3种新型探空仪的质量评估及风险应对措施

张 明,覃金华,孙文辉

(湖北省宜昌市气象局,宜昌 443000)

0 引言

常规高空气象观测是指以气球携带探空仪探测地面至几万米高空大气中的气压、气温、湿度、风向风速等气象要素变化的活动,所获得的探测资料是中国综合气象观测系统的重要组成部分,不仅在天气预报、气候诊断预测及大气环境监测中被广泛应用,还可作为各种大气遥感观测设备如风廓线雷达、微波辐射计、人影探空火箭等的参考标准[1-12]。因此,探空数据的质量越来越受到广大学者的重视[13]。

在影响探空数据质量的因素中,观测仪器的质量与探测精度会对探测数据的准确性产生直接的影响[14]。世界各国为了提高高空探测资料的准确性和精度,不断地采用新技术对探空仪加以改进。中国为了更好地满足用户需要及不同业务的需求,亦在不断地以新技术、新工艺改进探空仪。在改进的过程中,探测精度一直是广大学者关注的重点,然而探空仪的质量极少受到关注[15-22]。

2020年1月中国气象局组织全国各高空气象观测站开展了新型探空仪的平行观测和业务试运行,现新型探空仪已正式用于探空业务,期间采取业务试用和交叉使用相结合的方式逐步加深对新型探空仪的业务使用。目前,在业务使用过程中3种新型探空仪会不定期出现基测不合格、探空仪变性、信号突然消失等问题,对仪器的使用、探测数据质量等造成了一定的影响。文章以宜昌国家高空气象观测站为例,统计分析3种探空仪在业务使用中出现的质量问题,并针对质量问题提出可行的防范处理方案,以期为新型探空仪的业务应用及探空数据质量的影响研究等提供参考。

1 资料来源

探空仪质量资料来源于2020—2021年宜昌国家高空气象观测站在开展高空气象观测过程中的值班日志及每月的质量统计数据。文章涉及的数字式探空仪分别为GTS11型、GTS12型以及GTS13型探空仪。

2 探空仪质量评估

根据《常规高空气象观测业务规范》,定时常规高空气象观测应在正点进行,不得提前施放,不得早测(在规定正点时间前开始进行观测)或迟测(超过规定正点时间5 min以上开始进行观测)。早测在台站几乎不会发生,但迟测现象时有发生,除台风、大风(风速14 m/s及以上)、暴雨、暴风雪、雷达故障等非人为原因外,在探空仪准备过程中出现仪器不合格、施放前仪器要素突然变性及信号突然消失等造成的仪器重新准备也是导致迟测的主要原因。宜昌高空站2021—2022年3种新型探空仪(GTS11,GTS12,GTS13)施放频次分别为367次、753次和342次。

2.1 探空仪准备情况

为详细了解宜昌高空站使用的3种新型探空仪的质量情况,主要针对可能引起迟测的因素,统计2021—2022年3种仪器在仪器准备中出现的基测不合格、要素变性、信号突然消失等情况的分布(图1)。

图1 3种新型探空仪在准备过程中出现的异常情况

探空仪基测不合格主要出现在仪器准备的最初阶段,表现为探空仪基测过程中气压、气温、湿度中的一种或多种误差超过测量误差范围。该问题出现后需更换仪器并重新基测,这会增加仪器准备时间,但由于问题出现较早,在提前45 min准备的情况下,对探空仪的施放影响相对较小。

探空仪要素变性在仪器准备过程中或仪器施放后都可能出现,表现为探空仪气压、气温、湿度中的一种或多种要素值出现极大或极小值并保持不变。在仪器准备过程中出现探空仪要素变性需重新准备仪器,这会大大增加仪器准备时间,进而导致探空仪的迟放;在仪器施放后出现探空仪要素变性则可能导致重放球,此种现象在台站无法有效防范,故未做统计。

探空仪信号突失在仪器准备过程中或仪器施放后都有可能出现,表现为无法有效接收探空仪信号,所有要素均丢失。在仪器准备过程中出现探空仪信号突失需重新准备仪器,这会大大增加仪器准备时间,进而导致探空仪的迟放;在仪器施放后出现探空仪信号突失则可能导致重放,此种现象在台站无法有效防范,故未做统计。

在探空仪准备过程中出现的要素变性、信号突然消失情况,因为涉及探空仪的更换及重新基测、仪器装配等,将对台站的探空质量造成较大的影响。从图1可以看到GTS13出现要素变性、信号突然消失的情况较多,而GTS12出现要素变性、信号然消失情况的比例明显较少。因此,在对探空观测质量的影响方面,GTS12的质量优于GTS11,GTS11的质量优于GTS13。

2.2 跑球情况

跑球是指在探空仪施放后因探空仪质量问题、高空信号干扰、雷达问题等引起的L波段雷达未有能效跟踪探空仪,进而导致探测的风向风速等数据异常,对探空质量造成一定的影响。

统计2021—2022年3种新型探空仪施放后出现的跑球情况统计如图2所示。由图2可知,出现跑球的概率大小顺序为GTS11

图2 3种新型探空仪施放后出现的跑球情况统计

3 风险防范对策

3.1 基测不合格的防范

探空仪基值测定在探空仪基测箱中进行,要求环境稳定,避免阳光直射。探空仪各传感器要在探空仪基测箱环境中充分感应,探空数据的变化特性要与标准仪表的响应特性相适应。探空仪测得的气象要素值与标准仪表示值比较,必须达到规定的要求,否则不得施放。探空仪在基测箱环境中测得的气象要素值稳定后,由值班员在高空气象观测软件中启动基测功能,并录入标准仪表示值以判断是否达到规定的要求,若未达到,则需更换探空仪并重新置入基测箱内,待充分感应后启动新仪器进行基测,这将大大增加仪器准备的时间。

防范措施:由于基测箱及探空仪通电后,仪器探测值可以通过高空气象观测软件直接查看,且标准仪表示值可通过基测箱面板直接查看。因此,在高空气象观测软件中启动基测功能前,可以比较两者的差距,若任一要素的误差超出规定要求,则可以判定其不合格,须更换仪器,无需启动基测,进而减少仪器准备时间;若连续多个仪器出现误差超出规定要求,则需检查基测箱是否处于正常状态。

3.2 仪器准备中要素变性、信号突然消失的防范

在仪器准备过程中出现要素变性、信号突然消失,须立即更换探空仪,并重新基测、装配仪器等。此类故障多出现于仪器装配完成等待施放的过程中,会严重影响探空仪的施放。因此,出现此类故障时需要最大限度地减少仪器准备时间,以避免高空探测的迟测现象。

防范措施:探空仪的准备过程包括仪器包装的拆除、仪器基测、电池的赋能、仪器的装配及与气球的连接。其中仪器基测、仪器的装配及与气球的连接无法提前准备,需要在更换仪器时进行操作,同时,仪器基测可以在准备阶段按章节3.1的防范措施提前确保仪器基测合格;而仪器包装的拆除、电池的赋能则可以在首次仪器准备时准备好,即提前准备一套备份探空仪及电池,进而减少仪器准备时间。

3.3 施放后跑球的防范

在探空仪探测过程中,因探空仪质量问题、电磁环境干扰等造成雷达无法有效跟踪探空仪,简称跑球。跑球会导致探测的气象要素异常,若无法及时调整雷达正常跟踪则会严重影响探测的质量。

防范措施:对于探空仪施放后因探空仪质量问题引起的跑球,要强化对设备异常的敏感性。除了日常对雷达的维护保障,在探空仪准备过程中,若发现虽能正常采集探空仪的气象要素值,但异常值较多的情况,则应调整雷达天线,使其对准探空仪,若调整后异常值仍较多,则探空仪质量可能存在问题,应及时更换探空仪以避免升空后出现跑球现象;对于因其他原因引起的跑球,无法在准备阶段发现,只能在出现跑球现象时进行人工补救,因此,要在高空探测过程中密切监视探测情况,同时,强化学习跑球问题的处理方法。

4 结束语

在仪器准备过程中,GTS13出现质量问题的概率最大,但GTS11出现要素变性、信号突然消失的情况较GTS12多;在仪器施放后,出现跑球的概率大小顺序为GTS11GTS11>GTS113,即GTS12质量最好,GTS11其次,GTS13质量最差。

针对探空仪准备过程中因质量问题所存在的风险,防范的措施包括:1)仪器基测前通过观察基测箱面板值及高空业务软件接收的仪器探测值,提前确认是否能通过基测;2)始终准备好2套探空仪和电池,一套使用,另一套备用,确保在仪器准备阶段出现异常时能尽可能减少更换仪器的时间。针对探空仪施放后因质量问题所存在的跑球风险,防范的措施主要包括:1)增强对设备异常的敏感性,及时发现并提前更换仪器;2)加强业务技术学习。

文章并未提及探空仪的质量问题对探空资料质量的影响程度,仅提出了针对性的防范处理措施,质量问题对探空数据质量的影响还需后期进行试验研究。