新型数字式电子探空仪故障分析及应用探讨*

刘树霄

青岛市气象局气象探测保障中心 山东 青岛 266003

引言

大气探测是气象业务的基础。高空气象观测作为综合气象观测系统的重要组成部分，在全球数值模式、天气预报预警、气候监测分析等中发挥着重要作用，是国内外大气科学研究的重要信息来源，是气象部门的常规性、基础性、重要性气象观测业务。青岛市气象局气象探测保障中心距离黄海1.4km，是我国离海洋最近的综合气象观测中心。自1898年有气象观测记录以来，已有124年的观测历史，是世界气象组织（WMO）百年气象站。高空气象观测始于1932年，是全国仅有的26个开展01时午夜观测、每日进行3次定时观测、参与全球数据交换的国家高空气象观测站，在全球气象观测业务中具有重要地位和作用。为进一步提升高空气象观测技术水平，按照中国气象局综合观测业务统一布局，青岛国家高空气象观测站自2020年1月1日起开展新型数字式电子探空仪（以下简称新型探空仪）换型工作，使用GTS11型、GTS12型、GTS13型三种新型探空仪。本文根据青岛国家高空气象观测站三种新型探空仪2年的业务探测应用实践，对三种新型探空仪出现的常见故障和使用技巧进行较系统地总结，以期为高空气象观测站特别是沿海高空气象观测站进一步提高观测技术和业务质量提供经验和技术参考。

1 新型探空仪特点

新型数字式电子探空仪由温度传感器、气压传感器、湿度传感器、测量转换器、发射机、电池、泡沫包装外壳等部分构成。配合GFE（L）1型高空气象探测雷达（以下简称“L波段雷达”）工作，用于空中温度ΔT≤±0.4℃，气压ΔP≤±2hPa，湿度ΔU ≤± 4%、风速风向等多种气象要素的综合探测。新型探空仪包括南京大桥机器有限公司生产的GTS11型（取代GTS1型）、上海长望气象科技股份有限公司生产的GTS12型（取代GTS1-1型）和太原无线电一厂有限公司生产的GTS13型（取代GTS1-2型）探空仪。

3种新型探空仪的温度传感器，均采用了珠状热敏电阻，珠体直径小，具有灵敏度高、体积小、响应速度较快、使用方便、防辐射性能及防水性能较好等多项优点。GTS11型和GTS12型探空仪的温度传感器表面涂有真空镀铝涂层，短波反射率超过90%，长波反射率超过95%；GTS13型探空仪的温度传感器表面涂有高反射率涂层，也可以减小长短波辐射的影响。每只温度传感器均具有各自的R-T特性曲线检定证。

3种气压传感器采用了硅压力传感器。高强度、高硬度、良好弹性的硅材料，使硅压传感器可靠性好、灵敏度高、迟滞极小，能最大限度地满足不同气压变化率下对测量精度的要求。传感器线性度高，体积小，一定程度上简化了计算气压时所需参数，降低电子线路设计方面的难度。每只气压传感器均有各自的P = f（V, T）特性曲面检定证，以保证其测量精度。

3种湿度传感器均采用高分子湿敏电容，有效缓解了原传感器中湿敏电阻响应速度较慢、滞后误差较大的问题。湿度传感器均安装在温湿度传感器支架上，同时均配有防雨罩，可防止雨水对高分子湿敏电容的污染。高分子薄膜性质比较稳定，湿敏电容具有测湿范围广、线性度好、响应速度更快、灵敏度更高、滞后系数很小、温度系数较低、体积小等多项技术优点。例如GTS12型探空仪湿度传感器在25 ℃时，响应时间小于3秒，在-20 ℃时，响应时间小于15秒，年漂移量小于1.5 %。每只湿度传感器具有各自的C-U特性曲线检定证。

由于新型探空仪采用了新材料、新工艺，对温度、气压、湿度传感器等进行了多方面技术改进，感应元件灵敏度更高，提高了测量准确度、响应速度，和感应元件的稳定性与环境适应性等技术指标。依据中国气象局综合观测司发布的GTS11型、GTS12型、GTS13型三种新型探空仪标准偏差，温度分别为0.17 ℃、0.24 ℃、0.25 ℃，气压分别为0.30hPa、0.55hPa、0.41hPa，湿度分别为5.09%、6.51%、6.99%，与原探空仪（GTS1型、GTS1-1型、GTS1-2型）相比，各项性能指标均有较大提升。

2 常见故障及原因分析

2020年1月1日至2021年12月31日，青岛国家高空气象观测站共使用1534个新型探空仪，其中GTS11型878个，GTS12型530个、GTS13型126个。由目前仪器使用统计故障情况见表1，主要故障有仪器故障或无信号、基测不合格、仪器变性、信号突失等4类。

表1 2020-2021年青岛站新型探空仪故障统计

2.1 仪器故障或无信号

新型探空仪的温度传感器、气压传感器、湿度传感器等均为较精密的感应元件，仪器运输过程中部分损坏可能引起传感器或其他零件故障，导致仪器无信号或故障无法使用。

2.2 基测不合格

仪器出厂后，由于在运输、搬运、存储或保管过程中存在不确定因素，导致仪器精度有时存在不确定性。仪器使用前，必须严格进行基值测定。依据中国气象局综合观测司业务要求三种新型探空仪基测合格标准为：温度，气压，湿度。基测时，若探空仪测量值与基测箱标准值偏差超过以上标准，则该仪器不能被使用。

2.3 仪器变性

仪器变性是指探测过程中，雷达接收的温度、气压、湿度之一或多要素同时出现明显异常的情况，且无法恢复。严重时出现要素值恒定不变的“僵值”。

常见的温度变性是温度曲线突变至-90 ℃且保持不变[1]。有时温度只在某一高度层有所变化，出现数据不连续的“跳跃”现象；抑或有时虽然数据连续变化、但已明显偏离规定等压面上的温度值。另外，温度传感器飞升进入较冷空气过程中，若传感器上黏附雨水或水珠，其冻结释放的潜热会使气温升至0 ℃左右，此时会存在虚假的“0 ℃等温层”现象[2-3]。

湿度变性通常表现为湿度值出现恒定不变的“僵值”。在对流层高层的低温环境下，容易发生湿度传感器被冻结从而“瘫痪”，导致湿度测量值低至2%以下且保持不变；在对流层低层，湿度传感器从高饱和度转换至低饱和度过程中无法及时恢复，也会出现高湿度僵值[2]。

2.4 信号突失

信号突失指在探测过程中，雷达接收的探空仪温度、气压、湿度信号突然全部消失，导致探测记录不完整或终止观测，甚至探测高度未达500hPa因而此次探测失败需要重新探测[3]。信号突失常见于探空仪突遭雷击或电路板沾水短路等原因；其次是电池电压过低；三是探空仪抗雷击、强降雨、强积冰能力不强，不能在恶劣环境下持续可靠工作。

3 新型探空仪使用技巧

3.1 出箱仪器外观检查

探空仪开箱后，认真检查仪器的外包装和各传感器元器件的完好程度。探空仪外观应平整无变形、无明显的破损、划痕和污染等[4]，仪器的产品标识和功能说明标志应完整清晰，仪器的机体和零部件不应有锈蚀和机械损伤，紧固件应完好无松动，塑料件应无任何开裂、变形现象。温度传感器的热敏电阻器和湿度传感器的湿敏电阻器表面覆盖的涂层都应平整均匀且无斑点、疵点。元器件焊接牢固，各传感器元器件上连接线无虚焊、脱落现象[5]。此外，还应特别检查温度感应器引线是否断裂，湿度传感器的保护套是否松动，电路板接口之间是否连接紧密，探空仪外包装盒上标有的序列号与发射板上标识的序列号是否一致等。检查过程中，禁止用手触摸温度、湿度传感器，防止损坏传感器或引起温度、湿度变性。如发现仪器自身故障、可疑仪器、序列号不一致、过期仪器等，不进入基测程序。

3.2 信号频率调整

探空仪载波发射中心频率为1675MHz。若探空仪载波发射机性能不稳定，则容易出现频率漂移，导致雷达无法正常接收到应答信号，从而造成丢球。探空仪上升过程中，大气层温度变化范围可从40 ℃变化至-80 ℃，温差可达120 ℃。由于回答器电子元器件自身对周围环境温度变化非常敏感，在仪器探测过程中逐渐变性、进而导致频率出现漂移。由于L波段雷达工作频率可实现±3～4MHz幅度的自动调节，一旦仪器发射频率漂移的幅度太大且超出了雷达接收频率的自动调节范围，将因应答信号缺失导致丢球。

调整雷达接收机的频率至1675MHz左右，检查探空仪发射机回答信号。雷达询问脉冲置于小功率发射，天线对准探空仪，观察示波器显示的回答信号，回波凹口深度应在1/3～2/3较为合适[6]。若凹口两边各有一个小“凹口”，这说明频率过高应调低；若凹口两边各有一个小鼓包，说明频率过低应调高。一般调整到回波凹口两边平直，此时频率最优。若该频率偏移1675MHz超过±3MHz，可通过调节GTS11型、GTS12型探空仪发射机板上电位器的位置，改变可变电容器的电容量，顺时针旋转电容增大，频率降低；逆时针旋转螺丝电容减小，频率升高。若调节后发现频率仍然不在1675±3MHz范围内，则该仪器不能使用，可退回厂家修理。

探空仪升空后、施放前，应注意再次微调雷达接收机频率，确保始终与探空仪的载波中心频率值最为接近。探空仪施放后，随着升空时间加长，探空仪载波频率会不断升高，在对流层顶附近频率达到最大，随后逐渐降低。因此，在整个探测过程中应时刻留意雷达的接收频率。必要时，频率按钮一直置于“手动”状态，可以根据上述规律随时对频率进行微调，使雷达接收的信号始终保持凹口最清晰、信号最好的状态。

3.3 基测

基测在放球前45min左右进行。将探空仪移去温度和湿度传感器外面的保护罩，展开传感器支撑臂，湿度传感器的防护罩保持原来的状态。将探空仪放入基测箱中，开启基测箱电源。检查确认计算机接收的探空仪信号是否清晰稳定，探空仪序列号、时间、测量气象要素等数据是否有缺失、遗漏；计算机显示的探空仪序列号、探空仪外包装盒上序列号和发射板上的序列号三者是否一致。待探空仪温度、气压、湿度传感器等在基测箱环境中充分感应3～5min后，确认探空数据变化特性与基测箱标准仪表的响应特性相适应，将两者进行比较，在允许误差范围内，基测通过；在没有误读的情况下，两者相差较大、超出误差范围，则探空仪基测不合格，必须更换探空仪重新基测。

3.4 电池使用

GTS11型和GTS12型探空仪均采用了镁氯化亚铜注水式电池。电池准备不充分或使用不当，会造成探空信号较弱、仪器变性、测距凹口不清晰、甚至信号突失等问题。因此必须严格操作，确保仪器施放前电池电压达到标准值以上。WMO要求在15 ℃温度条件下，探空仪用电池需有3h的工作电流且输出电压不低于要求值的5%；当温度从15 ℃降至-10 ℃时，输出电压不应低于要求值的10 %。

3.4.1 外观检查。电池应存放在通风干燥的环境中，在使用前应仔细检查电池的外层包装，若有漏气、变形、线路和插头不完好等现象，则废弃不用。

3.4.2 电池浸泡。电池电压直接影响到探空与测风信号的稳定与质量。浸泡电池时的浸泡时间、水温、水量、放盐量，需控制在一定范围内，以期电池能达到最佳使用效果。

放球前40min，将电池浸入根据规定配方配置、水温在35～40℃之间的电水溶液；使用纯水时，水温应保持45～50℃。电池浸泡3～5min后取出滴去余水，放入保温盒内。

3.4.3 测量电池电压。一般电池电压在24V左右即可。若电压过低，会引起探空信号不清晰；若电压过高，则易造成信号突失。

3.5 探空仪装配

为了预留充分的时间用以解决仪器、电池可能出现问题，探空仪装配在放球前10～15min左右进行为宜。GTS11型探空仪温湿度传感器支架应向上以一定弧度弯曲，当探空仪天线向下时，支架与水平面夹角在15°～45°为宜，防止雨天雨水通过传感器杆滑进仪器舱内。GTS12型探空仪在雨天时需要用防水胶布密封包装盒与温湿度传感器支架伸出部位之间的空隙，防止雨水渗入引起电路板短路。GTS13型探空仪将保温盒上保护温湿支架的U型槽推起，用以支撑温湿支架，使其保持45°倾角，施放时须摘除温度传感器保护套。装配时注意盒盖压紧或绕线收紧。

3.6 基测箱维护

基测箱要求环境稳定，避免阳光直射。注意检查基测箱后面板的“气压检定口”，堵塞后影响气压测量。饱和盐溶液配制时，液面不要超过饱和盐托盘2/3，稳定10min方可进行探空仪基测。干湿球温度计储水盒中蒸馏水不超过储水盒4/5。须保持湿球温度计纱布清洁。正常环境一般5天更换一次纱布，当纱布末端出现黄色水渍时证明已污染，需要及时更换；换纱布时注意手的清洁，防止手上的油脂、汗液污染纱布。

4 特殊情况处理

4.1 无信号或信号异常

基测时若发现探空仪无信号或信号异常，应首先查看放球软件的“终端－雷达通信指示”是否仅有雷达发送给终端信号指示，确保探空信号是否畅通，然后仔细检查基测箱电源开关是否正常、仪器与连接线的插口是否紧实、仪器是否通电、仪器型号和序列号是否正确、雷达频率是否适宜等问题，并逐一排除。

若气球施放前出现无探空信号及脉冲信号的问题，应首先检查电池电压是否正常、仪器与电池插口是否紧实。若电压不正常，重新浸泡电池；若电压正常，或者仪器与电池插口接触不良，需立即更换探空仪，重新基测。

4.2 温压湿信号跳变至基测前状态

基测合格的探空仪在施放前，若温度、气压、湿度信号跳变至基测前状态，先将探空仪升空，用雷达天线自动跟踪，并且将频率调到合适的位置，以排除近地面物体对探空仪信号的干扰。若信号依然没有恢复正常，则判定探空仪故障，及时更换仪器。

4.3 恶劣天气感应器保护

出现大风、暴雨、暴风雪等恶劣天气时，仪器升空后、施放前容易发生温度传感器引线断裂、湿度防护罩掉落等现象，造成探空仪温度、湿度变性。这种情况下，基测结束后，可重新将温度、湿度传感器上保护套套上，避免在仪器装配、移动、升空过程中不小心触碰引起温度传感器引线断裂，注意需在气球施放前及时取下保护套。遇到强降水天气时，应注意观察湿度传感器上的防护罩是否掉落，避免湿度传感器完全暴露于大气环境中，确保其不受雨水或冰的影响。

4.4 基测箱湿度异常

出现基测箱相对湿度偏大或恒定为100%时，应逐一排查包裹感应器部分的纱布是否套紧、纱布盒内是否有纯净水、纱布条是否浸泡其中、纱布是否湿润等。

4.5 注意事项

4.5.1 探空仪为独立真空包装，使用前请勿打开包装，以免湿度传感器长期暴露在空气中受环境影响降低其测量准确度。

4.5.2 电池浸入盐溶液的时间不应过长，否则影响使用效果。连续放球时，同一盐溶液使用不应超过3次，隔日浸泡电池时需更换新的盐溶液。

4.5.3 浸泡后的电池一定要滴干水分，以防仪器装配后电池接口进水引起仪器短路。切勿挤压水或用力甩水，否则电池内含水过少，影响使用效果。

4.5.4 检查探空仪信号时，探空仪天线应远离金属物体。

4.5.5 基测时，探空仪一般采用其本身的电池组。基测箱提供的电源仅在检查探空仪时使用。

4.5.6 基测、装配探空仪时，应注意保护温度、湿度传感器。摘取温度、湿度传感器保护套时，应避免损伤温度传感器引线。切勿用手直接触碰温度、湿度传感器，防止污染和损坏传感器。施放探空仪时温湿度传感器支架弯曲要平缓，有一定弧度，否则会造成内部引线折断，造成温度、湿度变性。湿度传感器防护罩必须保留，确保施放时保持原状态。

4.5.7 探空仪装配不宜太早。探空仪装配后，若在地面停留时间太长，探空仪盒内的热量散发不出去、内部温度过高，可能导致仪器变性。此外，时间过久，探空仪应重新进行基测。

4.5.8 应将待施放的探空仪置于阴凉环境中，避免阳光直射。

5 结束语

新型数字式电子探空仪具有探测精度高、可靠性强、使用简便等优点，是新一代高空气象探测的一种重要探测工具，但它的使用是否正确直接关系到高空观测记录完整性、数据准确性和探测业务质量。分析新型探空仪的业务使用情况并总结存在的问题，可为厂家改良仪器、进一步提升仪器性能提供直接的参考依据。高空气象观测业务人员在实际工作中，也要不断积累新型探空仪使用经验和故障判断、排除方法，不断提高高空气象观测业务质量。