齐齐哈尔四种数字探空仪观测数据对比分析

王 蕊，袁湘玲*，赵 遴，刘春芳，王 娜，朱春祥

（1.齐齐哈尔市气象局，黑龙江 齐齐哈尔161006；2.依兰县气象局，黑龙江 依兰154800）

气象观测资料是开展天气预警预报、气候预测预估、气象服务和科学研究的基础，是推动气象科学发展的动力[1]。高空气象观测系统作为综合气象观测系统的重要组成部分，在天气预报、气候监测和气候变化研究中发挥着重要作用[2]。自1984年开始，世界气象组织仪器与观测方法委员会（CIMO）针对高空气象业务上存在的诸多问题，定期与不定期地组织气象仪器进行国际比对试验[3-4]。各种探空系统的比对试验是提高探空的探测精度和一致性的主要手段，为改善订正方法，提高探空仪温度、气压和相对湿度测量精度提供试验数据支撑[5-9]。

齐齐哈尔国家基本气象站位于123°55′25″E、47°22′34″N，海拔高度为147.6 m，观测始于1901年7月1日。2018年被世界气象组织认定为百年气象站。齐齐哈尔高空观测始于1949年，采用经纬仪观测，每日01、07、19时进行3次小球高空测风。1979年10月1日，改为701型雷达配套59型探空仪综合观测，每日07、19时进行2次观测。2009年1月1日正式换型为L波段雷达，实现探空仪数字化改造，采用GTS1型数字探空仪，每日07、19时进行2次观测[10-11]，积累了极为珍贵历史资料。不同类型的探空仪器感应元件和观测原理不同，会造成观测值的差异[12]，因此，有效修正探空仪换型对观测数据的影响，保证换型前后数据序列的均一性尤为重要。

2020年1月由中国气象局组织对数字探空仪进行了换型，采用GTS11、GTS12和GTS13型3种数字探空仪交替观测，分别在1和7月开展了高空气象平行观测。本研究以GTS1为参考标准，GTS11、GTS12、GTS13为比较对象，分析了4种数字探空仪在温度、相对湿度和气压测量上的差异，以期为探空资料数据均一性处理提供参考依据，为气象科学研究提供更加精密的基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用4种数字式探空仪包括：上海长望气象科技股份有限公司生产的GTS1型、GTS12型、南京大桥机器有限公司GTS11型和太原无线电一厂有限公司生产的GTS13型。GTS1探空仪温度传感器采用棒状热敏电阻，气压传感器采用硅阻固态压力传感器，气压附温测量采用GPW3型棒状热敏电阻，湿度传感器采用碳膜湿敏电阻[13]。GTS11、GTS12、GTS13型探空仪温度传感器均采用珠状热敏电阻，与GTS1探空仪的棒状热敏电阻相比，具有响应速度快、测量准确性高等特点，湿度传感器采用高分子聚合物湿敏电容，具有测湿范围广、滞差环小、滞后系数小、响应速度快、体积小、线性度好、灵敏度高、温度系数小等优点，气压传感器采用集成数字式硅阻固态压力传感器，带自动测温，采用全温区拟合补偿，具有灵敏度高、体积小、横向效应小、滞后和蠕变小等特点[14-17]。

基测箱采用JKZ1和JKZ1-1型电子探空仪基测箱。采用L波段二次测风雷达，接收机为GTC2型L波段探空数据接收机。数据接收和处理软件为L波段（1型）高空气象探测系统软件（V6.0.0.20200101）。

最后，采用GTS1型数字探空仪2009—2019年1和7月温度、气压和相对湿度等历史探空观测数据，对GTS1型探空仪自身观测数据进行了对比分析。

1.2 研究方法

1.2.1试验方法

齐齐哈尔国家基本气象站于2020年1和7月开展高空气象平行观测，每日1次，20时和08时交替进行。每月1—10日采用GTS11与GTS1型探空仪进行对比观测，共获取19次有效平行观测；每月11—20日采用GTS12与GTS1型探空仪进行对比观测，共获取19次有效平行观测；每月21—31日采用GTS13与GTS1型探空仪进行对比观测，共获取20次有效平行观测。将2个探空仪采用同球串联施放的方式进行对比观测，其中，用作参考标准的探空仪位于上方，对比探空仪位于下方，两者相距1 m，同时施放以降低施放误差。

1.2.2数据分析方法

采用平均偏差（MBE）、绝对偏差（MAE）、均方根误差（RMSE）和相对误差（RBE）作为对比分析的评估指标[18,21]，对每组两个探空仪在925、850、700、600和500 hPa 5个规定等压面上的温度、相对湿度和位势高度观测数据进行对比分析。值越小，表明两者一致性越好。上述指标计算方法为：

式中，MBE为平均偏差，MAE为绝对偏差，RMSE为均方根误差，RBE为相对误差，Pi和Oi分别表示第i次试验对比探空仪测量值和作参考标准探空仪测量值，N为统计样本数。

1.2.3检验方法

采用Ryan-Joiner方法[22-24]对差值进行正态性检验，以检查所得数据的可用性。若样本呈正态分布或是趋近于正态分布，则表明样本在统计学上反映了两者的差异。Ryan-Joiner检验通过计算样本数据与数据的正态分值之间的相关性来评估正态性，如果相关系数接近1，则说明样本数据总体很有可能呈正态分布，如果相关系数小于相应的临界值，则否定正态性假设。其步骤如下：

首先，假设某样本集服从正态分布，将该样本数据按照从小到大的顺序进行排序，并设置对应的编号，如第i个数据对应的样本值为Xi，然后按式（5）对样本数据标准化。

式中，bi表示样本Xi标准化后的值，Xi表示样本数据中的第i个样本值，M为所有样本数据的算术平均值，S为所有样本数据的标准差。

第二，按式（6）计算相关系数R值。

式中，N为样本总数，i为样本序号。

最后，查《Ryan-Joiner检验临界值表》，得到临界值R（N，α），其中，α为给定的显著性水平。若R≥R（N，α），则说明样本服从或趋于正态分布；反之，则不服从正态分布。如R（20，0.05）=0.9504，若R≥R（20，0.05），则表示在0.05显著性水平上，20个样本服从正态分布。

2 结果与分析

2.1 数据差异正态性检验

分别计算GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪各时次在5个规定等压面上的温度差、位势高度差和相对湿度差，得到GTS1与GTS11、GTS12对比样本各19份，与GTS13对比样本各20份。采用Ryan-Joiner方法对上述样本进行正态性检验，结果显示R值均大于对应的临界值R（20，0.05）=0.950 4和R（19，0.05）=0.948 4，服从正态分布。表明，上述样本数据在统计学上反映了GTS1与GTS11、GTS12、GTS13型数字探空仪在正常工作情况下测量温度、位势高度和相对湿度上的差异。

2.2 温度对比

图1给出了GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪在925～500 hPa各规定等压面上温度观测数据的平均偏差、绝对偏差和均方根误差曲线。从图1a中可知，3组比对样本平均偏差均为负值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3种探空仪的温度观测值均低于GTS1型探空仪。GTS11、GTS12、GTS13型探空仪温度传感器采用珠状热敏电阻，与GTS1型探空仪的棒状热敏电阻相比，温度传感器上的真空镀铝涂层对大气长波辐射和短波辐射的反射率均优于白漆，能够更有效地减小辐射对温度传感器的影响，响应速度更快、测量准确性更高[6-9]。GTS11型平均偏差随气压降低无明显变化，差值介于-0.09～-0.14℃，700 hPa平均偏差最大为-0.14℃，600 hPa平均偏差最小为-0.09℃。GTS12型平均偏差随气压降低而略有增大，差值介于-0.21～-0.31℃，700 hPa平均偏差最小，为-0.21℃，500 hPa平均偏差最大，为-0.31℃。GTS13型平均偏差随气压降低无明显变化，差值介于-0.11～-0.16℃，800 hPa平均偏差最大，为-0.16℃，在500 hPa处平均偏差最小，为-0.11℃。

由图1b可知，GTS11型绝对偏差随气压降低而略有减小，差值介于0.14～0.24℃，变化幅度为0.1℃，850 hPa绝对偏差最大，为0.24℃，在其他等压面间差异较小，为0.14～0.17℃。GTS12型绝对偏差随气压降低而略有增大，差值介于0.24～0.32℃，变化幅度为0.08℃，925 hPa绝对偏差最小，为0.24℃，500 hPa绝对偏差最大，为0.32℃；GTS13型绝对偏差随气压降低而略有增大，差值介于0.15～0.23℃，变化幅度为0.08℃，925 hPa平均偏差最小，为0.15℃，500 hPa绝对偏差最大，为0.23℃。

由图1c可知，GTS11型均方根误差介于0.18～0.32℃，变化幅度为0.14℃，925～850 hPa呈增大趋势，850 hPa均方根误差最大，为0.32℃，之后随气压降低呈减小趋势；GTS12型均方根误差随气压降低而略有增大，介于0.28～0.37℃，变化幅度为0.09℃；GTS13型均方根误差随气压降低而增大，介于0.17～0.37℃，变化幅度为0.2℃。

图1 GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪温度观测差异

综上所述，3组比对样本在925～500 hPa各等压面上的温度差变化幅度微小，具有较好的一致性。

2.3 位势高度对比

对GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪在925～500 hPa各规定等压面上位势高度的平均偏差、绝对偏差、均方根误差开展分析，得到图2a～2c，可以得出，平均偏差均为负值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3种探空仪的位势高度测量值均低于GTS1型探空仪；平均偏差、绝对偏差和均方根误差均随着高度增高而增大。进一步分析位势高度的相对误差，得到图2d。GTS11型位势高度相对误差在-0.04%～-0.07%，GTS12型相对误差在5个规定等压面上均为-0.08%，GTS13型相对误差均为-0.01%。结果表明：比对样本位势高度差存在累加效应，这与梁正鹏等[6]和颜国跑等[25]的研究结果相似，某规定等压面位势高度是由该等压面以下的各等压面间厚度累加，而两个相邻等压面间厚度由气压、平均温度和平均相对湿度决定[13]，因而导致随着厚度层的累加，平均偏差、绝对偏差和均方根误差逐渐增大。而相对误差随高度增高基本保持不变，4种型号探空仪在位势高度上具有良好的一致性。

图2 GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪位势高度观测差异

2.4 相对湿度对比

对GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪在5个规定等压面上相对湿度观测数据的平均偏差、绝对偏差和均方根误差进行研究（图3）。由图3a可知，平均偏差均为正值，表明GTS11、GTS12、GTS13型3种探空仪的相对湿度观测值均高于GTS1型探空仪，即与GTS1相比，3种类型探空仪测得的相对湿度值均表现为偏湿。GTS11型相对湿度平均偏差随高度增高而减小，介于2.7%～5.3%，925 hPa处最大，为5.3%，500hPa最小，为2.7%，变化幅度为2.4%；GTS12型相对湿度平均偏差随高度增加呈增大趋势，介于3.7%～8.5%，在925 hPa处最小，为3.7%，600 hPa处为突变点，达到最大差值8.5%，之后随高度增加而减少；GTS13型相对湿度平均偏差随高度增高呈增大趋势，介于1.5%～4.1%，在925 hPa处最小，为1.5%，在700 hPa处最大，为4.1%。

从图3b中可知，GTS11型相对湿度绝对偏差随高度增高而减小，介于5.5%～7.7%，925 hPa处最大，为7.7%，500 hPa最小，为5.5%；GTS12、GTS13型相对湿度绝对偏差随高度增高呈增大趋势，925 hPa处最小，分别为5.6%和7.7%，600 hPa处为突变点，达到最大差值，分别为8.5%和8.8%，之后随高度增高而略有减少。

从图3c中可知，GTS11型相对湿度均方根误差随高度增高而减小，介于6.5%～10.6%，925 hPa处最大，为10.6%，在500 hPa最小，为6.5%；GTS12、GTS13型相对湿度均方根误差随高度增高呈增大趋势，分别介于5.0%～9.6%和7.7%～10.9%，925 hPa处最小，分别为5.0%和7.7%，600 hPa处为突变点，达到最大差值，分别为9.6%和10.9%，之后随高度增高而略有减少。

图3 GTS11、GTS12、GTS13与GTS1型探空仪湿度观测差异

GTS11、GTS12、GTS13型3种探空仪测量相对湿度均较GTS1型探空仪偏湿，GTS12、GTS13型测量值随高度增高偏湿程度呈增大趋势。冒晓莉等[26-27]研究表明，太阳辐射引起湿度传感器感湿膜周围空气温度上升，导致相对湿度出现显著偏干现象，对GTS1型湿度测量的偏干影响仍较显著，温度误差随海拔高度的升高明显增大。而GTS11、GTS12、GTS13型探空仪采用温度系数更低的高分子湿敏电容，减弱了温度的影响，降低了湿度偏干程度。

2.5 GTS1型探空仪1和7月历史观测数据对比

利用2009—2019年1和7月GTS1型数字探空仪观测得到的温度、气压和相对湿度，分析温度、位势高度和相对湿度11 a旬平均值在5个规定等压面上的变化特征（图4）。1和7月各旬温度的旬平均值随高度升高均呈下降趋势，变化幅度基本一致，1和7月整体温度变化趋势基本一致（图4a）。1和7月各旬位势高度的旬平均值在5个规定等压面上的变化趋势基本一致，1和7月整体位势高度随气压下降略有差异，从地面到850 hPa，相同等压面上的位势高度7月略低于1月，气压降至850 hPa以下后，相同等压面上的位势高度7月略高于1月，且随着气压下降差异略有增大（图4b）。1和7月各旬相对湿度的旬平均值在5个规定等压面上的变化趋势大体一致，1和7月整体相对湿度随高度增加均呈下降趋势（图4c）。1和7月GTS1型探空仪对温度、位势高度和相对湿度的测量值，在5个规定等压面上变化趋势基本一致。

图4 GTS1型探空仪2009—2019年1月和7月观测数据旬平均值变化曲线

3 结论与讨论

（1）GTS11、GTS12、GTS13型 数 字 探 空 仪 在925～500 hPa各等压面上测得的温度低于GTS1型探空仪，随气压降低温度差变化幅度微小，具有较好的一致性。对比分析GTS1型探空仪自身历史观测数据，其在1和7月对温度、位势高度和相对湿度的测量值，在5个规定等压面上变化趋势基本一致。

（2）GTS11、GTS12、GTS13型数字探空仪位势高度测量值均低于GTS1型探空仪，平均偏差、绝对偏差和均方根误差均随着高度增高而增大，进一步分析相对误差，发现与GTS1型相比，在5个规定等压面处，GTS11型位势高度相对误差介于-0.04%～-0.07%，变化幅度微小；GTS12型相对误差均为-0.08%，GTS13型相对误差均为-0.01%。相对误差随着高度增高基本保持不变，4种型号探空仪在位势高度测量上具有良好的一致性。

（3）GTS11、GTS12、GTS13型数字探空仪相对湿度测量值较GTS1型探空仪偏湿，GTS12、GTS13型在925～600 hPa各等压面处测量值随高度增高偏湿程度呈增大趋势，600 hPa处为突变点，达到最大差值，之后差值随高度增高而减小。

（4）受试验手段限制，本研究仅针对925～500 hPa各等压面处的观测数据进行对比分析。因在高度过400 hPa之后，GTS11、GTS12、GTS13型数字探空仪搭载湿敏电容传感器出现湿度观测异常偏干的试验次数较多，不能准确真实地反映高空的大气状态，需要进一步订正，而GTS1型数字探空仪搭载湿敏电阻传感器相对湿度测量效果相对较好，差别原因有待于相关领域学者开展进一步研究。