空儀施放后出現(xiàn)的跑球情況統(tǒng)計(jì)

3 風(fēng)險(xiǎn)防范對(duì)策

3.1 基測(cè)不合格的防范

探空儀基值測(cè)定在探空儀基測(cè)箱中進(jìn)行,要求環(huán)境穩(wěn)定,避免陽(yáng)光直射。探空儀各傳感器要在探空儀基測(cè)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(cè)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(cè)箱環(huán)境中測(cè)得的氣象要素值穩(wěn)定后,由值班員在高空氣象觀測(cè)軟件中啟動(dòng)基測(cè)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(cè)箱內(nèi),待充分感應(yīng)后啟動(dòng)新儀器進(jìn)行基測(cè),這將大大增加儀器準(zhǔn)備的時(shí)間。

防范措施:由于基測(cè)箱及探空儀通電后,儀器探測(cè)值可以通過(guò)高空氣象觀測(cè)軟件直接查看,且標(biāo)準(zhǔn)儀表示值可通過(guò)基測(cè)箱面板直接查看。因此,在高空氣象觀測(cè)軟件中啟動(dòng)基測(cè)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(wú)需啟動(dòng)基測(cè),進(jìn)而減少儀器準(zhǔn)備時(shí)間;若連續(xù)多個(gè)儀器出現(xiàn)誤差超出規(guī)定要求,則需檢查基測(cè)箱是否處于正常狀態(tài)。

3.2 儀器準(zhǔn)備中要素變性、信號(hào)突然消失的防范

在儀器準(zhǔn)備過(guò)程中出現(xiàn)要素變性、信號(hào)突然消失,須立即更換探空儀,并重新基測(cè)、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(guò)程中,會(huì)嚴(yán)重影響探空儀的施放。因此,出現(xiàn)此類故障時(shí)需要最大限度地減少儀器準(zhǔn)備時(shí)間,以避免高空探測(cè)的遲測(cè)現(xiàn)象。

防范措施:探空儀的準(zhǔn)備過(guò)程包括儀器包裝的拆除、儀器基測(cè)、電池的賦能、儀器的裝配及與氣球的連接。其中儀器基測(cè)、儀器的裝配及與氣球的連接無(wú)法提前準(zhǔn)備,需要在更換儀器時(shí)進(jìn)行操作,同時(shí),儀器基測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)間。

3.3 施放后跑球的防范

在探空儀探測(cè)過(guò)程中,因探空儀質(zhì)量問(wèn)題、電磁環(huán)境干擾等造成雷達(dá)無(wú)法有效跟蹤探空儀,簡(jiǎn)稱跑球。跑球會(huì)導(dǎo)致探測(cè)的氣象要素異常,若無(wú)法及時(shí)調(diào)整雷達(dá)正常跟蹤則會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)的質(zhì)量。

防范措施:對(duì)于探空儀施放后因探空儀質(zhì)量問(wèn)題引起的跑球,要強(qiáng)化對(duì)設(shè)備異常的敏感性。除了日常對(duì)雷達(dá)的維護(hù)保障,在探空儀準(zhǔn)備過(guò)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(duì)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(wèn)題,應(yīng)及時(shí)更換探空儀以避免升空后出現(xiàn)跑球現(xiàn)象;對(duì)于因其他原因引起的跑球,無(wú)法在準(zhǔn)備階段發(fā)現(xiàn),只能在出現(xiàn)跑球現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)救,因此,要在高空探測(cè)過(guò)程中密切監(jiān)視探測(cè)情況,同時(shí),強(qiáng)化學(xué)習(xí)跑球問(wèn)題的處理方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

在儀器準(zhǔn)備過(guò)程中,GTS13出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率最大,但GTS11出現(xiàn)要素變性、信號(hào)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?yàn)镚TS11GTS11>GTS113,即GTS12質(zhì)量最好,GTS11其次,GTS13質(zhì)量最差。

針對(duì)探空儀準(zhǔn)備過(guò)程中因質(zhì)量問(wèn)題所存在的風(fēng)險(xiǎn),防范的措施包括:1)儀器基測(cè)前通過(guò)觀察基測(cè)箱面板值及高空業(yè)務(wù)軟件接收的儀器探測(cè)值,提前確認(rèn)是否能通過(guò)基測(cè);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(shí)能盡可能減少更換儀器的時(shí)間。針對(duì)探空儀施放后因質(zhì)量問(wèn)題所存在的跑球風(fēng)險(xiǎn),防范的措施主要包括:1)增強(qiáng)對(duì)設(shè)備異常的敏感性,及時(shí)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(wèn)題對(duì)探空資料質(zhì)量的影響程度,僅提出了針對(duì)性的防范處理措施,質(zhì)量問(wèn)題對(duì)探空數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響還需后期進(jìn)行試驗(yàn)研究。