青岛高空新型探空仪平行观测数据对比分析

青岛高空新型探空仪平行观测数据对比分析

任哲1，2，于红明1，刘树霄1

（1.青岛市气象探测保障中心,青岛 266003;2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,青岛 266003）

摘要：利用青岛探空2020年1月、7月新型探空仪与GTS1型探空仪平行观测记录，分别从基测数据、探空数据的气压、温度、湿度等方面，按月份和08时、20时分别统计50米间隔平均偏差。结果表明：新型探空仪基测感应时间比GTS1型普遍缩短；探测数据稳定性有明显的季节差异，干燥寒冷环境表现较差，温暖湿润环境表现较好，探测数据精度提高。建议继续提高新型探空仪感应元件稳定性，进一步提高仪器性能。

关键词：L波段雷达，探空仪，平行观测，对比分析

0 引言

近年来，全球变暖问题日益凸显，极端天气频发，重大灾害性天气现象给人类生产生活带来巨大损失。随着经济社会快速发展对气象业务服务的需求日益增长，精细化天气预报、灾害预警、气象环境监测等对观测资料精度、采样频率和空间分辨率的要求在不断提高。

高空气象探测是大气综合观测系统的重要组成部分，按照国家局对提高气象观测精密的要求，结合感应元件性能的提升，全国120个探空业务台站统一于2020年1月1日启用三款新型探空仪。探空仪换型同时开展平行观测。分别自2020年1月1日和2020年7月1日20时开始，每天1次，20时和08时交替进行。两个阶段各进行31次有效平行观测，严格按照《探空仪平行观测业务技术规定》执行。

青岛国家高空气象观测站（东经120°19′43″北纬36°04′20″，海拔高度77.2m）位于山东省东部，胶东半岛南部，胶州湾畔，属温带季风气候，具有显著的海洋性特点，自1974年建站并开展探空工作，先后使用过59型和GTS1型探空仪，探空系统每次换装都能给探测质量带来提升。

1 数据和方法

1.1 资料来源

使用青岛探空站平行观测的基测和探测数据。三款新型探空仪，分别是南京大桥机器有限公司GTS11型探空仪、上海长望气象科技股份有限公司GTS12型探空仪、太原无线电一厂GTS13型探空仪。与原GTS1型探空仪（上海长望）相比，三款新型探空仪主要在感应元件上有所更新，气压元件都采用硅阻固态压力传感器；温度元件由棒状热敏电阻改为珠状热敏电阻，表面真空溅射镀膜，响应速度快、防辐射性能和防水性能优良；改变最大的部分是湿度元件，由湿敏电阻改为高分子聚合物湿敏电容，特点是测湿范围广、灵敏度高、响应速度快。

1.2 分析方法

（1）基测数据以仪器放入基测箱开始计时，直到仪器值与基测箱示数相对稳定，分别记录了新旧探空仪的基测合格时间。统计基测值与仪器值之间的差值，计算其相对于0的标准偏差S。

                                                          （1）                   

（2）探测数据选用观测要素剧烈变化的地面到5500m资料，按50米等间隔截取数据点，分别计算GTS1型与新型探空仪气压、温度、湿度各要素的平均差值。

                                                    （2）

其中，是有效平均差值; 是同一时次新型探空仪第m高度上各次有效对比观测数据之和除以有效对比观测次数（n），计算公式如下:

                                                   （3）

是同一时次业务现用探空仪第m高度上各次有效对比观测数据之和除以有效对比观

测次数,计算公式如下:

                                                         （4）

2 结果分析

2.1 基测数据分析

新型探空仪温度、湿度感应元件外形和材质的改变，使其外露感应部分体积缩小。湿敏电容相对于湿敏电阻，不需要活化，可以反复使用，且易于保存，由此也有效减少了仪器施放前的准备时间。

与新型探空仪同步更新了四款基测箱，生产商分别是三家探空仪厂家以及北京国瑞智，经过对比，本站选用了北京国瑞智生产的新型探空仪基测箱（JKZ2-1型），因其密封性较好，不添加辅材的情况下，常温环境中温湿检测室内湿度能够保持在92%-99%。

表1  新型探空仪基测情况统计

三款新型探空仪的气压感应时间都最快，甚至可以忽落不计，其中GTS11与基测值差值最小，但GTS12和GTS13则差值比GTS1型要高；温度感应时间也相对较快，均小于5秒，且差值都较GTS1型有所减小；最终的合格时间取决于湿度部分，GTS13型表现最好，GTS11型次之，GTS12型感应时间比GTS1型要长，但均较GTS1型更靠近真实基测值。

2.2 气压数据分析

    气压差值保持相对稳定，三款新型探空仪在7月份的差值明显小于1月份。GTS11型表现较为稳定，月份差异较小，1月份20时差值略大于08时；GTS12型7月份差值较小且稳定，1月份08时和20时4000-5000米范围均有系统性超差点存在；GTS13型1月份差异较大，尤其08时存在整体偏差。

图1GTS11型探空仪气压平均差值（1月）（7月）

图2  GTS12型探空仪气压平均差值（1月）（7月）

2.2 温度数据分析

    温度差值与气压差值类似，7月份差值明显小于1月份，且08时与20时同样表现稳定。GTS12型相对其他两款季节差异最小，7月份08时和20时平均差值均小于0.14℃；GTS11型与GTS13型的季节差异相似，但1月份早晚差异相反。

2.3湿度数据分析

湿度表现与气压和温度略有不同，GTS12型变化幅度最小，且没有明显偏离；GTS13型7月份早晚曲线变化相似，后段有所收敛，1月份20时能够保持稳定，08时则出现较大偏离，且相对值较大；GTS11型1月份08时与20时差值变化趋势恰好相反，20时偏离较大，7月份同样表现比1月份稳定，且早晚趋势相似但幅度不同，20时偏离大于08时。

3 新型探空仪使用情况

通过一段时间的使用，三款探空仪在感应速度、信号强度和仪器稳定性等方面各有优劣，GTS11型施放后仪器变性较多；GTS12型基测时合格时间长；GTS13型施放后信号不稳定，偶尔会出现丢球现象。整体故障率高于GTS1型。下表摘自《2020年度新型探空仪观测业务质量评估报告》，与台站实际使用情况相符。

4 结语

从三款新型探空仪的基测合格情况来看，新型探空仪的温度和气压元件感应速度较快，湿度感应元件及特性曲线差异较大。仪器湿度值普遍小于基测箱干湿球读数，感应室内湿度越大，合格时间越短，差值越小，而且受环境湿度影响较大。结合探测数据分析，因此建议在全年中，冬春季使用GTS13型，春夏季使用GTS12型，夏秋季使用GTS11型，以平衡其自身特性差异。同时建议厂家重视发射机电子器件性能，着力提高探空仪整体稳定性。

参考文献

[1]L波段(l型)高空气象探测系统业务操作手册[M].第一版.北京:气象出版社.2005;1.

[2] 李伟,刘凤琴,徐磊,等.L波段高空气象探测系统软件[M].第一版.北京:气象科技,2008;80.

[3] 2020年度新型探空仪观测业务质量评估报告[R].北京.中国气象局气象探测中心..2021.

[4] 刘树霄.新型数字式电子探空仪故障分析及应用探讨[M].科学与信息化.2022,(16): P47-50.

[5] 贾秋兰,等: GTS12、GTS13与 GTS1数字探空仪观测数据对比分析[M]气象水文海洋仪器.,2020,(3):46-49.

基金项目：青岛市气象局青年专项，项目名称：新型探空仪平行观测数据对比分析，项目编号：2021qdqx03。

作者简介：任哲（1981-）男，本科学历，汉族，工程师，山东莱阳人，从事综合气象观测工作。

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