国内电子探空仪的发展及使用方法探讨

孙克敏,张海涛,张 祺,刘清芳

(1.长春市绿园区气象局,长春 130062;2.塔城地区气象局,塔城 834700)

0 引言

常规高空气象观测是指为了得到从地球表面到几万米高度空间的大气气象要素(气压、温度、湿度)和运动状态(风向、风速)等的变化情况,利用氢气球携带无线电探空仪,采用自由上升的方式进行观测、收集、处理等的活动和工作过程,也会有一些特殊需求的观测项目如大气成分、臭氧、辐射等。高空观测多以北京时间07:00和19:00为固定时段进行,每天2次,只有少数的高空观测站在北京时间01:00和13:00增加临时性加密观测。此外,日常工作中也存在不定时探测的情况,如需要观测大气的边界层状况探测、测量特殊要素的气象飞机探测和气象火箭探测等。无线电探空仪是探测对流层和平流层大气气象资料的重要仪器,主要组成部分包括感应器、转换器和发射装置。测量转换器的作用是把传感器传出的物理量信号转换成二进制代码,然后把接收到的北斗数据信号调制在32.7 kHz副载波上,再向1675 MHz载频的探空仪二次调制32.7 kHz的副载波,即可达到实时向地面传送气象数据的目的。GFE(L)1型二次测风雷达设备可以接收包括温度、气压、湿度在内的气象数据信息。雷达终端软件实时显示的温度、气压、湿度数据,是根据传感器标定参数(检定参数)计算得出的,该参数是在生产探空仪时得到的。雷达发射机先将一个询问脉冲(测距)信号发送给探空仪,探空仪发射机接收到询问脉冲信号后产生一个应答信号(回波)发回发射机,雷达与探空仪之间的斜距由此而得,从而完成了全方位的综合探测,得到从地面到30 km高度的气温、气压、湿度、风向和风速等数据。中国气象局为了提高国内高空观测质量,于2020-01-01T07:00全国高空站开始使用新型电子探空仪,新型电子探空仪在测量的精确程度、稳定性和环境的适应能力等方面优于原有仪器。

1 几种探空仪的同球比较

为提高探空仪的技术性能,2016年中国气象局综合观测司组织研制出新型电子探空仪,并开展了新型探空仪的业务比对试验,将新型探空仪和当时业务在用探空仪与国际先进的RS92型探空仪进行同球比较[1]。试验结果表明,3个厂家生产的新型探空仪各项性能指标均能满足常规高空气象观测业务需求,相比目前在用各种探空仪的指标有明显提高,业务稳定性指标也均能满足业务需求[2-4]。具体比对结果如表1所示。

表1 各探空仪性能比对

2 施放高度比对

新型探空仪使用方法简便,探测高度更高。图1是长春新旧两代探空仪的施放高度对比,比较结果表明新型探空仪在高空探测的质量和精度、探测信息的空间和时间密度等方面都有了比较显著的提高。另外,信号突然消失及仪器变性也大幅度减少,2019年发生仪器变性25次,2020年仅有15次仪器变性,2022年减少至5次仪器变性。

图1 长春新旧两代探空仪的施放高度对比

3 新型电子探空仪的优点

对GTS1,GTS1-1和GTS1-2型探空仪进行基测时,仪器值需订正到自动气象站气压传感器的高度(表2),而GTS11,GTS12和GTS13型探空仪的仪器值无需订正,直接计算即可。

表2 单位高度气压订正值

4 探空仪性能变化

新型电子探空仪温度指标均提高了0.1 ℃(表3),探空仪采样周期由1.5 s减少到1.0 s。温度传感器中的热敏电阻元件由棒状改为珠状后,反射率有所提高,其中短波超过90%,长波超过95%;湿度传感器由湿敏电阻转变为湿敏电容后,测湿范围更广,响应速度更快,并且改变后的传感器体积更小、灵敏度更高、迟滞系数更小、滞差环更小、温度系数更小;单片机由51单片机改为ARM内核单片机,转换精度16位,在50～-35 ℃范围内优于万分之三;发射机由分立元件改为贴片后,结构更简单、质量更小、频率调谐更方便。另外新型探空仪气压指标提高了0.5 hPa;湿度指标提高了1%RH,测得的探空数据更加精准。

表3 基测合格标准

5 使用方法及注意事项

新型电子探空仪应用至今,在带来便捷的同时,也在具体施放过程中发现了一些问题,文章针对这些问题总结出更有效的使用方法及注意事项如下:

1)独立抽真空包装的新型探空仪,使用前应避免打开包装,以防止湿度传感器长期暴露在空气中受环境影响测量准确度降低。

2)新型探空仪(GTS13型)基测、装配时将保温盒上保护温湿支架的“U”形槽推起,使其保持45°倾角,用以支撑温湿支架,保护温度传感器不被损坏。

3)新型探空仪在工作时不能用手触摸温、湿度传感器,避免传感器被污染和破坏。施放探空仪时支架弯曲要平缓,有一定弧度,否则会造成内部引线折断,造成温、湿度变性。此外,避免将温度感应器弄断,也不应将湿度保护帽拿掉。在基测时不应拆除传感器保护支架,以免基测时传感器受到损伤。在基测后,湿度测量元件的防护罩不要去掉且应保持原状施放,温湿传感器元件外的保护支架应撤下。

4)使用新型探空仪(GTS13型)进行基测时,若出现需要更换探空仪重新进行基测的情况,则要打开基测开关,否则探空仪序列号不会更新为新的仪器序列号。

5)新型探空仪(GTS11型)不能选“当数据超过给定范围时直接删除该数据”,否则软件将对异常数据直接进行删除处理(仅对GTS1-2型探空仪有效)。选择“当数据超过给定范围时用拟合值代替”后,整个系统接收数据的质量决定最终数据处理的效果,但有时会出现信号弱和信号干扰等情况,数据拟合替代功能可能因放球过程中连续数据异常而失效,此时应通过人工介入,及时选择“保留接收到的原始数据不进行任何处理”。

6)新型探空仪放球终止后如果不同时确定探空和测风终止时间,数据处理软件就不会产生00格式的BUFR报文。

7)对探空仪参数进行修改,温度、气压、湿度资料重新计算,该功能只对GTS1,GTS1-1和GTS12 3种型号的探空仪适用,需要备份后才能操作所需要的资料文件。

8)通过查看雷达显示屏给出的信息,检查蓄电池线路及插头是否连接完好,认真校对仪表编号是否正确,检查各插件安装牢固情况,判断仪表工作情况。

至少在施放前15 min进行装配工作,在将雷达频率调整到探空仪信号最佳状态,如果探空仪对准雷达却未调试出信号,应该立刻将电池接口重新插上。施放时,探空仪测温测湿元件的支撑臂应向上,探空仪天线尽量扳直,不应碰触温湿传感器。

6 结束语

文章综合近几年高空探测数据及实际应用中出现的具体问题得知,影响高空探测质量的关键因素是设备和仪器故障,因而探空仪的性能质量以及探空仪施放前的准备工作尤为重要。因此,在实际工作中应提高工作责任心,认真对待每一次观测,认真准备每一个探空仪,认真校对每一个探测数据,保证每一次探测得来的数据都真实可靠。