银川站探空仪换型平行观测数据对比分析

陈 荣，李 琨，杨文军，任柏帆

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.银川市气象局,宁夏 银川 750002；4.贺兰县气象局，宁夏 银川 750200；5.中国电信股份有限公司 宁夏分公司，宁夏 银川 750002）

L波段高空气象探测系统是新一代高空探测系统的重要组成部分[1]，其由地面L波段二次测风雷达GFE（L）1型和高空数字化电子探空仪GTS1型组成，具有自动化程度高、精度高、时效快、界面新颖、使用方便等特点，可以实现高空气象探测仪器的数字化和自动化[2-3]。为进一步提升我国高空气象观测水平，2020年中国气象局开展了高空观测探空仪换型工作。由于高空探测站内任何新型元器件、探空仪、观测方法等的应用，常伴随着探测精度的变化，因此中国气象局相关观测技术规范要求必须确定高空记录在换型前后的变化量，以供气候资料使用者和气候变化研究者参考[4]。近年来，有不少专家在探空系统换型后，分析研究了相应的换型记录。陈芳等[5]、王英等[6]分析研究了59-701型探空系统升级为L波段雷达-探空仪系统的换型记录,得出换型后雷达系统高度、温度、相对湿度探测值较换型前显著降低的结论。张聪娥等[7]研究了59型机械探空仪和L波段电子探空仪在100 hPa以下位势高度、温度、露点温度和湿度测值的差值及差异存在的具体原因。针对新型探空仪，梁正鹏等[8]分析了三亚地区平行观测期间GTS1-2和GTS11型探空仪的观测数据，认为GTS11型探空仪在整体上可以测得较低的温度值和较高的相对湿度值，且能获取更丰富的湿度数据细节；在测量位势高度上两种型号的探空仪具有较好的一致性。贾秋兰等[9]也对邢台市探空系统在换型前后的差异性进行了分析，认为系统之间的差异与观测时间有直接关系。

气候研究需要高质量、高分辨力的高空气象探测要素。2020年1月和7月，银川市国家高空气象观测站开展了探空仪换型平行观测工作。本文通过分析探空仪换型平行观测期间的探空高度以及30 hPa以下逐层规定等压面层的探测数据，得出了新型探空仪和换型前探空仪的系统差异，为提高天气预报准确率提供了可靠的参考依据，同时为气象科学研究和提高仪器性能、确定仪器使用权重提供了参考。

1 探空仪换型平行观测与对比分析

1.1 平行观测方法

本次换型设备主要包括探空仪和基测箱，换型前后的设备型号如表1所示。

表1 探空仪和基测箱换型前后的型号

平行观测分别自2020年1月1日和2020年7月1日20:00开始，每天1次，20:00和08:00交替进行。两个阶段共进行有效平行观测62次。对比期间,按照1—10日南京大桥（GTS11）；11—20日上海长望（GTS12）；21—31日山西太原（GTS13）的时间段分配使用探空仪。观测过程中，采用同球串联的施放方式，新型探空仪在下，换型前使用的探空仪在上，两者相距1 m，并且要确保同时施放，以便于降低施放误差。探空气球净举力需按照新型探空仪及附属设备的重量增加。为避免探空仪在平行观测过程中的相互干扰，需将探空仪的频率错开20 MHz，将换型前探空仪的中心频率调至1 685 MHz，由应急接收机接收信号；将新型探空仪的中心频率调至1 665 MHz，由探空雷达接收信号。

1.2 资料与分析方法

本文采用的数据为银川市国家高空气象观测站平行观测原始数据，并且根据探空仪换型前和换型后获取的规定标准等压面逐日位势高度、温度、湿度的定时资料，计算了平均差值，分析了探空仪换型后对资料一致性的影响。平均差值的计算公式为

2 探空数据分析

2.1 探空仪基测值分析

放球前，对探空仪的基测是重要的准备工作之一，也是检验探空仪是否合格、能否施放的关键一步[10]。基测是指使用基测箱将探空仪温、湿度传感器与检测箱内温度、湿度的标准器进行比对，使探空仪各传感器在基测箱环境中充分感应，从而使探空数据的变化特性与标准仪表的响应特性相适应，达到规定施放的要求。

GTS11，GTS12和GTS13型探空仪基测气温变量差值变化情况如图1所示。由图可知，3种型号探空仪的基测气温变量差值变化幅度均很小，平均值分别 为0（GTS11），0（GTS12），-0.1（GTS13）；其 中GTS13型探空仪最稳定，气温变量55%为-0.1，45%为0；GTS11型探空仪的稳定性次之，气温变量55%为-0.1，20%为0，20%为0.1，5%为-0.2。综上可知，3种型号探空仪的基测气温最小变量均为0，最大变 量 分 别 为-0.2（GTS11），0.3（GTS12），-0.1（GTS13）。

图1 GTS11，GTS12和GTS13型探空仪基测气温变量差值

GTS11，GTS12和GTS13型探空仪基测气压变量差值变化情况如图2所示。由图可知，3种型号探空仪的基测气压变量差值变化幅度均很小，平均值分别为-0.1（GTS11），0.3（GTS12），0（GTS13）；3种型号探空仪的基测气压最小变量均为0，最大变量分别为-1.7（GTS11），0.7（GTS12），-0.9（GTS13）；GTS13型探空仪的气压基测变量最小，表明其更接近换型前探空仪的气压基测值。

图2 GTS11，GTS12和GTS13型探空仪基测气压变量差值

2.2 探空仪位势高度平均差值分析

探空仪换型前后在规定等压面上位势高度观测数据的平均差值变化情况如图3所示。由图可知，3种新型探空仪高空探测的位势高度差值随着高度的增加而增大，且均为负值；GTS12型探空仪的位势高度差值最大，平均值为-14.6 gpm，最大值为-38.9 gpm；GTS13型探空仪的位势高度差值最小，平均值为-7.5 gpm，最大值为-19.5 gpm。探空仪换型给位势高度的观测带来了一定的差异性，3种新型探空仪测得的位势高度均小于换型前探空仪的测得值，但总体情况比较稳定，没有出现大的跳变。

图3 GTS11，GTS12，GTS13与GTS1型探空仪位势高度平均差值

2.3 探空仪温度平均差值分析

探空仪换型前后在规定等压面上温度观测数据的平均差值变化情况如图4所示。由图可知，GTS11型探空仪高空探测温度差值在900～300 hPa随高度的增加而增大，且为正值；在250～40 hPa随高度的增加而增大，且为负值。表明GTS11型探空仪在300 hPa以上测得的高空温度值高于GTS1型探空仪的测得值；在300 hPa以下测得的高空温度值低于GTS1型探空仪的测得值。两种探空仪测得的温度平均差值为-0.2℃。

图4 GTS11，GTS12，GTS13与GTS1型探空仪温度平均差值

GTS12型探空仪高空探测温度差值总体随高度的增加而逐渐增大，且为负值，温度平均差值为-0.4℃，表明GTS12型探空仪测得的高空温度值低于GTS1型探空仪的测得值。GTS13型探空仪高空探测温度差值随高度的增加较为稳定，基本保持-0.2℃不变，更接近换型前探空仪测量的高空探测温度。

2.4 探空仪湿度平均差值分析

探空仪换型前后在规定等压面上湿度观测数据的平均差值变化情况如图5所示。由图可知，GTS11，GTS13型探空仪高空探测湿度差值的变化趋势趋于一致，在700 hPa以上湿度差值为正值，即换型后探空仪湿度数据大于换型前探空仪湿度数据；700 hPa以下湿度差值转为负值，即换型后探空仪湿度数据小于换型前探空仪湿度数据；总体趋势为湿度平均差值随着高度的增加而增大，但至150 hPa时，差值又逐渐减小。GTS11型探空仪湿度平均差值为-4.3%，GTS13型探空仪湿度平均差值为-5.6%，GTS12型探空仪湿度平均差值最小，为-1.5%。以250 hPa为界，地面～250 hPa湿度平均差值为正值，200～30 hPa湿度平均差值为负值。其表明在250 hPa以下GTS12型探空仪测量的高空湿度数据大于换型前探空仪的测得值；在250 hPa以上GTS12型探空仪测量的高空湿度数据小于换型前探空仪的测得值。

图5 GTS11，GTS12，GTS13与GTS1型探空仪湿度平均差值

3 探空高度对比分析

探空仪换型前后探空平均高度差值变化情况如图6所示。图中，前11组数据为1月（冬季）探空平均高度差值，后11组数据为7月（夏季）探空平均高度差值。由图可知，2020年1月GTS11和GTS12型探空仪与换型前探空仪相比，探空平均高度差值较大，是因GTS1型探空仪出现4次故障所致。2020年7月在31次观测中仅GTS13型探空仪出现1次故障，GTS11和GTS12型探空仪的差值幅度较稳定，但探空平均高度均低于GTS1型探空仪；与其他2种型号探空仪相比，GTS13型探空仪探空平均高度高于GTS1型探空仪探空平均高度的次数较多。GTS11，GTS12，GTS13型探空仪平行观测期间探空平均高度分别为28 313 m，28 316 m和29 160 m，均高于GTS1型探空仪探空平均高度28 302 m，其中GTS13型探空仪探空平均高度最高，超过28 600 m的考核指标。

图6 GTS11，GTS12，GTS13与GTS1型探空仪探空平均高度差值

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）GTS11，GTS12，GTS13型探空仪基测气温、气压变量差值同换型前探空仪相比，均比较稳定。

（2）GTS11，GTS12，GTS13型探空仪的位势高度差值均为负值，且随高度的增加而增大。新型探空仪测得的位势高度整体上没有大的跳变，均小于换型前探空仪的测得值。GTS13型探空仪的高空温度测量值较为稳定，随着高度增加，高空探测温度差值基本保持-0.2℃不变，更接近换型前探空仪的测得值。GTS11型探空仪在300 hPa以上测得的高空温度值高于换型前探空仪的测得值；在300 hPa以下测得的高空温度值低于换型前探空仪的测得值。GTS12型探空仪测得的高空温度值始终低于换型前探空仪的测得值。

（3）在700 hPa以上，GTS11和GTS13型探空仪的高空湿度测量值大于换型前探空仪的测量值；在700 hPa以下，GTS11和GTS13型探空仪的高空湿度测量值小于换型前探空仪的测量值。在250 hPa以下，GTS12型探空仪的高空湿度测量值大于换型前探空仪的测量值；在250 hPa以上，GTS12型探空仪的高空湿度测量值小于换型前探空仪的测量值。

4.2 讨论

GTS13型探空仪在获取位势高度、温度、湿度数据方面，探测能力较为稳定，其与换型前探空仪相比，探测值没有大的跳变，更接近换型前探空仪的测得值。GTS13型探空仪的探空平均高度较高，超过了考核标准，且该仪器性能稳定，故障率较低，使用干电池供电，操作更加便捷。高空观测业务探空仪换型后以中国气象局规定的仪器使用比例为基准，基于以上优点，建议以最大的比例使用GTS13型探空仪。