三种新型数字探空仪GTS11、GTS12、GTS13性能评估

贺黔阳，李彦军，冉光辉，党雪妮

(西藏自治区林芝市气象局，西藏 林芝 860000)

0 引言

气象观测可应用于天气分析和预报的实时准备、气候调研、与局地天气有关的业务，其资料必须具有代表性、准确性、比较性[1]。气象观测特别是高空观测的发展在推动气象科学与气象业务的发展中发挥了先导作用[2]。中国气象局相关观测技术规范要求：“气象探测站网上任何新元器件、新观测方法等的应用，往往伴随着探测精度的相应变化和提高。都必须明确记录仪器在换型前后变化量，供气候资料使用和气候变化研究者参考”[3]。目前，我国不同观测方法、仪器对比观测资料分析研究较多[4-11]， 相同观测方法、相似仪器性能比较分析少，西藏自治区高空观测这方面的分析研究还处于空白。

林芝市地处西藏自治区东南部，雅鲁藏布江中下游，26°52′～30°40′N 、92°09′～98°47′E之间，总面积11.7万 km2。林芝探空站(简称林芝站)始建于1959年，现址位于林芝市巴宜区广州大道南段16号，海拔高度2991.8 m。

本文对林芝站使用的3种新型仪器的性能进行多方面评估，为气象业务和后期资料的质量及均一性检验评估提供基础数据，同时为本站或其他台站采购探空仪器提供参考。

1 对比观测操作方法

按照中国气象局《观测司关于开展探空仪换型工作的通知》(气测函〔2019〕52号)的要求，3种新型探空仪(简称新仪器)依次为GTS11型(简称 GTS11 )、GTS12型(简称 GTS12)、GTS13型(简称 GTS13)(本文仪器顺序指此顺序，注明除外)于2020年1月1日在林芝站正式投入业务使用，仅1月、7月与原业务用探空仪(称旧仪器)GTS1-1型(简称 GTS1-1)对比观测。新、旧仪器观测观资料接收系统对应为L波段(1)型高空气象探测系统(简称L波段雷达)、GTC2型 L波段探空数据接收机系统(简称备份机)。

日期对应的仪器：1—10日对应GTS11，11—20日对应GTS12，21—31日对应GTS13。单数日(1、3、5、7、9)对应20时，双数日(2、4、6、8、10)对应08时。新仪器分别与旧仪器对比观测。

对比观测时段，L波段雷达(备份机)、新(旧)仪器的频率均为1665 MHz(1685 MHz)，将系统频率调整为对应频率，同时将L波段(1型)数据处理软件(简称处理软件)设置为相应的仪器型号。其他时段使用对应的新仪器，系统、仪器的频率均为1675 MHz(注意：处理软件需与仪器型号相对应)。

为减小2种仪器观测值的误差，新、旧仪器串联捆绑在探空气球绳子的另一端，新仪器下，旧仪器上，两者相距1 m，利用放球软件确定放球开始时间功能，达到2个系统同步接收信号。

2 资料来源及方法

资料来源于经西藏自治区业务部门审核后的林芝站7月探空资料；1—4月新仪器使用数量，数量包含正常施放、不合格(基测前、基测或施放前不合格)和重放球[12](本文指仪器原因导致仪器施放后，观测记录不能同时达到10 min和气压达到500 hPa条件)仪器的数量。采用静态分析和动态分析方法。

2.1 静态分析

2.1.1 仪器性能 1—4月，新仪器分类合计使用数量相差小，其它月新仪器交叉使用，且数量相差大，故选取1—4月新仪器使用数量，计算不同仪器的不合格仪器和重放球仪器的百分率。

2.1.2 仪器附件性能 从仪器配用电池、参数拷贝(光盘)所需时间、大风放球器使用方便程度3个方面进行对比。

2.2 对比分析方法

计算对比观测时段，新仪器规定等压面层上要素(温度、位势高度、湿度)值的平均与旧仪器对应要素值的平均，采用绝对偏差方法，分析新、旧仪器同一时次观测资料的一致性。各规定等压面层上的位势高度用本站位势高度和各规定等压面层间的位势厚度累加得到[12]。

(1)

(2)

(3)

Ai是同一时次备份机第i层对比观测数据，n为有效对比观测次数。

3 结果分析

3.1 新仪器不合格和重放球情况

对1—4月新仪器不合格和重放情况进行分类统计计算，按仪器顺序，正常施放数量分别为80、82、80个；实际使用96、89、91个；不合格9、5、11个；重放球7、2、0个；不合格率9.3%、5.6%、12.1%；重放率8.1%、2.3%、0.0%。

3.2 新仪器施放前准备工作时间差异

统计新仪器施放前准备工作时间，按仪器顺序排列，拷贝仪器参数：15～20 min、1～2 min、0 min；电池：8～10 min、3～5 min、0 min(注：如出厂时间较长可提前充电)；大风放球器装配：0.5～1.5 min、0.5～1.5 min、0.1～0.2 min。

3.3 不同高度要素值差异分析

3.3.1 规定等压面层上的要素值比较 林芝站处于河谷地带，周围都是高山，1月受大气环流影响，高空风大，仪器信号容易受到高山阻挡，获取规定等压面层少。为获取更多规定等压面层上要素值对比，选取新仪器7月20时，规定等压面层700～250 hPa区间上要素值的平均与对应旧仪器要素值的平均比较，以旧仪器观测要素值的平均为标准值，见表1。

表1 规定等压面层上新仪器要素值的平均与标准值比较Tab.1 Comparison of average and standard values of new instrument elements on specified ISOBARIC surface layer

由表1可见，新仪器在规定等压面层上要素值的平均与标准值比较，规定等压面层上仪器观测值的平均偏差范围，按仪器顺序排列，温度：-1.02～-0.30 ℃、-0.90～0.86 ℃、-1.36 ～-0.34 ℃；位势高度：-19.40～-0.20 gpm、-12.6～0.00 gpm、-26.20～-0.06 gpm；相对湿度：-3.20%～2.00%、-3.60%～9.60%、-3.00%～9.00%。要素偏差，温度GTS11、GTS13均为负，GTS12规定等压面层600、400 hPa上为正外，其余为负；位势高度除GTS12规定等压面层700 hPa上为0.00 gpm，其余为负；湿度新仪器正多于负。

3.3.2 对比观测仪器单日观测要素秒数值比较 为获取更多单日探空观测要素(温、压、湿)秒数据值比较，选择新、旧仪器同时观测到球炸的日期，分析7月7日、11日、31日20时秒数据资料，以旧仪器观测时间准，剔除对比仪器不同的时间及时间对应要素值，使对比观测新、旧仪器时间上要素值对应，以旧仪器观测要素值为标准值，采用绝对偏差方法分析，结果如下：

温度GTS11≤0.50℃为70.39%；0.51～2.00℃为28.19%；>2.00℃为1.41%。GTS12≤0.50℃为33.13%；0.51～2.00℃为58.93%；>2.00℃为7.94%。GTS13≤0.50℃为92.61%；0.51～2.00℃为7.39%；≥1.00℃为0.00%。

气压GTS11≤1.00 hPa为27.49%；1.01～2.00 hPa为67.45%；>2.00 hPa为5.06%。GTS12≤1.00 hPa为95.04%；1.01～2.00 hPa为4.59%；>2.00 hPa为0.37%。GTS13≤1.00 hPa为99.57%；1.01～2.00 hPa为0.36%；>2.00 hPa为0.07%。

湿度GTS11≤5%为39.73%；6%～10%为47.56%；>10%为13.72%。GTS1≤5%为21.09%；6%～10%为43.67%；>10%为35.24%。GTS13≤5%为35.46%；6%～10%为24.34%；>10%为40.20%。新型仪观测要素值与标准值比较，差异大小不同，原因与文献[3]研究结果一致，即由传感器元件差异及采取的制造工艺不同而造成。

4 结论

①1—4月新仪器不合格、重放仪器的百分率，由大到小排列，不合格：GTS13、GTS11、GTS12；重放：GTS11、GTS12、GTS13；施放前准备工作时间，由长到短排列： GTS11、GTS12、GTS13；重放时选择仪器顺序：GTS13、GTS12、GTS11。

②7月20时规定等压面层700～250 hPa区间上，新仪器观测要素值的平均与标准值比较，偏差绝对值的最大偏差，由大到小排列，温度：GTS13、GTS11、GTS12；位势高度：GTS13、GTS11、GTS12；湿度：GTS12、GTS13、GTS11。

③新仪器单日20时探空秒数据要素值与标准值比较，偏差的绝对值范围内出现次数所占百分比，由大到到小顺序排列，温度≤0.50 ℃：GTS13、GTS11、GTS12；气压≤1.00 hPa：GTS13、GTS12、GTS11；湿度≤5%：GTS13、GTS11、GTS12。