新型探空仪常见问题分析

梁建平，郭 凯，谭 婓，韦丽英，李 江

(1.桂林市气象局，桂林 541001；2.广西区气象局信息中心，南宁530022；3.百色市气象局，百色 533000)

0 引言

为进一步提升国家高空气象观测水平，中国气象局综合观测司组织开展了探空仪换型工作，2020-01-01T08：00，高空气象观测站正式采用新型探空仪作为业务使用探空仪。换型后的仪器分别是南京大桥机器有限公司生产的GTS11型、上海长望气象科技股份有限公司生产的GTS12型和太原无线电一厂有限公司生产的GTS13型探空仪。与之配套的基测箱型号有JKZ1-1、JKZ2-1、JKZ3-1和JKZ4-1，广西6个高空探测站均使用JKZ1-1型基测箱。从中国气象局观测司发布的技术指标可以看出(表1)，3个厂家生产的新型探空仪性能指标比2020年以前业务用探空仪(GTS1、GTS1-1、GTS1-2)的各项性能指标均有较大幅度提升，业务稳定性指标均能满足业务需求[1]。为了解目前各个型号探空仪之间的系统差异，文章对2556个探测时次的施放情况进行了统计分析，发现各种型号的新型探空仪故障率均高于换型前的GTS1型，可见新型探空仪在基层台站实际使用过程中，仍存在一些有待完善的问题，文章将对观测站发现的相关问题进行探讨并提出解决意见。

表1 改进前后各型号探空仪标准偏差对比

1 新型探空仪常见问题

文章通过对广西6个台站新型探空仪半年多的施放情况进行统计，发现放球前的主要故障为基测不合格或仪器无信号、施放前温度传感器易断、湿度传感器保护套脱落；气球施放后的主要故障为传感器变性(以温度和湿度最为频繁)或突失、传感器变性或突失导致的重放球。

在2020年1月、7月完成的冬夏两个阶段的探空仪平行观测期间，依照中国气象局的规定，上、中、下旬分别使用GTS11型、GTS12型、GTS13型探空仪与GTS1进行比对。通过对该阶段的统计，GTS13型施放前不合格或无信号故障率最高，达到155.3‰；GTS12型施放后变性或突失和施放后导致重放故障率最高，分别为45.8‰和20.8‰。

2-6月，6个台站随机使用3种型号探空仪进行探测，由此对1-7月探空仪使用情况进行统计，发现两种方法统计的新型探空仪故障率均高于换型前的GTS1型。就广西6个高空探测站而言，2019年1-7月与2020年同期相比，GTS1、GTS11、GTS12和GTS13施放前不合格或无信号等故障率分别为15‰、33.6‰、60.9‰、89.6‰；施放后突失或变性等故障率分别为28‰、42.9‰、35.3‰、24.9‰；施放后导致重放的故障率分别为6‰、9.3‰、4.8‰、11.2‰，新型探空仪施放前后故障率与重放气球率均偏高，部分厂家仪器故障率比中国气象局考核指标极值8‰还要高。

2 施放后仪器故障判断

2.1 温度变性的判断

当温度传感器飞升进入较冷空气中，若传感器上粘附的降水未能及时排干，其冻结施放的潜热将使气温升至0 ℃附近，产生虚假的“0 ℃等温层”现象[2]，工作中最常见的是温度曲线突变为-90 ℃并保持不变，即僵值。僵值是指探测过程中出现探测要素值恒定不变的异常情况[3，4]。出现僵值时观测员比较容易识别，可以直观判断为仪器故障。而有些观测时次温度只是在某个高度层开始变化，偏离规定等压面的温度值，如57957测站2020-05-17T20：00观测到仪器温度变性情况(表2)，变性记录从700 hPa后温度开始偏低，与之前探测时次的相同高度层相比，600～200 hPa规定等压面与正常记录(表3)温度偏差值达-17.5～-10.9 ℃，与温度相关的要素如平均温度、温度露点差均出现较大偏差。

表2 变性记录等压面温度相关要素值

表3 正常记录等压面温度相关要素值

2.2 湿度变性的判断

湿度变性通常表现为湿度值出现僵值。国产探空湿度元件由于性能问题，在对流层高层低温环境下易被冻结导致测湿元件瘫痪，所测相对湿度降低至2%以下，并僵持不变；而在对流层低层，湿度元件从高饱和度到低饱和度转换过程中无法及时恢复也会出现湿度僵值。在实际工作中，湿度变性发生频率较高的时次通常在降水天气，如57957测站在2020-07-27T08：00探测过程中遭遇持续降水且风速达4 m/s的天气现象，仪器施放1 min后，湿度值达到100%RH成为僵值，探空曲线显示湿度曲线为直线。59211测站2020-08-10T20：00探测遭遇雷暴天气，在施放高度700 hPa附近，湿度变成100%RH的僵值。与湿度相关的要素如平均湿度、露点、温度与露点差均出现较大偏差，疑似湿度变性。

2.3 信号突失判断

探测过程中，气温、气压和湿度信号突然消失，导致探测未达500 hPa，通常有几种原因：一是探测系统不能在大雨、雷暴附近和强积冰的条件下持续可靠工作；二是仪器遭雷击或电路板沾水等原因；三是电池电压未达到标准电压值以上。

3 故障原因分析及处理

3.1 对出箱仪器作外观检查

新型探空仪主体部分由温度传感元件、湿度传感元件、气压传感元件、测量转换器和发射机等构成。开箱后检查仪器的包装和各感应元器件完好程度，如温度感应器是否断裂，湿度传感器的保护套是否松动，电路板接口间是否连接紧密。值得注意的是，无论使用哪种型号的探空仪，均禁止用手触摸温湿度传感器，防止损坏传感器，引起温湿度变性。

3.2 对基测不合格和无信号仪器进行原因分析

统计中发现基测遇到的温湿度不合格率占比远高于无信号故障率占比，除了仪器自身故障，还要考虑是否存在环境因素。

3.2.1 湿度不合格

不同地区的台站，根据当地探测环境，配置不同百分比的恒湿盐，在基测过程中则要考量湿度基测值与恒湿盐百分比的差值。如果因差值过大造成多个仪器在相同环境下湿度不合格，可以考虑将仪器放在自然稳定的室内环境中，观察仪器的湿度基测值与仪器值的差值范围是否在合格范围内，若合格，则可以放弃恒湿盐环境进行基值测定。出现湿度值偏大或为100%RH时，应检查纱布是否套紧，纱布盒内是否有纯净水，纱布条是否浸泡其中。工作中发现JKZ1-1型基测箱包裹感应器部分的纱布经常处于干燥状态，这是导致湿度不合格的重要原因之一，观测员不应以此判断湿度变性而报废探空仪。

3.2.2 施放前无信号或信号异常

仪器到台站后信号异常为：1)常见问题是探空通道信号不畅，放球软件的“终端-雷达通讯指示”只有雷达发送给终端信号指示。此时观测员不应急于报废仪器，而应检查基测箱电源开关是否打开，仪器与连接线的插口是否紧实，判断仪器是否已经通电，雷达频率和仪器型号是否正确。2)温压湿信号跳变到基测前状态(温度-50 ℃，湿度100%RH，气压1050 hPa)。此时应将仪器升空，用雷达天线自动跟踪仪器，并且将频率调到合适的位置，若信号依然没有恢复正常，则考虑仪器出现故障，并更换仪器。

3.3 电池使用注意事项

理想的无线电探空仪的电池应具有充足的容量，WMO要求电池在15 ℃温度条件下，要有长达3 h工作的电流且输出电压不能低于要求值的5%；当温度从15 ℃降至-10 ℃时，输出电压不应低于要求值的10%。GTS13型探空仪使用的是干电池，相对来说干电池在释放电量期间输出电压的变化比浸水活化电池要大，因此在装配时需测量电池电压，确保测量的电压符合标准，当电压低于22 V时应先充电再使用。GTS11、GTS12型探空仪使用的是浸水活化型电池，它比干电池轻，在释放电能期间的电压变化远小于干电池，因此在地面准备时，要在使用前1 h拆封，在施放前 30 min将电池根据配方规定注入电液，电池浸入电液 3～5 min后取出，滴去余水，放入保温盒内。浸入电液的时间切勿过长，否则影响使用效果。切勿挤压水或用力甩水，否则电池内含水过少，影响使用时间。

对于GTS12型探空仪，要求将其电池插头通过连接线与基测箱后面板的电池插座连接，以检测电池电压是否满足探空仪使用，当电压上升到规定的电压值(18～22 V)时，取下电池插头，备用。对GTS11型探空仪使用的电池，进行电池赋能时不可用其他厂家赋能设备，必须使用南京厂生产的电池赋能盒对GTS11电池赋能。

3.4 探空仪使用注意事项

在地面准备仪器时不可用手扳动银色温湿度传感器支架，操作时避免触碰温湿度传感器，避免引起温湿度变性。对于GTS13型探空仪，装配时上推支撑泡沫块动作要平缓，温湿感应器支架要保持一定弯曲弧度，遇有泡沫块吻合度小的，要用胶布绕紧，否则易造成支架松动和引线折断，从而导致温湿度变性。GTS12 型数字探空仪在雨天要用防水胶布将温湿感应器支架伸出部位与包装盒衔接处空口密封，以防雨水渗入导致电路板短路。GTS11施放时，探空仪温度和湿度测量元件的支撑臂应向上弯曲，当探空仪天线向下时，使支撑臂与水平面的夹角为15°～45°，以防止雨水通过传感器杆进入仪器舱内。

3.5 温湿感应器相关注意事项

当遇到台风过境、大风、暴雨、暴风雪等天气时，仪器在升空等待施放的过程中容易出现温度传感器断裂、湿度保护套掉落等现象，从而导致新型探空仪温湿度变性。处理方法是将GTS13、GTS12型探空仪的温湿度感应器保护套(GTS11型的保护支架)在升球前取下，基测结束后重新套上，避免在移动或装配的过程中不小心触碰导致温度传感器断裂。如果遇到大风天气，应该使用大风放球器，在绳与仪器连接的时候把保护套取下，防止由于大风造成温感断裂和湿度保护套脱落导致的迟测。多次观测发现，未取下温湿感应器保护套会带来高空的温湿度信号波动，尤其是温度曲线，锯齿状明显。实际工作中遇到强降水天气时，应保护相对湿度传感器不受雨或冰的影响，避免将其完全暴露于环境空气中。

4 结束语

温度和水汽场垂直结构的准确测量，对各种类型的天气预报，尤其是区域性和局地性天气预报是极为重要的。频繁更换和报废仪器不仅会造成人力和财力的浪费，还会给观测资料的实时获取和探测精度带来影响。中国共有120个高空探测站，大部分是全球高空资料交换站，对新型探空仪使用情况进行分析研究并找出存在的问题，能够为厂家改进仪器、提高仪器性能提供直接的参考依据。